UT - Multiéléments : Configurations expérimentales de simulation

Les acquisitions expérimentales ont été effectuées en utilisant un équipement constitué d’un banc mécanique capable de réaliser des représentations type C-scan et d’un système d’acquisition ultrasonore multiéléments MultiX 64 piloté par le logiciel Multi2000 V6.5.22. Une procédure d’inspection a été suivie afin de minimiser les sources d’incertitude. Les incertitudes globales liées aux paramètres mécaniques, aux défauts usinés sur des maquettes, et à l’homogénéité du matériau ont été évaluées en vérifiant la reproductibilité des résultats. L’intervalle de confiance des données expérimentales a été évaluée à + /-3 dB pour les capteurs au contact (1,5 dB en raison de l’incertitude de la mesure du réflecteur de référence et 1,5 dB en raison de l’incertitude de la mesure par rapport à la référence). Pour les capteurs immersion l’incertitude est de + /-2 dB (1 dB en raison de l’incertitude de la mesure du réflecteur de référence et 1 dB en raison de l’incertitude de la mesure par rapport à la référence).

 

Deux pièces en acier ferritique (cL=5900 m/s, cT=3230 m/s, densité = 7.8 g/cm3) sont inspectées :

• Une maquette contenant une série de trous génératrice (TGs) de diamètre Ø2 mm et d’extension 60 mm. Les TGs sont situés à des profondeurs allant de 4 mm à 60 mm avec un pas entre chaque défaut de 4 mm.

 

 

• Une maquette contenant des séries de trous à fond plats (TFPs) de diamètre Ø1 mm, 3 mm et 6 mm et inclinés à 45°. Les TFPs d’un diamètre donné sont positionnés à deux incréments différents pour éviter le mélange des échos lors de l’inspection. Les profondeurs correspondant au premier incrément sont 5 mm, 15 mm, 25 mm, 35 mm, 45 mm, 55 mm, 80 mm, 100 mm, 125 mm et 150 mm. Les profondeurs correspondant au second incrément sont 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm.

 

 

Les mesures sont réalisées avec trois capteurs :
 

Capteur matriciel contact 2 MHz

Les caractéristiques techniques de ce capteur sont les suivantes :

 

 

Ce capteur est monté sur un sabot en rexolite (cL=2320 m/s). L’angle d’incidence du sabot est de 16,86° ce qui correspond à un angle de réfraction de 47,5° dans l’acier ferritique pour des ondes Longitudinales. Ces paramètres ont été déterminés à partir d’une mesure sur l’écho de fond du sabot. Cette méthode consiste à réaliser un balayage électronique de 1 élément actif et à enregistrer l’écho de fond du sabot en fonction de la séquence active. En relevant le temps de propagation de l’écho de fond entre les deux éléments extrêmes et connaissant précisément la distance entre ces deux éléments ainsi que la vitesse mesurée dans le sabot, il est possible de remonter à l’angle du sabot.

 

 

Des calculs de champs permettent d’évaluer la limite de champ proche du capteur. La figure suivante représente les champs L transmis dans la pièce. On constate qu’au-delà de 30 mm, le capteur ne focalise plus à la profondeur souhaitée. La limite de champ proche en ondes L de ce capteur est donc proche de 30 mm.

 

 

En ondes T, les calculs de champ donnent les résultats suivants :

 

 

On remarque que la limite de champ en ondes T de ce capteur est voisine de 40 mm.

 

Capteur linéaire contact 5 MHz

Les caractéristiques de ce capteur sont les suivantes :

 

 

Ce capteur est monté sur un sabot en rexolite (cL=2320 m/s). L’angle d’incidence du sabot est de 21° ce qui correspond à un angle de réfraction de 6,7° dans l’acier ferritique pour des ondes Longitudinales. Les caractéristiques du sabot ont été obtenues avec la même méthode que pour le capteur 2 MHz.

Les trois paramètres de la loi d’atténuation pour les ondes T à entrer dans CIVA sont le coefficient d’atténuation « a », l’exposant de la loi d’atténuation et la fréquence « f ».

• La fréquence « f » choisie est la fréquence centrale du signal d’entrée du capteur (4,8 MHz)
• Dans les pièces utilisées, le coefficient d’atténuation avait été déterminé lors d’une précédente étude qui a montré qu’il n’était pas nécessaire de prendre en compte une atténuation pour les ondes L. Pour un exposant de 4 (domaine de Rayleigh), a = 0,015 dB/ mm.

Les calculs de champ en ondes L ci-dessous nous permettent de déterminer la limite de champ proche pour ce capteur. On voit qu’au-delà de 20 mm de profondeur, le capteur ne focalise plus de manière optimale. Il s’agit donc de sa limite de champ proche en onde L.

 

 

En ondes T, les calculs de champ donnent les résultats suivants :

 

 

Ces résultats nous permettent d'estimer la limite de champ proche en ondes T de ce capteur à 40 mm de profondeur.

 

Capteur immersion 10 MHz

Les caractéristiques techniques de ce capteur sont les suivantes :

 

 

 

Loi d'atténuation des ondes L

La loi d’atténuation pour les ondes L a été déterminée à partir des échos de TFPs obtenus avec le capteur incliné à 10,24° (P45°), une hauteur d’eau de 50 mm et une loi de retards nuls.

Paramètres à entrer dans CIVA (coefficient d’atténuation « a », exposant de la loi d’atténuation « exposant » et la fréquence « f ») :

• La fréquence « f » est la fréquence centrale du signal d’entrée du capteur (9 MHz).
• Deux coefficients d’atténuation ont été déterminés pour que les courbes, expérimentales et simulées, d’amplitude des échos L des TFP Ø3 mm en fonction de la profondeur présentent la même décroissance. Ces ajustements ont été effectués sur les courbes obtenues avec une loi de retards nuls.

La référence pour les amplitudes est un TFP Ø1 mm situé à 25 mm de profondeur. L’amplitude de cette référence a aussi été simulée avec atténuation :

• Le premier coefficient a été déterminé pour un exposant de 4 (domaine de Rayleigh : λ >> D), dans ce cas a = 0,046 dB/mm
• Le second coefficient a été déterminé pour un exposant de 2 (domaine stochastique : λ ~ D), dans ce cas a = 0,035 dB/mm

Où λ est la longueur d’onde L et D est la taille moyenne des grains constituant la microstructure.

Dans la suite, la première loi sera appelée (0,046, 4, 9) ou loi en exposant « 4 » et la seconde (0,035, 2, 9) ou loi en exposant « 2 ».

 

 

On peut voir sur la figure ci-dessus qu’il y a un bon accord entre les Ascans expérimentaux et simulés obtenus sur les TFPs situés à de faibles profondeurs. Ce n’est plus le cas pour les défauts les plus profonds avec la loi d’atténuation (0,046, 4, 9) ; les Ascans simulés sont alors trop « basse fréquence » par rapport aux Ascans expérimentaux. Avec la loi en exposant 2, (0,035, 2, 9), on obtient un meilleur accord entre simulations et expérience pour les TFPs aux grandes profondeurs (80 mm et 125 mm). Ces remarques sont valables aussi pour les TFPs de diamètre 1 mm et 6 mm.

Compte tenu de ces résultats, on utilisera la loi d’atténuation avec l’exposant « 2 » pour les simulations. La loi en exposant 4 peut être utilisée pour confirmer la validité de ce choix.

 

Loi d'atténuation des ondes T

La loi d’atténuation pour les ondes T a été déterminée à partir des échos de TFPs obtenus avec le capteur incliné à 18.94° (SV45°), une hauteur d’eau de 50 mm et une loi de retards nuls.

Les paramètres à entrer dans CIVA : le coefficient d'atténuation « a », l'exposant de la loi d'atténuation, et la fréquence « f »

• La fréquence « f » est la fréquence centrale du signal d'entrée du capteur (9 MHz)
• Deux coefficients d’atténuation ont été déterminés pour que les courbes, expérimentales et simulées, d’amplitude des échos T des TFP Ø3 mm présentent la même décroissance. Ces ajustements ont été effectués sur les courbes obtenues avec une loi de retards nuls.

 

La référence pour les amplitudes est un TFP Ø1 mm situé à 25 mm de profondeur. L’amplitude de cette référence a été simulée avec atténuation:

• Le premier coefficient a été ainsi déterminé pour un exposant de 4 (domaine de Rayleigh : λ >> D), dans ce cas a = 0.275 dB/mm
• Le second a été déterminé pour un exposant de 2 (domaine stochastique : λ ~ D), dans ce cas a = 0.11 dB/mm

λ est la longueur des ondes L et D est la taille moyenne des grains constituant la microstructure.

Dans la suite, la première loi sera appelée (0,275, 4, 9) ou loi en exposant « 4 » et la seconde (0,11, 2 9) ou loi en exposant « 2 ».

 

 

Si la référence pour les amplitudes est un écho direct L de TFP, les amplitudes des échos T des TFPs simulés avec la loi d’atténuation (0,275, 4, 9) sont très éloignés de celles mesurées (cf. figure ci-dessous).

 

 

Comme pour les échos en ondes L, on remarque sur la figure ci-dessous un bon accord entre les Ascans expérimentaux et simulés mesurés sur les TFPs situés à de faibles profondeurs. Ce n’est plus le cas pour les défauts les plus profonds lorsqu’on applique la loi d’atténuation (0,275, 4, 9); les Ascans simulés sont alors trop « basse fréquence » par rapport aux Ascans expérimentaux. Avec la loi en exposant 2, (0,11, 2, 9), on obtient un meilleur accord entre simulations et expérience pour les TFPs aux grandes profondeurs (80 mm et 125 mm). Ces remarques sont valables aussi pour les TFPs de diamètre 1 mm et 6 mm.

Compte tenu de ces résultats, on utilisera la loi d’atténuation avec l’exposant « 2 » pour les simulations. La loi en exposant 4 peut être utilisée pour confirmer la validité de ce choix.

 

 

Les calculs de champ en ondes L ci-dessous nous permettent de déterminer la limite de champ proche pour ce capteur. On voit qu’au-delà de 10 mm de profondeur, le capteur ne focalise plus de manière optimale. Il s’agit donc de sa limite de champ proche en onde L.

 

 

Les modèles définis dans CIVA pour simuler la réponse des défauts sont :

• Le modèle SOV (Separation Of Variables) pour les TGs
• Le modèle Kirchhoff pour les TFPs