Contrôle Non Destructif ( CND)

Par Ultrasons

ETUDE ET REALISATION D’UN CAPTEUR

ULTRASONORE
 CND par Ultrasons
Physique des Ultrasons
US = vibrations mécaniques de même nature que le son

0 16 16k 150M

IS S US HS F (Hz)
amplitude

 = 1/F
temps

CND (en général) : 500kHz < F < 20MHz

 Physique des Ultrasons
Moyen de communication

Infra-Sons Son Ultra-Sons Ultra-Sons

 Physique des Ultrasons
Domaines d’application

Armement Médecine Industrie

 Physique des Ultrasons
Les ultrasons en armement

Torpille Espionnage
 Physique des Ultrasons
Les Ultrasons en médecine

kinésithérapie cardiologie gynécologie dentisterie

Images échographiques
 Les Ultrasons en Industrie
Les ultrasons en industrie

Soudage Détection des fuites Mesure de vitesse

et perçage d’écoulement

Mesures des épaisseurs Nettoyage CND

 Ondes Ultrasonores
Différentes Ondes

Onde : propagation des oscillations dans un milieu

Deux grandeurs directionnelles :

direction de l’oscillation
direction de propagation type de l’onde
 Ondes Ultrasonores
Ondes longitudinales (OL)

Repos
sens de
propagation
Compression

directions de
vibration des
Propagation
particules
 Ondes Ultrasonores
Ondes transversales (OT)

Repos
sens de
Impulsion propagation

directions de
vibration des
Propagation particules
 Ondes Ultrasonores
Propagation des ondes US
OL : propagation dans les fluides et les solides
OT : propagation dans les solides
Dans un même matériau VT<VL

Matériau VL (m/s) VT (m/s)

Air 332 -
Eau 1480 -
Huile 1440 -
Acier doux 5960 3240
Acier inox 5740 3130
Zinc 4170 2480
Aluminium 6400 3130
Béryllium 12890 8880
 Ondes Ultrasonores
Différentes Ondes

Ondes longitudinales
Ondes transversales
CND
Ondes de surface
Ondes de Lamb
Onde de Bleustein
Onde de Love
Onde de coin
…
 Atténuation des ultrasons

Atténuation des US dans un matériau :

absorption du milieu
diffusion qui entraîne la dispersion
divergence du champ ultrasonore

Absorption du milieu : milieu de

conduction thermique propagation
friction visqueuse I0 Id Id = I0exp{-kF²d}
hystérésis d’élasticité
0 d
 Phénomènes à l’interface
Interface = surface de séparation de deux milieux
différents
ie Z1  Z2 (Z = V)
n Onde
Si i = 0 : incidence normale i
Z1
Si i0 : incidence oblique Z2
 Phénomènes à l’interface (i = 0)

onde
incidente onde
Ai Ar
réfléchie
milieu 1 (Z1)
milieu 2 (Z2) A r Ai
Z2 Z1
Z2  Z1
At
onde 2 2
réfractée A t  Ai  A r

(conservation de l’énergie)

Si Z1 = Z2 alors Ar=0 et At=Ai : pas de réflexion

Si Z1 >> Z2 alors Ar= Ai et At=0 : réflexion totale
 Phénomènes aux interfaces
Incidence oblique (i0
( )
sin(i) sin(iT) sin(rL) sin(rT)
  
V1L V1T V2L V2T
OT
OL iT OL Si V2L>V1L  un angle ic1/ rL=90°
i i solide 1
(V1L, V1T) V1L
ic1arcsin( )
rT V2L
OL rL solide2
OT (V2L, V2T) Si i > ic1 seules OT générées dans le solide 2

Si V2T>V1L  un angle ic2/ rT=90°

Cas d’une interface V1L
ic2arcsin( )
solide-solide V2T

Si i > ic2 aucune onde dans le solide 2

 Phénomènes aux interfaces
Onde incidente L
OL OL liquide1 OL OL liquide
i i i i
(V1L) (V1L)
rT
rL Liquide 2 OL rL solide
OL (V2L) OT (V2L, V2T)

OT OT
OL iT OL OL iT OL
i i solide 1 i i solide 1
(V1L, V1T) (V1L, V1T)
rT
OL rL liquide2 OL rL solide 2
V2L OT (V2L, V2T)
 Phénomènes aux interfaces
Onde incidente T

OL OT i OT solide OL OT OT
iL i (V1L, V1T) iL i
i solide 1
(V1L, V1T)
rT
OL rL liquide OL rL Solide 2
V2L OT (V2L, V2T)

sin(i) sin(iL) sin(rL) sin(rT)

  
V1T V1L V2L V2T
 Émission et réception des ultrasons
Traducteur ultrasonore

Élément actif :
blindage
prise e = /2

amortisseur Amortisseur : agglomérat de

boîtier matériaux très absorbants :
élément liège, sciure de bois,
actif (EA) mélange de poudres
feuille de métalliques…
protection

Palpeur ou traducteur US
 Contrôle par contact
Génération d’ondes inclinées

amortisseur transducteur
(élément actif)
Vp
i
OL
plexiglas sin(i) sin(r)

VL, VT Vp V

L ou T r
r fixé
V = VL ou VT
i?

i est fixé  pour chaque inclinaison un Tr

 Traducteurs ultrasonores
Champ ultrasonore
max min

z0 = D²/4
Tr
z

Amplitude max

Cartographie du champ

z0 = D²/4 z
Champ le long de l’axe us
 Onde de contrôle

Traducteur L0 Traducteur OT Traducteur OS

défaut

défaut défaut

Onde L Onde T Onde S

 Contrôle par transparence
Onde L0
déplacement
Amplitude réception
Émetteur H
pièce saine

Récepteur temps

E Amplitude
H
Pièce défectueuse H’

R
temps
 Contrôle par transparence
Onde T
E
réception
Pièce saine H

R temps

E
Pièce défectueuse H
H’

R temps
 Contrôle par transparence
Onde T
E R
réception
H

Pièce saine temps

E R
H
H’

Pièce défectueuse temps

 Contrôle par écho
Onde L
déplacement
Amplitude
E/R
écho de fond
pièce saine
e
temps
te=2e/v

E/R écho de défaut

ed
Pièce défectueuse
te=2e/v
temps
td=2ed/v
 Contrôle par échos
Onde T
E/R

Amplitude
Pièce saine

temps

E/R

Amplitude
Pièce défectueuse
ed
i
temps
td=2ed/(vcosi)
 Contrôle par ultrasons
Contrôle des cylindres

Contrôle par échos Contrôle par transparence

 CND par Ultrasons
Types de contrôle

eau

Contrôle par contact Contrôle en immersion

 Avantages et inconvénients du C. en
immersion par rapport au C. par contact

Avantages
automatisation des contrôles
construction des images US
interprétation des résultats plus facile
un seul traducteur peut générer plusieurs faisceaux inclinés

Inconvénients
amplitudes reçues très faibles
méthode coûteuse
pas utilisable pour toutes les pièces
 Contrôle en immersion
Génération d’ondes inclinées

i
Vli
sin(i) sin(r)

VL, VT Vli V
L, T r
Tr incliné de i
V=VL ou VT

Un seul Tr peut créer plusieurs faisceaux inclinés

 Contrôle par contact
Génération d’ondes inclinées

amortisseur transducteur
(élément actif)
Vp
i
OL
plexiglas sin(i) sin(r)

VL, VT Vp V

L ou T r
r fixé
V = VL ou VT
i?

i est fixé  pour chaque inclinaison un Tr

 Choix du traducteur
Contrôle en immersion

Immersion  traducteur focalisé

eau 1.27%
100% 88%
acier
9.33%
12%
10.56%

interface eau-acier :
Veau = 1490m/s, 1 = 1Kg/l, Vacier=5989 m/s et acier = 8.7Kg/l
Seul 1.27 % de l’énergie émise revient au traducteur
 CND par Ultrasons
Formation d’image
Balayage Pour chaque position du traducteur

amplitude
défaut
temps

temps

Balayage
Formation des images ultrasonores
Palette de couleurs
 Représentation des résultats
Ascan, Bscan et échodynamique
Déplacement du Tr

Bscan

Ascan

(NB : l’écho de surface et l’écho

de fond ont été éliminés) Courbe échodynamique
 Représentation des résultats
Bscan, Cscan et Dscan
Cscan

Dscan

Bscan
Cscan : vue aérienne
Dscan : vue de côté
Bscan : vue de face
 CND par Ultrasons
Représentation des résultats

Cscan
ca n
Ds
Bscan
Cscan

Bscan Dscan
 Contrôle par ultrasons
Dimensionnement des défauts

Méthode à –6dB
Méthode AVG
Méthode des chutes successives à –6dB
Méthode à –20dB
Méthode TOFD
…
 Dimensionnement des défauts
méthode –6dB
2 1 3 2 3

L Dimension du défaut = L
Incidence normale Incidence oblique
L : distance qui sépare les 2 positions ‘2’ et ‘3’ donnant
une amplitude = -6dB (moitié) par rapport à l’amplitude ‘1’
H
H/2 H/2

Position ‘2’ Position ‘1’ Position ‘3’

 Dimensionnement des défauts
Principe de la méthode –6dB en 3 dimensions

Balayage de toute la pièce Détermination du contour –6dB

 Dimensionnement des défauts
Méthode AVG
Relation entre Amplitude, Distance traducteur-défaut et la Grandeur
du défaut (méthode A.D.G. ou méthode A.V.G. : Abstand Verstarkun Grösse)

2  dd
2 G
P  P0 2 petits réflecteurs G 

D
A

 x
A 
P  P0  grands réflecteurs  l0
2A
Dimensionnement des défauts
Méthode AVG
Écho de fond
H (référence)
Gain
Hd
Écho du défaut

Gain

A
Exemple de diagramme AVG
 Dimensionnement des défauts
Méthode TOFD
Déplacement du
traducteur X

Amplitude
X

r Fissure
X

L   2

Vt XSin(r) 2 XCos(r)2



haut de la fissure   XSin(r) Vt 
2 
r  Arctg
bas de la fissure   XCos(r) 
  

t1 t1+t
Appareils à ultrasons
 CND par Ultrasons
Choix du traducteur lors d’un contrôle

Un traducteur est caractérisé par :

Son type d’onde (L, T, S…)
Son diamètre D
Sa fréquence centrale F
Son amortissement
 Choix du traducteur
Choix de l’onde de contrôle
Traducteur L0 Traducteur OT Traducteur OS

défaut

défaut défaut

Onde L Onde T Onde S

oscillogramme
 Choix du traducteur
Choix de l’onde de contrôle
Traducteur L0 Traducteur OT Traducteur OS

défaut
défaut défaut

oscillogramme
Pas d’échos reçus défaut non détecté
 Choix du traducteur
Choix du diamètre

Grand diamètre du traducteur  amélioration du S/B

(car grande énergie émise)
 meilleure résolution latérale (d=Foc/D
(car diminution de la largeur du faisceau )

 augmentation de la limite du champ

proche D²/(4)(Pb contrôle par contact)
 Choix du traducteur
Résolution radiale
écho1
écho1 écho2
écho2

d=Foc/D

Mauvaise résolution latérale Bonne résolution latérale

Résolution latérale : c'est l'aptitude à séparer deux défauts proches

situés dans un plan perpendiculaire à l'axe ultrasonore
 Choix du traducteur
Choix de la fréquence
= V/F

Si F est élevée  meilleure résolution latérale

 meilleure résolution axiale
 diminution de la zone de silence

 atténuation de l’onde augmente ( = KF²)

Faibles épaisseurs et matériau non absorbant : utiliser les hautes

fréquences
 Fortes épaisseurs et/ou matériau absorbant : utiliser les basses
fréquences
 Choix de la fréquence
Résolution axiale
Si F augmente  diminue Améliorer la résolution axial :
td

tp Meilleur détection (zone de silence réduite)

Meilleur localisation
défaut
Meilleure mesure d’épaisseur

excitation défaut excitation

fond fond
défaut

HFBonne résolution BFmauvaise résolution

 Choix de l’amortisseur
Zone de silence
traducteur traducteur

zone morte défaut zone morte

défaut
écho de défaut
(caché par l'écho
écho de défaut de surface)

temps temps
écho de écho de
surface surface
Les défauts appartenant à la zone de silence ne sont pas détectés.
Pour réduire la zone de silence :
augmenter la fréquence (réduire )
améliorer l’amortissement
utiliser des traducteurs E/R séparés
 Choix du traducteur
Choix de l’amortisseur
Rôle de l’amortisseur : limiter la durée de l’émission de l’O. US
 améliorer la résolution axiale

amplitude
temps

Mauvais amortisseur Bon amortissement

 Émission et réception des ultrasons
Traducteur ultrasonore

Élément actif :
blindage
prise e = /2

amortisseur Amortisseur : agglomérat de

boîtier matériaux très absorbants :
élément liège, sciure de bois,
actif (EA) mélange de poudres
feuille de métalliques…
protection

Palpeur ou traducteur US
 Choix du traducteur
Traducteur E/R à éléments séparés

Avantages
Zone de Fresnel réduite
Zone morte quasiment nulle
prises Meilleure sensibilité
(détection des petits défauts)
Peu d’ondes de surface
E R
amortisseur
 Amélioration des contrôles
Ultrasonores

Utilisation des traducteurs focalisés

Contrôles automatisés
Traitement du signal
Traitement d’image
Modélisation
Système expert
Technologie des traducteurs
Amélioration des contrôles ultrasonores
ultrasons focalisées
Focaliser : concentrer l'énergie ultrasonore 
améliorer la résolution
améliorer le rapport signal sur bruit
obtenir un faisceau homogène dans la zone focale,
 amélioration notable des performances

Focalisation est obtenue par :

lentille acoustique
mise en forme de l’élément actif
retard électronique
 Les ultrasons focalisées
Différents procédés de focalisation
élément lentille
actif acoustique élément
actif

focalisation focalisation

Focalisation par lentille Focalisation par mise

acoustique en forme

excitations
retardées

focalisation
transducteurs
élémentaires
Focalisation par retard électronique
 Les ultrasons focalisées
Focalisation électronique
Focalisation électronique :
focaliser en onde L ou T
focaliser à plusieurs profondeurs
avoir une orientation réglable
avoir des lobes secondaires atténués
avoir différentes caractéristiques du faisceau

Meilleurs dimensionnement et
caractérisation des défauts
 Les ultrasons focalisées
Exemples de systèmes multi-éléments

Système Rotoscan Système FAUST

Amélioration des contrôles
ultrasons focalisées

Meilleure résolution latérale

Meilleur rapport signal sur

bruit

Comparaison de traducteurs focalisé et plan

 Amélioration des contrôles
Traitement du signal

Filtrage spectral
Déconvolution
Corrélation
Ondelette
…

Exemple d’amélioration par déconvolution

 Amélioration des contrôles
Traitement d’image

Filtrage fréquentiel
Déconvolution 2D
Segmentation
Détection de contour
Rehaussement
Filtrage matriciel
Restauration
…

Exemple d’amélioration par égalisation

d’histogramme
 Amélioration des contrôles
Traitement d’image

Image brute Image filtrée

Exemple d’amélioration par recadrage linéaire

 Amélioration des contrôles
Modélisation des phénomènes

Modélisation du faisceau
Modélisation du contrôle d’une pièce
ultrasonore
Amélioration des contrôles
Technologie des transducteurs
colonnettes
de céramique

matrice
polymérique

PZT Piézocomposite
 Principales applications du
contrôle par ultrasons
Contrôle des tôles (dédoublures), des tubes, des pièces de
forge.

Contrôle des soudures :

 recherche des défauts plans (manque de pénétration,
manque de fusion, fissures, criques)
 recherche des défauts volumiques (soufflure, inclusion) ;

Contrôle des pièces moulées (recherche des soufflures,

inclusions, retassures, criques, fissures…)

Mesure des épaisseurs ;

Mesure de caractéristiques mécaniques.
 Mesure des épaisseurs par
ultrasons

eau

t t

e = V.t/2

surface fond 2ème fond

 Caractérisation des matériaux
par ultrasons
Module d'élasticité (E)
Module de rigidité (G) Mesure de VL et VT
Coefficient de Poisson ()

E(1)
VL
(1)(12)

VT E
2(1)

G E
2(1)
 Contrôle par Ultrasons
Avantages & Inconvénients
 Avantages
 Détection et localisation des défauts plans et volumiques
 Dimensionnement des défauts plans et volumiques
 Mise en évidence des discontinuités très fines
 Contrôle effectué en ayant accès à une seule face de la pièce
 Pouvoir de pénétration très important
 Inconvénients
 Sensibilité de la méthode est fortement influencée par
l'orientation du défaut
 Interposition d'un milieu de couplage
 Interprétation délicate des résultats