Ultrason Multiélément: Phasèd Array [PDF]

Zitiervorschau

République algérienne démocratique et populaire ministère de l'enseignement supérieur Université d’Oran 2 Mohamed Ben Ahmed Institut de maintenance et sécurité industrielle Département Electromécanique

Exposé du module : contrôle non destructif.

Thème

Ultrason multiélément « Phased array »

Réalisé par : - Bouguerra Amina. - Bousba Yasmine Manel. - Benmia Rachida. - Larbi Fahem. - Chekaba Aimed.

Ultrason multiélément Chargé du Module : Mr Yahiaoui.

2019 /2020

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Ultrason multiélément Introduction générale : Les contrôles non destructifs jouent un rôle important dans l’économie d’un pays. Ils sont utilisés chaque fois qu’on construit des systèmes aussi bien divers. Qu’un pont, une centrale nucléaire, un train ou une voiture. Au cours de sa vie, une canalisation de centrale nucléaire, une pièce dans un moteur de véhicule… subissent des contraintes, des variations de température, à l’application des pressions… le matériau utilisé pour fabriquer ne doit pas contenir de défauts, de fissures ou des corps étrangers, qui pourrait sous l’application des contraintes amener la pièce à se déformer et nuire la fiabilité ou la sécurité de l’ensemble d’un système. [1]  Il est donc souvent nécessaire de voir à l’intérieur d’une pièce sans la couper, si elle ne contient pas de défauts. Cette action est appelée un contrôle non destructif. C.N.D Le contrôle de la qualité et la fiabilité des pièces d’industrie est généralement classé en deux types de contrôle :  Contrôle destructif.  Contrôle non destructif.

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I.

Définition du contrôle Non destructif : Le Contrôle Non Destructif (C.N.D.) est un ensemble de méthodes qui permettent de caractériser l'état d'intégrité de structures ou de matériaux, sans les dégrader, soit au cours de la production, soit en cours d'utilisation, soit dans le cadre de maintenances. On parle aussi d'«Essais Non Destructifs » (END) ou d'« Examens Non Destructifs».On peut considérer que le contrôle non destructif d’un produit ou d’un objet peut être effectué à trois stades différents de sa vie.

I.1 Les méthodes principales : a. Les méthodes de surface :  Examen visuel.  Ressuage.  Magnétoscopie.  Courants de Foucault. b. Les méthodes volumétriques:  Ultrasons.  Rayonnements ionisants.

II. Les ultrasons :

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Ultrason multiélément II .1 Historique : Les appareils de recherche de défauts par ultrasons sont utilisés dans les applications industrielles depuis plus de 60 ans. Depuis les années 1940, on utilise les mêmes lois fondamentales de la physique qui régissent la propagation des ondes sonores à haute fréquence pour rechercher les indications cachées, telles les fissures, les vides, la porosité et d'autres discontinuités internes dans les métaux, les composites, les plastiques et les céramiques et pour mesurer l'épaisseur des matériaux et analyser leurs propriétés. L'inspection par ultrasons est une méthode sûre et non destructive utilisée depuis longtemps dans un grand nombre d'industries de base de service, de processus et de fabrication, surtout dans les applications d'inspection de soudures et des charpentes métalliques. [2] II .2 Définition :

Les ultrasons sont des ondes sonores qui se propagent dans les milieux élastiques. Des modifications locales du milieu parcouru (fissures, défaut de compacité,...) engendrent des perturbations dans la propagation de l'onde. Le contrôle par ultrasons a donc pour principe d'analyser, à l'aide d'instruments de mesure appropriés, les modifications apportées à la gamme 1 à 10 MHz couvrent la grande majorité des applications des ultrasons en contrôle non destructif industriel. Cela n’est pas un hasard car ces fréquences correspondent, pour les matériaux courants, à des longueurs d’onde ultrasonore de l’ordre du millimètre, valeur réalisant un bon compromis entre directivité, absorption, détectabilité des petits défauts, facilité de réalisation d’appareillages électroniques et de transducteurs fiables et économiques. Lorsque l'émission et la réception sont réalisées par le même traducteur, le contrôle est appelé "émission-réception". Au contraire, lorsque la réception est effectuée par un autre capteur, on lui donne le nom « d'émission-réception séparée », ce contrôle pouvant être effectué par transmission. [3]

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Figure 1 : Au de leurs premières années de

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commercialisation, les appareils à ultrasons fonctionnaient uniquement avec des sondes mono-élément comprenant un seul cristal piézo-électrique pour l’émission et la réception des ondes acoustiques, des sondes à émission-réception séparées équipées de cristaux différents pour l’émission et la réception des ondes ultrasonores et des systèmes à transmission directe utilisant deux sondes mono-élément en tandem. Ces approches sont toujours utilisées dans la majorité d’appareils à ultrasons commerciaux destinés à la recherche de défauts et à la mesure d’épaisseur dans le domaine de l’industrie. Toutefois, les appareils à ultrasons multiéléments deviennent de plus en plus importants dans le domaine CND par ultrasons.

III Les ultrasons multiéléments :

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Ultrason multiélément III.1 Définition

Les multiéléments (phased array) sont tout simplement des sondes contenant un certain nombre d'éléments séparés dans un seul boîtier et le déphasage réfère à l'émission séquentielle d'impulsions à partir de ces éléments. Un système à ultrasons multiéléments s'appuie généralement sur une sonde à ultrasons spécialisée contenant un grand nombre d'éléments individuels (généralement de 16 à 265) qui peuvent émettre des impulsions séparément, selon une séquence programmée. Il est possible d'utiliser ces sondes avec divers types de sabots, en mode contact ou en mode par immersion. Les sabots peuvent être carrés, rectangulaires ou ronds et les fréquences d'inspection se situent habituellement entre 1 et 10 MHz.

Figure 2 :

III .2 Le principe de fonctionnement : Les systèmes à ultrasons multiéléments émettent et reçoivent des impulsions à partir d’un grand nombre d’éléments d’un réseau. Ces éléments émettent des impulsions de façon à combiner plusieurs composants de faisceau et à créer un seul front d’ondes qui se propage dans la direction souhaitée. De la même manière, la fonction de réception combine l’entrée d’impulsions de plusieurs éléments en une seule représentation.

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Ultrason multiélément Comme la technologie de déphasage permet la formation et la déflexion électroniques des faisceaux, il est possible de générer un grand nombre de différents profils de faisceaux à partir d’une seule sonde. Il est aussi possible de programmer dynamiquement cette déflexion des faisceaux pour créer des balayages électroniques.

Figure 3 :

III .3 Réseau multiéléments : Un réseau multiéléments est un assemblage organisé d’une grande quantité d’éléments identiques. La forme la plus simple de réseau ultrasons de contrôle non destructif est une série de sondes mono-éléments disposées de manière à augmenter la couverture ou la vitesse de l’inspection. III .3.1 Caractéristique des sondes multiéléments

Figure 4 : ensemble des sondes multiéléments typiques. Les sondes à ultrasons multiéléments sont classées en fonction des paramètres de base suivants : 1. Type : La plupart des sondes multiéléments sont du type sonde d’angle et sont conçues pour être utilisées avec un sabot en plastique ou une

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Ultrason multiélément semelle droite (sabot droit) en plastique, ou avec une ligne de retard. Des sondes de contact direct et d’immersion sont également offertes. 2. Fréquence : La plupart du temps, la recherche de défauts par ultrasons se fait à des fréquences de 2 MHz à 10 MHz, alors la plupart des sondes multiéléments se situent dans cette fourchette. Des sondes avec des fréquences supérieure et inférieure à cette fourchette sont également offertes. 3. Nombre d’éléments : Les sondes à ultrasons multiéléments ont le plus souvent de 16 à 128 éléments, mais certaines en ont jusqu’à 256. Un grand nombre d’éléments améliore les capacités de focalisation et de déflexion, et peut même agrandir la zone de couverture. Chaque élément est excité individuellement de façon à créer le front d’onde souhaité. Ainsi, la dimension de ces éléments est souvent appelée direction active ou de déflexion. 4. Taille des éléments : Au fur et à mesure que la largeur des éléments diminue, les capacités de déflexion du faisceau s’améliorent. Or, pour agrandir la zone de couverture il faut utiliser une sonde avec un plus grand nombre d’éléments, ce qui vient augmenter le prix. III .3.1 .1 Paramètres dimensionnels d’une sonde multiéléments Les paramètres dimensionnels d’une sonde multiéléments sont habituellement définis comme suit :

Figure 5 : paramètres dimensionnels d’une sonde multiéléments.     

A : ouverture totale de la sonde. H : hauteur de l'élément ou l'élévation. p : distance de centre à centre entre deux éléments successifs. e : largeur d'un élément individuel. g : espacement entre les éléments actifs.

III .3.2 Sabots multiéléments En plus de la sonde multiélément elle-même, l’assemblage comporte aussi normalement un sabot en plastique. Les sabots sont utilisés à la fois dans les applications avec ondes longitudinales et ondes transversales, y compris dans

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Ultrason multiélément l’inspection linéaire par faisceau droit. Les sabots ont essentiellement la même fonction dans les systèmes multiéléments que dans les systèmes de recherche de défauts mono-éléments classiques : ils permettent le couplage de l’énergie acoustique sur la pièce inspectée de telle sorte que le mode d’onde est converti ou réfracté sous l’angle souhaité, conformément à la loi de Snell. Cet effet de réfraction fait également partie du processus de génération de faisceau puisque les systèmes multiéléments utilisent l’orientation du faisceau pour créer des faisceaux à angles multiples à partir d’un seul sabot. Les sabots des sondes à ondes transversales sont très semblables à ceux utilisés avec les sondes à ultrasons conventionnels et, comme les sabots conventionnels, ils existent en plusieurs tailles et styles. Certains d’entre eux comportent des trous d’alimentation en couplant pour les applications de balayage. Un sabot multiélément typique est montré ci-dessous.

Figure 6 : sabot multiéléments typique.

III.4 LES TECHNIQUES MULTIELEMENTS Les premières techniques à ultrasons multiéléments dans le domaine du contrôle industriel ont été introduites dans les années 80. Depuis quelques années, elles connaissent un essor important dans ce domaine, la levée de barrière technique (par exemple la réduction des modes de vibration parasites ou la réduction du couplage inter-éléments, et les progrès des systèmes d’acquisition étant deux éléments y contribuant. III.4.1 Techniques d’acquisitions multiéléments : Les applications classiques des multiéléments font intervenir, d’une part, la commutation électronique, et d’autre part, l’application de retards électroniques (techniques « phased array ») permettant ainsi de maitriser les caractéristiques focales du faisceau ultrasonore : 

Le balayage électronique (ou par commutation) : consiste à déplacer spatialement un faisceau en activant séquentiellement un élément ou un groupe d’éléments. Il permet de remplacer électroniquement un axe de

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

balayage (et/ou d’incrément) mécanique et de réaliser des acquisitions à grande vitesse. La focalisation électronique : (Figure 7) consiste à appliquer aux différents éléments des retards destinés à compenser les différences de temps de parcours des ultrasons entre un point de focalisation et chaque élément. Signalons aussi la technique de Focalisation Dynamique en Réception ou Dynamic Depth Focusing (DDF) au cours de laquelle une loi de focalisation est utilisée en émission et plusieurs en réception. Pour chaque loi de retard appliquée en réception, seule une petite fenêtre temporelle du signal centrée sur la profondeur de focalisation correspondante est conservée. Le signal « complet » est obtenu par concaténation de ces portions de signaux. Cette technique a pour but de maximiser la détection sur une plage de profondeur plus étendue.

Figure 7 : focalisation. 

La déflexion électronique :(Figure 8) utilise comme la focalisation électronique des lois de retard. Ces dernières sont dans ce cas calculées pour dévier le faisceau à un angle donné. On appelle balayage angulaire ou balayage sectoriel l’opération qui consiste à appliquer successivement différentes lois de retard correspondantes à différents angles de sorte à insonifier un secteur angulaire de la pièce.

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Figure 8 : déflexion. III.4.2 Types du traducteur multiéléments :

Figure 9 : différent types de traducteurs multiéléments.  linéaire (Figure 9 (a)), les éléments sont alignés selon un axe. Ces traducteurs ne permettent, en général, que d’effectuer des contrôles dans le plan azimutal du traducteur.  annulaire (Figure 9(b)) les éléments sont des anneaux concentriques. Ces traducteurs permettent de focaliser le faisceau à différentes profondeurs le long d’un axe. La surface des anneaux est dans la plupart des cas constante, ce qui implique une largeur différente pour chaque anneau.  circulaire (Figure 9(c)) les éléments sont placés sur une couronne. Ces traducteurs sont généralement utilisés pour le contrôle de tube (par l’intérieur ou l’extérieur).  matriciel, les éléments sont placés dans les deux dimensions, comme par exemple sous forme de damier (Figure 9(d)) ou d’anneaux sectorisés (Figure 9(e)). Ces traducteurs permettent d’effectuer des contrôles en 3D.[4] III.4.3. Domaine d’application : – Tous types de soudure à partir de 8mm d’épaisseur, soudures bout à bout, soudures d’angles. Page 12

Ultrason multiélément – Contrôles pièces de fonderie ou pièces de forge. – Recherche de corrosion –Les ultrasons en médecine sont utilisés à des fins diagnostiques ou thérapeutiques.. III.4.4. Les avantage des ultrasons : Dans le domaine du contrôle non destructif des matériaux, la technologie ultrasonore multiéléments offre de nombreux avantages : - meilleures sensibilités et précision grâces à la focalisation du faisceau, - imagerie, -traçabilité ou encore rapidité d'exécution d'un contrôle. - La technique multiélément consiste à utiliser des traducteurs divisés en plusieurs petits traducteurs élémentaires avec un écart de temps (retard) qui va permettre de créer un faisceau par interférences constructives -. Dans le contrôle des soudures de va et vient traditionnel du traducteur. -Cette technique permet de positionner et dimensionner les défauts dans les matériaux -La réduction des coûts conséquente au gain de temps de contrôle et au gain de temps de réglage est significative. III.4.5. Désavantage des ultrasons :  -

Épaisseur mini limitée à 6mm pour les assemblages soudés. Contrôle des assemblages soudés en acier inoxydable aléatoire. Nécessite une grande expérience pour l’interprétation des signaux

  Principales normes applicables   NF EN 16018  : Terminologie : Termes utilisés pour le contrôle par ultrasons en multiéléments NF EN 18563-1 : Caractérisation et vérification de l’appareillage de contrôle par ultrasons en multiéléments – Partie 1 : Appareils NF EN 16392-2 : Caractérisation et vérification de l’appareillage de contrôle par ultrasons en multiéléments – Partie 2 : Traducteurs NF EN 18563-3 : Caractérisation et vérification de l’appareillage de contrôle par ultrasons en multiéléments – Partie 3 : Appareillage complet

 

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Ultrason multiélément Conclusion Le contrôle par ultrasons consiste à émettre et faire se propager une onde ultrasonore dans la pièce à inspecter puis à recueillir et analyser l’onde à l’issue de son interaction avec le matériau. Sur la base de ce principe très général, il existe de nombreuses techniques spécifiques, suivant que le contrôle est effectué en transmission ou bien en réflexion, suivant que les dispositifs en émission et en réception sont confondus ou non, suivant le type et l’inclinaison des ondes ultrasonores utilisées.

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Ultrason multiélément [1] :https://www.technologuepro.com/cours-controle-non-destructif/chapitre-4-lesultrasons.html. [2] : https://www.eddyfi.com/fr/technologie/ultrasons-multielements-paut. [3] :https://www.olympus-ims.com/fr/ndt-tutorials/calibration/overview/.

[4] Amar Bakdid, « Technique de Contrôle de la Soudure par la Méthode d’Ultrason Multiéléments », Laboratoire de Génie Industriel et Production Mécanique. Ecole Nationale des Sciences Appliquées, Université Mohamed Premier. Oujda, Maroc,2017

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