Activités de recherche

Microscopie Acoustique

La microscopie acoustique est une méthode d’imagerie et de caractérisation utilisant des ondes mécaniques de fréquence suffisamment élevées (de quelques MHz à plusieurs GHz) pour atteindre des résolutions comparables à celles des microscopes optiques.

Les applications sont nombreuses dans la recherche et l’industrie pour détecter des défauts dans des matériaux multicouches, optiquement opaques, avec des résolutions allant de 1 µm à 1 mm.

Avantages de la microscopie acoustique sont :

  • La possibilité d'imager les structures subsurfaces des matériaux opaques (sans préparation de surface minutieuse : ex sans attaque chimique)
  • Le caractère non destructif de la technique pour la plupart des matériaux (ultrasons de faible intensité, de qq. mW à qq. 100 mW)
  • Les images acoustiques obtenues contiennent des informations relatives aux propriétés mécaniques et à la microstructure des matériaux (densité, élasticité, viscosité, porosité, adhérence, topographie, ...) : c'est donc aussi une méthode de caractérisation microstructurale
  • Un meilleur contraste qu’en optique dans certaines situations particulières : exemple interface Verre/Plexiglas® aussi transparents l’un que l’autre mais offrant un contraste important en acoustique

1. La micro-échographie acoustique (imagerie)

  • Généralement utilisée en réflexion
  • Fonctionnement en mode impulsionnel
  • Traducteurs d'angle d'ouverture faibles
  • On travaille sur l'amplitude du signal reçu (traitement du signal simple)

Les images obtenues par balayage représentent les variations de propriété d'origine structurelle (propriété mécanique) ou géométrique (relief, microfissures, ...) de la surface du matériau étudié. Le volume de mesure est défini par la surface de la taille de la tache focale et par la profondeur subsurface (dépendant de la longueur d'onde dans le matériau). La résolution dépend de la durée de l'émission ultrasonore, de la fréquence propre du traducteur, du degré de focalisation de la lentille acoustique, du liquide de couplage.

Pour réaliser les images ci dessous, nous disposons d’un microscope acoustique à balayage (SAM) Sonoscan 3100 et d’un système développé en interne permettant de stocker l’intégralité des signaux temporels pour post traitements (images de phase, image de temps de vol, etc.)

Superposition d’une image optique et de détails d’images acoustiques montrant la résolution atteinte avec un traducteur focalisé de faible ouverture et de fréquence centrale 50 Mhz

Images d’une éprouvette de matériaux composite fibré.
Avec le systeme Sonoscan 3100, chaque image nécessite un nouveau balayage de la pièce, les signaux n’étant pas numérisés pour stockage (codage de l’amplitude du signal « à la volée » dans une fenêtre temporelle donnée)

Comparaison entre le SAM Sonoscan 3100 (acquisition rapide de l’image 5min env.) et le système INSA (acquisition lente 2h env. mais avec la possibilité de fenêtrage temporels ultérieurs pour imager diverses profondeurs de l’éprouvette)

Illustration du principe de fenêtrage temporel pour la restitution d’images subsurface.

Image en temps de vol obtenue avec le système INSA, représentant la reconstruction de la topographie de la pièce immergée (axe vertical codé en mm à partir des mesures de temps de vol de l’impulsion US dans l’eau)

2. La micro-interférométrie acoustique (caractérisation)

  • Défocalisation du faisceau
  • Fonctionnement en mode train d'ondes (tension sinusoïdale de qq. 10 ou 100 de périodes) ou impulsionnel
  • Traducteurs à grand angle d'ouverture (pour la génération d’ondes de Rayleigh)
  • Interférences entre ondes de Rayleigh et ondes directement réfléchies par la surface de l’objet

Principe de la micro-interférométrie : interférences entre le faisceau réfléchi en incidence normale (I) et le faisceau réémis à l’incidence critique de Rayleigh (II). 

En faisant varier l’altitude z du traducteur on réalise la signature acoustique V(z) qui permet d’accéder aux propriétés mécaniques du matériau Le calage du modèle permet de mesurer la vitesse des ondes de Rayleigh par l’intermédiaire de la périodicité de la courbe V(z) pour les Z négatifs (défocalisation du faisceau sous la surface de l’échantillon)

Simulation et mesure expérimentale de la fonction V(z) pour un alliage Inconel 600. Détail : coefficient  de réflexion coefficient complexe du matériau immergé dans l’eau. Caractéristiques du transducteur utilisé :

  • fréquence 10 MHz
  • focale 8 mm
  • angle d’ouverture 36°

Alliage Inconel 600. Evolution théorique de la signature V(z) en fonction de l’angle d’ouverture du capteur. On distingue clairement l’angle critique des ondes de Rayleigh à 30,51° pour cet alliage (dans l’eau à 25°C). En noir, courbe V(z) pour l’ouverture du capteur utilisé expérimentalement (36°)