Résumé

Les matériaux piézocomposites ont permis depuis plusieurs années de développer une nouvelle technologie de capteurs ultrasons adaptés au contrôle non destructif des matériaux : les capteurs Phased Array.
Ces capteurs, constitués d'un grand nombre de capteurs élémentaires organisés en réseaux linéaires, annulaires, circulaires, ou matriciels permettent de mettre en œuvre le balayage, la focalisation et la déflexion électronique. Ces différents concepts seront présentés, ainsi que les bénéfices associés en termes de performances, de flexibilité, de rapidité ou de faisabilité de certains contrôles.
Différentes applications mettant en œuvre cette technologie seront également présentées en détaillant particulièrement les capteurs utilisés. Les bénéfices de la technologie phased array seront au travers de ces applications mis en évidence pour de nombreux domaines d'application parmi lesquels l’industrie nucléaire, l'industrie aéronautique et l'industrie du contrôle en ligne.

Introduction

Un certain nombre d’industries demandeuses de moyens avancés de contrôle non destructif, comme le nucléaire, l’aéronautique ou le contrôle en ligne demandent de manière récurrente des améliorations de performances des systèmes de contrôle.
Les demandes les plus courantes concernent l’augmentation de la productivité, la diminution des zones non contrôlées ou encore l’augmentation des performances de détection et de dimensionnement.
Pour répondre à ces demandes, Imasonic con çoit et développe depuis 10 ans des traducteurs basés sur la technologie Phased Array.

Le concept Phased Array

Le concept Phased Array est basé sur l’utilisation de traducteurs décomposés en éléments individuels pouvant chacun être pilotés indépendamment. Ces capteurs sont connectés à des électroniques de pilotage adaptées permettant d’émettre et de recevoir indépendamment et simultanément sur chacune des voies. Ces électroniques doivent également pouvoir appliquer à l’émission et à la réception des retards électroniques différents pour chaque voie.
Pour certaines applications mettant en œuvre le balayage électronique, tous les éléments du capteur ne sont pas utilisés simultanément. L’électronique de pilotage utilise dans ce cas de manière dynamique le multiplexage pour répartir les éléments actifs parmi les éléments du traducteur.

Le balayage électronique


Fig 6: représentation schématique du balayage électronique : des groupes d’éléments sont successivement activés pour déplacer le faisceau le long du traducteur.

Le balayage électronique schématisé sur la figure 6 consiste à déplacer spatialement un faisceau en activant séquentiellement différentes ouvertures actives constituées chacune de plusieurs éléments d’un capteur phased array.
Il permet de remplacer électroniquement un axe de balayage mécanique.
Ce concept est en général utilisé pour du contrôle en ligne de tôles, de barres ou de tubes, et peut également être utilisé pour du contrôle de soudures.

La focalisation électronique
La focalisation électronique représentée sur la figure 7 est basée sur l’utilisation de retards électroniques appliqués en émission et en réception sur chacune des voies du capteur. Les retards ont un effet semblable à celui d’une lentille de focalisation et permettent de focaliser à différentes profondeurs.
La focalisation électronique permet de n’utiliser qu’un seul capteur phased array là ou plusieurs capteurs mono éléments avec différentes distances focales sont nécessaires. Les applications les plus fréquentes sont le contrôle de pièces épaisses.

Fig 7: représentation schématique de la focalisation électronique : des lois retards électroniques sont appliqués ‘à gauche) pour focaliser le faisceau.

Fig 8: représentation schématique de la déflexion électronique : des lois retards électroniques sont appliqués ‘à gauche) pour défléchir le faisceau.

La déflexion électronique
La déflexion électronique schématisée sur la figure 8, utilise comme la focalisation électronique des lois de retard. Ces dernières sont dans ce cas calculées pour donner au faisceau émis un angle d’incidence qui peut varier par simple modification de la loi de retard (ensemble des retards appliqués à chacune des voies concernées).
La focalisation électronique permet de n’utiliser qu’un capteur pour des inspections nécessitant traditionnellement plusieurs capteurs travaillant à des angles différents. Elle permet en outre de défléchir le faisceau sans utiliser de sabot, ce qui permet de contrôler des pièces à partir d’emplacements à très faible encombrement.(3)

Le balayage, la focalisation et la déflexion électronique peuvent être combinés pour résoudre des applications telles que le contrôle de soudures ou le contrôle de tubes. Des exemples seront traités dans le paragraphe « exemples d’application » ci dessous.

Les capteurs Phased array

La technologie phased array nécessite des capteurs multi éléments de géométries variables, mais devant répondre impérativement à certains critères :

• Les éléments doivent pouvoir être pilotés individuellement et indépendamment, sans générer sur les éléments voisins de vibration due à un couplage acoustique ou électrique.
• Les performances de chacun des éléments doivent être les plus proches possibles de manière à assurer une construction de faisceau homogène.
Imasonic, grâce à sa technologie Piezocomposite 1-3 (1) et à sa technologie de réalisation de capteurs multiéléments, con çoit et fabrique des capteurs répondant à ses deux critères (2).

Fig 2: Exemples de géométries des éléments d’un traducteur phased array

Réseau Linéaire Réseau annulaire à pas constant (surfaces non constantes) Réseaux matriciels (damier et .anneaux sectorisés) Réseau circulaire.

La figure 2 montre les différentes géométries possibles de capteurs multi éléments décrites ci après

Capteurs à réseau linéaire
Ces capteurs sont constitués d’un ensemble d’éléments juxtaposés et alignés selon un axe. Ils permettent de déplacer, de focaliser, et de défléchir un faisceau dans un plan.

Capteurs à réseau annulaire
Les capteurs à réseau annulaires sont constitués par un ensemble d’anneaux concentriques. Ils 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.

Capteurs à réseau circulaire
Ces capteurs sont constitués d’un ensemble d’éléments disposés sur une couronne. Ces éléments peuvent rayonner soit vers l’intérieur, soit vers l’extérieur, soit selon l’axe de symétrie de la couronne constituée. Dans ce dernier cas, un miroir est généralement utiliser pour donner au faisceau l’angle d’incidence voulue (voir figures 3 et 4).

Fig 3: Principe du contrôle de tube par l’extérieur avec un réseau circulaire plan 10MHz 128 éléments et un miroir.		Fig 4: Principe du contrôle de tube par l’intérieur avec un réseau circulaire plan 10MHz 128 éléments et un miroir.

Capteurs à réseau matriciel
Ces capteurs ont une partie active divisée dans les deux dimensions en différents éléments. Cette division peut par exemple se faire sous forme d’un damier, ou encore d’anneaux sectorisés. Ces capteurs permettent de piloter le faisceau ultrasonore en 3D en combinant focalisation et déflexion électroniques.

Caractéristiques principales
Au delà de leur géométrie, les capteurs Phased Array présentent la même flexibilité d’utilisation que les capteurs mono éléments. Ils peuvent être utilisés en immersion ou au contact, leur partie active peut être plane ou focalisée, ils peuvent également intégrer des contraintes d’environnement industrielles fortes de température, de pression, de vibrations ou de radiations.

Exemples d’applications

Contrôle de pieds d’ailettes et de rotors
Cette inspection réalisée à l’aide de différentes sondes phased array miniatures dont l’une est présentée sur la figure 1.3 à permis d’inspecter de nombreuses zones jusqu’alors non contrôlées.
L’utilisation de la technologie phased array a permis d’éviter l’utilisation de sabots pour défléchir le faisceau, et ainsi de contrôler à partir d’espaces restreints inaccessibles avec d’autres techniques. Les performances électroacoustiques des sondes ont par ailleurs permis d’augmenter la profondeur de détection et la précision de dimensionnement (3)

Contrôle de tubes
Plusieurs techniques phased array peuvent être utilisées pour le contrôle de tubes. Le contrôle de tubes en ligne se fait en général par l’extérieur avec des sondes encerclantes, comme schématisé sur la figure 1.4.
Le contrôle de tubes d’échangeurs thermiques se fait en général par l’intérieur pour des raisons d’accessibilité. Les tubes de générateur de la centrale nucléaire Super Phœnix ont été contrôlés par l’intérieur grâce à des sondes phased array circulaires schématisées sur les figure 1.2 et 8. La technologie phased array a ici permis d’obtenir la vitesse de contrôle nécessaire. La partie active, formée de 80 éléments à par ailleurs été focalisée par mise en forme pour obtenir les caractéristiques de faisceau souhaitées (4).
Le contrôle peut également se faire par l’intérieur et par l’extérieur en utilisant un réseau circulaire plan associé à un miroir, comme schématisé sur les figures 3 et 4.

Fig 1: Exemples d’utilisation de la technologie phased array

Contrôle de tôles à l’aide de traducteur à réseau linéaire 10MHz 128 voies mettant en œuvre balayage et focalisation électronique Contrôle de tube par l’intérieur à l’aide de réseau circulaire focalisé 10MHz 80 voies mettant en œuvre balayage et focalisation électronique Contrôle de pieds d’ailettes à l’aide de traducteurs à réseau linéaire de contact 10MHz 32 voies mettant en œuvre focalisation et déflexion électroniques. Contrôle de pièces forgées épaisses à l’aide d’un réseau annulaire 5MHz 16 voies mettant en œuvre la focalisation électronique Contrôle de soudures avec un réseau linéaire 5MHz 32 voies mettant en œuvre focalisation et déflexion électroniques. Contrôle de tubes en ligne par l’extérieur avec un réseau circulaire 10MHz 256 voies combinant balayage, focalisation et déflexion électroniques.

Contrôle de billettes de titane

Les billettes de titane sont traditionnellement inspectées avec des jeux de capteurs mono éléments, o ù chaque capteur est dédié à l’inspection d’une zone précise (gamme de profondeur), pour un diamètre de billettes précis. Bien que performante au niveau de la détection des défauts, cette solution a le gros inconvénient de nécessiter de nombreux capteurs, et elle demande plusieurs passages pour contrôler une seule billette.
Une alternative consiste à utiliser un réseau matriciel. La découpe des éléments, telle que présentée sur la figure 5 permet grâce à la focalisation et à la déflexion électronique d’adapter le capteurs à différents diamètres de billettes, et à différentes profondeurs de travail.
Il est également possible d’utiliser la technique du miroir à retournement temporel (5) qui a permis de détecter des trous à fond plat de 0.4mm de diamètre à une profondeur de 140mm avec un rapport signal / bruit supérieur d’au moins 6dB à celui obtenu avec n’importe quelle autre technique.

Fig 5: Capteur matriciel de FERMAT pour le contrôle de billettes de titane avec la technique du miroir à retournement temporel (X).

Conclusion

Les avantages de la technologie Phased Array sont à la fois des bénéfices techniques et économiques :

• on remplace le balayage mécanique traditionnel par un balayage électronique beaucoup plus rapide
• la focalisation électronique permet d’utiliser un seul capteur pour travailler à différentes profondeurs
• la déflexion électronique autorise la variation des angles d’incidence avec un seul capteur.

La réduction des coûts conséquente au gain de temps de contrôle et au gain de temps de réglage est significative.

Par ailleurs, la technologie phased array rend réalisable des applications qui ne pouvaient être résolues par des solutions traditionnelles, par exemple lorsqu'il est nécessaire de défléchir le faisceau sans espace disponible pour l'utilisation d'un sabot (contrôle de rotor et de pieds d'ailettes) ou lorsqu'un balayage est nécessaire sans l'espace disponible pour la mécanique correspondante (contrôle de tubes coudés de petit diamètre par l'intérieur).

Références

1. J.Poguet, G.Fleury, J.L.Guey, P.Conche, « La technologie piezocomposite : Une approche innovante pour développer les performances du C.N.D. par ultrasons », dans ce volume
2. J.Poguet, L.Chupin, Ph.Gendreu, O.Roy, S.Mahaut " Contrôle ultrasonore au moyen de traducteurs multi-éléments : design et applications", dans ce volume
3. P.Ciorau, J.Poguet, G.Fleury, «Special linear phased array probes used for ultrasonic examination of complex turbine components », Proc. Of 15th WCNDT (2000)
4. J.Poguet, G.Fleury,O.Burat, G.Moreau "Circular phased array probes for inspection of Superphoenix steam generator tubes" Proc. Of EPRI Phased Array inspection seminar (1998)
5. M.Fink, N.Chakroun, F.Wu, L.Beffy, G.Mangenet, « Application of ultrasonic time reversal mirrors to non destrucive testing » Procs Of 6^th european Conference on NDT (1994)

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