UT - Multibonds : Configuration expérimentales et de simulation

Pièce

Une maquette spécifique a été réalisée pour cette étude afin de disposer d’un recul suffisant pour faire subir au faisceau plusieurs rebonds avant d’atteindre les entailles. Cette pièce de 5 mm de hauteur et de surface et fond plans contient 10 entailles droites débouchant sur une des surfaces de la pièce. Elles sont de hauteur et d’extension identiques (2 mm et 20 mm respectivement), mais de tilt variable : 0°, 5°, 10°, 15° et 20°.

Toutes les entailles sont tiltées dans le même sens (voir image ci-dessous) mais seront inspectées suivant des sens opposés. On pourra être alors dans une configuration « angle fermé » ou « angle ouvert », ces configurations sont explicitées dans la suite du document.  

 

 

Capteurs

 

Capteur monoélément, 5 MHz, Ø6,35 mm

Le signal d’entrée du capteur à 5 MHz de diamètre Ø6,35 mm a été choisi pour que les échos directs mesurés et simulés en ondes L du TG Ø2 mm situé à 4 mm de profondeur soient en bon accord. La fréquence centrale du capteur est 5 MHz et sa bande passante à -12 dB est de 88%.

 

 

Le capteur est incliné selon un angle d’incidence choisi pour générer le type d’onde souhaité dans la pièce, et il est positionné pour avoir un parcours sonore dans l’eau de 25 mm.

 

Capteur multiéléments, 5 MHz

Le capteur multiéléments utilisé pour l’étude est une barrette linéaire de 64 éléments, de fréquence centrale 5 MHz ayant un pitch de 0,6 mm (0,5 mm + 0,1 mm d’espace inter-éléments). La dimension des éléments dans le sens perpendiculaire à la découpe de la barrette est de 10 mm. Le signal d’entrée du capteur à 5 MHz a été choisi pour que les échos directs en ondes T mesurés et simulés d’un Trou Génératrice de diamètre 2 mm (TG Ø2 mm) situé à 30  mm de profondeur soient en bon accord. Le signal d’entrée ainsi déterminé est représenté ci-dessous, sa fréquence centrale est 4,3 MHz et sa bande passante 70%.

 

 

Cette barrette multiéléments est utilisée en immersion avec un parcours sonore dans l’eau de 50 mm et avec un angle d’incidence de 18,59° de telle sorte à générer des ondes T45° dans la pièce. L’ouverture active comprend 24 éléments sur 64 de façon à générer un point de focalisation naturel (c’est à dire sans loi de retards) correspondant à un trajet de 3 rebonds environ dans la cale multibonds. Un jeu de 3 lois de retards a été utilisé afin de focaliser le faisceau ultrasonore à 5, 15 et 25 mm de profondeur. La pièce plane étant d’épaisseur 5 mm, les 3 lois de retards (focalisation à 5 mm, 15 mm et 25 mm de profondeur) permettent de focaliser respectivement le faisceau sur le fond de la pièce après un rebond, deux rebonds et 3 rebonds du champ sur le fond de la pièce.

 

 

La figure ci-dessus présente les 3 points de focalisation et les champs rayonnés associés calculés par CIVA 11. Le champ calculé sans loi de retards est également présenté. La profondeur correspondant au maximum d’amplitude de chaque tir est indiquée sur les cartographies par un trait en pointillé blanc.

 

Note : Les lois de retards ont été calculées sous CIVA 11 et importées dans Multi2000 de façon à disposer de lois identiques en simulation et expérience.

 

Paramètres de simulation

 

Les simulations ont été effectuées avec CIVA 11 en utilisant les options 3D pour les calculs de champ et d’échos.

Les paramètres d’entrée de CIVA utilisés pour réaliser les simulations sont donnés ci-dessous.

 

Vitesse des ondes L Vitesse des ondes TT Densité Atténuation
5950  m/s 3290  m/s 7,8 g/cm³ atténuation pour les ondes T : 0,014  dB/ mm  - puissance : 4 - fréquence : 4,38  MHz

 

Les précisions utilisées pour les calculs de champ et d’échos sont 3 et 3.

Enfin, tous les calculs ont été réalisés avec le modèle « Kirchhoff + GTD » disponible depuis la version 11 de CIVA.

 

Mesures expérimentales

 

Les acquisitions expérimentales ont été réalisées au moyen d’un équipement constitué d'un banc mécanique capable d’effectuer des représentations de type Cscan, et d’un système d'acquisition ultrasonore multivoies MultiX 64 (capable de piloter 64 voies en parallèle) piloté par le logiciel Multi2000 V6.7.32. Une acquisition de type Cscan dans deux sens de balayage autour de chaque défaut a été réalisée de façon à attaquer le défaut suivant les deux angles de tilt : angle de tilt fermé (tilt de -20° à 0°) et angle de tilt ouvert (tilt de 0° à 20°).

 

 

Les incertitudes globales liées aux paramètres mécaniques, aux défauts usinés sur des maquettes et à l’homogénéité du matériau ont été évaluées par vérification de la reproductibilité des résultats. L'intervalle de confiance des données expérimentales présentées dans le présent document a été évaluée à + /-2 dB : 1 dB dû à l'incertitude de la mesure du réflecteur de référence et 1 dB dû à l'incertitude de la mesure par rapport à la référence).

 

Référence

 

Pour les résultats obtenus avec le capteur mono élément, la référence en amplitude correspond à l’amplitude maximum de l’écho direct  T45 ou L45 (le choix dépend de l’angle d’incidence appliqué au traducteur) d’un TG Ø2 mm situé à 5 mm de profondeur. 

Les résultats obtenus avec le traducteur multiéléments sont référencés par rapport à l’amplitude maximum de l’écho direct T45° d’un TG Ø2 mm situé à 30 mm de profondeur alors qu’aucune loi de retards n’est appliquée.

Pour mesurer ces échos, une cale d’étalonnage contenant des TG Ø2 mm situés de 5 mm à 60 mm de profondeur par pas de 5 mm a été utilisée. La cale  n’a pas été fabriquée dans la même nuance d’acier que la cale multibonds. Afin d’évaluer la « similitude » des aciers de la cale d’étalonnage et de la cale multibonds, les vitesses en OL et OT ainsi que l’atténuation ont été mesurées. Ces mesures montrent que ces vitesses sont différentes : dans la cale multibonds, les vitesses mesurées sont VL : 5950 m/s ; VT : 3290 m/s tandis que celles de la cale TG sont VL : 5820 m/s ; VT : 3190 m/s. De plus, contrairement à la cale multibonds, la cale d’étalonnage ne présente pas d’atténuation pour les ondes T. Ainsi, les aciers des cales d’étalonnage et multibonds ne sont pas les mêmes. Cette différence est prise en compte dans CIVA et l’étalonnage a été réalisé en ajustant l’angle d’incidence du capteur de manière à avoir un champ ultrasonore en semblable dans les deux pièces.

 

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