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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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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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8. Freins à la mise en œuvre des multiéléments
Si les multiéléments offrent de multiples possibilités, il ne faut pas pour autant en oublier les limites et les freins.
8.1 Limites physiques
Comme pour les techniques ultrasonores conventionnelles, les multiéléments se trouvent confrontés aux mêmes limites physiques :
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l'ouverture du traducteur reste déterminante sur la limite de la zone de Fresnel, en multiéléments comme en monoélément : il ne sera pas possible de focaliser au-delà ;
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l'atténuation ou le bruit d'un matériau constituent une contrainte et le choix d'un traducteur multiéléments résulte d'un compromis, comme en monoélément. La technique multiéléments permet d'améliorer la résolution ou le rapport signal sur bruit seulement dans des cas très particuliers (cf. quelques applications avancées présentées telles que le retournement, DORT, la focalisation en tout point, l'autofocus) ;
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l'effet d'une cuvette, d'une irrégularité de surface, lors d'un examen au contact, est le même en multiéléments et en monoélément, sauf à utiliser des traducteurs innovants (Conformable ou Traducteur Contact Intelligent).
8.2 Questions non résolues
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La présence d'éléments inactifs
L'effet de la présence d'éléments non fonctionnels (inactifs) sur l'ouverture du traducteur est difficilement quantifiable et reste une question ouverte à ce jour . Il se traduit à la fois par :
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une diminution de l'énergie, liée à la perte de certaines contributions ;
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si les éléments non-fonctionnels sont sur les bords, une éventuelle réduction d'ouverture de la surface active avec des conséquences sur la limite de zone de Fresnel ;
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un sous-échantillonnage local et aléatoire de la surface du traducteur...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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.
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(5) - BORN (M.), WOLF (E.) - Principles of optics. - Éd. Pergamon.
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