Inclusion dans l'eau - monoelement - Description des mesures

 Les champs rayonnés dans l’eau de trois capteurs ont été étudiés :

• Capteur plan Ø6.35mm, 2.25MHz.
• Capteur plan Ø6.35mm, 5MHz.
• Capteur focalisé Ø9.5mm, 10MHz.

Les réflecteurs utilisés sont quatre inclusions en acier inoxydable de diamètre 1, 2, 4 et 6mm et un plan infini.

 

Cartographies dans les plans XZ et YZ et profil selon Z

Pour chaque capteur, des cartographies dans les plans XZ et YZ ont été enregistrées pour les quatre inclusions en acier de différents diamètres. Un profil selon Z est acquis pour le plan infini (cf axes Figure 1). Des exemples d’acquisitions sont présentés Figure 1 et Figure 2.

Cartographies dans un plan XY

Des cartographies dans des plans XY ont également été enregistrées pour les inclusions en acier à la distance « Z » du capteur à laquelle l’amplitude émise sur son axe est maximale (Figure 3).

Un exemple de ce type de cartographie est présenté Figure 4 (capteur plan 5MHz).

 

Caractéristiques du spectre des échos

Le spectre de l’écho d’un plan infini est souvent utilisé pour déterminer la fréquence centrale et la bande passante du capteur. Ces grandeurs ont été mesurées à partir des échos expérimentaux et comparées à celles prédites par CIVA. Ces comparaisons ont été également réalisées à partir des spectres des inclusions.

Dans la suite du document :

• on appellera « courbes amplitude/distance » la courbe échodynamique qui donne l’évolution de l’amplitude maximale de l’écho d’un réflecteur en fonction de sa distance au capteur quand il s’éloigne le long de l’axe du capteur (ce sont des courbes YZ ou XZ).
• on appellera « courbe XY » la courbe échodynamique qui donne l’évolution de l’amplitude maximale de l’écho d’un réflecteur en fonction de sa distance à l’axe central du capteur quand il s’éloigne de cet axe à Z constant.

La procédure suivie pour déterminer cette distance est la suivante :

• Le réflecteur (plan ou inclusion) est placé suffisamment loin du capteur pour que son écho soit résolu temporellement.
• Le temps de vol « t » de l’enveloppe de son écho est mesuré.
• La distance « d » entre le capteur et le réflecteur est déduite de la formule d=(v_L*t)/2  (la vitesse « v_L » de propagation des ondes L dans l’eau a été mesurée à partir d’échos de rebond multiples sur un réflecteur plan infini : v_Leau = 1483 ms-1).

Dans l’exemple  du capteur focalisé à 10MHz présenté Figure 5, le temps de vol de l’écho de l’inclusion de Ø1mm est 25.79µs, la distance déduite entre le capteur et l’inclusion est 19.1mm.

 

Pour réaliser une cartographie de faisceau, il faut que le traducteur soit orienté très finement de sorte que l’axe du faisceau soit parfaitement perpendiculaire au plan XY formé par les axes de déplacements du capteur.

Dans le cas des inclusions, le dispositif expérimental est illustré Figure 6. La procédure permettant de régler précisément l’orientation du capteur consiste en une vérification systématique de la symétrie de l’écho de l’inclusion selon les axes X et Y (Figure 7). La correction de l’orientation est assurée par un goniomètre disposé sur le support traducteur.

Figure 6 : Dispositif pour la mesure des caractéristiques du champ ultrasonore rayonné par un traducteur immersion en pulse écho.

Figure 7 : Vérification de l’orientation du capteur par rapport aux axes mécaniques de déplacement.

Dans le cas du plan infini, l’effet d’une désorientation du capteur sur l’amplitude de l’écho du plan infini a été évalué en réalisant cinq mesures : une avec le capteur non désorienté (0°) et quatre avec des désorientations de +1°,-1°, +2° et -2°. La superposition des courbes amplitude/distance obtenues à ces différentes orientations (Figure 8) montre l’effet non négligeable de la désorientation sur l’amplitude de l’écho. Cet effet décroit quand la hauteur d’eau augmente. La comparaison des mesures à 0° et +/-1° permet de garantir l’orientation « 0° » du capteur.

Figure 8 : Résultats expérimentaux, courbes amplitude/distance obtenues pour le plan infini et pour différentes incidences du capteur (0°, +1°, -1°, +2° et -2°). Ces courbes permettent de vérifier l’orientation du capteur par rapport au plan. Capteur plan Ø6.35mm, 5MHz.

L’incertitude expérimentale liée aux ajustements mécaniques évaluée par démontage puis remontage complet du dispositif est de 1dB.  L’intervalle de confiance des données expérimentales a été évalué à +/-2dB (1dB lié à l’incertitude pour le réflecteur étudié et 1dB lié à celle pour le réflecteur de référence pour les amplitudes).

Une première série d’essais expérimentaux a été réalisée dans une cuve contenant un additif évitant la formation de rouille sur les pièces en acier ferritique.

Des mesures de reproductibilité réalisées avec et sans cet additif ont permis de montrer sa très forte influence sur l’atténuation des ultrasons dans l’eau.

Pour illustrer cet effet, une superposition de courbes échodynamiques amplitude/distance obtenues avec et sans additif sur une inclusion de 2mm de diamètre est présentéeci-dessous. L’analyse de ces résultats montre que lorsque l’additif est présent dans l’eau, le maximum d’amplitude est décalé de 4mm et une baisse de 6dB est observée à une hauteur de 110mm dans l’eau.

A l’issue de ces résultats, toutes les expérimentations ont été refaites sans présence d’additif.