Ultrasons multi-éléments (PAUT)

Les réseaux phasés sont utilisés pour une grande variété d'applications d'inspection et de mesure, et ils peuvent être utilisés pour tout travail effectué par ultrasons conventionnels. Par exemple, des réseaux phasés sont utilisés pour détecter et imager les défauts, y compris les fissures, les vides et les creux causés par la corrosion. Ils sont utilisés pour mesurer l'épaisseur du matériau et du revêtement et pour détecter les changements dans les propriétés du matériau. Une autre application courante consiste à évaluer la qualité des soudures et des rivets. Les réseaux phasés sont également utilisés pour inspecter les joints et les interfaces, par exemple, pour détecter et cartographier l'adhésif.

Détails

Les bases

Les sondes de test ultrasonore à ultrasons (PAUT) sont composées de plusieurs cristaux piézoélectriques qui peuvent transmettre / recevoir indépendamment à différents moments. Pour focaliser le faisceau ultrasonore, des retards sont appliqués aux éléments pour créer une interférence constructive des fronts d'onde, permettant à l'énergie d'être focalisée à n'importe quelle profondeur dans l'éprouvette en cours d'inspection.

Ce principe est illustré dans l'image de droite, où les lois de retard ont été calculées pour focaliser le faisceau acoustique à une profondeur et un angle spécifiés. Comme le montre la figure, chaque élément émet une onde sphérique à une heure spécifiée. La superposition de ces ondelettes se traduit par un front d'onde presque plan à l'emplacement spécifié.

Avant et après le point focal ciblé, les fronts d'onde convergent et divergent respectivement. Quelques exemples de calcul de loi de retard sont présentés dans la figure ci-dessous. Lorsqu'aucune loi de retard n'est appliquée, le faisceau ultrasonore résultant n'est pas focalisé et est équivalent au faisceau généré par un transducteur plat conventionnel. La «pseudo focalisation» naturelle évidente dans l'image correspond à la distance en champ proche de la sonde. La configuration illustrée en b donne le même faisceau ultrasonore qui serait généré par un transducteur plat conventionnel utilisé en conjonction avec un coin.

Dans ce cas, il n'y a pas de focalisation de l'énergie ultrasonore; les lois de retard appliquées entraînent la direction du faisceau ultrasonore. Les figures c et d sont les mêmes configurations que celles illustrées en a et b, respectivement, sauf que les lois de retard ont été modifiées pour focaliser l'énergie acoustique à une profondeur spécifiée. Dans les deux images (c et d), il est évident que le point focal est plus étroit et plus localisé. Pour obtenir les mêmes résultats avec une sonde conventionnelle, il faudrait utiliser un cristal spécialement conçu pour obtenir le point focal souhaité.

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Exemples de lois de retard ultrasonores à ultrasons et visualisation du faisceau acoustique rayonné (champ de déplacement). Calculs effectués à l'aide du logiciel de simulation CIVA: (a) aucune loi de retard appliquée, (b) direction uniquement, (c) focalisation en profondeur et (d) direction et focalisation combinées.

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Principe des réseaux phasés; lois de retard calculées pour se concentrer à une profondeur et un angle donnés

Comment les tableaux phasés sont-ils généralement utilisés?

Numérisation électronique

Le balayage électronique est un processus qui reproduit l'inspection effectuée en déplaçant manuellement une sonde UT standard. Un faisceau ultrasonore qui dépend de l'ouverture sélectionnée est traduit électroniquement sur toute la sonde. Cela permet des inspections plus rapides et limite le déplacement mécanique. Cette technique peut être combinée avec la focalisation et la direction du faisceau. Cela peut être fait en utilisant l'onde L ou l'onde S.

Numérisation par secteur

Un balayage de secteur est un processus utilisé pour contrôler un faisceau ultrasonore en changeant électroniquement les angles du faisceau dans un secteur défini. Cela se fait en appliquant des lois de retard électroniques aux différents éléments de la matrice. Cette technique est une alternative à l'utilisation de plusieurs transducteurs UT standard avec des coins différents. Les avantages sont qu'un seul transducteur est nécessaire pour inspecter les composants sous plusieurs angles; il est beaucoup plus rapide que le faisceau d'angle standard UT et il affiche en temps réel une coupe transversale de l'échantillon permettant une interprétation plus facile. Ceci peut être combiné avec une focalisation électronique et utilisé pour les ondes L et S.

Avantage du réseau phasé

Les réseaux phasés présentent plusieurs avantages par rapport aux sondes ultrasoniques conventionnelles qui découlent de la capacité de contrôler dynamiquement le faisceau acoustique transmis dans la structure examinée.

Les matrices phasées peuvent réduire les temps d'inspection en éliminant ou en réduisant le besoin de numérisation mécanique et en tirant parti de la possibilité d'effectuer une numérisation électronique (voir l'animation ci-dessous). Le balayage électronique est accompli en tirant des groupes d'éléments successifs dans le réseau. L'élimination ou la réduction du balayage mécanique augmente également la fiabilité des mesures en éliminant les changements (ou la perte de) couplage, ce qui constitue un risque à chaque déplacement de la sonde.

Alors qu'une sonde conventionnelle a une longueur focale et une orientation, une sonde à réseau phasé unique permet à l'utilisateur de changer la forme et le point focal du faisceau ultrasonore pour optimiser chaque inspection. L'énergie acoustique peut être focalisée et des lois de retard peuvent être appliquées pour diriger le faisceau acoustique. La focalisation dynamique en profondeur permet d'effectuer des mesures à plusieurs profondeurs dans le même laps de temps que pour une seule mesure de profondeur à l'aide d'une sonde conventionnelle.

Les réseaux phasés améliorent la fiabilité des mesures et le dimensionnement des défauts peut être amélioré à l'aide d'outils tels que le balayage sectoriel (voir figure ci-dessous) ou la focalisation après réflexion sur la paroi arrière, deux options disponibles avec les systèmes M2M. Une caractéristique distinctive des systèmes M2M est que l'utilisateur peut régler le faisceau, par exemple, pour définir les points focaux dans un dessin CAO 2S ou 3D.

En raison de leur flexibilité, une sonde multiéléments peut remplacer une boîte à outils entière de sondes à ultrasons conventionnelles. Il peut ainsi simplifier les procédures d'inspection complexes en éliminant le besoin de plusieurs sondes et les étalonnages et configurations associés. Les baies phasées offrent de formidables fonctionnalités, notamment l'imagerie en temps réel.

Par rapport aux mesures avec des sondes à élément unique conventionnelles, la détection et le dimensionnement des défauts sont beaucoup plus faciles et plus robustes. Au lieu de lutter pour trouver le signal unique optimal qui peut être obtenu avec un élément, un réseau en phases permet de capturer des centaines de signaux à la fois. L'efficacité considérablement améliorée facilite la caractérisation des défauts et réduit le nombre de fausses alarmes. Lorsqu'elles sont utilisées conjointement avec la simulation, les stratégies d'inspection peuvent être optimisées pour améliorer la détection. L'enregistrement et la traçabilité des données sont également considérablement améliorés. Par exemple, les données d'inspection peuvent être enregistrées et comparées aux résultats simulés, ce qui permet de confirmer l'existence ou non d'un défaut dans la structure inspectée.

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Profil de faisceau 3D à balayage sectoriel Balayage sectoriel combiné à la mise au point. En utilisant CIVA (ou le logiciel M2M), le faisceau ultrasonore peut être simulé. La figure montre le champ rayonné calculé pour un réseau linéaire à 32 éléments pour une plage spécifiée dans un balayage sectoriel (mode longitudinal, -30 degrés à +30 degrés). La simulation permet de vérifier la taille et l'emplacement du point focal pour chaque angle. La visualisation 3D est affichée ci-dessus dans la géométrie de l'échantillon, ce qui facilite grandement l'analyse des résultats.

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Imagerie à balayage sectoriel en temps réel à l'aide d'un système M2M et d'un réseau linéaire (64 éléments à 5 MHz). Une série de trous percés latéralement sont visibles sur l'image.