UT - Ombrage - Configurations expérimentales et de simulation

Une maquette spécifique a été réalisée pour cette étude. Il s’agit d’une pièce plane en acier de 100 mm d’épaisseur contenant des défauts type « ruban » (nous les appellerons « rubans » par la suite) parallèles à la surface et situés à des profondeurs de 20, 40, 60 et 80 mm. Ces rubans, de 10 mm de largeur, sont traversant de part et d’autre de la pièce de 100 mm de largeur. 

Les acquisitions ont été réalisées à l’aide de capteurs plans monoélément circulaires en immersion, de trois ouvertures différentes (Ø6.35, 12.7 et 19 mm) et de fréquence centrale 2.25 MHz et 5 MHz. Ils sont orientés en incidence nulle pour générer des ondes L0° dans la pièce. Les champs ultrasonores associés à ces 3 ouvertures, pour une hauteur d’eau de 50mm sont affichés ci-dessous pour la fréquence 2.25MHz et 5 MHz.

Les acquisitions 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 (64 voies en parallèle) piloté par le logiciel Multi2000 V6.7.32.

Les incertitudes globales liées aux paramètres mécaniques, aux défauts usinés, à l’inhomogénéité 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 évalué à +/-2dB (1dB en raison de l'incertitude de la mesure pour le réflecteur de référence et 1dB en raison de l'incertitude de la mesure pour le défaut courant).

Les amplitudes maximums des échos spéculaires sur les rubans sont mesurées ainsi que les amplitudes des échos de fonds de la pièce sans ou avec ombrage. Ces amplitudes expérimentales et simulées sont comparées.

On définit 2 positions du capteur relativement à un ruban donné (figure ci-dessous):

• L’axe du capteur est situé à l’aplomb du centre du ruban (position 1), cela correspond à une position du capteur pour laquelle le fond est ombré par le ruban (dans ce qui suit on appelle cette partie du fond « zone de fond ombré »)
• L’axe du capteur est équidistant des bords de 2 rubans (position 2), cela correspond à une position du capteur pour laquelle le fond est non ombré par un ruban (dans ce qui suit on appelle cette partie du fond « zone de fond non ombré »)

La zone située entre ces deux positions est désignée par « Zone de transition entre le fond ombré et le fond non ombré ».

Un exemple de courbe échodynamique obtenu lorsque le capteur est positionné autour de la position 1 est présenté ci-dessous. Dans la suite, on appelle « amplitude de l’écho de fond ombré par le ruban » l’amplitude de l’écho de fond mesurée à la position décrite sur la figure ci-dessous.

Les formes temporelles (Ascans) et les courbes échodynamiques en balayage mesurées et prédites par CIVA sont également comparées.

La référence pour les amplitudes est l’amplitude maximale de l’écho direct L0° d’un trou génératrice de diamètre 2 mm (TG Ø2mm) situé dans une cale d’étalonnage d’acier similaire à celui de la cale ombrage. La profondeur du TG correspondant à l’écho d’amplitude maximale en fonction de l’ouverture du traducteur est :

Les simulations ont été faites avec Civa11.0a :

• CIVA (calculs de champ et d’échos réalisés avec CIVA11.0a avec les options « 3D ») ; les calculs d’échos ont toujours été réalisés avec le modèle KIRCHHOFF+GTD sur les rubans et avec le modèle SOV sur les trous génératrice (TG). Le calcul des échos de fond a été effectué avec 2 modèles : le modèle Kirchhoff et le modèle spéculaire. Les résultats des 2 modèles sont comparés dans la suite du document.
• ATHENA2D (modélisation par éléments finis « 2D » pour le calcul de l’interaction avec le défaut couplée au calcul de champ CIVA11.0a réalisé avec l’option « 2D »)

Les paramètres d’entrée de CIVA sont donnés ci-dessous :

Matériau de la cale « ombrage » :

Les vitesses des ondes L et T ont été obtenues par mesures expérimentales des temps de vol de plusieurs échos de fonds successifs dans cette cale plane de 100mm d’épaisseur. Un traducteur  L0° à 5MHz a été utilisé pour la mesure de vitesse des ondes L, et un capteur T0° à la même fréquence pour la mesure de vitesse des ondes T.

Précisions pour les calculs de champ et d’échos : 3 et 3. Remarque : des simulations ont été réalisées avec des précisions plus grandes (10 pour le calcul de champ et d’échos) et n’ont pas montré de différences notables sur les résultats (amplitudes et formes des échodynamiques).

Mode direct seul

La figure ci-dessous montre un exemple de résultats de simulation obtenus en mode direct L avec le capteur 2.25 MHz Ø19mm et avec les deux modèles de calcul d’échos de fond disponibles dans CIVA (modèles KIRCHHOFF et SPECULAIRE).

Les résultats de l’écho de fond ombré ou non obtenus avec les deux modèles montrent quelques différences:

• On observe une surélévation de l’amplitude avec le modèle KIRCHHOFF dans la zone de transition écho de fond non ombré-ombré. Ce n’est pas le cas avec le modèle SPECULAIRE.
• Pour le défaut le plus profond (situé à 20 mm du fond) l’amplitude de l’écho de fond de la zone ombrée est 6dB plus forte avec le modèle KIRCHHOFF qu’avec le modèle SPECULAIRE.

Mode prenant en compte un rebond sur le fondavnat ou après intéraction avec le défaut

Des simulations ont été réalisées dans CIVA en calculant à la fois le mode direct L et le mode prenant en compte un rebond sur le fond à l’aller avant interaction avec le défaut (l’illustration des trajets ultrasonores et des modes calculés est représentée ci-dessous en fonction du nombre de rebonds sur le fond paramétré dans CIVA).

Les échodynamiques obtenues avec les deux modèles (KIRCHHOFF (à droite) et SPECULAIRE (à gauche)) sont présentées ci-dessous lorsque seul le mode direct est calculé (en noir) et lorsque le mode avec un rebond sur le fond est pris en compte avant l’interaction avec le défaut (en rouge). Dans ce dernier cas, l’écho de fond et l’écho du défaut dû au mode avec un rebond se mélangent. L’échodynamique représentée ci-dessous correspond à ces deux contributions.

Ces résultats montrent que lorsque le mode avec rebond sur le fond de la pièce est pris en compte avant l’interaction avec le défaut:

• On observe une surélévation de l’amplitude dans la zone de transition entre le fond ombré et non ombré pour les deux modèles de calcul. Cette surélévation de l’amplitude de 0.7dB environ par rapport au mode direct est donc due à l’écho de diffraction par les bords du ruban faisant intervenir un rebond sur le fond (schéma ci-dessus).
•  On a également,  lorsque le capteur est situé à l’aplomb du ruban, un effet sur l’amplitude de l’écho du fond : les résultats de simulation mettent en évidence un ombrage plus faible lorsque le rebond sur le fond est pris en compte (la différence d’amplitude s’élève jusqu’à 3.5dB). Notons que dans le cas du calcul KIRCHHOFF, cette différence d’amplitude est d’autant plus importante que le défaut faisant ombre est peu profond (+3.5dB pour le ruban situé à 80mm du fond et +1dB pour le défaut situé à 20 mm du fond).

Ainsi, toutes les simulations présentées dans la suite ont été réalisées avec un nombre de rebonds sur le fond égal à 1. Le calcul de l’interaction du champ avec le fond de la pièce est réalisé par les deux modèles disponibles dans CIVA11 : SPECULAIRE et KIRCHHOFF. Le calcul de l’interaction du champ avec le défaut est réalisé avec le modèle KIRCHHOFF+GTD.