Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article vise à fournir une meilleure compréhension des principes sur lesquels s’appuie la technique multiéléments : quelques rudiments de calculs et un bref aperçu des applications avancées possibles. Pour commencer, les principes généraux qui gouvernent les techniques ultrasonores conventionnelles sont rappelés, en particulier le phénomène de diffraction. La technique multiéléments est introduite après une courte transition par les ultrasons focalisés. Les principes physiques qui la régissent sont décrits, et les différents paramètres caractéristiques des traducteurs sont présentés avec leur impact sur le faisceau. Le principe de calcul des lois de retards est exposé, avec les « effets parasites» éventuels. Les possibilités offertes par les multiéléments dans des configurations classiques sont présentées. Revenant sur la question des ultrasons focalisés, quelques applications plus évoluées sont brièvement décrites.
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This article aims to provide an understanding of the principles that the phased array techniques rely on: some basic calculations and a brief overview of possible advanced applications. To begin with, the general principles governing conventional ultrasound techniques are reviewed, in particular the phenomenon of diffraction. The phased array technique is introduced after a short consideration of focused ultrasounds. The governing physical principles are described, and the various parameters that are characteristic of the translators and their impact on the beam are presented. The principle of delay-laws is described, as well as the potential “parasitic effects”. The possibilities offered by the phased array in conventional configurations are presented. Returning to the issue of focused ultrasounds, more advanced applications are briefly described.
Auteur(s)
-
Loïc DE ROUMILLY : EDF-CEIDRE, département études
INTRODUCTION
Le contrôle non destructif couvre le domaine d'activité qui consiste, dans l'industrie, à examiner un objet dans son volume ou en surface, sans nuire à son intégrité pour une utilisation ultérieure. Les techniques ultrasonores figurent parmi celles les plus couramment utilisées, comme les courants de Foucault, la radiographie, le ressuage... [R 1 400]. Elles s'appuient sur les principes de propagation d'ondes mécaniques dans les solides et les fluides, de fréquences situées dans le domaine ultrasonore. Plus précisément, il s'agit de produire une vibration dans la pièce à examiner et de détecter les signaux après interaction avec les éventuels défauts présents dans celle-ci. Dans certaines configurations particulières, la technique consiste à tracer les échos obtenus par réflexion : il s'agit littéralement d'« écho-graphie ».
La technique, utilisée depuis longtemps dans le domaine médical, mettant en œuvre des capteurs multiéléments, se déploie dans le domaine industriel depuis une dizaine d'années. S'il existe de nombreuses communications sur le sujet, les possibilités, mais aussi les limites, de cette technique innovante ne sont pas toujours précisées.
Cet article vise à fournir une meilleure compréhension des principes physiques sur lesquels s'appuie la technique multiéléments, quelques rudiments de calculs et un bref aperçu des applications avancées possibles.
Pour commencer, les principes généraux qui gouvernent les techniques ultrasonores conventionnelles sont rappelés, en particulier le phénomène de diffraction.
La technique multiéléments est introduite après une courte transition par les ultrasons focalisés. Les principes physiques qui la régissent sont décrits, et les différents paramètres caractéristiques des traducteurs sont présentés avec leur impact sur le faisceau. Le principe de calcul des lois de retards est exposé, avec les « effets parasites » éventuels.
Les possibilités offertes par les multiéléments dans des configurations classiques sont présentées. Revenant, à la fin de l'article, sur la question des ultrasons focalisés, quelques applications plus évoluées sont brièvement décrites.
Cet article est illustré par des résultats de simulations numériques ; les calculs ont été réalisés sous le logiciel CIVA (version commerciale 9.2) développé par le CEA (lien dans le « Pour en savoir plus »).
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Présentation
Paramétrage des multiéléments4. Description des multiéléments
Sur la base de ces rappels, la technique multiéléments est présentée ici : principe, dimensionnement d'un traducteur, évaluation simplifiée de lois de retards, lobes de réseau.
4.1 Principe
Partant du fait qu'une pastille monoélément peut être considérée, d'après le principe d'Huyghens-Fresnel, comme une collection de sources élémentaires sphériques en phase, il peut être envisagé de générer des faisceaux ultrasonores en activant un ensemble de sources élémentaires, mais cette fois en intervenant sur leurs phases.
Les traducteurs multiéléments sont donc constitués d'un réseau de pastilles émettrices juxtaposées, excitables indépendamment les unes des autres, avec des retards bien choisis, appelés lois de retards, permettant de maîtriser les caractéristiques des faisceaux.
L'excitation successive des éléments produit un front d'onde (figure 13), de même que des « ronds dans l'eau » produits par des ricochets génèrent un sillage (en première approximation).
HAUT DE PAGE4.2 Différents types de traducteurs
L'intérêt d'un tel découpage est de pouvoir défléchir un faisceau dans le plan d'incidence du traducteur, dans le cas d'un réseau linéaire – appelé barrette linéaire –, et dans un volume dans le cas de traducteur matriciel, mais également de focaliser les faisceaux. Plusieurs variantes de découpage sont possibles en fonction des applications (figure 14).
Ces traducteurs se sont développés avec les technologies piézocomposites, utilisées pour les dernières générations de capteurs conventionnels [8]. Les pastilles émettrices sont usinées dans un matériau constitué de bâtonnets piézoélectriques en céramique noyés dans une matrice polymère.
D'aspect, les traducteurs multiéléments se présentent comme des traducteurs conventionnels (avec éventuellement un câble de plus grosse section, selon le nombre de voies à piloter). Ils peuvent être employés pour pratiquer :
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des examens par immersion : barrettes encerclantes,...
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Description des multiéléments
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LANDAU (L.), LIFCHITZ (E.) - Physique théorique. Théorie de l'élasticité. - Tome 7, Édition : Éd. MIR, 2e édition (1990).
-
(2) - PLOIX (M.A.) - Étude de l'atténuation des ondes ultrasonores. Application au contrôle non destructif des soudures en acier inoxydable austénitiques. - Thèse de l'École Doctorale Mécanique Énergétique, Génie Civil, Aéronautique (2006).
-
(3) - CHASSIGNOLE (B.) - Influence de la structure métallurgique des soudures en acier inoxydable austénitique sur le contrôle non destructif par ultrasons. - Thèse de l'École Doctorale matériaux de Lyon (2000).
-
(4) - PÉREZ (J.-P.) - Optique : fondements et applications. - Éd. Dunod, 7e édition.
-
(5) - BORN (M.), WOLF (E.) - Principles of optics. - Éd. Pergamon.
-
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