3. European conference on non-destructive testing Florence (Italy) Oct 1984 CEA-CONF 7676

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1 3. European conference on non-destructive testing Florence (Italy) Oct 1984 CE-CONF 7676 F a^so?sic FOCLISTION DYNMIQUE ET IMGERIE EN CM) PR ULTRSONS *M. **M. MRTIN DENIML Centre d'etudes Nucléaires de GRENOBLE - LETI/MCTE **Electricité de France - SCF - EVRY RESUME La nature, l'orientation des défauts, qu'il s'agisse d'examens en immersion ou au contact, nécessitent généralement l'utilisation de plusieurs transducteurs. Cette observation peut également se faire en ondes de compression ou de cisaillement. Le contrôle électronique du faisceau procure pour un même transducteur, le choix de l'angle d'incidence et l'adaptation dynamique de la distance focale. Il permet de tenir compte de différentes célérités (cisaillement, compression) en particulier d'introduire la correction des effets de dioptre, pour les pièces immergées. Les effets d'angulation et de focalisation dynamique résultent de l'emploi de transducteurs multi-éléments et de la compensation par voie électronique des différences de temps de trajet des ultrasons. Un appareil d'évaluation programmable permet de former des images soit en balayage sectoriel électronique, soit â incidence constante et balayage mécanique. Deux types de configuration de transducteurs ont été utilisés. Pour les essais au contact, une structure à 9 éléments émetteurs et 16 éléments récepteurs a été évaluée. Les essais en immersion ont été conduics en ondes longitudinales ou transversales en utilisant 20 éléments émetteurs et 32 éléments récepteurs.

2 Les résolutions obtenues dans ces différents cas conduisent à des images de qualité satisfaisante. La visualisation directe en balayage sectoriel constitue une voie rapide pour un examen global et une mise au point de méthode. Le stockage de l'image sous forme numérique, en balayage mécanique sous diverses incidences ouvre la voie à des traitements ultérieurs de confirmation et de dimensionnement. INTRODUCTION Pour divers éléments constitutifs des réacteurs à eau pressurisée, notamment les soudures, il peut importer de pouvoir déterminer avec la meilleure précision possible, les caractéristiques des défauts, leurs éventuelles évolutions. Dans le cas de joints soudés épais, dont l'accessibilité simultanée des deux faces est souvent difficile, les efforts sont naturellement portés sur les méthodes CND par ultra sons. Outre la notion de détectabilité, il est souhaitable de caractériser une zone echogène suivant plusieurs orientations, voire nécessaire d'utiliser plusieurs types d'onde. Là, apparaît l'utilité d'un faisceau ultrasonore dont les caractéristiques sont contrôlées de manière très souple grâce à un système programmable. Le contrôle électronique du faisceau ultrasonore permet : - d'adapter la distance focale à l'émission à la zone d'intérêt. - de choisir l'angle dans le métal. - de tenir compte des effets de dioptre dans le cas de pièces immergées ; en particulier de contrôler le faisceau indifféremment, en ondes de compression ou de cisaillement. LE CONTROLE ELECTRONIQUE DU FISCEU Principe Le contrôle électronique du faisceau résulte de l'emploi de traducteurs de multi éléments fonctionnant à large bande. Le signal de chaque traducteur élémentaire est traité séparément par voie électronique. Le traducteur utilisé est une barrette au pas de 0,56 mm, dont chaque élément a une longueur de 10 mm (Fig. 1). Une lentille acoustique a pour effet d'égaliser les temps de trajet des ultrasons entre une source située au foyer et toute la surface du traducteur.

3 Le même effet peut être obtenu en traitant temporellement les signaux électriques induits à des instants différents aux divers points du traducteur, par une même source. La disposition en barrette Permet de contrôler le faisceau ultra sonore dans le plan de symétrie passant par le centre de tous les barreaux (B Scan). La dimension du faisceau dans le plan des barreaux ne dépend que de la longueur des barreaux élémentaires vis-à-vis oe la longueur d'onde. La taille de l'élément unitaire est choisie de manière â rendre son lobe d'émission éception aussi peu dépendant de l'angle que possible. La répartition des éléments utiles résulte d'une modélisation en vue de réduire les lobes de réseau. Lors de l'émission, chaque élément est excité par une impulsion brêvt à un instant tel que tous les fronts d'onde individuels ainsi générés parviennent simultanément au point focal choisi, déterminant ainsi une direction privilégiée d'insonification. Les conditions de focalisation â l'émission sont déterminées en considérant le plan de symétrie normal à l'ensemble de barreaux et un système de coordonrees polaires dont l'origine est le traducteur central C et CN la normale à sa surface d'émission (Fig. 2). Pour focaliser en F tel que CF = F et NCF = e il faut que le front d'onde issu de tout élément i tel que Ci = Li parvienne en F en simultanéité avec celui qui a été issu de C. La différence de temps de parcours à la vitesse v dans le milieu s'exprime par : xie = 1_ (CF - if) v Pour réaliser la condition de simultanéité, si C émet à l'instant J 0, i devra émettre à : ti = T + ne rie = ~ (1 - tf" 2 * LM ~ TTIsYrTof Lors de la réception, l'effet de focalisation, résultera du regroupement temporel des signaux électriques développés à des instants différents sur chaque élément récepteur, par le front d'écho issu de la cible. Les signaux ainsi regroupés seront ensuite sommés. En se référant au système de coordonnées précédemment défini, focaliser dynamiquement â la réception signifie, que le signal d'écho développé, par tout point, S de la même direction (NCS = e), dans tout récepteur i sera regroupé temporellement avec le signal induit dans C. L'écho parviendra en C, lorsque le front ultrasonore aura parcouru C"S"C, à un instant : te = T 0 + (CS)

4 et en i après avoir parcouru C * S * i, ti = T 0 + (CS + Si) :ir = te - ti représente l'avance du signal Si développé par Si en i par rapport à celui induit dans C. Pour assurer le regroupement, il sera nécessaire de ralentir Si de : -,R - L l ïl sin 9 ' Li m v vt '- Li sin o 3 constant, le contrôle de nr en fonction de t assure la focalisation dynamique à la réception en poursuite d'écho. ] devient dès lors possible de réaliser au balayage sectoriel en faisant des tirs successifs au cours desquels on tiendra compte d'un incrément sur 3 dans les calculs de ne et nr. INSTRUMENTTION Nous avons développé un appareil le LETUSCN qui fournit une image échographique type B. Celui-ci est entièrement programmable afin d'évaluer l'incidence des divers paramètres sur la qualité des résultats. (Figures 3 et 4). Le générateur d'émission délivre des impulsions réglables en largeur et en amplitude, décalées dans le temps à 20 émetteurs. Les retards ne sont programmables et déterminent la direction de tir et la distance focale. la réception, l'ensemble des paramètres : gains, apodisation, ouverture, retards sont programmables pour 32 voies. Les retards *ir sont réalisés par des registres à décalage analogiques à transfert de charges (CCD) dont les horloges sont délivrés par des oscillateurs pilotés en tension (VCO). Les valeurs correspondantes de consigne sont stockées en mémoire (256 points) pour une direction de tir. Un étalonnage préalable des VCO permec de s'affranchir, de leurs non linéarités et de leurs dérives. (Figure 4). La structure programmable et plus spécialement l'utilisation des CCD confèrent à cet appareil une grande souplesse : en particulier, le choix de la célérité des ultrasons pour le calcul des retards permet de l'adapter à toutes sortes de matériaux ; il est également possible de conduire ce calcul en tenant compte de matériaux successifprésentant des célérités différentes. Ceci permet d'assurer les conditions de focalisation en présence de dioptres (pièces immergées) de constituer des images en ondes de compression ou de cisaillement. u ;

5 5. En même temps que la focalisation, ce dispositif procure la maitnse de l'angle du faisceau dans le matériau. Il est dès lors possible avec le même traducteur d'explorer, soit sous diverses incidences et balayage mécanique, soit en balayage sec~ toriel. La dispersion temporelle sur les signaux regroupés reste inférieure à 50 ns. ussi, pour les fréquences utilisées (3 MHz), la résolution en profondeur n'est limitée que par la durée du signal ultrasonore. L'évolution en fonction de la distance traducteur-cible du c rapport n = _ illustre en milieu homogène (eau) la validité de la focalisation (Figure 5). - S représente la valeur mesurée de la somme des signaux individuels regroupés après focalisation. - représente la somme calculée des signaux individuels supposés parfaitement regroupés. Courbe Focalisation fixe à l'infini, n tend vers 1 lorsque la distance augmente Courbe B Focalisation fixe à 5 cm n est voisin de 1 lorsque la cible est à 5 cm Courbe C Focalisation dynamique. En zone proche, l'évolution très rapide des retards rend inefficaces les éléments extérieurs. partir de 3 cm, nreste très voisin de 1. RESULTTS EXPERIMENTUX Les essais ont porté sur des blocs étalons comportant des trous cylindriques de diamètre 2 mm et des trous à fond plat, ainsi que sur des blocs soudés comportant des défauts réels. L'ensemble de ces blocs a été fourni par EDF (Service du Contrôle des Fabrications;. L'expérimentation a été conduite d'une part traducteur au contact du bloc, avec une structure de barrette comportant 11 voies d'émission et 16 Voies de réception, d'autre part en immersion avec une structure de barrette comportant 20 voies d'émission et 32 voies de réception. Traducteur au contact Deux fonctionnements ont été expérimentés : - exploration manuelle à angle métal constant et balayage sectoriel (photo 1). Les résolutions mesurées sur un alignement de trous cylindriques, sont très voisins des valeurs théoriques (figure 6).

6 6. La focalisation dynamique apporte une bonne résolution en profondeur, diminue les phénomènes d'ombre. Le balayage sectoriel met bien en évidence les défauts orientés : trous à fond plat (photo 2). Le bruit d'amortisseur en zone proche relativement important peut être éliminé par des méthodes de soustraction car il demeure cohérent. Essais en immersion Dans ce cas, la barrette comporte 20 émetteurs et 32 récepteurs. Les éléments de la partie centrale (20 éléments jointifs) sont émetteurs récepteurs ; les douze autres éléments récepteurs sont répartis le long de la barrette de manière à former un traducteur récepteur de 33 mm de largeur. - L'ensemble des mesures a été réalisé à angle métal constant et balayage mécanique. Les mesures portent essentiellement sur la qualification du faisceau ultrasonore : en particulier résolution transversale aux divers angles, en ondes longitudinales et transversales. Les résultats montrent que la résolution en ondes de cisaillement (Fig. 7) est sensiblement meilleure que celle obtenue en ondes de compression (Fig. 8) aux mêmes angles. Ceci est vraisemblablement dû à la différence de célérité entre ces deux types d'onde associée à la précision du contrôle des retards à la longueur d'onde. Quand aux résolutions longitudinales, elles ne dépendent pas de la profondeur. Elles se situent à 3 mm en ondes transversales et à 5 mm en ondes longitudinales. L'écho de surface demeure important. Son étendue risque de masquer les défauts peu profonds. En particulier en ondes de compression, un trou de 2 mm â 10 mm de profondeur, n'est bien séparé de l'écho de surface que pour des angles supérieurs à 30. Par contre en ondes de cisaillement, ce trou est toujours bien visible. (Photo 3 : trou à 10 mm, 60 â m/s. Le pouvoir séparateur découle des bonnes résolutions transversale et longitudinale. Deux trous de 2 mm dont l'entraxe est de 5 mm (profondeur 40 mm) sont toujours bien séparés (Photo 4). L'image dans ce cas renseigne beaucoup plus que 1a coupe associée (Figure 9).

7 Les essais sur défauts réels dans une soudure ont montré une très bonne capacité de détection, malgré une forte sensibilité à la direction d'observation. (Les photos 5 et 6 montrent deux vues (angle métal 45. ondes transversales) d'un collage à 30 mm de profondeur dans direction d'observation différant entre elles de 5. CONCLUSIONS L'ensemble des mesures qui ont pu être effectuées sur la barrette montrent qu'il est possible d'obtenir avec le même traducteur des performances équivalentes à celles que Ton obtient généralement avec des traducteurs spécialisés. La maîtrise de l'angle du faisceau dans le métal, demeure extrêmement souple et précise. On pourrait tenter d'augmenter l'ouverture de ces traducteurs pour en améliorer la résolution. Ceci est effectivement possible pour des explorations à profondeur importante. Par contre, l'augmentation de l'ouverture conduit à donner plus d'importance à l'écho de surface, et la résolution a tendance à diminuer en zone proche, où en ondes de cisaillement on constate des dispersions temporelles sans doute liés à l'anisotropie. BIBLIOGRPHIE (1) F. DUCK, S.H0HNS0N, J. GREENLEF and W. SMY0 Digital image focusing in the near field cf a sampled acoustic aperture Ultrasound - March 1977 p (2) W. GEBHRT, F. B0NITZ, H. W0LL and V. SCHMITZ Fraunhofer-Institut fur zertbrungsfreie Priifverfahren, Sarrbrlicken, Germany. Determination of crack characteristics, size and orientation of defects by phased array technique in NOT. (3) M. MRTIN, J.F. PIQURD C.E.N.G. LETI/:,CTE 85 X GRENOBLE CEDEX Dynamic focusing and ultrasonic imaging ICSSP 82 Vol. 3 p (4) D. PETERSON, S.D. BENNETT and G.S. KINO Real-time NDE of flaws using a digital acoustic imaging system Materials Evaluation - November Vol. 40 n 12.

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