UT - TOFD : Résultats sur les ondes latérales

Dans cette étude de caractérisation expérimentale de l’onde latérale, différents couples de capteurs au contact de bande passante avoisinant 60% sont utilisés pour étudier l’effet de l’angle d’incidence des capteurs et de la distance les séparant sur la contribution de l’onde latérale.

Configuration expérimentale et de simulation

 

Procédure expérimentale

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Paramètres de simulation

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Référence

L’amplitude de référence correspond au maximum d’amplitude de l’écho direct en ondes L d’un trou de génératrice (TGref) obtenu pour une certaine valeur de PCS. La PCS dépend des capteurs et sera précisée pour chaque couple de capteurs. Les TG de référence sont localisés dans une pièce parallélépipédique en acier ferritique de hauteur 30mm, contenant 6 trous de diamètres compris entre 0.5mm et 3mm et situés à une profondeur de 20mm (Figure ci-dessous).

Résultats

 

Temps de vol de l'onde latérale

Le temps de vol de l’onde latérale peut être calculé approximativement en suivant, depuis le centre de la pastille du capteur émetteur, le trajet du rayon se propageant :

  • dans le sabot à l’angle critique θcL sur la distance hcL à la vitesse des ondes L
  • puis, sur la surface de la pièce à la vitesse des ondes L dans la pièce sur la distance « D »
  • puis, dans le sabot du récepteur à la vitesse des ondes L sur la distance hcL jusqu’au centre de la pastille en réception (cf. Figure ci-dessous décrivant le cas de capteurs dont l’angle d’incidence est θ0 et dont la hauteur de sabot est h0) :

Par exemple, pour les inspections TOFD L70°,  l’angle d’incidence critique des ondes longitudinales pour l’interface sabot (plexiglas)/pièce (acier) est θcL=27.56°.

L’angle d’incidence de l’axe L dans le sabot est θ0=25.77° et la distance h0 est égale à 7.34mm. Les temps de vol calculés selon les indications du schéma de la Figure ci-dessus sont très proches de ceux mesurés sur l’onde latérale expérimentale (Figure ci-dessous).

NB : les temps de vol expérimentaux de la Figure ci-dessus sont relevés au niveau du point d’amplitude maximale (alternance négative du signal) (cf. Figure ci-dessous).

Etalement temporel de l'onde latérale

Plus l’angle d’incidence θ0 du capteur est éloigné de l’angle d’incidence critique pour les ondes L (θcL) plus la contribution de l’onde latérale est étalée dans le temps. L’étalement s’observe autour du temps de vol associé au trajet du rayon critique issu du centre du capteur émetteur et arrivant au centre du capteur récepteur. La durée de cet étalement est évaluée en « 2D » en calculant le déphasage existant entre les rayons issus des deux « bords » du capteur (Figure ci-dessous). Cette durée pour le capteur émetteur (ou récepteur) est égale à :

Δt = d sin(θ0 – θcL)/V0

L’étalement temporel de la contribution de l’onde latérale est faible pour les inspections L70° (environ de 0.15μs) mais il est plus important pour les inspections L45° (0.7 µs). Cette différence d’étalement se retrouve sur les A-scans expérimentaux de l’onde latérale obtenus à la PCS de 23mm (cf. figure ci-dessous).

 

Amplitude de l'onde latérale

La figure ci-dessous montre la variation de l’amplitude expérimentale de l’onde latérale en fonction de la PCS pour les inspections L45°, L60° et L70°. Le 0dB est obtenu en choisissant pour référence l’amplitude maximale de l’onde latérale mesurée à la PCS de 23mm. On peut voir que la décroissance de l’amplitude de l’onde latérale est la même pour les inspections L45°, L60° et L70°.

L’amplitude de référence pour les comparaisons simulation/expérience a été changée pour chaque traducteur. Ainsi, pour l’inspection L45°, l’amplitude de référence est l’amplitude maximum de l’écho direct L d’un trou génératrice de diamètre 2mm (TG Ø2mm) situé à 20mm de profondeur obtenue lorsque la PCS est de 38mm (PCS pour laquelle l’amplitude de référence correspond au maximum d’amplitude de l’écho direct en ondes L d’un trou de génératrice (TGref)).  La comparaison des résultats expérimentaux et de simulation est donnée sur la figure ci-dessous.

Pour l’inspection L60°, l’amplitude de référence est l’amplitude maximum de l’écho direct L d’un trou génératrice de diamètre 2mm situé à 20mm de profondeur pour la PCS de 68mm (PCS pour laquelle l’amplitude de référence correspond au maximum d’amplitude de l’écho direct en ondes L d’un trou de génératrice (TGref)). Les résultats de la comparaison sont illustrés sur la figure ci-dessous.

Pour l’inspection L70°, l’amplitude de référence est l’amplitude maximum de l’écho direct L d’un trou génératrice de diamètre 0.7mm situé à 10mm de profondeur obtenue lorsque la PCS est de 53mm (PCS pour laquelle l’amplitude de référence correspond au maximum d’amplitude de l’écho direct en ondes L d’un trou de génératrice (TGref)). Les résultats de la comparaison sont illustrés sur la figure ci-dessous.

La comparaison des amplitudes simulées et expérimentales montre que pour des inspections L70° et L60° les amplitudes simulées sont surestimées de 5 à 7 dB par rapport à l’expérience qu’elle que soit la PCS. Pour les inspections L45°, CIVA surestime les amplitudes de 6dB pour la PCS de 18mm et de  2dB pour la PCS de 58mm.

Les écarts entre les amplitudes expérimentales et simulées de l’onde latérale sont représentés sur la figure ci-dessous. En revanche, la valeur absolue de l’amplitude simulée par rapport à celle d’un défaut de référence est surévaluée.

L’origine de cette surévaluation de l’amplitude de l’onde latérale est actuellement inexpliquée. Elle pourrait être due au fait que la modélisation de l’onde latérale utilise un modèle valable lorsque le point source S et le point d’observation (i.e. de réception) M sont dans un seul et même milieu isotrope (Figure ci-dessous). Or, lors d’une inspection TOFD avec des capteurs au contact, cette hypothèse n’est pas vérifiée car les deux points situés dans des sabots sont séparés par de l’air.

Il est difficile d’évaluer les erreurs de prédictions dues à cette hypothèse. Par ailleurs, elles n’expliqueraient pas pourquoi la surestimation des amplitudes simulées avec CIVA diminue avec la PCS pour les inspections L45°. Pour autant, des mesures complémentaires ont été réalisées avec des capteurs en immersion qui satisfont l’hypothèse de la modélisation sur l’appartenance à un même milieu du point source et du point d’observation.

 

Ascans de l'onde latérale

Les A-sans et F-scans expérimentaux de l’onde latérale détectée en L70° et L60°, représentés sur les figures ci-dessous, montrent que:

  • la forme de l’onde latérale varie peu avec la PCS.
  • la fréquence centrale de son spectre varie peu avec la PCS. Dans le cas des inspections L60° la fréquence centrale est d’environ 3.8 MHz et donc inférieure à celle du signal d’entrée (4.8MHz). Dans le cas des inspections L70° elle est de 4.5MHz environ et donc proche de celle du signal d’entrée.
  • Les phases de l’onde latérale et de l’écho de bord bas d’une entaille sont les mêmes.

 

 

 

Dans le cas de l’inspection L45°, l’angle d’incidence des capteurs est loin de l’incidence critique pour laquelle les ondes longitudinales sont réfractées à 90°. Ainsi, l’onde latérale est très faible, sa contribution est étalée dans le temps et on ne retrouve pas cette relation entre les phases de l’onde latérale et de l’écho de bord bas d’une entaille.

Les A-scans expérimentaux et prédits par CIVA des ondes latérales sont comparés sur les figures ci-dessous. Lors des superpositions de ces Ascans un offset temporel a été appliqué. Pour une inspection donnée (L45°, L60° ou L70°), cet offset ne dépend pas de la PCS. Il correspond à une erreur de positionnement du centre de chaque capteur sur son support lors des mesures, positionnement qui est le même ensuite pour toutes les PCS. L’offset temporel appliqué est de 0μs pour les inspections L70°, 0.05μs pour les inspections L60°, 0.51μs pour les inspections L45°. Il est toujours inférieur à l’incertitude de mesure des temps de vol.

Les formes des A-scans expérimentaux et simulés sont proches pour les inspections L70° et L60°. Il en est de même pour les inspections L45°  dont les formes d’onde complexes sont relativement bien prédites par CIVA.

 

 

 

 

 

Inspections complémentaires TOFD en immersion

Compte tenu de l’observation faite sur la surestimation de l’amplitude de l’onde latérale avec les traducteurs au contact, des mesures complémentaires ont été réalisées en immersion de manière à satisfaire l’hypothèse de la modélisation sur l’appartenance à un même milieu du point source et du point d’observation. Ces mesures expérimentales en immersion ont été réalisées dans une configuration permettant de faire varier progressivement l’angle d’incidence du capteur puisqu’il s’agit d’un paramètre déterminant dans la génération de l’onde latérale.

Les capteurs en immersion utilisés sont de diamètre 6.35mm et de fréquence centrale 5MHz tout comme les capteurs au contact utilisés précédemment. Lors des inspections, la PCS et la hauteur d’eau ont été maintenues constantes : 73mm et 50mm respectivement. Seul l’angle d’incidence θi des capteurs a varié de sorte à générer dans la pièce des ondes L de 60° à 85° puis des ondes T à 35°.

Les amplitudes des ondes latérales expérimentales et simulées ont été comparées (Figure ci-dessous). L’amplitude de référence est l’amplitude maximum de l’écho direct L d’un trou génératrice de diamètre 2mm situé à 5mm de profondeur détecté  lors d’une inspection L0° en mode pulse-écho.

Un très bon accord est obtenu (écart inférieur à 2dB) entre expérience et simulation. Le modèle de CIVA prédit bien que l’amplitude maximale de la contribution de l’onde latérale est obtenue pour l’angle d’incidence critique pour les ondes L. On ne retrouve plus les écarts de 5 à 7 dB entre les amplitudes des ondes latérales expérimentales et simulées obtenues lors des inspections L70° et L60° avec les capteurs contact. Cela tend à valider l’idée que les écarts observés au contact sont dus au non-respect de l’hypothèse de milieu unique du modèle pour calculer l’onde latérale. Une étude plus approfondie des limites du modèle dans le cas des capteurs contact doit être menée.

Conclusion

L’étude de l’onde latérale détectée avec des  capteurs au contact L45°, L60° ou L70° de fréquence centrale 5MHz et de bande passante voisine de 65% a montré que l’amplitude de l‘onde latérale prédite par CIVA est surestimée de 2 à 7dB par rapport à l’expérience.

Le modèle utilisé dans CIVA pour simuler la propagation de l’onde latérale fait l’hypothèse que les points sources (sur la surface du capteur émetteur) et les points d’observation (sur la surface du capteur récepteur) sont dans un seul et même milieu. Cependant, ce n’est pas le cas lors d’une inspection TOFD réalisée avec des capteurs au contact en raison de la présence des sabots. Ainsi, les écarts observés entre les amplitudes expérimentales et simulées de l’onde latérale peuvent être attribués au non-respect de cette hypothèse. Afin de vérifier cette dernière, des inspections TOFD expérimentales complémentaires ont été réalisées en immersion. Les écarts entre l’expérience et la simulation sont inférieurs à 2dB. Pour autant, une étude approfondie des limites du modèle dans le cas des capteurs contact doit être menée avant de conclure avec certitude que l’origine des écarts obtenus avec les capteurs au contact est bien liée au non-respect de l’hypothèse du modèle c’est-à-dire à la présence du sabot.

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