Ondes élastiques guidées proche et loin d'un bord libre mesurées par ultrasons laser : dispersion et résonances

Le contrôle non destructif (CND) d'un matériau fissuré consiste à localiser avec précision les fissures et à accéder à leurs paramètres intrinsèques. Comme une fissure a généralement une géométrie complexe, avec différents points de contact et des contraintes inhomogènes le long de la fissure, il est très compliqué de développer un modèle avec ce niveau de détail. Pour cela, nous avons choisi de nous intéresser à la propagation d'ondes élastiques guidées par le bord libre d'une plaque, ce qui revient donc à considérer le cas d'une fissure ouverte (aucun contact entre les deux parois). Similairement à la surface libre d’une plaque qui guident la propagation d’ondes de Rayleigh, les bords libres d’une plaque servent de guide d’onde à la propagation d’ondes de bord. Jusqu’à présent, seuls les modes de bord fondamentaux ont été utilisés en CND, en détectant la présence de fissures sur le bord libre d’une structure par mesure d’un coefficient de réflexion. À notre connaissance, l’observation des modes de bord supérieurs a été réalisée par une seule équipe, au moyen de transducteurs. L’inconvénient de cette méthode est qu’elle nécessite de coller un transducteur sur le bord, ce qui est peu aisé pour le cas d'une fissure, même ouverte, rendant ainsi la caractérisation de cette dernière compliquée par des modes de bord supérieurs générés par transducteur.Nous proposons ici de générer et de détecter les modes de bord supérieurs au bord libre d’une plaque par ultrasons laser. Cette méthode à large bande et sans contact est parfaitement adaptée pour pouvoir mesurer les ondes se propageant le long d’une fissure, quelques soient les contacts qui la composent. De plus, nous proposons d’étudier les résonances associées aux ondes de bord, appelées « résonances de bord ». Nous nous intéressons également à un autre type de résonances que sont les résonances à vitesse de groupe nulle (ZGV), qui sont, elles, associées aux ondes de Lamb, observées habituellement loin des bords d’une plaque. Nous étudions ici l’effet du bord libre sur les résonances ZGV, en mesurant point par point les résonances excitées du bord libre au milieu d’une plaque. Comme prévu, la résonance de bord est mesurée à proximité du bord libre, et les résonances ZGV sont observées loin de celui-ci. Une zone de coexistence des résonances de bord et de ZGV a été mise en évidence expérimentalement. Les ondes de bord d'ordre supérieur sont générées et détectées par ultrasons laser. La dispersion des ondes de Lamb est mesurée avec un balayage loin du bord libre, et celle des ondes de bord sont observées le long de celui-ci. Ces expériences sont réalisées sur deux échantillons différents et comparées entre elles, à savoir une plaque de verre et une plaque de silicium. Les deux types d'ondes sont identifiés avec succès par leurs courbes de dispersion théoriques respectives. Enfin, il est démontré expérimentalement que dans le silicium, l’excitation des résonances ZGV dépend de l’intensité du laser d’excitation. En effet, le silicium étant un semi-conducteur, plusieurs mécanismes peuvent conduire à la génération d’ondes élastiques selon l’intensité du laser de génération : la thermoélasticité (tout comme dans le verre) et la déformation électronique. Ces différents mécanismes sont observables non seulement sur les signaux temporels, mais ont également été étudiés en observant l’évolution de l’amplitude des résonances ZGV. Cette étude en fonction de l’intensité du laser d’excitation dans le silicium pourra par la suite être menée sur les résonances à proximité d’une fissure ouverte ou fermée, ce qui permettra de distinguer la réponse non-linéaire propre à la fissure de celle due au mécanisme de génération. Plus généralement, ces expériences pourront être généralisées à l’étude de vraies fissures afin d’identifier la nature du contact entre les faces de la fissure en observant ces résonances de bord et/ou d’interface.