Acústica guiada y problema inverso

Las actividades de investigación desarrolladas en el marco de este tema tienen como objetivo comprender los fenómenos de interacción entre las ondas acústicas guiadas y la materia. Por tanto, estas actividades requieren el estudio teórico y experimental de la excitación y propagación de estas ondas en diferentes tipos de medios. Uno de los objetivos es desarrollar métodos de caracterización adecuados y optimizados para la evaluación no destructiva de las propiedades físicas y estructurales de los materiales. Las principales actividades se refieren a los ultrasonidos láser (LU), los transductores interdigitales (IDT),...

La terminología "ultrasonido láser" se refiere a un método para la generación y detección sin contacto de ondas acústicas. En comparación con otras vías, esta solución no requiere el uso de un medio de acoplamiento. También permite la caracterización de materiales llevados a altas temperaturas y se adapta fácilmente a estructuras con geometrías complejas para las que la aplicación de los métodos convencionales suele resultar difícil.

La excitación de ondas ultrasónicas se consigue irradiando la muestra con un pulso láser focalizado de formas espaciales y temporales bien definidas. Esto provoca una absorción local de la radiación luminosa, causando un calentamiento repentino de la zona impactada. Dependiendo de la densidad de potencia de la luz incidente, se pueden distinguir dos modos principales de generación fotoelástica: el modo termoelástico y el modo de ablación.

Además, la detección de las ondas ultrasónicas también se realiza ópticamente por interferometría. El principio de esta detección se basa la mayoría de las veces en la medición del desplazamiento normal de la superficie de la muestra cuando pasa la onda ultrasónica.

El principio de esta detección se basa en la medición del desplazamiento normal de la superficie de la muestra cuando pasa la onda ultrasónica.

Nuestras actividades se centran actualmente en la modelización de fuentes fotoelásticas y en la caracterización de estructuras de tipo capa sobre sustrato mediante ondas superficiales o de placa. Además, estamos interesados en la interacción onda-defecto y en el desarrollo de técnicas para trabajar a frecuencias más altas.

Nuestras actividades se centran actualmente en el modelado de fuentes fotoelásticas y en la caracterización de estructuras capa-sustrato por ondas superficiales o de placa.

Figura 1: Modelado de la excitación de las ondas ultrasónicas por la fuente láser- Figura 2: Dispositivo de ultrasonido-láser

Figura 3: Ondas de placa de ultrasonido-láser y curvas de dispersión asociadas para una capa de indio sobre silicio

Complementariamente a la actividad anterior, también estamos desarrollando un método de caracterización de capas y materiales graduales basado en la implementación de sensores interdigitales (IDT). Esto permite la generación de ondas acústicas superficiales cuasi monocromáticas cuya frecuencia es "adaptable" a la estructura considerada.

Complementariamente a la actividad anterior, también estamos desarrollando un método de caracterización de capas y materiales de gradiente basado en el uso de sensores interdigitales (IDT).

Figura 4: Modelización y generación de ondas superficiales mediante IDT - Comparación de los desplazamientos generados por la onda de modelización y la experimentación

Un primer punto a destacar es el de los ultrasonidos láser, que se utilizan cada vez más para los ensayos no destructivos y la evaluación de materiales. Son de especial interés para diversos sectores de actividad, como la electrónica y el transporte. En efecto, este método de excitación y detección de las ondas ultrasónicas presenta ciertas ventajas con respecto a los métodos más convencionales, a menudo basados en el uso de transductores piezoeléctricos. Entre estas ventajas, podemos mencionar el amplio ancho de banda, la ausencia de contacto, la posibilidad de estudiar estructuras de geometría compleja.

Las estructuras del tipo película fina sobre sustrato son de suma importancia en el campo de la microelectrónica. Las propiedades físicas de estas estructuras dependen en gran medida de las propiedades de la película, por lo que a menudo es esencial poder determinar los parámetros elásticos de la película, así como su espesor. Para ello, hemos favorecido el uso de ondas acústicas guiadas (modos placa y Rayleigh) excitadas en régimen de pulsos en un rango de frecuencias de hasta 45 MHz. Se han caracterizado varios depósitos metálicos con un espesor del orden de un micrómetro sobre un sustrato de silicio. Se han desarrollado métodos de inversión innovadores basados en redes neuronales y en el análisis multimodal. Estas fueron validadas mediante simulaciones de elementos finitos y permitieron obtener las características deseadas. Los estudios complementarios originales también han puesto de manifiesto la posibilidad de obtener a partir de patrones de superficie específicos efectos similares a los de una lente acústica selectiva en frecuencia.

Los ensayos no destructivos sin contacto son también de gran interés en el ámbito del transporte. Gracias al proyecto ECOCND (programa ECOTECH de la ANR), nos hemos interesado especialmente en la caracterización de los defectos de tipo grieta mediante un análisis original de ondas múltiples  incluyendo los fenómenos de conversión de modo. Diferentes experimentos y simulaciones han demostrado que es posible optimizar los controles realizados hasta el momento para obtener los parámetros característicos del defecto considerado [RSI 2009, RSI 2010, MST 2012].

Figura 5: Modos de placa obtenidos mediante 2DFFT para una estructura formada por una capa de oro depositada sobre un sustrato de silicio.

Un segundo aspecto destacado se refiere a la caracterización de los campos de tensión residual superficial mediante ondas acústicas superficiales de RF generadas por IDT-SAW MEMS. El estudio y el control de las tensiones mecánicas residuales es cada vez más importante en muchos campos, como la microelectrónica y los materiales con gradiente, para satisfacer los nuevos requisitos funcionales. Los efectos de estas tensiones pueden ser perjudiciales en algunas aplicaciones (fenómeno de ruptura) y a veces beneficiosos como, por ejemplo, para mejorar las propiedades de transporte en el silicio o para reforzar mecánicamente la superficie de los materiales. Por lo tanto, es necesario controlar los niveles de tensión y, en consecuencia, es importante disponer de herramientas de caracterización de estas tensiones adaptadas tanto a la escala como a la naturaleza de los materiales depositados.

Hemos desarrollado un método para caracterizar los campos de tensiones residuales superficiales basado en el estudio de la propagación de ondas acústicas superficiales (SAW) de alta frecuencia. A partir de la teoría de la acustoelasticidad, se han analizado teóricamente las perturbaciones generadas por la presencia de campos de tensión en estas ondas superficiales [APL 2008] y experimentalmente en medios amorfos y para diferentes campos de tensión superficiales [JASA 2006]. El diseño e implementación de sensores específicos del tipo IDT-SAW MEMS ha permitido generar ondas superficiales cuasi monocromáticas del tipo Rayleigh en un amplio rango de frecuencias [Patente n°FR2977940 (A1) 2013-01-18; RSI 2011]. El estudio de los fenómenos de dispersión asociados a los procedimientos del método inverso condujo a la estimación de los espesores de las zonas corticales tensionadas, así como a los valores de las tensiones residuales [APL 2012].

Figura 6: Curvas de dispersión SAW para tres campos de tensión residual superficial

Por último, un tercer aspecto destacado se refiere a la comprensión de los fenómenos físicos de la interacción de las ondas Lamb con los daños. Este trabajo demuestra que es posible comprender y cuantificar la interacción de un modo Lamb en presencia de daños complejos sólo a partir de los cálculos realizados para daños elementales [NDT&E Int, 41, 5 (2008)  NDT&E Int., 41, 1 (2008)]. Estos resultados se validaron además experimentalmente utilizando un dispositivo original para generar y recibir sólo un modo Lamb a la vez [Ultrasonics, 49, 2 (2009)].

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El trabajo actual se centra en la adhesión de películas finas y recubrimientos (métodos LU e IDT) y en la caracterización de los defectos que pueden influir en ellos. También se están llevando a cabo otros estudios con el objetivo de comprender, interpretar y predecir mejor los diversos fenómenos de difracción de las ondas acústicas en una singularidad de la estructura. Todo este trabajo también puede dar lugar a aplicaciones en microelectrónica o en la seguridad de las instalaciones, especialmente en el ámbito del transporte. Por ejemplo, en el marco de una tesis en colaboración con el IRT RAILENIUM, se han estudiado ciertos límites del control sin contacto para aplicaciones relacionadas con el transporte ferroviario.

• Colaboración con la Universidad de Tongji (Shanghai).. Proyecto europeo Interreg (INISMA, LMP...).
• Proyecto ECOCND de la RAN (CEA, Institut de Soudure, Ixtrem, Holo3)..
  Tesis de CIFRE ( VALLOUREC, SKF, Soben). .