Imagerie ultrasonore en CND : état de l’art

Généralités sur le CND par ultrasons

Parmi les différentes techniques CND exploitant les ultrasons, la méthode échographique est la plus utilisée. Le principe général  consiste à exciter la pièce contrôlée avec une onde ultrasonore qui au cours de sa propagation dans le matériau va interagir avec les éventuels défauts présents dans la région insonifiée et qui se traduira par la formation d’« échos ». Ces échos peuvent nous renseigner sur les localisations et éventuellement sur les caractéristiques des défauts qui en sont à l’origine .

Les ultrasons sont des ondes de vibration mécanique correspondant à des fréquences supérieures à la limite audible pour l’oreille humaine (allant de 20 Hz à 20 kHz). La gamme de fréquence utilisée en CND est très étendue (≈ 100 kHz à 50 MHz). Le choix de la fréquence est issu d’un compromis entre résolution spatiale (de l’ordre de quelques longueurs d’onde) et pouvoir de pénétration. En effet, plus la fréquence augmente, plus la résolution sera fine mais plus l’atténuation dans le matériau sera forte. Dans les applications les plus courantes, et en particulier pour le contrôle des aciers, les fréquences typiques sont de l’ordre du MHz, ce qui correspond à des longueurs d’onde de l’ordre du millimètre. C’est dans cette gamme de fréquence que nous nous placerons au cours de cette thèse.

En général un même appareil peut être utilisé comme émetteur et récepteur des ondes ultrasonores. On parle alors couramment de sonde, de capteur ou de traducteur. Le dispositif le plus courant s’appuie sur le phénomène de transduction piézoélectrique qui permet de transformer un signal électrique en vibration mécanique et vice versa. On distingue les sondes « mono-élément » constituées d’un seul transducteur, et, les sondes « multi-éléments » réseaux de transducteurs élémentaires pouvant chacun être pilotés indépendamment et qui seront détaillés dans la suite. Différentes configurations de contrôle sont possibles : émetteur et récepteur peuvent être confondus (mode pulse-echo) ou bien séparés, en mode transmission (traducteurs situés de chaque coté de la pièce) ou en tandem (traducteurs situés du même coté de la pièce). On distingue également les contrôles en immersion pour lesquels le traducteur est situé à une certaine distance de la pièce immergé dans un liquide couplant (bien souvent de l’eau) et les contrôles au contact pour lesquels le traducteur se trouve posé sur la pièce, le couplage étant assuré en général par un gel aqueux.

On ne s’intéressera ici qu’aux techniques de contrôle utilisant les ondes de volume. Il existe également des méthodes de contrôle exploitant des ondes de surface (ondes de Rayleigh par exemple) ou des ondes guidées (ondes de Lamb par exemple). La polarisation des ondes de volume dans un solide isotrope peut être longitudinale (déplacement particulaire dans la direction de propagation) ou bien transversale (déplacement particulaire perpendiculaire à la propagation). Dans les liquides et les gaz, qui sont des milieux n’offrant aucune résistance au cisaillement, seules les ondes de polarisation longitudinale (ondes de compression-dilatation) se propagent. Les ondes transversales et longitudinales se propagent avec des célérités différentes, notées cT et cL. Dans les métaux ces deux célérités vérifient approximativement cT ≈ cL/2. En CND nous parlerons d’un contrôle en L ou en T suivant que l’on utilise l’onde longitudinale ou transversale.

Caractéristiques d’un champ acoustique ultrasonore émis par un traducteur

Le champ acoustique émis en régime harmonique dans un milieu fluide homogène comporte deux régions particulières :
– la région de champ proche (ou zone de Fresnel) est la zone la plus près du traducteur, le champ de pression subit une succession de maxima et de minima d’amplitude rendant cette zone difficilement exploitable. La limite de cette zone, que l’on note Y0, correspond au dernier maxima d’amplitude et représente la distance de la focale naturelle du traducteur.
– la région de champ lointain (ou zone de Fraunhofer) est la zone au-delà de Y0, l’amplitude y décroit régulièrement et le faisceau devient divergent.

Représentation des données ultrasonores

Au cours d’un contrôle ultrasonore classique, le traducteur mono-élément se déplace suivant deux axes que l’on nomme « axe de balayage » et « axe d’incrément ». Afin de visualiser et interpréter les signaux mesurés (que l’on appelle A-scan) en chaque position du traducteur pour laquelle un tir ultrasonore a été effectué, différentes représentations de ces signaux peuvent être exploitées  :
– la représentation B-Scan regroupe l’ensemble des A-scans correspondant à une ligne de balayage, cette dernière représente l’abscisse et le temps représente l’ordonnée de cette image. L’amplitude du signal en chaque point du B-Scan est codé selon une échelle de couleur ou de gris. Le B-scan donne une « vue en coupe» de la pièce examinée.
– la représentation C-scan représente selon les 2 axes d’inspections (balayage en abscisse et incrément en ordonnée), l’amplitude maximale (codée selon une échelle de couleurs ou de gris) de l’A-scan reçu en chaque position du traducteur. Elle donne une vue en plan et de dessus en « en transparence » de la pièce dans la mesure où l’information temporelle, donc la profondeur, n’apparait plus.
– la représentation D-scan est obtenue en codant en échelle de couleur ou de gris, pour un incrément (en ordonnée), l’amplitude maximale de l’A-scan pour un temps de vol au cours de la ligne de balayage. L’information sur la position en balayage n’apparaissant plus, on peut assimiler le D-scan à une vue latérale « en transparence » de la pièce.

Les techniques multi-éléments

Les premières techniques à ultrasons multi-éléments dans le domaine du contrôle industriel ont été introduites dans les années 80. Depuis quelques années, elles connaissent un essor important dans ce domaine (voir par exemple Song et al. (2002); Mahaut et al. (2002)) ; la levée de barrière technique (par exemple la réduction des modes de vibration parasites ou la réduction du couplage inter éléments (Poguet et al., 2001)) et les progrès des systèmes d’acquisition étant deux éléments y contribuant. Leurs avantages comparés aux techniques traditionnelles utilisant des mono-éléments sont nombreux :
– accélération des contrôles
– flexibilité –utilisation possible d’une même sonde pour contrôler différentes régions de la pièce–
– adaptabilité à des configurations complexes
– performance accrue en détection et nouvelles possibilités dans le domaine de l’imagerie comme nous le verrons par la suite.