La propagation du son

Comprendre l'impédance acoustique des ondes sonores.

Faisons un bond dans le passé, il y a quelques siècles. Sir John William Strutt, 3e baron Rayleigh (1842-1919), était un physicien anglais qui a codécouvert l'élément argon et a reçu le prix Nobel pour cette découverte en 1904.

Rayleigh était également reconnu pour ses travaux et contributions importants dans les domaines de la physique quantique, de l'optique et de la théorie du son. Nommé professeur Cavendish de physique expérimentale en 1879, il avait publié son premier article deux ans auparavant, en 1877. Cette nouvelle théorie a permis de clarifier comment le son est transmis et émis par différents milieux. Il a utilisé et expérimenté des cordes tendues, des cloches, des plaques de métal et des membranes non seulement pour montrer, mais aussi pour prouver comment les ondes sonores se transmettent à travers différents milieux, en utilisant des modèles mathématiques et des discussions sur les résultats de l'expérience.

Sir John William Strutt, 3e baron Rayleigh

Dans sa publication, Rayleigh affirme que « une observation très superficielle suffit souvent à montrer que les corps sonores sont dans un état de vibration et que les phénomènes du son et de la vibration sont étroitement liés ». De plus, « lorsqu’on touche une cloche ou une corde vibrante avec le doigt, le son cesse au moment même où la vibration s’amortit. Mais, pour agir sur l’ouïe, il ne suffit pas d’avoir un instrument vibrant ; il faut aussi une communication ininterrompue entre l’instrument et l’oreille. »

Qu'est-ce qui produit des ultrasons ?

De nombreux éléments produisent des ultrasons, et il incombe à l'analyste CBM d'identifier les émissions ultrasonores présentes dans la zone où il travaillera, avant de collecter les données et les ondes sonores .

On distingue cinq grandes catégories d'émissions ultrasonores, parfois désignées par l'acronyme FITEM : friction, impact, turbulence, environnement et anthropique. Les émissions par friction, impact et turbulence sont souvent directement liées à un problème fluidique, électrique ou mécanique, et correspondent donc précisément à ce que l'on cherche à détecter. En revanche, les émissions ultrasonores environnementales et anthropiques sont « antagonistes », c'est-à-dire qu'elles entrent en compétition avec les fréquences du problème ciblé.

• Frottement : Il peut être généré de nombreuses façons, par exemple lorsque deux surfaces glissent l’une contre l’autre, roulent l’une sur l’autre, ou lorsqu’un objet se déplace dans un gaz ou un liquide.

• Impactant : Des décharges d'énergie plus courtes et de fréquence plus élevée, provoquées par le choc de surfaces l'une contre l'autre.

• Turbulence : Elle se produit uniquement dans les gaz ou les liquides lorsqu'ils interagissent avec différentes surfaces.

• Environnement : Les occurrences naturelles d'ultrasons ne sont pas rares, même dans des environnements industriels, comme les nids de guêpes et les gîtes de chauves-souris.

• Objets fabriqués par l'homme : les détecteurs de mouvement, les répulsifs antiparasitaires, les produits de nettoyage industriels, les panneaux d'affichage, les moniteurs et de nombreux autres objets fabriqués par l'homme peuvent émettre des fréquences ultrasoniques comme sous-produit de leur fonction prévue.

En tant qu'inspecteur par ultrasons, il est important de se rappeler que l'onde sonore est une vibration du milieu qu'elle traverse . Ce milieu doit être élastique pour pouvoir transmettre son énergie sans interférence avec l'outil/module de l'inspecteur.

Loi de l'inverse du carré

Pour chaque doublement de la distance à la source sonore, l'intensité sonore diminue de 6 dB. Cette information est essentielle pour la détection des émissions ultrasonores, car la distance à la source influe directement sur les mesures. En supposant une mesure initiale à 30 cm de la source sans perte de dB, on observerait une perte de 6 dB à 60 cm et de 32 dB à 9 m.

Nous connaissons désormais précisément l'atténuation de l'énergie acoustique dans un milieu gazeux et l'influence de l'atmosphère sur la propagation des ondes sonores. Cependant, la loi de l'inverse du carré (et les mesures correspondantes mentionnées précédemment) supposent que le son se propage en champ libre, sans être affecté par des facteurs externes. Or, dans la réalité, ce n'est pas toujours le cas. Vous trouverez ci-dessous six des impédances d'énergie acoustique les plus courantes.

Impédances acoustiques - Air

• Transmission : Les ultrasons se propagent dans l’atmosphère. Il faut tenir compte du fait que le son se propage plus lentement dans une atmosphère gazeuse que dans un milieu solide ou liquide . Par exemple, on peut entendre un train à des kilomètres de distance en collant son oreille à la voie ferrée ( solide – particules très denses ). Les baleines peuvent communiquer entre elles sous l'eau, à des kilomètres de distance, avec un délai minimal ( liquide – particules moyennement denses ). Le tonnerre peut parfois mettre plusieurs secondes à être entendu après un éclair ( gaz – particules moins denses). Tous ces exemples concernent la transmission du son.

• Réflexion: Ce phénomène se produit lorsqu'une onde sonore se réfléchit sur une surface plane. Le point de réflexion (également appelé angle d'incidence) peut souvent être confondu avec la source ultrasonore initiale. Par exemple, si vous avez localisé une émission ultrasonore à l'aide d'un détecteur d'ultrasons, mais que l'emplacement identifié ne présente aucune source potentielle d'ultrasons, il se peut que vous ayez localisé un point de réflexion sur lequel l'onde sonore ultrasonore initiale s'est réfléchie.

• Réfraction : Similaire à la réflexion, la réfraction se produit lorsqu'une onde sonore passe d'un milieu à un autre. Contrairement à la réflexion qui a lieu sur une surface solide, la réfraction se produit généralement dans un liquide (un état de la matière qui permet le passage de l'énergie sonore). L'onde sonore réfractée subit alors l'influence de l'élasticité et de la densité du nouveau milieu (également appelée indice de réfraction). On peut utiliser ces propriétés pour calculer l'effet du matériau sur la vitesse de propagation de l'énergie sonore dans le nouveau milieu, par rapport à celle dans le milieu d'origine, grâce à la loi de Snell-Descartes.

• Diffraction : la déviation d’une onde sonore par courbure autour d’un obstacle ou par étalement/compression à travers celui-ci. La diffraction se produit souvent lorsqu’une onde sonore traverse une très petite ouverture. Entendre quelqu’un parler au coin d’un mur est un exemple courant de diffraction, car l’onde sonore se courbe autour de l’obstacle et le traverse pour parvenir à l’oreille de l’auditeur.

• Absorption : L’absorption acoustique désigne la capacité d’un milieu à capter une partie de l’énergie sonore reçue . Les matériaux solides et poreux, comme la mousse ou la fibre de verre, sont des exemples courants de matériaux absorbant le son. La portion absorbée de l’onde sonore initiale est convertie en une nouvelle forme d’énergie (généralement de la chaleur) et est évacuée du matériau. La portion restante de l’onde sonore, non absorbée, est réfléchie .

• Diffusion : Processus par lequel une onde sonore interagit avec une surface particulièrement rugueuse, générant de multiples ondes sonores d’énergie réduite. Ces ondes résultantes ont des directions et des amplitudes imprévisibles, ce qui rend la diffusion difficile à contrer lors de la détection ultrasonore.

Impédances acoustiques - Effet de la densité :

En plus des facteurs mentionnés ci-dessus, la vitesse réelle d'une onde mécanique (sonore) se propageant dans un milieu est directement proportionnelle à la température, à l'élasticité et à la densité de ce milieu. Les différents milieux provoqueront un délai différent en raison de leurs propriétés d'absorption et de réémission.

Plus un matériau est chaud et dense , plus ses atomes sont proches les uns des autres et plus le son s'y propage rapidement . C'est pourquoi les ondes mécaniques, comme le son, ne peuvent pas exister dans le vide. Elles nécessitent un milieu physique pour se propager. L'espace est un vide où les atomes sont si éloignés les uns des autres que la propagation du son est impossible. Voir ci-dessous les vitesses du son dans différents matériaux courants.

De la propagation du son à la détection des fuites par ultrasons

Maintenant que nous en savons plus sur les facteurs externes et environnementaux ainsi que sur les impédances, voici quelques conseils généraux et bonnes pratiques à suivre lors de la détection par ultrasons. Les environnements industriels où l'on rencontre fréquemment des problèmes liés aux ultrasons sont souvent bruyants, chaotiques et saturés d'ondes sonores couvrant tout le spectre acoustique. Il est donc important de savoir comment contrer les ultrasons parasites et les bruits ambiants afin de recueillir des données précises.

1. Effectuez un sondage acoustique de la pièce avant de commencer le processus de détection afin d'obtenir une meilleure compréhension initiale de l'espace et de déterminer l'emplacement approximatif de toute anomalie ultrasonore.

2. En cas de fuite d'air comprimé, voici quelques conseils courants pour vous aider à en identifier la source :

   1. Vérifiez que les systèmes sont entièrement pressurisés.

   2. Suivez le flux de la tuyauterie depuis le compresseur.

   3. Vérifiez que toutes les vannes concernées sont ouvertes.

3. Si vous utilisez le PROSARIS OL2 Puck pour centraliser la gestion sur l'emplacement source, il est important de mettre en œuvre les bonnes pratiques suivantes :

   1. Réduisez physiquement la distance par rapport à la source. Une fois que vous commencez à localiser la source, l'étape suivante consiste à vous rapprocher encore davantage pour obtenir une position plus précise. N'oubliez pas d'ajuster le curseur Distance dans l'application PROSARIS sur votre tablette une fois que vous êtes à moins de 1,80 mètre. Cela garantira l'exactitude des différents calculs d'enregistrement.

   2. Balayez la zone autour de la source de l'émission. Il n'est pas rare que d'autres fuites se trouvent à proximité. Ces fuites pourraient être confondues avec la fuite principale, à moins de vous approcher suffisamment pour confirmer la présence de plusieurs sources.

4. Si vous avez du mal à localiser la fuite (qu'elle soit due à d'autres fuites ou à des ultrasons parasites), essayez une technique de blindage. La méthode la plus simple consiste à vous placer entre la source ciblée et les autres émissions ultrasonores indésirables.

   1. En cas de besoin, vous pouvez même utiliser un morceau de carton ou un bloc-notes pour bloquer temporairement les sources d'ultrasons antagonistes restantes.

   2. Nouer un chiffon d'atelier sur une fuite permet également d'atténuer son impact acoustique dans la zone. Cela facilite l'isolation, notamment pour les fuites situées en bas de la colonne d'eau.

Le savoir est un atout précieux pour mener à bien des travaux de détection ultrasonique. Comprendre les principes scientifiques qui sous-tendent le son vous permettra de choisir les techniques, stratégies et outils les plus adaptés.