An introduction to Acoustics

Introduction

Sound is a familiar physical phenomenon that humans perceive through our sense of hearing. From a scientific viewpoint, it is a pressure disturbance in a medium such as air, and it propagates as a wave. The human sense of hearing is limited to a certain range of frequencies, namely from 20 to 20,000 Hertz. When sound is occurring at a frequency that is too high for our ears to detect, we refer to it as ultrasound. Ultrasound has many engineering applications. Medical imaging is probably one of the most well-known examples. Just as ultrasound can provide information about the soft tissues inside of the human body, it can also provide information about the inside of solid materials and structures.It is very important to determine the health of critical structures or materials through testing long before any potential failures could occur. For example, engineers and scientists may want to know how a material changes over time if it is subjected to a harsh environment and if any cracks have developed. Examples of structures or materials that may be tested include aircraft skins, underground pipelines, and wire ropes in suspension bridges. Nondestructive testing (NDT), sometimes also called nondestructive evaluation (NDE), is a type of testing that can determine characteristics of the test object without destroying it. It can be employed at the time of manufacture and while the material is in use, and it can also detect material damage that might be difficult or expensive to find by other methods. Ultrasonic NDE is one of the several types of NDE. Ultrasound is not only a useful inspection tool for classical materials, but for new novel materials as well. However, innovative materials, such as those being developed by other research teams at the GT-CNRS UMI 2958, may be highly complex and require sophisticated inspection techniques. Within the framework of developing techniques that can be applied to the ultrasonic evaluation of new materials, the research of the ultrasonics laboratory follows three main themes. First, the lab explores and develops innovative techniques and tools for ultrasonic NDE. Examples include polar scanning and nonlinear acoustic techniques, both of which can be used to help determine the level of damage sustained by a material. In particular, the lab has focused on damaged fiber-reinforced composites and the propagation and dispersion of Lamb waves in these materials.Second, the lab investigates the interaction of ultrasound with periodic structures. Much research in the last decade has been dedicated to the study of phononic crystals, which are periodic structures that are considered the acoustic counterparts of photonic crystals in optics. The ultrasonics lab studies the diffraction that occurs on periodic structures with periodically corrugated surfaces and plates as an example. Applications exist in acoustic filtering and in furthering the understanding of the diffraction mechanisms that occur in devices such as phononic crystals. The developed techniques are also applied to larger constructions, such as the Hellenistic theater of Epidaurus in Greece and the El Castillo pyramid at Chichen Itza in Mexico.Finally, the lab is also focusing on the development of innovative air-coupled ultrasonic transducers. Currently, the air-coupled ultrasonic transducers that are commercially available are very expensive. However, a new porous polymer foam film that exhibits a piezoelectric-like effect has presented an inexpensive alternative material for the design of these transducers. (by courtesy of Sarah Herbison, PhD student)





French Translation of Introduction

Le son est un phénomène physique qui nous est familier et que nous percevons par l'intermédiaire de l'ouïe. D'un point de vue scientifique, le son est une variation de pression dans un milieu tel que l'air ou un solide et se propage sous forme d'ondes. Notre ouïe ne perçoit les sons que dans une gamme limitée de fréquences, à savoir de 20 Hz à 20 000 Hz. Quand un son est émis à une fréquence plus élevée que ce que notre oreille nous permet de détecter, ce son est alors qualifié d’ultrason. Les ultrasons ont de nombreuses applications en l'imagerie médicale et en ingénierie. Par exemple, il est très important de déterminer la santé des structures ou des matériaux critiques par des contrôles, et ce bien avant qu’aucun endommagement potentiel ne se déclare. Parmi les exemples de structures qui ont besoin d’être examinées on trouve les fuselages d’avions, les conduites souterraines, et les câbles de ponts suspendus. Le contrôle non destructif (CND), également appelé parfois évaluation non destructive (END), est un type de contrôle qui peut déterminer les caractéristiques de l’objet à tester sans le détruire. Il existe plusieurs méthodes différentes de contrôle non destructif, et l’une d’elle est le CND par ultrasons.Les ultrasons sont un outil d'inspection utile, non seulement pour des matériaux classiques, mais également pour de nouveaux matériaux. Cependant, certains matériaux innovants, comme ceux étant développés par d'autres équipes de recherche au GT-CNRS UMI 2958, peuvent présenter un haut degré de complexité et exiger des techniques sophistiquées d'inspection ainsi qu’une expertise appropriée. Dans une perspective de développement de techniques innovantes applicables l’évaluation ultrasonique de nouveaux matériaux, la recherche au laboratoire s’articule autour de trois thèmes principaux.Dans un premier temps, l’activité du laboratoire est tournée vers l’exploration ainsi que le développement de techniques pour le CND par ultrasons. Les techniques de balayages polaires et d’acoustique non-linéaire sont des exemples de nos champs d’investigations. Ces techniques peuvent aider à déterminer le niveau d’endommagement subi par un matériau. Le laboratoire s’est spécialisé dans l’endommagement subi par des matériaux composites renforcés par des fibres et dans la propagation et la dispersion des ondes de Lamb dans ces matériaux.Dans un deuxième temps, le laboratoire examine l’interaction des ultrasons avec les structures périodiques. Durant les dix dernières années, beaucoup de recherches ont été dédiées à l’étude des cristaux phononiques. Ces derniers sont des structures périodiques, considérées comme les homologues acoustiques des cristaux photoniques en optique. Le laboratoire étudie la diffraction qui prend place dans les structures périodiques, en utilisant par exemple des plaques et des surfaces ondulées périodiquement. Ces recherches trouvent leur application dans le filtrage acoustique et la compréhension des mécanismes de diffraction. Les techniques développées sont également appliquées aux grandes constructions comme le théâtre hellénistique d’Epidaure en Grèce et la pyramide El Castillo à Chichén Itzá au Mexique. Enfin, le laboratoire se spécialise également dans le développement de transducteurs à couplage d’air. Actuellement, les transducteurs de ce type, disponibles dans le commerce, sont très onéreux. Cependant, un nouveau film de mousse polymère poreuse, présentant un comportement similaire à celui d’un matériau piezo-électrique, s’est révélée être une alternative peu coûteuse pour la conception de ces transducteurs. (by courtesy of Sarah Herbison, PhD student)



Acoustics to please your soul



Acousto-Optics is manipulation of laser with US



Seismology is like ultrasonics on a large scale



example of ultrasoinic treatment



example of ultrasonic cleaning



a typical US inspection



typical examination of plates



Ultrasonics in practice



acoustic levitation



acoustic vibration modes



example of sonar system



ultrasonic motors



A phononic crystal works like a photonic crystal



Druckbare Version