Multibonds cylindrique : Configurations expérimentales et de simulation

Maquettes

Pour l’étude des multibonds, deux maquettes spécifiques ont été réalisées : une cale plane et une cale cylindrique de même épaisseur. La cale plane contient une entaille de 2 mm de hauteur et 10 mm d’extension débouchant en fond de pièce ainsi qu'un TG de 2 mm de diamètre dont le centre est situé à 6 mm de la surface. La cale cylindrique contient une entaille de même dimension débouchant en paroi interne et un TG de 2 mm dont le centre est situé à 6 mm de la surface. Les directions de balayage du capteur lors des inspections sont indiquées sur la figure ci-dessous.

Pour l’étalonnage du capteur, une troisième cale, de géométrie parallélépipédique, contenant des TGde 3mm de diamètre situés à différentes profondeurs a également été réalisée.

Ces trois cales ont été extraites du même lingot d’acier (norme de l’acier de construction : S355 J2). Les défauts (entailles et TGs) ont été usinés de façon à ce que dans chaque cale les fibres soient orientées de la même façon par rapport à la direction de contrôle. Ces exigences ont pour but de garantir des paramètres de matériau identiques dans les 3 cales.

Traducteurs

En raison de problèmes de reproductibilité liés au couplage, les essais de cette étude ont été réalisés en immersion. Plus d’informations sont données dans la partie « Reproductibilité et incertitudes expérimentales ».

La fréquence et l’ouverture du traducteur ont été choisies de sorte à disposer d’un parcours suffisant pour pouvoir exploiter le maximum de rebonds. Un ensemble de simulations de champ a abouti au choix d’un traducteur immersion Ø12,7 mm de fréquence centrale 5 MHz. La hauteur d’eau a été ajustée pour que le premier écho de coin de l’entaille soit situé dans le champ lointain du traducteur.

Angles d'incidence

Dans la pièce plane, l’inspection a été réalisée avec une incidence de 19° pour générer des ondes T à 45° dans la pièce et sur son fond. La figure ci-dessous présente le champ rayonné dans la pièce plane.

Dans la pièce cylindrique, l’angle d’incidence du capteur doit être ajusté à 16° pour que le champ T généré dans la pièce à 37° intercepte le fond du cylindre à 45°. Cependant, ce champ T37° est proche du champ T réfracté à 33° pour lequel des ondes de tête générées à la surface du cylindre contribuent au champ rayonné dans le cylindre. Or, on sait que le champ T réfracté dans la pièce autour de l’angle critique est mal simulé car les ondes de tête ne sont pas prises en compte dans CIVA. Dans ces conditions, on peut donc s’attendre à une mauvaise prédiction des échos de l’entaille. Ne souhaitant pas réaliser une inspection dans des conditions pour lesquelles une source d’erreur en simulation est déjà identifiée, nous avons choisi d’augmenter l’angle d’incidence afin d’éviter la génération des ondes de tête.

Augmenter sensiblement l’angle d’incidence ne permet pas de s’assurer qu’aucune onde de tête ne sera générée. Par ailleurs, on peut s’attendre à la présence d’ondes rasantes générées à la surface de l’entaille. Par exemple pour une incidence de 19°, le champ T45° réfracté dans la pièce intercepte l’entaille avec un angle de 33.5° proche de l’angle critique de 33°. Ces ondes rasantes peuvent contribuer aux échos renvoyés par l’entaille mais CIVA ne les prend pas en compte. On identifie donc une seconde source d’erreur lors de la simulation avec CIVA de l’inspection avec une incidence de 19°.

Finalement, les inspections dans le cylindre ont été réalisées aux incidences 16°, 17°, 18° et 19°. Les ondes T sont alors réfractées dans la pièce à 37° (i16°), 39° (i17°), 42° (i18°) et 45° (i19°) c’est-à-dire de plus en plus loin de l’angle critique à la surface du cylindre et de plus en plus près de l’angle critique sur la surface de l’entaille. Le but de cette variation lente de l’angle d’incidence est de faciliter l’analyse des résultats qui s'avérér compliquée du fait de la présence des ondes de tête et des ondes rasantes.

Les champs T direct et après un rebond sur le fond de la pièce ont été calculés avec CIVA pour les angles d’incidence de 16°, 17°, 18° et 19. Les directions locales sont affichées aux points de calcul de la zone de champ dont l’amplitude est supérieure à -6dB par rapport à l’amplitude maximale de la zone. On voit que le max du champ T direct se situe au niveau de fond du cylindre uniquement pour l’incidence de 16°. Pour des incidences plus grandes, le maximum du champ se situe au-dessus du fond. Le champ T après rebond est d’autant plus divergent que l’angle d’incidence augmente.

 

Paramètres du traducteur entrés dans CIVA

Le signal d’entrée du capteur a été choisi pour que les échos directs T expérimental et simulé d’un TGØ2mm situé à 6mm de profondeur dans la pièce plane de 12mm d’épaisseur soient en bon accord.

 

Paramètres de simulation

Les simulations ont été réalisées avec CIVA11.1.

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

Caractéristique du matériau des cales
Vitesse des ondes L Vitesse des ondes T Densité Atténuation
5950 m/s 3290 m/s 7.8 g.cm-3 Atténuation pour les ondes T (cf. chapitre « Atténuation »)

 

Les vitesses des ondes L et T ont été obtenues par mesures expérimentales des temps de vol de plusieurs échos de fonds successifs dans la cale d’étalonnage de 110mm d’épaisseur. Un capteur 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.

La précision des calculs de champ et d’échos est de 3.

Echos simulés avec CIVA

Lors de l’inspection multibonds en mode T45° d’une entaille débouchant en fond de pièce plane, plusieurs échos d’amplitudes importantes correspondant à différents trajets capteur-entaille- capteur apparaissent. Dans la suite du document ils seront numérotés de 1 à 7.

Pour des raisons de temps de calcul et de limitation du nombre de modes qu’il est possible de calculer simultanément dans CIVA, ce dernier a été limité. Les simulations présentées ont été réalisées en mode T seul. Il a été vérifié que la non prise en compte des conversions de modes ne modifiait pas les amplitudes des échos multibonds de l’entaille (voir exemple ci-dessous pour l’angle d’incidence de 16°).

Par ailleurs, toujours dans le but de réduire le nombre de modes calculés, tous les échos en modes T n’ont pas été calculés. En effet, la liste des modes proposée automatiquement par CIVA est très longue lorsque le nombre de rebonds augmente (elle comporte 105 modes T pour un calcul d’échos après 7 rebonds du champ sur le fond). Beaucoup de ces modes ne contribuent que très peu et il n’est donc pas nécessaire de tous les calculer. Une liste de modes a donc été créée manuellement de manière à ne calculer qu’une partie de ces échos. Cette liste comprend :

  • les échos multibonds décrits plus haut
  • les échos direct et indirect associés à chaque écho multibonds

Ainsi, pour un calcul d’échos après 7 rebonds on trouve dans la liste 21 modes T.

Reproductibilité et incertitudes expérimentales

Une étude préliminaire a été réalisée afin de définir la configuration d’étude multibonds la plus appropriée pour les validations et sa mise en œuvre. L’expérimentation a consisté à évaluer la réponse des échos multibonds dans une pièce plane pour les trois conditions de couplage suivantes (figure ci-dessous) :

  • air au-dessus de la pièce et air sous la pièce
  • film d’eau sur toute la surface de la pièce et air sous la pièce
  • immersion totale de la pièce dans l’eau.

Des essais de reproductibilité ont été réalisés dans les 3 cas.

Les résultats des essais, réalisés à deux fréquences différentes (2.25MHz et 5MHz) sont présentés ci-dessous. Les séries d'acquisitions ont montré que seuls les résultats dans le cas de l’immersion totale sont reproductibles.

La mise en œuvre immersion a donc été choisie pour l’étude des échos multibonds.

Pour évaluer l’incertitude expérimentale liée aux paramètres mécaniques, aux défauts usinés et à l’inhomogénéité du matériau des essais de reproductibilité ont été réalisés. Par exemple, l’entaille de la pièce cylindrique a été inspectée dans deux sens de balayage (Figure ci-dessous).

Les résultats de ces deux inspections ainsi qu’une superposition des 2 échodynamiques en balayage sont présentés ci-dessous. Les écarts maximums observés sont inférieurs à 1dB.

L'intervalle de confiance des données expérimentales présentées dans cette page 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).

 

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