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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Description des multiéléments3. Techniques ultrasonores focalisées
Le diamètre d de la tache focale du faisceau produit par une pastille piézoélectrique de diamètre D peut être évalué à l'aide de la relation suivante ([R 1 400] ) :
Pour un traducteur plan, la focale acoustique Fac , c'est-à-dire la position du maximum du faisceau, se situe à la limite de champ proche N.
Ordre de grandeur typique pour un traducteur en immersion
Avec D = 40 mm et λ = 1,45 mm (à 1 MHz dans l'eau), d = 10 mm.
En réalité, l'immersion est employée comme moyen de couplage ultrasonore : c'est la dimension de la tache focale dans la pièce examinée qui importe, prenant en compte la longueur d'onde dans le matériau (4 fois plus courte si la pièce est en acier, d'après le rapport des indices de propagation eau/acier) ainsi que la focale acoustique dans le matériau, résultant du passage de l'interface eau/acier .
Pour gagner en résolution spatiale, c'est-à-dire augmenter les capacités de la technique ultrasonore à séparer des échos issus de réflecteurs « relativement proches »...
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Techniques ultrasonores focalisées
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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