Texture ultrasonore

En Section 3.2, un modèle de simulation de textures ultrasonores est décrit. L’exploitation de ce modèle dans le prototype permet d’éviter le recours à une pièce réelle. En effet, le concept de signaux augmentés — appliqué dans le ModèleTFP et le ModèleImpact — demande d’avoir des signaux ultrasonores issus d’une véritable pièce. Grâce aux textures ultrasonores, il est possible de simuler les fluctuations de signal dues à la micro-structure du matériau composite et d’obtenir des A-scans réalistes à même de remplacer entièrement le signal réel. Ainsi, une simple maquette fabriquée dans un matériau moins coûteux peut suffire à remplacer la pièce réelle. L’exemple traité par le prototype est le suivant : l’opérateur est face à une maquette en matière plastique qu’il ins-pecte avec un traducteur de fréquence centrale 5 MHz et les signaux qui lui sont affichés semblent provenir de l’inspection à 10 MHz d’une pièce en matériau composite IMA/M21E. L’exploitation des textures se fait au travers de l’objet ModèleTexture.

Le ModèleTexture ne combine pas des fragments de signaux simulés avec des fragments de signaux réels comme les deux précédents Modèles. Dans ce nouveau cas, le signal est essentiellement simulé, le recours aux signaux réels ne sert qu’à définir le niveau d’amplitude général et le temps de vol de l’écho d’entrée. En simulation, il est malaisé de connaître l’amplitude et la position de l’écho d’entrée car ils dépendent des gains choisis par l’opérateur et de la quantité d’agent couplant présent sous le traducteur. Il est plus simple de collecter directement ces informations depuis les signaux réels issus de la maquette. La synthèse du A-scan complet à partir du modèle de texture requiert quatre étapes gérées par le ModèleTexture : la construction du A-scan moyen, l’application des fluctuations d’amplitude dues à la texture ultrasonore, l’application des fluctuations de phase et, enfin, l’adaptation du niveau d’amplitude à partir des signaux réels. Ces quatre étapes sont illustrées dans le cas développé pour le prototype, à savoir un ModèleTexture visant à remplacer le signal issu d’une maquette en matière plastique par un signal semblant provenir de l’inspection d’une pièce en IMA/M21E.

Premièrement, un A-scan moyen est construit. La texture ultrasonore est définie comme la différence entre l’enveloppe du signal et l’enveloppe du signal moyen, d’où la nécessité de d’abord définir un signal moyen. Cette moyenne — ou signal de référence — correspond à un A-scan complet représentatif des A-scans pouvant être acquis à n’importe quelle position du traducteur sur une pièce en IMA/M21E ayant la même épaisseur que la maquette en matière plastique. Ce signal de référence est construit à partir d’une moyenne de véritables A-scans issus de l’inspection d’un échantillon d’IMA/M21E. Pour éviter de perturber le contenu fréquentiel lors du calcul de la moyenne, il faut s’assurer que les A-scans sont parfaitement bien alignés en temps16. Dans le cas où l’épaisseur de la maquette ne correspond pas directement à l’épaisseur de l’échantillon d’IMA/M21E, l’écho de fond est déplacé. Le traitement est illustré en Figure 5.9 : une fenêtre temporelle telle que définie en Equation (5.1) est appliquée pour extraire l’écho de fond puis pour l’injecter au temps de vol qui correspond à l’épaisseur de la maquette. Ainsi, lors de l’inspection de la maquette, l’épaisseur courante est mesurée à partir des signaux ultrasonores réels et cette épaisseur permet de définir la position de l’écho de fond du signal de référence. Cette technique n’est valide que pour de faibles variations d’épaisseur. Lorsque l’épaisseur de l’échantillon est très différente de celle de la maquette, les modifications de la forme de l’écho de fond doivent être prises en compte. La gamme d’épaisseur sur laquelle l’approximation est valide dépend du matériau, de l’épaisseur et de l’excitation : le matériau se comporte comme la somme d’un filtre passe-bas — expliqué par la visco-élasticité et la diffusion des fibres — et d’un filtre passe-bande — dû à la périodicité de la structure. Une approche par filtrage fréquentiel pourrait être ajoutée pour prendre en compte l’épaisseur de la pièce sur la forme de l’écho de fond [193].

(a) Éléments constituant le A-scan de référence

0 5 10 Temps t rµss ´1,0 ´0,5 0,0 0,5 1,0 Amplitude [u .a .]

A-scan sur forte épaisseur Echo de fond

(b) A-scan de référence assemblé

0 5 10 Temps t rµss ´1,0 ´0,5 0,0 0,5 1,0 Amplitude [u .a .]

Figure 5.9 – A-scan moyen ou A-scan de référence

Le A-scan de référence correspond à un signal représentatif du matériau cible. Dans le cas illustré ici, il s’agit d’un signal obtenu par moyenne pour toutes les positions du traducteur sur un échantillon d’IMA/M21E. Lorsque l’échantillon n’a pas la même épaisseur que la maquette utilisée pour la simulation opérationnelle, l’écho de fond est extrait puis ré-injecté dans le signal au temps de vol requis comme illustré ci-dessus. L’implémentation actuelle néglige la dépendance de la forme de l’écho de fond à l’épaisseur de maté-riau traversée. Cette approximation reste valable pour de petites variations d’épaisseur entre l’échantillon d’IMA/M21E et la maquette ; pour des variations d’épaisseur importantes, il faut disposer d’un modèle décrivant le filtrage fréquenciel induit par le matériau [193].

Deuxièmement, l’amplitude du A-scan moyen précédemment calculé est modulée par la tex-ture ultrasonore. La textex-ture ultrasonore provient de la synthèse par champ aléatoire de Markov, présentée en Section 3.2. L’implémentation proposée n’est pas directement compatible avec une simulation en temps réel aussi la texture est-elle pré-calculée puis stockée en mémoire. La méthode de synthèse assure une représentation des textures légère en mémoire. En effet, seules les données de référence et la cartographie des identifiants uniques illustrée en Figure 3.19 sont requises pour définir une texture. Dans le cas des textures simulées, notamment en Figure 3.19, la cartographie des identifiants uniques permet de diminuer d’un facteur proche de quatre la mémoire nécessaire au stockage de la texture complète. Lors de l’inspection de la maquette, la texture pré-calculée est interpolée pour connaître le signal de texture à la position courante du traducteur. Ce signal de texture est ensuite ajouté à l’enveloppe du A-scan moyen pour simuler les fluctuations d’amplitude induites par la micro-structure de l’IMA/M21E.

Troisièmement, la phase du A-scan moyen est modulée par la texture ultrasonore en appliquant la méthode proposée en paragraphe 3.2.4. De cette manière, les effets de la micro-structure de l’IMA/M21E sur le A-scan sont simulés et similaires à la réalité (cf. Figure 3.22).

16. En pratique, l’alignement n’est pas toujours facile à obtenir. Pour contourner le problème, la moyenne peut être faite sur un ensemble réduit d’A-scans. Une autre alternative consiste à extraire le contenu fréquentiel d’un seul A-scan puis d’y appliquer l’enveloppe moyenne calculée à partir de tous les autres A-scans.

Quatrièmement, le niveau d’amplitude du A-scan simulé ainsi que sa position sont mis en concordance avec le signal réel acquis sur la maquette. A l’issue des trois précédentes étapes, un signal A-scan moyen dont l’amplitude et la phase sont modulées par la texture ultrasonore a été synthétisé. En revanche, l’amplitude que doit avoir ce signal n’est pas connue, elle dépend notam-ment des niveaux de gain appliqués par l’utilisateur et de la quantité d’agent couplant présent entre la pièce et le traducteur. Le temps de vol de l’écho d’entrée de ce signal dépend aussi des conditions de mesure. Pour éviter d’avoir à simuler ces effets, ils sont directement mesurés sur le signal réel issu de la maquette et répliqués sur le signal simulé comme illustré en Figure 5.10. L’amplitude de l’écho d’entrée et de l’écho de fond sont mesurées sur le signal réel. Puis, un gain linéaire est appliqué au signal simulé de sorte que son écho d’entrée et son écho de fond aient la même amplitude que ceux du signal réel. Par ailleurs, le signal simulé est décalé pour que le temps de vol de son écho d’entrée coïncide avec celui du signal issu de la maquette. Cette technique demande de pouvoir mesurer l’amplitude de l’écho de fond du signal réel. Lorsque le traducteur est posé sur la maquette, un effet de seuil se manifeste : le signal réel est conservé jusqu’à ce que l’écho de fond puisse être détecté et induise alors le remplacement du signal réel par le signal simulé. Une fois l’écho de fond détecté, les signaux simulés sont capables de suivre de façon réaliste les fluctuations d’amplitude dues au couplant ou aux réglages de gains.

(a) Signal issu de la maquette en matière plastique 0 2 4 6 8 Temps t rµss ´1,0 ´0,5 0,0 0,5 1,0 Amplitude [u .a .] ^{Échos de la maquette} (b) Signal simulé 0 2 4 6 8 Temps t rµss ´1,0 ´0,5 0,0 0,5 1,0 Amplitude [u .a

.] ^{Échos de la maquette Échos simulés}

(c) Gain à appliquer à la simulation

0 2 4 6 8 Temps t rµss 0,9 1,0 1,1 1,2 Gain

(d) Signal simulé recalé par rapport au si-gnal de la maquette 0 2 4 6 8 Temps t rµss ´1 0 1 Amplitude [u .a

.] ^{Échos de la maquette Échos simulés}

Figure 5.10 – Recalage des niveaux d’amplitude et du temps de vol du signal simulé à partir du signal acquis sur la maquette

En fonction des réglages de l’acquisition et de la présence d’agent couplant, la position de l’écho d’entrée et les niveaux d’amplitude du signal varient. Puisque cet effet n’est pas simple à simuler, il est directement mesuré sur les signaux issus de la maquette et appliqué sur le signal simulé. Les amplitudes sont corrigées par un gain linéaire assurant une amplitude de l’écho d’entrée et de fond identique entre la simulation et la réalité. Le temps de vol est également corrigé par décalage temporel du signal simulé pour que l’écho d’entrée coïncide avec celui du signal acquis sur la maquette. Cette approche permet d’enrichir la simulation de caractéristiques réalistes.

Le ModèleTexture ainsi obtenu déclare au Simulateur qu’il doit être appelé pour toute position du traducteur à la surface de la maquette. Concrètement, un petit échantillon du matériau cible est d’abord inspecté, dans le cas présenté ici une pièce composite de 70 mm ˆ 70 mm en IMA/M21E. Ensuite, la texture est pré-calculée et mise en mémoire pour une surface plus importante, e.g. 140 mm ˆ 140 mmcorrespondant à la surface de la maquette en matière plastique. Finalement, l’utilisateur peut inspecter la maquette et les signaux qui lui sont affichés — A-scan, B-scan et C-scan — correspondent à l’inspection d’une pièce en IMA/M21E. Le prototype n’offre pour le moment que des signaux correspondant à une pièce saine. En appliquant les approches précédentes, il deviendra possible d’ajouter des défauts sans qu’une pièce réelle ne soit nécessaire.