Diffusion acoustique par des coques cylindriques limitées immergéesOndes hélicoi͏̈dales : analyse des réponses temporelles et identification complète des résonances

Acoustic scattering from finite loaded cylindrical shells. Helical waves : analysis of time domain responses and complete identification of resonances

• Auteur / Autrice : Lionel Haumesser
• Direction : Gérard Maze
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Instrumentation et commande. Acoustique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Le Havre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élasticité

Identification

Résonance

Analyse modale (ingénierie)

Analyse temporelle

Ondes -- Propagation

Traitement du signal

Vibrations

Tubes métalliques

Acoustique sous-marine

Ultrasons

Ondes sonores -- Diffusion

Résumé

La pression acoustique diffusée par des tubes de longueur finie, immergés dans l'eau, est analysée expérimentalement et théoriquement dans les espaces de Fourier. La signature, spectrale et temporelle, de tels objets est interprétée en termes de résonance et de propagation d'ondes de surface. Les diffuseurs sont en acier inoxydable, de rapports des rayons interne sur externe égaux à 0,83 et 0,97. Ils sont excités en champ lointain par des signaux ultrasonores large bande, pour des angles d'incidence compris enter 0ʿ (incidence normale par rapport à l'axe principal des objets) et 50ʿ. Les résonances présentes dans les réponses spectrales rétro diffusées, relatives aux ondes hélicoi͏̈dales Sʿ et Tʿ, sont identifiées. Les modes de vibration associés sont déterminés expérimentalement en utilisant deux dispositifs de mesure bi-statiques. Un premier montage, où le transducteur récepteur tourne dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube, conduit à l'identification des modes circonférentiels (n) ; un second montage original, où le récepteur se déplace parallèlement à l'axe de l'objet, permet d'identifier les modes axiaux (m). Ces résultats sont en accord avec ceux obtenus à l'aide d'une approche théorique modale hybride combinant la théorie de l'élasticité et l'intégrale de diffraction de Kirchhoff. Ces informations (fréquence de résonance, n, m) permettent d'évaluer la vitesse de phase et l'angle de propagation de l'onde correspondante. On réalise ainsi l'identification complète des résonances de l'objet (nature de l'onde, n, m). Chaque résonance, manifestation d'un mode propre de l'objet limité sélectionné par les conditions d'excitation, est observée à une seule fréquence pour plusieurs angles d'incidence voisins. Un modèle géométrique décrivant le parcours hélicoi͏̈dal des ondes sur le tube permet l'analyse des réponses temporelles. Les temps auxquels les échos sont observés, sont associés à des trajets de l'onde Tʿ. L'influence des dimensions des objets (longueur et diamètre) sur la rétro diffusion est ainsi étudiée. L'approche géométrique permet également de considérer les effets liés à la présence d'un disque radial dans les tubes : le rôle de l'onde A (onde d'interface) devient prédominant.

Acoustic pressure scattered by finite fluid loaded cylindrical shells, is experimentally and theoretically analyzed in Fourier spaces. Spectral and time domain signatures of such objects are interpreted in terms of resonance and propagation of surface waves. The scatterers are made of stainless steel, with inner over outer radii ratio equal to 0,83 and 0,97. They are excited under the far field conditions by broadband ultrasonic signals, for incidence angles comprised between 0ʿ (normal incidence to the shell main axis) and 50ʿ. Resonances present in backscattered spectral responses, associated to Sʿ and Tʿ helical waves, are identified. The associated vibration modes are experimentally determined by using two bistatic experimental arrangements. The first setup, in which the receiver transducer rotates in a plane normal to the shell axis, leads to the identification of cicumferential mode (n) ; the second, rather original setup, in which the receiver moves parallel to the shell axis, yields the identification of axial modes (m). The results are in agreement with those obtained with a hybrid modal theoretical approach combining elasticity theory and Kirchhoff diffraction integral. This information (resonance frequency, n, m) makes possible the evaluation of the phase velocity and the propagation angle of corresponding wave. The complete identification of target resonances is thus achieved (nature of the wave, n, m). Each resonance, expression of a finite length objet eigenmode selected by excitation conditions, is observed at a single frequency for a number of closely spaced incidence angles. A geometrical model depicting wave helical travel paths on the shell renders possible the analysis of time domain responses. Times at which echoes are observed, are related to the travel paths of the Tʿ. The influence on backscattering of the shell's characteristic dimensions (length and diameter) is studied in this way. The geometrical approach also enables the consideration of effects linked to the presence of an internal plate bulkhead : the role of the A wave (interface wave) becomes prominent.