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Submitted on 1 Jan 1990
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UN NOUVEAU RÉFLECTEUR POUR LA CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE DES
TRADUCTEURS ULTRASONORES
D. de Vadder, A. Lhemery
To cite this version:
D. de Vadder, A. Lhemery. UN NOUVEAU RÉFLECTEUR POUR LA CARACTÉRISATION EX-
PÉRIMENTALE DES TRADUCTEURS ULTRASONORES. Journal de Physique Colloques, 1990,
51 (C2), pp.C2-1295-C2-1298. �10.1051/jphyscol:19902304�. �jpa-00230647�
ïer Congrès Français d'Acoustique 1990
UN NOUVEAU RÉFLECTEUR POUR LA CARACT~RISATION EXP~RIMENTALE DES TRADUCTEURS ULTRASONORES
D. D E V A D D E R et A. LHEMERY
Laboratoire MSS/MAT URA 850 CNRS, Equipe Ultrasons, E C O ~ ? Centrale de Paris, Grande Voie des Vignes, F-92295 Châtenay-Malabry Cedex, France
Résumé
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Pour la caractérisation expérimentale du champ des traducteurs ultrasonores utilisés en CND l'influence de la géométrie du récepteur ou du réflecteur utilisé est importante, notamment pour les traducteurs à large bande de fréquence. On propose un diffracteur conique dont le comportement correspond à celui d'un réflecteur ponctuel.Abstract
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For the experimental characterization of the beam produced by the ultrasonic NDT probes, the shape and size of the used receiver or reflector is of great influence, particularly for wide bande probes. We propose a Conical Reference Diffracter (CRD) that looks like a point reflector.1
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INTRODUCTIONPour améliorer la fiabilité et 12 reproductibilité des contrôles non destructif ultrasonore il faut mesurer le plus exactement possible le champ produit par les traducteurs utilisés. L'exploration du champ des traducteurs se fait soit au moyen d'un petit récepteur (hydrophone miniature) ou en émission/réception après réflexion sur une cible de référence.
L'utilisation de traducteurs large bande est indispensable dans plusieurs cas pour augmenter la quantité d'information présente dans le signal d'écho. La caractérisation expérimentale du champ de ces traducteurs est cruciale et s'avère difficile.
Pour caractériser spatialement et spectralement ces traducteurs, il faut toujours garder présent à l'esprit qu'un réflecteur agit comme un filtre fréquentiel. Ceci diffère totalement des habitudes prises en bande étroite où la réflectivité d'une cible s'exprime par un scalaire.
Même le plan infihi perpendiculaire à i'axe ne peut pas être consideré comme un réflecteur neutre.
Nous passons en revue les inconvénients liés à l'utilisation des principaux récepteurs ou réflecteurs usités en contrôle non-destructif, et décrivons les premiers résultats
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calculs et expériences-
menés à l'aide du Cône de Référence D i t a n t , noté CRD dans la suite.Pour mesurer expérimentalement le champ des traducteurs industriels la manière la plus simple d'opérer (au moins en théorie) est d'utiliser un hydrophone miniature. Il doit être aussi neutre que possible : linéaire, large bande et omnidirectionnel. Ce dernier critère est =cile à obtenir. Par exemple pour un récepteur de lmm de diamètre à 4 MHz, la réception est atténuée de 3dB à environ 11' hors d'axe.
Le plus souvent on opère en émission/réception après réflexion sur des cibles de géométrie simple : disques, billes, cylindres.
Pour les traducteurs large bande industriels, il est courant de dissocier la caractérisation du champ acoustique, réalisée par réflexion sur une petite cible, et l'enregistrement du spectre fréquentiel, réalisé par réflexion sur un plan quasi-infini perpendiculaire à l'axe. Il est nécessaire de souligner l'incohérence d'une telle pratique.
Réflecteurs dans sl=am=~[xs-
Le cas de la cible disque est assez simple. Il est analogue au cas où l'on utilise deux traducteurs
identiques placés symétriquement de part et -Io
.
d'autre d'un diaphragme.Les opticiens puis les
acousticiens ont utilisé ce moyen pour filtrer les
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signaux.
En toute rigueur ce filtrage peut être modélisé de
façon assez simple dans le plan focal pour un -30 ,
traducteur focalisé et à l'infini pour un traducteur O 1 2 3 4 5 6
plan* En dehors de ces cas le phénomène est Spectre des échos renvoyés par des disques et un plan quasi complexe. On ne peut donc considérer le disque infini Traducteur moyennement amorti. D = 60-, F = 500 comme un réflecteur neutre. De ulus il est sensible
à la désorientation.
Au vu de cene figure, on comprend pourquoi il est plus flatteur de présenter le spectre de l'écho renvoyé par un plan
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902304
C2-1296 COLLOQUE DE PHYSIQUE
infini plutôt que celui renvoyé par une petite cible.
Le plan infini perpendiculaire à l'axe du traducteur est souvent utilisé pour caractériser le spectre fréquentiel des traducteurs en émission/réception pourrait paraître neutre. Mais nous avons montré 111 qu'il se comporte de façon différente selon que le traducteur est plan ou focalisé. Dans les conditions idéales, on peut dire que le plan infini est neutre pour un traducteur focalisé (plan focal), alors qu'il dérive l'expression temporelle du signal pour un traducteur plan (à l'infini).
Réflecteurs volumiaues
Afin de supprimer les effets de directivité dus aux réflecteurs plans on utilise souvent des bues (en immersion) et des cylindres (trous vus suivant génératrices dans les so1ides)Si ces réflecteurs sont o m n i b t i o m e l s (dans une direction seulement pour le cylindre) il ne sont pas neutres fréquentiellement.
En première approximation pour étudier la réflectivité d'une bilie on peut utiliser le principe de la phase stationnaire. On montre alors que la surface efficace en réflexion dépend de manière non linéaire de la muence. Ceci se complique du fait que la bille n'est pas insonifiée par un champ d'ondes planes mais par un traducteur réel. Avec l'onde réfléchie peuvent interférer des ondes qui se propagent à l'interface du réflecteur et du milieu (liquide ou solide) et reviennent en partie vers le récepteur après contournement de la cible ou réflexion sur son support.
3
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LE CONE DE REFERENCE DIFFRACTANTLes problèmes ci-dessus décrits sont principalement causés par l'existence d'une relation entre, d'une part une dimension mesurable du réflecteur et d'autre part la longueur d'onde et le diamètre du faisceau, tous deux variables en large bande. Ceci montre bien l'ambiguïté qu'il y a à vouloir définir un diamètre de faisceau pour un traducteur large bande, comme on peut le faire pour un traducteur non amorti.
C'est l'utilisation de la méthode de FREEDMAN /2/ pour le calcul de la réémission par les cibles qui, bien qu'elle ait été proposée initialement en bande étroite nous a conduit v a une solution différente.
Le cône n'est pas à proprement parler un réflecteur, puisqu'aucun élément de surface n'est normal à l'axe du faisceau, aussi nous l'appelons diffracteur.
Nous avons réalisé des cônes en laiton d'angle au sommet 90,120 et 140 degrés. Leur diamètre à la base 80 mm permet de les considérer comme quasi infinis même pour le champ de traducteurs plans.
Très vite il s'est avéré que le cône de 90' renvoie un signal trop faible
.
Les premières expériences menées avec les deux autres cônes ont porté sur deux points, la sensibilité à la désorientation, et l'exploration transversale du champ.*
sensibilité d la désorientationLa figure ci-dessous montre les spectres des échos renvoyés par le cône centré sur l'axe d'un faisceau focalisé pour les désorientations de 0,5,10,15 et 20 degrés.
Spectre des échos renvoyds par un CRD en fonction de sa désorientarion
Les spectres obtenus 0.5, et 10 degrés sont similaires, seule l'amplitude change; très peu pour 5 degrés, notablement pour 10. Le résultat obtenu pour 20 degrés montre que la réflexion sur une génératrice du cône se mêle à la diffraction par la pointe.
Le diffracteur cône est donc une cible de référence peu sensible à un défaut d'orientation.
*
exploration transversale du champL'exploration transversale du champ est montrée sous forme de spectre sur la figure ci-dessous.
Sur cette figure apparaît un résultat conforme à la théorie, c'est à dire que lorsqu'on éloigne le réflecteur de l'axe le spectre est dévié vers les basses fréquences.
FREQUENCE ( MHz )
Spectre des échos renvoyés par un CRD en fonction de son éloignement de i'axe du faisceau.
Ceci est normal mais sinprend toujours un peu lorsqu'on a été habitué de longue date à raisonner en mono fréquentiel.
ces ré-
*
Interprémion géométrique:La plus simple des interprétations n'est pas forcément la moins convaincante : le cône étant quasi infini (par rapport au faisceau) il n'est pas caractérisé par une dimension mais uniquement par son angle au sommet il est donc, par définition,
*
Interjrdtation par la phase stzzionnaire:Une autre inteqrétation est possible lorsque le cône est placé sur l'axe d'un traducteur disque.
Elie est bas% sur le principe de la phase stationnaire.
Diamètre efficace 1
Schéma de la répm-n'on transversale du faisceau et section efficace du CRD pour deux fréquences du traducteur.
Alors la zone efficace en réflexion est un cône de hauteur égaie à une fraction & de la longueur d'onde. La surface de ce cône est proportionnelle à k2. En première approximation la surface insonifiée par le lobe principal du transducteur disque est inversement proportionnelle à h2. Ces deux effets se compensent et l'écho est indépendant de la fréquence.
*
Sirnuimion numérique :Les premiers résultats obtenus au moyen du code de caicul mis au point par A. LHEMERY /3/ sont représentés sur la figure ci-dessous.
On compare les échos diffractés par une cible idMement ponctuelle à ceux diffractés par un CRD de 120°, ceci à partir d'une même tension excitatnce synthétisée.
Le traducteur large bande simule est focalisé (diamktre 20 mm, distance focale 100 mm).
Si les résultats sont strictement identiques lorsque ces cibles sont placées au point focal, les différences constatées sur l'axe audelà du point focal ne sont pas encore interprétées.
C2-1298 COLLOQUE DE PHYSIQUE
Résultars de sirnuidon numérique.
Echos difractés par une cible ponctuelle et un CRD 120°pour un traducteur D=20mrn F=100mm
I 1
4
-
PERSPECTIVES-
Cls
PS1 1
Ces résultats préliminaires sont à confirmer par une étude paramétrique complète, aussi bien par simulation qu'expérimentalement. Ii faudra définir un angle optimal pour le cône car si cet angle est trop petit l'amplihi~de de l'écho est faible, mais lorsque l'angle est grand de la réflexion se mêle à la diffraction.
O 1 2 3 O 1 2 3
Cible ponctuelle au point focal Cible ponctuelle 20 mm au-delà du point focal
-
-
\
, PS PS1 I 1 1
O 1 2 3 O 1 2 3
Cône (120°) au point focai Cône (120') 2 cm au-delà du point focai
Les expériences ont été faites avec des cibles immergées. Malgré la difficulté nous usinerons des diffracteurs cônes dans des matériaux métalliques, dans le but d'adapter cette technique à la caractérisation des traducteurs d'angle.
Enfin il sera sans doute nécessaire de créer des tables de comparaison entre les résultats du CRD et ceux des réflecteurs de référence actuellement utilils afh de ne pas bouleverser les habitudes industrielles
.
5
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CONCLUSIONSQu'ils soient utilisés pour la caractérisation des traducteurs ou la calibration des chaînes de contrôle, les réflecteurs en fonne de disque, bille ou cylindre ne donnent pas des résultats constants et notamment indépendants de la fréquence.
Nous avons montré que le point crucial est l'existence d'une relation entre la dimension du réflecteur et la longueur d'onde (et par conséquent le diamètre du faisceau). Ceci est particulièrement flagrant pour les traducteurs large bande.
Pour le CRD cette relation n'existe plus, ainsi disparaissent les problèmes qui lui sont liés. Ji semble, bien que quasi infini, se comporter approximativement comme une cible ponctuelle.
Ces résultats sont à c o n f i e r par une étude exhaustive.
REFERENCES
111 De Vadder, D. and Dosso, M., Proc. 7 th Int. Conference on NDE in the nuclear industry, Grenoble, France, (1985) pp.397-400.
121 Freedman, A., Acustica Vol. 12 -2 (1962) 61-70.
/3/Lhémery, A. and De Vadder, D., Formulation intégrale explicite pour le calcul de l'interaction d'un faisceau ultrasonore transitoire avec des réflecteurs. (dans le présent volume)
