Génération et propagation ultrasonore appliquée au CND

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Plan du chapitre 4 - "Contrôle non destructif par ultrasons" :

4 - Contrôle non destructif par ultrasons
4.1 - Principe du CND par ultrasons
4.2 - Représentation des données ultrasonores
4.3 - Méthodes de dimensionnement

4.3a - Méthode à -6dB
4.3b - Méthode des chutes successives
4.3c - Méthode AVG
4.3d - Méthode de diffraction de bord
4.3e - Méthode TOFD (Time Of Flight Diffraction)

4. - Contrôle non destructif par ultrasons


4.1 - Principe du CND par ultrasons

L'utilisation des ultrasons permet de sonder la matière sans altérer les pièces inspectées. Ce type d'ondes est sensible à bon nombre de caractéristiques mécaniques comme l'impédance acoustique. De la même manière qu'en imagerie médicale où on peut détecter des tissus de structure différente, on peut en CND facilement repérer des fissures voire des inclusions dans des métaux.
Lorsqu'une onde ultrasonore émise par un traducteur atteint une singularité, la mesure du temps de réception du signal permet de repérer les différents défauts éventuels et, à vitesse de phase constante, de les localiser puis de les dimensionner. Le contrôle peut être réalisé avec le même traducteur qui émettra l'onde ultrasonore et recevra les échos provoqués par cette onde sur les éventuels défauts. On peut aussi utiliser deux traducteurs séparés pour effectuer des contrôles en tandem ; on utilise alors un premier traducteur pour l'émission et un second en réception sur la même face de la pièce inspectée. D'autres contrôles sont réalisés en transmission (ou en transparence), d'une manière analogue aux radiographies, en plaçant les deux traducteurs sur les faces opposées de la pièce.
Une des principales difficultés pour réaliser ce type de contrôle est de transmettre l'onde ultrasonore dans le matériau. En effet, l'air constitue un très mauvais milieu de propagation et les réflexions à l'interface air-acier sont trop importantes. On utilise donc un matériau qu'on qualifiera de couplant pour améliorer cette transmission. Ce problème peut être contourné en utilisant de l'eau entre l'émetteur et la pièce inspectée. Il s'agit d'un contrôle en immersion. Pour des pièces qu'on ne peut pas immerger, on utilise des transducteurs montés sur un sabot incliné en polymère. On parle alors de traducteurs contact, lesquels nécessitent toutefois un ajout de couplant fluide entre le sabot et la pièce inspectée. Le couplant peut aussi contribuer à corriger les éventuelles imperfections de la surface de la pièce inspectée, dans la mesure où ces irrégularités sont de faible dimension par rapport à la longueur d'onde. Mais si on a à faire à des surfaces dont le rayon de courbure local devient significatif, on peut avoir un décollement du sabot de la pièce inspectée. L'étude menée au cours de cette thèse est nottament consacrée à la résolution de ce type de problème.

4.2 - Représentation des données ultrasonores
La représentation des données ultrasonores est un point important pour visualiser et interpréter les informations collectées par un traducteur. Ce dernier fournit un signal temporel provenant d'une onde mécanique se propageant dans la pièce inspectée. La base d'un enregistrement de données ultrasonores est une représentation temps-tension qu'on nomme Ascan. Pour pouvoir repérer dans l'espace les variations des signaux, on multiplie la donnée «temps» par la vitesse de propagation, ce qui donne la profondeur, i.e. la distance de l'émetteur au défaut. Pour étendre les données à trois dimensions, on utilise les traducteurs en balayage et en incrément : - Un Ascan est donc la représentation de base issue d'un traducteur immobile. Celui-ci détecte un signal en fonction du temps. - Un Bscan est un cumul de Ascans pris en des points de balayage successifs. Il s'agit donc d'une représentation temps-espace qu'on peut interpréter comme une représentation balayage-profondeur, si on connaît la vitesse de propagation dans le milieu inspecté. - Une Echodynamique représente le maximum temporel des données Bscan en chaque point du balayage. - Le Cscan est un cumul des Echodynamiques sur des incréments successifs.
$\includegraphics[width=0.70\textwidth]{figs/sch_a-b-cscan.eps}$
Figure 13 : Principe de représentation des données ultrasonores.

4.3 - Méthodes de dimensionnement	Bas

4.3a - Méthode à -6dB
On réalise un relevé du contour du champ renvoyé par un défaut. Le traducteur fonctionnant en mode pulse-écho fait une cartographie de la surface de la pièce inspectée et on en relève les contours à mi-amplitude. Avec cette méthode, on peut comparer le défaut au diamètre du faisceau. Elle surestime la dimension des défauts plus petits que le diamètre du faisceau.

4.3b - Méthode des chutes successives
De la même façon que la méthode à -6dB décrite ci-dessus, on relève les contours de -6dB en -6dB à partir d'un niveau de référence en utilisant des traducteurs focalisés. Si le premier contour ne s'écarte du second que d'un demi diamètre utile, les dimensions estimées du défaut sont celles du premier contour. Sinon on répète le procédé entre le second et le troisième contour.

4.3c - Méthode AVG
On compare l'amplitude reçue avec l'amplitude de la réflexion sur un défaut plan circulaire. La dimension sera le diamètre d'un disque équivalent perpendiculaire au faisceau acoustique. Les initiales AVG sont issues de l'expression allemande Abstand Verstärkung Größe, qu'on peut traduire par distance, amplitude et gain. Voir chapitre 5 de [17].

4.3d - Méthode de diffraction de bord
Si un défaut plan est atteint par un faisceau ultrasonore avec une incidence non nulle, on observe des échos de diffraction sur le haut et le bas du défaut. Ces échos ont des polarités inversées ce qui permet de les identifier. La distance entre ces deux échos donne la taille du défaut. Une méthode précise mais, l'amplitude de ces échos de diffraction est plus faible que des réflexions spéculaires ou autres échos de coin, ce qui peut les rendre invisibles si le rapport signal sur bruit est trop faible.

4.3e - Méthode TOFD (Time Of Flight Diffraction)
Cette méthode utilise les échos de diffraction pour déterminer la taille des défauts. Deux traducteurs sont utilisés en tandem, c'est-à-dire sur la même face du matériau à inspecter. Une méthode plus difficile à mettre en oeuvre mais qui se révèle utile si on ne peut détecter les échos de diffraction directs. On montre en effet que les échos de diffraction sont moins sensibles à l'angle d'incidence sur le défaut que les échos de réflexion directe.

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