4.2. Simulation des sources et de leur rayonnement ultrasonore induits par une configuration
4.2.3. Simulation du rayonnement ultrasonore transmis par EMAT en milieux magnétiques
Les variations spatiales et temporelles des différentes sources surfaciques de transduction élastique induites par EMAT sont directement injectées dans le module de simulation CIVA US dans le but de simuler le rayonnement ultrasonore en ondes longitudinales et transversales transmis dans les quatre milieux ferromagnétiques inspectés. On calcule l’amplitude de ces ondes rayonnées en chaque point d’observation d’une zone de calcul rectangulaire XZone× ZZone, avec : XZone= 80mm et ZZone= 150mm (dans la profondeur du milieu inspecté). On fait également l’hypothèse qu’il n’y a ni rebond ni conversion de modes aux différentes interfaces de la zone de calcul ultrasonore, comme si le champ ultrasonore était rayonné dans un milieu semi-infini.
L’EMAT considéré rayonne à la fois des ondes volumiques transversales (T) et longitudinales (L) en milieux ferromagnétiques, et l’amplitude relative de ces deux ondes élastiques peut varier fortement d’un milieu à un autre. En injectant directement dans CIVA US les contraintes surfaciques totales 𝛔𝐭𝐨𝐭
calculées à partir du modèle de transduction développé dans ce manuscrit, les différences d’amplitudes relatives L/T sont directement visibles sur les signaux ultrasonores temporels (Figure 4.65), appelés A- scans, simulés en un point d’observation situé au centre sous l’EMAT et à une profondeur de 75mm (X = 0mm, Z = 75mm) dans les différents milieux ferromagnétiques précédemment caractérisés.
Figure 4.65 : A-scans en champ total (L+T) simulés à partir des sources surfaciques 𝝈𝒕𝒐𝒕 induites par EMAT dans quatre
milieux ferromagnétiques différents : acier bas carbone, aciers inoxydables Z20C13 et AISI 410, et nickel (recuit).
Sur chaque A-scan de la Figure 4.65, le premier paquet d’onde simulé correspond au passage de l’onde L et le second paquet à l’onde T. Les temps d’arrivée (appelés temps de vol) de ces signaux selon le milieu inspecté résultent des différentes vitesses de propagation listées dans la Table 4.7. Ces A-scans illustrent qu’une même configuration d’EMAT génère un contenu ultrasonore très différent d’un milieu ferromagnétique à un autre. Par exemple, l’EMAT étudié génère principalement des ondes T dans une
pièce d’acier bas carbone, tandis qu’il rayonne majoritairement des ondes L dans une pièce de nickel. On remarque également sur cette figure que les amplitudes relatives entre les ondes L et T sont différentes dans les deux nuances d’acier inoxydable testées. En effet, la génération d’ondes longitudinales est favorisée dans la nuance AISI 410 par rapport à la nuance Z20C13, pour une amplitude similaire rayonnée en ondes transversales. En étudiant les variations temporelles des différents signaux ultrasonores, on peut noter que les A-scans en onde L présentent des signatures temporelles différentes selon le milieu inspecté (pour des vitesses d’onde L similaires). En revanche les A-scans en ondes T présentent une forme temporelle très similaire pour les quatre milieux testés. Ces signatures temporelles suggèrent que, pour cette configuration d’EMAT, des sources différentes sont impliquées dans la génération d’ondes longitudinales selon le milieu ferromagnétique inspecté, tandis qu’une même source doit être impliquée dans la génération d’ondes transversales dans ces milieux. Naturellement, la grande variabilité de comportement ultrasonore observée selon le milieu inspecté est intimement reliée aux différents poids des mécanismes de transduction décrits et simulés dans le paragraphe 4.2.2. Ainsi, pour analyser le signal ultrasonore induit par l’EMAT, il est intéressant d’observer le champ ultrasonore induit par chacune des sources de transduction prises séparément, pour comprendre comment les ondes élastiques générées par chaque source se composent (constructivement ou destructivement) entre elles, selon le milieu ferromagnétique inspecté. Il faut rappeler que les A- scans présentés sont évidemment fortement dépendants de la position du point d’observation. De plus, l’analyse des variations spatiales des maxima d’amplitudes ultrasonores transmis dans le volume du milieu inspecté permet d’observer le trajet emprunté par l’onde dans la pièce inspectée, et ainsi de piloter la directivité des sources de transduction dans le but de contrôler une zone spécifique contenant potentiellement des défauts à détecter. De telles études sont du type de celles couramment réalisées par les utilisateurs du module CIVA US lorsqu’ils doivent optimiser la conception d’un traducteur piézoélectrique, qu’il soit mono- ou multi-éléments.
Les figures Figure 4.66 – Figure 4.15 décrivent les cartographies de maximum d’amplitude ultrasonore (module du déplacement élastique) en ondes transversales, tandis que les figures Figure 4.70 – Figure 4.73 décrivent les cartographies de maximum d’amplitude en ondes longitudinales, générées par les différentes sources de rayonnement induites par l’EMAT dans le cas des quatre milieux considérés précédemment. Ces figures sont appelées des C-scan dans la communauté ultrasoniste. Sur chacune d’elles, les trois premières cartographies correspondent au champ ultrasonore, soit en ondes L soit en ondes T, induit par les différents mécanismes de transduction considérés séparément. Elles sont normalisées par rapport au maximum d’amplitude ultrasonore totale induit par le traducteur, le champ total rayonné étant représenté par la cartographie de droite sur chaque figure. Naturellement, les amplitudes ultrasonores des C-scans simulés dans chaque matériau sont corrélées aux variations spatiales et temporelles des sources électromagnétiques (volumiques et surfaciques) et magnétostrictives de leur rayonnement simulées dans le paragraphe 4.2.2 et représentées Figure 4.60 – Figure 4.63. Ces simulations confirment que le champ ultrasonore en ondes transversales émis par cette géométrie d’EMAT provient presque exclusivement des sources électromagnétiques volumiques pour l’ensemble des milieux ferromagnétiques inspectés, ce qui se traduit par des amplitudes relatives de champ ultrasonore très faibles sur les C-scans simulées à partir des sources de magnétostriction et de traction magnétique. De même, la grande variabilité des sources surfaciques normales en fonction du milieu ferromagnétique inspecté se retrouve dans les prédictions de rayonnement en ondes longitudinales. On constate en effet que selon les propriétés magnétiques et magnétostrictives du milieu inspecté, différents mécanismes de transduction prédominent dans la génération d’onde L dans le milieu.
Figure 4.66 : Cartographies dans le plan (𝑋, 𝑍) du maximum d’amplitude ultrasonore en onde T rayonnée par EMAT dans
un échantillon d’acier bas carbone. Les sources de rayonnement sont de gauche à droite : 𝝈̃𝒆𝒎, 𝝈̃𝒎𝒔, 𝒕𝒆𝒎, et 𝝈𝒕𝒐𝒕.
Figure 4.67 : Cartographies dans le plan (𝑋, 𝑍) du maximum d’amplitude ultrasonore en onde T rayonnée par EMAT dans
un échantillon d’acier inoxydable Z20C13. Les sources de rayonnement sont de gauche à droite : 𝝈̃𝒆𝒎, 𝝈̃𝒎𝒔, 𝒕𝒆𝒎, et 𝝈𝒕𝒐𝒕.
Figure 4.68 : Cartographies dans le plan (𝑋, 𝑍) du maximum d’amplitude ultrasonore en onde T rayonnée par EMAT dans
un échantillon d’acier inoxydable AISI410. Les sources de rayonnement sont de gauche à droite : 𝝈̃𝒆𝒎, 𝝈̃𝒎𝒔, 𝒕𝒆𝒎, et 𝝈𝒕𝒐𝒕.
Figure 4.69 : Cartographies dans le plan (𝑋, 𝑍) du maximum d’amplitude ultrasonore en onde T rayonnée par EMAT dans
Figure 4.70 : Cartographies dans le plan (𝑋, 𝑍) du maximum d’amplitude ultrasonore en onde L rayonnée par EMAT dans
une pièce d’acier bas carbone. Les sources de rayonnement sont de gauche à droite : 𝝈̃𝒆𝒎, 𝝈̃𝒎𝒔, 𝒕𝒆𝒎, et 𝝈𝒕𝒐𝒕.
Figure 4.71 : Cartographies dans le plan (𝑋, 𝑍) du maximum d’amplitude ultrasonore en onde L rayonnée par EMAT dans
une pièce d’acier inoxydable Z20C13. Les sources de rayonnement sont de gauche à droite : 𝝈̃𝒆𝒎, 𝝈̃𝒎𝒔, 𝒕𝒆𝒎, et 𝝈𝒕𝒐𝒕.
Figure 4.72 : Cartographies dans le plan (𝑋, 𝑍) du maximum d’amplitude ultrasonore en onde L rayonnée par EMAT dans
une pièce d’acier inoxydable AISI410. Les sources de rayonnement sont de gauche à droite : 𝝈̃𝒆𝒎, 𝝈̃𝒎𝒔, 𝒕𝒆𝒎, et 𝝈𝒕𝒐𝒕.
Figure 4.73 : Cartographies dans le plan (𝑋, 𝑍) du maximum d’amplitude ultrasonore en onde L rayonnée par EMAT dans
La Table 4.8 liste les écarts (en dB) entre les amplitudes maximales en ondes transversales et longitudinales rayonnées par les sources électromagnétiques, magnétostrictives et de traction magnétique par rapport au champ ultrasonore rayonné par la somme de ces sources électromagnéto- élastiques. Cette table illustre quels mécanismes de transduction prédominent (cases vertes) selon la polarisation de l’onde rayonnée et le milieu inspecté, pour l’EMAT décrit dans le paragraphe 4.2.1.1.
US Matériau 20 log10|σ̃em⁄σtot| [dB] 20 log10|σ̃ms⁄σtot| [dB] 20 log10|tem⁄σtot| [dB]
Onde T Acier bas carbone 0.1 -25.3 -38.8 Inox Z0C13 -0.0 -48.1 -18.0 Inox AISI 410 0.4 -9.6 -17.6 Nickel -0.3 -12.8 -20.1 Onde L Acier bas carbone 0.1 -20.0 -26.6 Inox Z0C13 0.9 -35.9 -4.8 Inox AISI 410 -9.5 -7.3 -15.2 Nickel -4.1 -3.0 -10.2
Table 4.8 : Amplitudes relatives (en dB) des champs ultrasonores d’ondes longitudinales et transversales induits par les différentes sources de transduction par rapport au champ ultrasonore total et selon le milieu ferromagnétique inspecté.
Il est important de rappeler que ces conclusions sont uniquement valables pour la configuration d’EMAT à bobine spirale et induction permanente normale étudiée. Le changement d’un des paramètres de conception de l’EMAT ou, pour ce même EMAT, la prise en compte d’un milieu différent, peuvent modifier fortement ces prédictions ultrasonores. Ces modifications sont naturellement renforcées par la grande variabilité de propriétés électromagnétiques et magnétostrictives des milieux ferromagnétiques et par les conceptions de plus en plus complexes de traducteur EMAT exploitant des géométries de bobines et des polarisations d’induction statique très diverses selon l’application visée.
Les modèles développés dans cette étude permettent la prédiction des amplitudes ultrasonores relatives des différents mécanismes de transduction dans une gamme très large de paramètres de conception de traducteur (différentes géométries de bobines, polarisations et intensités d’aimants permanents, formes et intensité de courant électrique injecté, etc.) et de propriétés magnétiques et magnétostrictives (linéaires ou non-linéaires selon la connaissance du milieu ferromagnétique inspecté). Les résultats présenté dans ce paragraphe illustrent comment peut être envisagée l’optimisation assistée par le logiciel CIVA de la conception industrielle des EMAT en vue d’une application de CND en milieux ferromagnétiques. La section 4.3 décrit l’usage pouvant en être fait pour mener à bien différentes études paramétriques sur les performances de transduction d’un EMAT dans le cadre des modèles développés.