Résumé

Dans le cadre d’inspection de pièces à géométrie complexe à l’aide de traducteurs multi-éléments, l’interaction entre le champ ultrasonore émis et les pièces à contrôler peut générer des signaux demandant une analyse avancée pour détecter, voire dimensionner les défauts recherchés.

Il est dans ce cadre déterminant de disposer de moyens de simulation permettant de prédire le fonctionnement de la chaîne d’acquisition en intégrant notamment les performances des traducteurs et l’interaction du faisceau émis avec la pièce à contrôler.

Il est par ailleurs nécessaire d’utiliser des capteurs générant le moins possible de signaux parasites, dus à des modes de vibration non souhaités, pouvant interférer avec les signaux utiles.

Cette présentation met en évidence dans un tel contexte les apports de la plate-forme logicielle CIVA, développée par le CEA, et des traducteurs piezocomposites conçus et fabriqués par Imasonic.

Introduction

Les performances croissantes des systèmes de contrôle par ultrasons, incluant notamment des capteurs multi éléments, des électroniques de pilotage asservies à des mécaniques de déplacement, et des unités de traitement de l’information acquise, permettent d’accéder à l’inspection de nouvelles pièces, à la diminution des zones non contrôlées ou à une réduction du temps de contrôle nécessaire. On peut citer à titre d’exemple le contrôle de rotor et de pieds d’ailettes (1), le contrôle de piquage ou encore le contrôle d’arbres.

Pour la mise au point de tels systèmes de contrôle, et pour l’exploitation des résultats, il est essentiel de maîtriser le faisceau ultrasonore émis et les effets de son interaction avec la pièce à contrôler.

Cette maîtrise s’acquiert en partie avec l’aide de logiciels de simulation de faisceau capables de modéliser l’interaction des capteurs, de l’électronique de pilotage (lois de retard) et de la pièce à contrôler (géométrie, matériau, type et position des défauts).

Elle nécessite également l’utilisation de traducteurs réduisant le plus possible les modes de vibrations parasites.

Apport de la simulation ultrasonore (CEA)

Le CEA a développé des outils de simulation ultrasonore, au sein de la plate-forme logicielle Civa (2), prenant en compte des configurations de contrôle non destructif réalistes, représentatifs des besoins industriels. Ces outils sont utilisés dans une démarche de définition et/ou d’optimisation d’une méthode de contrôle: une configuration d’inspection appropriée (type de capteur, technique d’inspection, influence des paramètres), en fonction des performances requises, peut ainsi être entièrement simulée et donner des résultats quantitatifs sur sa capacité à détecter et caractériser les défauts recherchés. Ces outils peuvent aussi être mis à profit pour l’interprétation de résultats de contrôle existants, ou encore pour la formation d’opérateurs. Enfin, les performances numériques de ces modèles en termes de précision et de temps d’exécution autorisent un usage intensif de la modélisation pour étudier l’influence de la variation des différents paramètres du contrôle.

Les deux modèles développés et implantés dans Civa sont Champ-Sons (3) – calcul du champ impulsionnel rayonné dans une pièce par un traducteur - , et Méphisto (4) – simulation d’une inspection c avec interaction faisceau/défaut -. Le logiciel Champ-Sons permet d’optimiser et démontrer les performances d’un traducteur, de type immersion ou contact, plan ou focalisé, monolithique ou multi-éléments, à travers une pièce de géométrie et de structure complexes -pièce homogène ou hétérogène, isotrope ou anisotrope - . Le champ calculé par ce logiciel peut ainsi servir de donnée d’entrée au code Méphisto. Ce logiciel prend en compte le déplacement du traducteur, et calcule, pour chaque position, le signal ultrasonore reçu par le traducteur, résultant de l’interaction entre le faisceau incident et un défaut (plan, volumique, ou multi-facettes) ou les limites de la pièce. Méphisto prend également en compte les conversions de mode d’ondes produites par réflexion sur les bords de la pièce ou sur un défaut. Les images ultrasonores simulées, de type Ascan, Bscan, Cscan, sont directement comparables aux images issues des données d’acquisition.

Dans le cadre de la simulation de techniques multi-éléments, le logiciel Champ-Sons permet d’optimiser le traducteur (découpe des éléments, fréquence) afin de minimiser le nombre d’éléments du traducteur sans génération de lobes de réseau, selon la gamme d’angles de réfraction et de taux de focalisation souhaités. La géométrie du traducteur étudiée peut être une découpe circulaire, linéaire (traducteurs de type áábarretteññ) ou matricielle (réseau 2D). Le code Champ-Sons calcule le champ résultant de l’ensemble des éléments, avec application de lois de retards et d’amplitude. Le stockage des réponses impulsionnelles de chaque élément en tout point de la zone de calcul permet de calculer le champ pour différentes lois de retards ou d’amplitude, de modifier le signal du traducteur, sans nécessité de relancer un nouveau calcul (3).

Les bénéfices apportés par les capteurs piezocomposites

Au delà des caractéristiques dimensionnelles (taille, nombre et géométrie des éléments), et des performances électroacoustiques (fréquence, bande passante) des traducteur , il est parfois nécessaire pour l’interprétation des résultats de prendre en compte le comportement vibratoire de leur partie active piezoélectrique.

Mode de vibration d’épaisseur et mode de vibration radial
Les capteurs piezoélectriques ultrasonores utilisent généralement une pastille de matériau piezoélectrique monolithique dont l’épaisseur varie en fonction de la fréquence.

Des électrodes sont déposées de part et d’autres de cette pastille pour la faire vibrer et ainsi émettre des ultrasons. Le mode de vibration utilisé dans la plupart des cas est le mode d’épaisseur, pour émettre des ondes longitudinales, ou ondes de compression. Au-delà de ce mode de vibration recherché et piloté, le comportement mécanique des éléments piezoélectriques monolithiques génère des modes de vibrations radiaux, ou transversaux qui ont pour effet de générer des signaux ultrasonores parasites qui s’ajoutent au signal recherché.

Les cas les plus défavorables sont les traducteurs dont les dimensions de la partie active sont proches de l’épaisseur de la pastille. Les fréquences des modes de vibration utiles et parasites ne peuvent alors pas être séparées par filtrage. C’est par exemple le cas pour des traducteurs mono éléments basse fréquence (inférieure à 500 KHz) ou pour des éléments de capteurs multi éléments (capteurs phased array).

Réduction des modes de vibration parasites
Ces modes de vibrations parasites perturbent le signal ultrasonore ainsi que le profil du faisceau.

Au-delà de cette perturbation, ils présentent également l’inconvénient majeur de ne pas être pris en compte par la plupart des logiciels de calcul de champs ultrasonores rayonnés et sont à l’origine d’écarts non prévisibles entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux.

Imasonic conçoit et fabrique depuis 10 ans des capteurs basés sur la technologie piezocomposite 1-3 (5), schématisée sur figure 1. De par leur structure composite orientée selon l’axe d’émission des ultrasons, schématisée sur la figure 2, ces matériaux présentent l’avantage de réduire à un niveau très faible les vibrations parasites:

• La hauteur des bâtonnets de céramique, grande devant leurs dimensions latérales, favorise la vibration selon le mode d’épaisseur au détriment du mode radial.
• L’isolement des bâtonnets dans un matériau polymère permet de couper la propagation transversale des vibrations

Fig 1: Représentation schématique de structure piezocomposite 3.

Fig 2: Limitation des modes de vibration dans la structure piezocomposite 1-3.

Réduction du couplage inter éléments
La propagation de vibrations transversales a une autre conséquence dans le cadre de capteurs phased array: lorsqu’un élément est activé, ces vibrations transmettent à ces voisins une vibration non souhaitée, avec un déphasage non maîtrisé.

Les concepts de balayage, focalisation et déflexion électroniques (6) sont basés sur l’utilisation de retards électroniques appliqués à chaque élément du traducteur dans le but de former un faisceau ayant des caractéristiques souhaitées (distance focale, angle d’inspection, résolution latérale, profondeur de champ…). Il est donc essentiel de pouvoir piloter individuellement chacun des éléments.

Grâce à la limitation des modes de vibration parasites expliquée précédemment, la structure piezocomposite 1-3 des capteurs Imasonic (5) permet de réduire le couplage entre les éléments à une valeur généralement inférieure à –40 dB (voir figure 3), ce qui permet une exploitation optimale de la technologie phased array avec des résultats expérimentaux proches des simulations.

Fig 3: Représentation de la réduction du couplage inter éléments dans les piezocomposite 3 par rapport aux céramiques .

Exemples d’application

Démonstration des performances d’un traducteur
La figure 4 présente un exemple de visualisation d’une configuration de contrôle, avec un traducteur multi-éléments contact sur une pièce complexe (raccordement plan / cylindre). Le traducteur, fonctionnant à 3MHz, est un réseau linéaire de 16 éléments, de distance centre à centre de 1 mm, avec un sabot en plexiglas incliné à 15°. La figure 4.b) montre les champs rayonnés par le traducteur sur la partie plane pour différentes lois de retards (calculées en ondes L), à 30, 45 et 60 degrés de réfraction dans l’acier, focalisant à 20 mm de profondeur. Les amplitudes des champs (normalisés) sont reportées en dB par rapport à l’amplitude obtenue sans loi de retards. Le rapport d’amplitude entre les fronts L et T diminue lorsque l’angle de réfraction augmente, et l’on observe une perte de sensibilité globale. Aucun lobe de réseau n’est présent quelle que soit la loi de retards appliquée, ce qui valide la découpe choisie. La figure 4.c) présente les champs ultrasonores rayonnés sur la partie courbe de la pièce. Les champs sont calculés, d’une part en prenant en compte la désadaptation du traducteur (présence d’une lame d’eau sous le sabot), d’autre part en considérant un sabot courbe adapté à la pièce. Dans les deux cas les lois de retards appliquées correspondent à une focalisation en ondes L45°. On voit que l’on peut compenser les effets de la lame d’eau par retards, même s’il subsiste une perte de sensibilité.

Fig 4: Modélisation du champ d’un traducteur sur pièce xe. a) configuration et géométrie du b) Champs rayonnés sur la partie plane. c) Champs rayonnés la partie courbe, avec /sans manque de .

Vérification des performances d’un traducteur
La figure 5 présente la comparaison des champs ultrasonores simulés et mesurés pour un traducteur multi-éléments annulaire fonctionnant en immersion (formé de 11 anneaux circulaires, d’ouverture globale 93 mm, fonctionnant à 1MHz). Les relevés de champs et les simulations sont effectués à 20 et 50 mm de profondeur, sur une ligne perpendiculaire à l’axe du traducteur, qui rayonne un champ focalisé à 50 mm de profondeur dans une pièce d’acier plane. Les mesures de champ sont réalisées à l’aide d’un capteur électromagnétique (sonde EMAT). Les simulations sont effectuées en utilisant, pour le signal du traducteur, la forme d’onde mesurée à la focale. L’utilisation d’un signal expérimental comme forme d’onde de référence permet en effet de prendre en compte les caractéristiques de la chaîne d’acquisition et la bande passante du récepteur. Les vues expérimentales et simulées montrent un très bon accord, ce qui permet de valider la découpe du traducteur réalisé et son bon fonctionnement global (absence de diaphonie acoustique et électrique notamment, qui aurait induit des contributions supplémentaires).

Fig 5: Champs mesurés et simulés pour un multi éléments annulaire focalisant à 50 mm de .

Conclusion

La combinaison des performances de la plate-forme CIVA en ce qui concerne la simulation du faisceau ultrasonore, et des capteurs Imasonic en ce qui concerne la réduction des modes de vibration parasites, permet la mise au point et l’exploitation des résultats de nouvelles applications complexes telles que par exemple le contrôle de piquages, le contrôle de pieds d’ailettes (1), le contrôle de rotors ou le contrôle d’arbres.

CIVA offre déjà en outre la possibilité de comparer les résultats expérimentaux avec les résultats des simulations.

Des voies d’améliorations restent encore possibles pour améliorer la maîtrise d’inspections complexes, en intégrant par exemple sur les machines électroniques de contrôle les logiciels de simulation et d’exploitation pour un recalage en temps réel des résultats.

Références

1. P.Ciorau, J.Poguet, G.Fleury, ááSpecial linear phased array probes used for ultrasonic examination of complex turbine componentsññ, Proc. Of 15th WCNDT (2000)
2. F. Cartier, R. Raillon, L . Le Ber, A. Lhémery et P. Calmon, ááOutils CAO d’imagerie et de simulation pour l’expertise en contrôle par ultrasonsññ, dans ce volume.
3. O. Roy, S. Mahaut, M. Serre and A. Lhémery, ááApplication of ultrasonic beam-forming techniques using a phased array system to defect characterizationññ, Proc. Of the First Int. Conf. on NDE in relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurised Components(1998)
4. L.Le Ber, P. Calmon, E. Abittan, ááContribution de la modélisation ultrasonore au processus de qualification des méthodes de contrôleññ, dans ce volume.
5. J.Poguet, G.Fleury, J.L.Guey, P.Conche, ááLa technologie piezocomposite : Une approche innovante pour développer les performances du C.N.D. par ultrasonsññ, dans ce volume
6. J.Poguet, J.Marguet, F;Pichonnat, L.Chupin, "La technologie Phased array : concepts, capteurs et applications", dans ce volume

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