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Les techniques de contrôles multiéléments
La principale difficulté liée à une inspection parultrasons réside dans la transmission de l’onde ultrasonore depuis la surface émettrice du traducteur jusque dans la pièce inspectée. En effet, l’air est très atténuant pour les ultrasonset la rupture d’impédance entre l’air et l’acier génère des réflexions importantes à l’interface. Pour améliorer la transmission de l’onde dans la pièce, l’utilisation d’un milieu couplant est nécessaire. En général, on contourne le problème en plaçant la pièce dans l’eau qui fait alors office de couplant, le contrôle se fait alors en immersion. Pour les pièces que l’on ne peut pas immerger, par exemple à cause de la nature du composant à inspecter, le contrôle est ef fectué au contact. Dans ce cas, la transmission des ondes est facilitée par l’utilisation d’un gel couplant. Pour les contrôles au contact, plusieurs technologies de capteurs peuvent être employées, comme les traducteurs munis ou non d’un sabot (mis en forme ou non) en polymère rigide (ex. : plexiglas) ou encore les traducteurs flexibles. Ces technologies seront détaillées dans le paragraphe suivant.
Le contrôle en immersion
Dans le cas des contrôles en immersion, la pièce et le capteur sont plongés dans un fluide, souvent l’eau (Figure 1-3), qui sert de milieu couplant. Le contrôle peut être réalisé dans une cuve, ou au moyen d’un jet d’eau. La distance entre le centre du capteur et la pièce est appelée « hauteur d’eau ». Cette technique est souvent utilisée lorsque l’état de surface ne permet pas la mise au contact d’un capteur ou lorsqu’on souhai te contrôler des pièces à grande vitesse.
L’utilisation d’une telle configuration de contrôle peut être contraignante à mettre en place sur site, principalement pour des raisons d’encombrement et de coûts plus élevés de la chaîne de contrôle. Par ailleurs, certaines pièces ne peuvent être immergées du fait de la nature même de leur matériau. Ainsi, de nombreux contrôles par ultrasons doivent être effectués au contact.
Le contrôle au contact
Contrôle au contact avec capteurs rigides
Les capteurs classiques (rigides) peuvent être placés directement au contact de la pièce ou bien montés sur un sabot selon l’application visée.
La surface active des capteurs peut être disposée àmême la pièce lorsque la surface de la pièce est plane et lorsque la zone à contrôler se s itue dans l’ouverture du capteur. Si tel n’est pas le cas, on peut être confronté à des limitations causées par la directivité du capteur. Pour pallier ce problème, ce dernier peut être monté surun sabot incliné en polymère rigide qui permet, par réfraction à l’interface sabot/pièce, d’imposer une direction de propagation privilégiée et ainsi d’améliorer la déviation du isceaufa. Ce type de capteurs est approprié pour l’inspection de pièces planes ou encore pour des pièces à extrusion cylindrique dont le rayon de courbure reste grand par rapport à la larg eur du sabot. Lorsque ce n’est pas le cas, on peut utiliser des sabots mis en forme pour épouserla géométrie cylindrique de la pièce.
Les pièces industrielles présentent souvent une surface dont la géométrie irrégulière présente localement de fortes variations de courbure. Ces irrégularités peuvent provoquer un mauvais couplage acoustique entre le traducteur (monté ou non sur un sabot) et la pièce. À titre d’illustration, la Figure 1-4 présente les résultats d’un calcul du champ de déplacement (en ondes longitudinales) réalisé avec CIVApour un traducteur placé sur une interface plane, puis irrégulière. Le profil irrégulier provoque undécollement du sabot qui dégrade fortement le champ émis. On constate une forte atténuation duchamp ainsi qu’une déviation, voire un dédoublement du faisceau. Cela se traduit par une perte d’amplitude pouvant rendre la détection plus difficile. La localisation du défautest, par ailleurs, rendue plus difficile car la direction de propagation n’est pas maitrisée. Contrôle au contact avec des capteurs flexibles
Afin d’optimiser le contrôle au contact de pièces à géométries complexes, le CEA a développé des capteurs multiéléments souples [2,3,4] pouvant s’adapter à la géométrie de la pièce inspectée. Cette technologie optimise le couplage acoustique entre le traducteur et la surface de la pièce, ce qui limite les aberrations du faisceau ultrasonore. Le Traducteur Contact Intelligent (TCI) (Figure 1-5) a été réalis pour répondre aux configurations de contrôle de pièces 2D [3,4]. Il est composé de 28 léments piézoélectriques indépendants formant un tapis articulé flexible. Il permet de contrôler une pièce au contact suivant un profil irrégulier pouvant comporter des rayons de courburelocaux de l’ordre de 15 mm.
Pour conserver des caractéristiques de faisceau quasi constantes lors d’un déplacement, il est nécessaire de compenser les effets de surface en prenant en compte la déformation du capteur dans le calcul de la loi de retards. Pour cela, un profilomètre a été intégré au TCI pour mesurer les déformations de la surface émettrice. Un algorithme embarqué dans les systèmes d’acquisition adapte en temps réel les lois de retards en fonction des données profilométriques. Ces retards sont ensuite appliqués aux éléments du traducteur. Ainsi, dans la simulation de la Figure 1-7, les éléments du TCI sont déformés par la surface courbe, mais cette déformation a été prise en compte pour le calcul d’une loi de retards, adaptée à la position occupée par le traducteur et à sa déformation, qui est appliquée aux éléments. Les caractéristiques du faisceau (orientation et profondeur de focalisation) sont alors maintenues, à la fois sur la forme et l’amplitude, et ce, quell e que soit la position du capteur.
Le TCI étant limité au contrôle de pièces de géométrie 2D, le concept de ce traducteur a été naturellement étendu pour que le module flexibl puisse se déformer dans le plan d’incidence et dans le plan hors d’axe (géométrie 3D). Sa surface est composée d’une matrice d’éléments piézoélectriques indépendants, coulésnsdaune résine souple. Le capteur est alors dit « matriciel conformable » (Figure 1-8).
Les principales méthodes multiéléments de CND parltrasonsu
Les capteurs multiéléments apportent de nombreux avantages par rapport aux capteurs monoéléments. Alors qu’il est possible de défléchirdans différentes directions et/ou de focaliser un faisceau à différentes profondeurs avec un seul et même capteur multiéléments, ces opérations nécessiteraient d’utiliser plusieurscapteurs monoélément. En plus de réduire le nombre de traducteurs à utiliser, les capteurs mult iéléments augmentent aussi les vitesses d’inspection. En effet, nous verrons dans cette section qu’un balayage électronique peut localement remplacer un balayage mécanique qui prendrait plus de temps. De plus, selon le jeu de lois de retards appliqué par l’électroniqueet le pilotage des voies en émission et/ou réception, il est possible d’obtenir différentes représentations des signaux expérimentaux cf(. section 1.3). Un échantillon des méthodes de contrôle exploitant la technologie multiéléments sera présenté dans cette section.
Les méthodes échographiques standards
Dans ce manuscrit, par opposition aux méthodes décrites dans le prochain paragraphe, on entendra par méthodes échographiques standards, ouméthodes conventionnelles, l’ensemble des techniques d’imagerie temps réel reposant sur une focalisation en émission et/ou en réception par application de lois de retards. L’imagerie temps réel signifie que les données collectées par le système d’acquisition ne requièrent pas de post-traitement via un ordinateur pour reconstruire et afficher une image ultrasonore. La simplicité des algorithmes permet d’implémenter ces méthodes directement dans les architectures électroniques des systèmes pour atteindre des vitesses d’inspection élevées. lsI sont d’ailleurs implantés dans la plupart des appareils de contrôle actuels (ex. : systèmes d’acquisition MultiX [5]). Parmi ces méthodes, nous nous intéresserons plus particulièrement à la focalisation en un point avec balayage mécanique ou électronique, la focalisationavec balayage angulaire, et la focalisation dynamique en profondeur (ou en anglais DDF pour « Dynamic Depth Focusing »).
Nous illustrerons ces méthodes par des résultats desimulation réalisées à l’aide d’un capteur de 64 éléments (fréquence centrale 5 MHz,space inter-éléments = 0,6 mm) disposé sur une pièce plane en acier inox (cL = 5740 m/s) présentant 3 séries de TGs situées à 0,1 25 et 42 mm de profondeur.
Focalisation en un point
Cette technique de base en CND consiste à focalise r, en émission et réception, en un seul point de la zone d’inspection. Pour former une image complète de la pièce, c’est-à-dire un Bscan (cf. section1.3), le traducteur doit être déplacé mécaniquement. Lorsque le traducteur dispose d’une ouverture assez grande, on peut définir une sous-ouverture (c’est-à-dire un ensemble d’éléments adjacents) que l’on utilise pour focaliser dans la pièce. Le déplacement de cette sous-ouverture, par simple commutation électronique, permet de construire un Bscan. Que ce soit en balayage mécanique ou électronique, l’angle de tir ainsi que la profondeur du point de focalisation restent constants.
Balayage mécanique
Le choix du capteur (rigide ou flexible) pour effectuer un balayage mécanique dépend de la géométrie de la pièce. Ainsi, lorsque la pièceste plane, les traducteurs classiques peuvent être employés pour effectuer un balayage mécaniqueen immersion ou au contact. Ce n’est plus le cas lorsque la géométrie de la pièce est complexe. Dans ce cas, les capteurs flexibles (TCI, capteur conformable) sont plus adaptés. Par ailleurs, l’inspection en balayage mécanique se prête moins bien à un contrôle en immersion lorsque les pièces sont irrégulières. En effet, il n’existe actuellement pas d’appareil de contrôle qui adapte et actualise les lois de retards tout le long du déplacement du traducteur au-dessus de la pièce. Néanmoins, le balayage électronique explicité ci-dessous, est une solution permettant de remplacer, dans une moindre mesure, le balayage mécanique.
Balayage électronique
La technique, dont le fonctionnement est schématisésur la Figure 1-9, consiste à déplacer séquentiellement une sous-ouverture active constituée d‘un ou plusieurs éléments adjacents du traducteur. Cette méthode d’acquisition s’applique pour une position donnée du capteur. Elle fournit un Bscan local de la pièce. La sous-ouverture en émission peut-être différente de celle définie en réception. Dans le cas contraire,si les sous-ouvertures sont identiques en émission et en réception, le nombre de séquencesN S pour un capteur de N éléments est égal à [6] : NM(NV11) NS Ent 1 (1-1) où Ent[ ] désigne la partie entière,M est le nombre d’éléments constituant la sous-ouverture, NV1 le numéro du premier élément actif, etp le pas avec lequel se déplace la sous-ouverture.
Cette méthode d’inspection permet de remplacer électroniquement un axe de balayage mécanique. Elle montre son intérêt pour le contrôlede pièces à géométries complexes, particulièrement en immersion. En effet, dans cette configuration, le balayage électronique présente l’avantage, par rapport au balayage mécanique d’un traducteur classique placé au contact, de pouvoir former une image sous une surface irrégulière. En effet, certains appareils multivoies actuels (ex. : MultiX) incorporent un calcul dynamique des lois de retards en fonction de la géométrie rencontrée sous la sous-ouverture. Ce fonctionnement suppose que la géométrie complexe soit évidemment connue et que laposition du capteur par rapport à la pièce soit maitrisée.
La Figure 1-10 présente un exemple de Bscan dans lecas simple d’une pièce plane et d’un traducteur au contact. Ce Bscan a été simulé avec e l logiciel CIVA, en imposant un déplacement d’une sous-ouverture de 20 éléments lelong d’un capteur de 128 éléments. La focalisation est assurée, en émission et en réception, à 25 mm de profondeur selon un axe de 45° au-dessus d’une pièce plane. Le Bscan, ne permet pas d’imager l’ensemble des défauts de la pièce. La profondeur du Bscan dépend de la profondeur de numérisation tandis que sa largeur est limitée par le nombre d’éléments formant l’ouverture totale du capteur et celui de la sous-ouverture.
La focalisation dynamique en profondeur ou Dynamic Depth Focusing (DDF)
La focalisation dynamique en profondeur ou en anglais « Dynamic Depth Focusing » (DDF) est une fonctionnalité implémentée dans certains appareils de contrôle. Elle permet de focaliser dynamiquement en réception à différentesprofondeurs le long de l’axe de tir défini en émission [7]. La Figure 1-12 illustre les réglages des points focaux lorsque l’axe de tir est défini par une émission focalisée en angle et profondeur.
Le but de la focalisation dynamique en profondeur est de maintenir une résolution spatiale quasi constante le long de l’axe de tir défini en émission. Pour former une image de type Bscan, l’algorithme est d’ordinaire appliqué à un balayage mécanique ou électronique. Bien que la focalisation s’effectue sur plusieurs profondeurs en réception, les cadences d’imagerie restent raisonnables pour des applications temps réel. Après chaque transmission, le signal enregistré résulte de la concaténation de signauxcquisa dans des portes temporelles centrées sur les points de focalisation définis en réception(Figure 1-13) [8]. Une loi de retards adaptée est préalablement appliquée à chaque porte pour assurer la focalisation en ces points. Le traitement est dit « dynamique » car réalisé en temps réel dans les processeurs FPGA(Field-Programmable Gate Array) des systèmes d’acquisition.
La focalisation dynamique en profondeur est particulièrement adaptée pour imager des pièces où les défauts sont localisés à différentesprofondeurs. L’application de l’algorithme DDF fournit une image de résolution plus élevée (selon une direction et une épaisseur de pièce données) par rapport à l’image issue de méthodes d’imagerie où la focalisation n’est assurée qu’en un seul point en émission et en réception.
La Figure 1-14 montre le résultat d’une simulation d’une DDF à 45° appliquée à un balayage électronique d’une sous-ouverture de 20 éléments. L’émission est focalisée à 25 mm de profondeur tandis que la réception est focaliséetous les millimètres entre 10 et 42 mm. Si l’on compare le résultat de la Figure 1-14 avec celui de la Figure 1-11 on remarque que les TGs imagés avec la méthode DDF sont mieux résolusen( particuliers les plus profonds). La focalisation dynamique en profondeur permet bien de conserver une résolution d’image quasi constante le long de l’axe de tir.
Les méthodes de post-traitement de la matrice K
Les méthodes échographiques présentées dans le prédentc paragraphe (2.1) sont, pour la plupart, implantées dans les appareils multivoies actuels et permettent de réaliser des inspections temps réel sur site. Les deux méthodesprésentées ici sont des méthodes de post-traitement nécessitant un traitement via un ordinateur après acquisition. Cependant, il faut souligner que des appareils récents intègrent ces méthodes en traitement temps réel, et commencent à être commercialisés pour le CND [9,10].
Ces techniques sont basées sur l’acquisition de la matrice K(t) des réponses impulsionnelles inter-éléments. Une foisK(t) acquise, un certain nombre d’opérations de traitement du signal peuvent lui être appliquées afin d’en extraire les informations pertinentes, en fonction de l’application visée.
La matrice K
Pour un traducteur composé de N éléments cf(. Figure 1-15), K(t) est construite à partir des N× N réponses impulsionnelles inter-élémentsknm(t), correspondant au signal reçu par l’élémentn quand on applique un signal impulsionnel δ(t) à l’élémentm. Une fois ces signaux acquis, pour tout signal appliqué em(t), on peut déduire le signal reçu rn(t) par la relation suivante : rn (t ) = k n m (t ) Ä e m (t ), 1 £ n , m £ N . (1-2)
L’acquisition fournissant les N× N signaux knm(t) est communément appelée Full Matrix Capture (FMC). Elle consiste à exciter individuelle ment chacun des éléments du capteur tandis que tous les éléments sont utilisés en réception à chaque transmission. Le principe de cette acquisition est illustré sur la Figure 1-16.
La matrice K(t) issue de cette acquisition s’interprète comme la réponse impulsionnelle du système linéaire « capteur/milieu d’inspection » à N entrées etN sorties, caractérisant à la fois la propagation dans le milieu d’inspection et les phénomènes de transduction. Ainsi, en définissant un vecteur E(t) de N signaux d’excitation em(t), correspondant par exemple à des impulsions décalées les unes par rapport aux autressuivant une loi de retards, le vecteur R(t) des signaux reçus rɶnt est donné par le produit de convolution : R ( t ) = K ( t ) Ä E( t) ,(1-3)
ɶ(t ) de R(t) s’écrit : où chaque composante rn N ɶ(1-4) rn t =∑k nm t Ä em t. m1.
Dans (1-3), les vecteurs E(t) et R(t) sont chacun de dimension Nx1, et K(t) est de dimension NxN. En termes de représentation des données expérimentales (cf. paragraphe 1.3), le vecteur R(t) s’interprète comme le Bscan « voies/temps » affiché lorsqu’on applique le jeu de N signaux d’excitation em(t) en acquisition. Dans le domaine fréquentiel, la relation (1-3) s’écrit comme le produit simple suivant : R ( ) = K ( ) E( ) , (1-5)
où K(ω) est la matrice de transfert du système à la pulsation ω, obtenue en calculant la transformée de Fourier de K(t). Nous verrons que cette matrice est à la base de la méthode DORT exposée plus loin dans cette section.
Un premier post-traitement de la matrice K(t), suggéré par la relation (1-4), est la possibilité de focaliser a posteriori dans une pièce pour obtenir les images issues des méthodes échographiques standards.
En premier exemple, considérons une émission largechamp (ou onde plane) où tous les éléments du capteur émettent simultanément sans qaucun’ retard ne leur soit appliqué (em (t )(t ), 1 m N) . Le signal élémentairesn (t) reçu par l’élément n peut s’écrire à l’aide des knm(t) comme : N sn (t ) =∑k nm (t) . (1-6)
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Evaluation de méthodes multiéléments pour le Contrôle Non Destructif par Ultrasons
1. Notions de base du CND par ultrasons
1.1. Généralités sur le CND par ultrasons
1.2. Les traducteurs multiéléments
1.3. Représentation des données ultrasonores
1.4. Les techniques de contrôles multiéléments
2. Les principales méthodes multiéléments de CND par ultrasons
2.1. Les méthodes échographiques standards
2.2. Les méthodes de post-traitement de la matrice K
3. Evaluation de méthodes de détection et d’imagerie dans une pièce complexe
3.1. Solutions d’apprentissage de surface
3.2. Paramètres de contrôle et de mesures
3.3. Évaluation avec des défauts canoniques : trous génératrices
3.4. Evaluation sur un défaut de type fissure : petite entaille inclinée
4. Conclusion du chapitre
Chapitre 2 : Réduction du nombre de données à traiter par l’algorithme FTP
1. Etat de l’art des méthodes d’optimisation des réseaux lacunaires67
1.1. Notions théoriques : apodisation, ouverture effective et PSF
1.2. Définition de réseaux lacunaires périodiques
1.3. Définition de réseaux lacunaires apériodiques
2. Algorithme d’optimisation de réseaux lacunaires
2.1. Démarche initiale
2.2. Description de l’algorithme
2.3. Résultats de l’algorithme en fonction de la fenêtre d’apodisation
2.4. Résultats de l’algorithme en fonction de la fréquence
2.5. Validation expérimentale
2.6. Conclusion
3. Optimisation de la méthode pour les matériaux bruités
3.1. Les sources virtuelles
3.2. Choix du nombre d’éléments pour créer une source virtuelle
3.3. Les sources virtuelles dans l’algorithme FTP
3.4. Évaluation expérimentale avec une pièce non bruitée
3.5. Évaluation expérimentale avec une pièce bruitée
3.6. Conclusion
4. Conclusion du chapitre
Chapitre 3 : Filtrage du bruit dans l’imagerie FTP
1. Imagerie FTP dans les matériaux bruités
1.1. Limite du concept des sources virtuelles en CND
1.2. Les sources virtuelles angulées
2. Etat de l’art des méthodes de filtrage du bruit en sismique
2.1. Filtrage par SVD classique
2.2. Filtrage par SVD – ICA
2.3. Le filtrage par décomposition de la matrice spectrale
3. Le filtrage DORT
3.1. La méthode DORT avec des sources virtuelles
3.2. Description de la méthode de filtrage
4. Evaluation expérimentale du filtrage DORT sur des défauts volumiques
4.1. Imagerie d’un défaut volumique situé en dehors de l’ouverture du capteur
4.2. Méthode de tri des valeurs singulières par intercorrélation
5. Evaluation expérimentale du filtrage DORT sur une entaille
5.1. Application à une pièce non bruitée
5.2. Application à une pièce bruitée
6. Conclusion du chapitre
Conclusion et Perspectives
Bibliographie
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