UT - Echos de coin en ondes L : Conclusion et discussion sur les écarts

Dans cette étude de caractérisation expérimentale d’échos d’entailles verticales débouchant en fond de pièce obtenus lors d’inspections pulse/écho en L45° et L60°, une très bonne concordance entre l’expérience et la simulation est obtenue pour les amplitudes des échos de coin en ondes L (écart de moins de 2 dB), sauf dans le cas des entailles les plus petites par rapport à la longueur d’onde. Les causes de cet écart sont la limite du modèle de Kirchhoff relatif aux petites entailles, la fréquence basse des capteurs et le mélange des échos de diffraction des entailles (mal évalué avec le modèle Kirchhoff) avec l’écho de coin.

Dans le cas des échos de coin mixtes et T, certains écarts se produisent parfois entre la mesure et les prévisions obtenues par simulation. Ces écarts apparaissent principalement dans le cas des capteurs les plus divergents et parce que le faisceau en ondes T réfracté dans la pièce pendant les inspections L45° et L60° n’est pas bien modélisé par CIVA. En raison de la forte variation du coefficient de transmission L->T près de l’angle critique, le modèle de calcul de champ de CIVA prédit un faisceau divisé en deux parties, à la fois pour les faisceaux transmis et pour ceux réfléchis par le fond en mode T. Cette division n’est pas réaliste ; toutefois son effet ne modifie pas toujours l’amplitude de l’écho de coin.

Des études plus approfondies vont continuer sur ce sujet.

 

Plusieurs phénomènes permettent d’expliquer les différences observées entre les résultats expérimentaux et les prédictions de CIVA :

• La limitation « petits défauts » du modèle d’interaction de Kirchhoff
• Les contributions critiques, ou ondes rampantes, en particulier pour des faisceaux divergents
• La division du faisceau T

 

Limitation "petits défauts" du modèle de Kirchhoff

Dans certains cas, comme pour le capteur en immersion fonctionnant à 2 MHz, des écarts apparaissent en particulier pour les petits défauts. Les limitations du modèle d’interaction expliquent, en partie, ces différences.

Le modèle d’interaction champ-défaut de Kirchhoff a été développé pour les réflexions spéculaires à haute fréquence. Cela impose que le rayon des défauts (ici, la demi-hauteur des entailles) doit être largement supérieur à la longueur d’onde et que les contributions associées à la diffraction par les arêtes des entailles ne sont pas simulées. La validité du modèle est assurée selon un critère basé sur le produit du nombre d’onde (k = 2*π/λ) par la rayon du défaut (a) : k.a>>1.

A 2 MHz, pour une vitesse de phase correspondant à celle des ondes L dans l’acier (5900 m/s), k vaut 2,1 mm^-1 et la hauteur de l’entaille doit être grande comparée à 0,9 mm. On comprend alors que la simulation pour des entailles de 0,5 mm ou 1 mm est moins précise.

De plus, il est mis en évidence que la fréquence centrale du traducteur n’est pas le seul paramètre influant dans la limitation de Kirchhoff, la bande passante a aussi une influence. L’influence de la bande passante n’est pas traitée dans ce document puisque, pour tous les traducteurs utilisés dans cette étude, la bande passante est d’environ 60%.

 

Les contributions critiques, ou ondes rampantes, en particulier pour des faisceaux divergents

Ces phénomènes sont dus à la présence de contributions dans le faisceau arrivant sur le fond de la pièce et/ou la surface de l’entaille à des incidences plus élevées que l’incidence critique. Des ondes de surfaces peuvent être alors générées. On rappelle que l’angle de réfraction des ondes T correspondant à l’incidence critique pour l’acier est de 33° sur le fond et de 57° sur une entaille verticale). Les contributions des ondes rasantes et des ondes de tête peuvent être à l’origine des divergences observées sur les courbes d’échodynamiques puisqu’elles donnent lieu à des contributions supplémentaires à l’écho de coin.

 

 

L’image ci-dessus montre la contribution des ondes rasantes et de tête sur l’écho de coin. Elle correspond à une configuration T45 mettant en scène une pièce en acier avec un angle critique de 33°, et les ondes rasantes sont représentées en vert. La version 10.1 de CIVA ne permet de calculer uniquement les ondes rampantes en fond de pièce (en haut à gauche), elles ne sont pas calculées sur la surface d’entrée de la pièce ou sur l’entaille. Le travail de modélisation est en cours, certaines de ces contributions pourraient être disponibles dans une prochaine version de CIVA. Par ailleurs, ces contributions peuvent être calculées avec le module CIVA-Athena2D.

 

La division du faisceau T

Dans le cas de capteurs rayonnant des ondes L, des ondes T sont également générées par le capteur avec un angle de réfraction moindre. Le modèle de rebond ultrasonore, basé sur le modèle d’interaction de Kirchhoff, détermine le faisceau rayonné après réflexion en fond de pièce. Le faisceau correspondant à chaque mode a été calculé séparément, en incluant un rebond en fond de pièce :

 

 

Le champ T simulé est séparé en 2 contributions, la seconde n’étant pas observée expérimentalement.

La division du faisceau T après passage de la surface est due aux limites du modèle de calcul de champ. Le modèle utilisant la méthode des pinceaux (équivalente à la théorie des rayons standard) se fonde sur l’acoustique géométrique : dans une telle approche, seules les ondes de volume sont prises en compte. Or, dans le cas des ondes L45, une onde de tête contribue aussi au champ rayonné en ondes T dans la pièce: si les rayons émis par le capteur sont incidents sur la surface de la pièce avec un angle incident proche de l’angle longitudinal critique, des ondes rampantes L sont générées, elles se propagent le long de la surface d’entrée et rayonnent des ondes de têtes T dans le volume de la pièce. De plus, ces ondes de tête interfèrent avec les ondes de volume T réfractées classiques pour un angle incident très proche de l’angle critique. La valeur de l’angle critique incident dépend du matériau de couplage (plexiglas ou eau) mais correspond toujours à un angle de réfraction des ondes T de 33°. Dans une inspection en ondes L45, bien que l’axe focal T du capteur (réfracté à 22,8°) ne soit pas égal à l’angle critique (33°), il existe certains rayons émis par le capteur qui sont critiques ou quasi critiques, par suite de l’ouverture du capteur.

 

 

Sur les B-scans présentés ici, la division du faisceau conduit à une nette séparation de l’écho de coin T simulé. Toutefois, cet effet de division n’a que peu d’effet puisque l’écart en amplitude est inférieur à 2 dB et l’écho est bien positionné.

 

La figure ci-dessous illustre ce phénomène de division de faisceau. Les champs L45 et T rayonnés dans un pièce en acier plan par un capteur immersion (Ø6,35 mm, 5 MHz) sont calculés dans une zone représentée par les deux images en haut de la figure. Deux calculs différents ont été effectués :

• le champ réfracté depuis l’eau vers la pièce est calculé avec CIVA-ATHENA2D (code d’élément fini 2D couplé avec CIVA).
• le champ réfracté depuis l’eau vers la pièce est calculé avec CIVA2D (CIVA avec l’option 2D pour le champ).

 

Les 8 images affichées en bas de la figure représentent pour chaque point de la zone, les amplitudes des champs propagés dans la pièce à un temps de propagation donné (ti). Les 4 images de gauche sont obtenues avec ATHENA2D et les 4 autres avec CIVA2D. La comparaison de ces images montre que les amplitudes relatives des ondes P et des ondes T sont pratiquement les mêmes. Mais la division du faisceau T obtenue avec CIVA2D n’est pas observée pour le faisceau ATHENA2D.

 

 

L’équipe de développement de CIVA travaille sur la transmission des modes autour de l’angle critique de manière à améliorer les modèles déjà implémentés dans CIVA.