Les Ultrasons [PDF]

Zitiervorschau

troisième Chapitre

Introduction Les sons sont des ondes élastiques caractérisées par leurs fréquences: Répartition des ondes sonores par fréquences 0 - 16Hz

16Hz – 16.103 Hz

16.103 Hz – 150.106 Hz >150.106 Hz

Infrasons

Sons audibles

ultrasons

hypersons

fréquences utilisées: 1 à 10 MHz Pourquoi les ultrasons?  Faible amortissement dans les métaux: bonne pénétration  Longueur d’ondes pour les matériaux courants de l’ordre de grandeurs des discontinuités  L’appareillage bénéficie de la technologie des techniques voisines (radar, sonar…) 2

Principe de base C’est le même principe que le radar :  Création et transmission d’impulsions de très hautes fréquences,  Propagations des ondes suivant différents modes (transversal, longitudinal…),  Réception des échos réfléchis sur les obstacles (défauts, surfaces opposées) avec un retard dépendant de la distance émetteur-réflecteur

P t 2 V

t : retard de l’écho, P : distance traducteur/réflecteur V : vitesse de propagation de l’onde

Précaution!: les impulsions doivent être brèves  éviter les superpositions entre les signaux émis et reçus. 3

Mode de propagation: longitudinal si la direction de propagation est // à celle de vibration (solides, liquides ou gaz)

transversal si la direction de propagation est  à celle de vibration (solides)

de surface (ou de Rayleigh) 4

Vitesse de propagation: Dépend du mode de propagation et des propriétés élastiques du matériau.

VT  VL 

E 2ρ(1  ν )

(onde transversale)

E (1  ) (onde longitudinale)  (1  )(1  2 )

VR = 0,9 VT Exemples:

- E (Pa): module d’Young du matériau - ρ (Kg/m3): masse volumique du matériau - ν : coefficient de poisson (sans dimension)

(onde de surface)

Acier: VL 5940 m/s , VT 3220 m/s Aluminium: VL  6320 m/s, VT 3100 m/s Eau: VL= 1500 m/s

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Air: VL= 330 m/s

Transmission et réflexion: Pour une incidence inclinée la réflexion et la transmission sont régies par les mêmes lois de Snell Descartes utilisées aussi en optique.

Faisceau incident

Faisceau réfléchi i r Milieu I Milieu II

α Faisceau réfracté

sin i sin r sin α   VI VI VII 6

i=r

VII sin α  sin r VI

Double réflexion – double réfraction : Conversion de mode Onde transversale réfléchie

Faisceau incident (onde plane) rT i

Onde longitudinale réfléchie

rL Milieu I Milieu II αT αL Onde longitudinale réfractée

Onde transversale réfractée

sin rL sin rT sin α L sin α T    VIL VIT VIIL VIIT 7

Coefficients de réflexion et de transmission Pour une onde plane à incidence normale les fractions réfléchie et transmise à travers une interface entre deux milieux différents sont définies par:

Pr  Z2  Z1  Pt  2Z1   T     R    Pi  Z1  Z2  Pi  Z1  Z2 

(R+T=1)

La qualité de transmission de l’onde à travers une interface dépend des impédances acoustiques des deux milieux: plus les impédances sont voisines meilleure est la transmission et plus elles sont éloignées meilleure est la réflexion

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Matériels utilisés Traducteurs: c’est l’instrument qui produit les ultrasons et qui les détectent. Il joue le rôle de émetteur et/ou récepteur.

L’élément piézoélectrique qui s’y trouve transforme l’énergie électrique en énergie mécanique (vibrations) et vice versa 10

Matériels utilisés Traducteurs: Ils sont conçus sous différentes formes et dimensions pour différentes applications. ils sont répertoriés de plusieurs manières:  Pour contrôle par contact ou immersion  À élément simple ou double  Droit ou à angle 11

L’appareil de contrôle:

Comprend essentiellement un afficheur ou un écran de visualisation. Il existe plusieurs types qui se diffèrent par leurs utilisation:  Mesureurs d’épaisseur (D-meter):

• Conçus initialement pour les contrôles corrosion/érosion • Généralement portable • Afficheur digital • Parfois à écran de visualisation du signal (pour distinguer la cible)

 Détecteurs de défaut (oscilloscope):

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• Conçus pour détecter et localiser les discontinuités • Écran analogique ou digital • Possibilité de Réglage horizontal et vertical (temps et amplitude) • Encore plus d’option pour la catégorie industrielle

Banc de contrôle automatique:

système de scannage automatique utilisé pour une inspection complète de pièces et l’acquisition d’image ultrasonore. Il est constitué de:  bain d’immersion  appareil ultrasonore Pont de scannage Ordinateur de contrôle (images analyse, stockage des résultats…)

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détaillées,

Couplage acoustique Dans les meilleures conditions une fine couche d’air sépare le traducteur de la pièce à contrôler. Pour garder un niveau d’énergie sonore suffisant, on doit chasser cette lame d’air, vu que la vitesse de l’onde y est faible: on parle de couplage acoustique. On distingue deux techniques de couplage:  Par contact: on interpose un film (d’huile, graisse, gels spéciaux, colle cellulosique) de l’ordre du dixième du millimètre entre le traducteur et la surface de contact.  Par immersion: on immerge le traducteur et la pièce totalement ou partiellement dans un bain de liquide (eau). Dans ce cas le traducteur et la surface supérieur de la pièce sont séparés par une certaine distance

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Par contact

Par immersion

Différents types de contrôles Contrôle par transmission:  On utilise deux traducteurs (émetteur d’un coté + récepteur de l’autre),  L’onde émise est du type continu,  La présence d’un défaut dans la pièce se traduit par une diminution ou une disparition de l’énergie ultrasonore transmise. Ce type de contrôle n’est presque plus utilisé, vu qu’il ne permet pas de localiser l’hétérogénéité en profondeur.

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Différents types de contrôles Contrôle par transmission (par transparence):

Écho à travers une épaisseur seine

Diminution de l’amplitude du signale reçu causée par la présence d’un défaut sur le trajet de l’onde émise 16

Différents types de contrôles Contrôle par réflexion:  On utilise un seul traducteur (émetteur et récepteur),  L’onde émise est sous forme d’impulsions,  L’onde se réfléchie sur des obstacles de types discontinuités (contrôle par écho d’anomalie) et surface opposées Ce contrôle permet de détecter, de localiser l’hétérogénéité en profondeur.

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Différents types de contrôles Contrôle par réflexion: L’écran montre seulement un écho relatif au fond de la pièce

Un écho d’anomalie apparaît sur l’écran et le premier écho de fond voit son amplitude diminuer 18

Contrôle en différents modes de propagation En contrôle par réflexion, le traducteur ne peut détecter la présence d’un défaut que si l’écho réfléchie se propage dans la même direction d’émission et en sens inverse. Le problème se pose pour la discontinuité plane: elle doit avoir une orientation  à direction de propagation de l’onde émise.

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Contrôle en différents modes de propagation Pour un contrôle plus fiable on fait appel à différentes direction: Direction perpendiculaire à la surface principale en ondes longitudinales à l’aide d’un traducteur droit

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Contrôle en différents modes de propagation Pour un contrôle plus fiable on fait appel à différentes direction: Direction inclinée en ondes transversales à l’aide d’un traducteur à angle ou par conversion de mode en contrôle par immersion

Ondes L

Ondes T

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Contrôle en différents modes de propagation Dans le cas de traducteur à angle favorisant seulement la propagation d’ondes transversales (33° pour l’acier), la détection peut s’effectuer en ½ bond ou en un bond



 Ondes T

Contrôle en ½ bond

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Ondes L Ondes T

Contrôle en 1 bond

Procédure de contrôle Étalonnage de l’appareil: étalonnage en OL:

Amplitude

Amplitude Emission

Emission 1erecho de fond 2èmeecho de fond

Pm+Pp

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Pm

Temps

1erecho de fond 2èmeecho de fond

Temps

Procédure de contrôle Étalonnage de l’appareil:

étalonnage en OT inclinées:

Recherche du point d’émergence

+

vérification de l’angle de réfraction OL OT

ou

91

50

24 91

50

Procédure de contrôle Caractérisation des anomalies: Localisation:

Amplitude

P

Echo d’anomalie

Pus≡ P

a

a

α

p l

1) l.cosα < e : détection en ½ bond a = l.sinα p = l.cosα 25

p

α l

2) l.cosα > e : détection en un bond a = l.sinα p = 2e - l.cosα

Procédure de contrôle Caractérisation des anomalies:

Caractérisation de la réflectivité de l’anomalie:

Elle consiste à évaluer la grandeur de l’anomalie en comparant son amplitude à celle d’un obstacle connu. Il existe plusieurs méthodes:

 Méthode de l’écho de fond: on compare l’amplitude de l’écho d’anomalie à celle de l’écho de fond en déterminant le rapport K Ad K Af  Méthode de la courbe CAD: contrairement à la méthode précédente, on fait une Correction Amplitude Distance. 

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Méthode du diagramme de réflectivité: cette méthode relie les trois paramètres Φ du réflecteur – position du réflecteur – amplification du signal

Amp

Pus Amp

Pus Amp

Pus Amp

G1

< 20% Pus

Courbe CAD fractionnée

A

p l0

p: parcours ultrasonore

l0 : champ proche

d G D

d: diamètre du réflecteur

D : diamètre du traducteur

Quiz 1/ Les ondes ultrasonores se propagent dans l’acier a) Plus rapidement en mode longitudinale qu’en mode transversale. b) Avec la même vitesse en mode transversal ou longitudinal. c) Et pas dans les plastiques. d) Et pas dans l’eau. 2/ La réflexion des ondes ultrasonores sur une interface séparant deux milieux est a) d’autant plus importante que les impédances acoustiques sont voisines b) d’autant plus importante que les impédances acoustiques sont éloignées c) totale lorsqu’il s’agit du mode longitudinal d) dure lorsqu’elles gardent la même polarité 30

Quiz 3/ Le rapport de la pression acoustique du son réfléchi à la pression acoustique du son incident est appelé: a) impédance acoustique b) intensité acoustique c) coefficient de réflexion d) coefficient de transmission. 4/ Dans le contrôle par ultrasons, un matériau piézoélectrique sert à : a) convertir l'énergie électrique en énergie mécanique b) convertir l'énergie électrique en énergie acoustique c) convertir l'énergie mécanique en énergie électrique d) aucune de ces réponses

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