Caractéristiques du faisceau ultrasonore
Les sondes les plus couramment utilisées pour le contrôle par ultrasons présentent ces propriétés fonctionnelles fondamentales qui, à leur tour, influencent les propriétés du faisceau sonore qu’elles génèrent dans un matériau donné :
Type – Les différentes sondes seront classées selon leur conception et leur fonction comme étant de type de contact, à ligne à retard, à faisceau angulaire ou d’immersion. Les caractéristiques physiques du matériau à inspecter, comme la rugosité de la surface, la température et l’accessibilité, ainsi que ses propriétés de transmission du son et la gamme d’épaisseur à mesurer, influenceront le choix du type de sonde.
Diamètre – Le diamètre de l’élément actif de la sonde, normalement logé dans un boîtier un peu plus grand. Les sondes de petit diamètre sont souvent plus facilement couplées au matériau inspecté, tandis que les sondes de grands diamètres peuvent se coupler plus efficacement aux surfaces rugueuses en raison d’un effet de moyennage. Des diamètres plus grands sont également nécessaires pour des raisons de conception lorsque la fréquence de la sonde diminue.
Fréquence – Nombre de cycles d’onde complétés en une seconde, normalement exprimé en kilohertz (kHz) ou en mégahertz (MHz). La plupart des applications industrielles de mesure d’épaisseur par ultrasons sont effectuées à une gamme de fréquences variant de 500 kHz à 20 MHz. Par conséquent, la fréquence de la plupart des sondes se situe donc dans cette gamme, mais il existe aussi sur le marché des sondes de moins de 5 kHz et de plus de 200 MHz. La pénétration augmente sous les basses fréquences, tandis que la résolution et la netteté de focalisation augmentent sous les fréquences élevées.
Largeur de bande – Les sondes typiques pour la mesure d’épaisseur ne produisent pas d’ondes acoustiques à une fréquence unique pure, mais plutôt dans une gamme de fréquences situées au centre des fréquences nominales définies. La bande passante constitue le spectre de fréquences entre les limites d’amplitude définies pour la réponse d’un appareil. Une large bande passante est généralement souhaitable pour les applications de mesure d’épaisseur utilisant des sondes de contact, à ligne à retard et d’immersion.
Durée de la forme d’onde – Nombre de cycles d’onde générés par la sonde chaque fois qu’elle est excitée. Une sonde à bande passante étroite génère plus de cycles qu’une sonde à bande passante large. Le diamètre de l’élément, le matériau, le réglage électrique et la méthode d’excitation de la sonde influencent tous la durée de la forme d’onde. Une durée d’onde courte (réponse de la large bande) est souhaitable dans la plupart des applications de mesure d’épaisseur.
Sensibilité – Relation entre l’amplitude de l’impulsion d’excitation et celle de l’écho reçu d’une cible donnée. Il s’agit d’une fonction de l’extrant énergétique de la sonde.
Profil du faisceau – Le faisceau d’une sonde à disque non focalisée peut être vu comme une colonne d’énergie provenant de la zone de l’élément actif qui se déplace comme une colonne droite pendant un certain temps, puis s’élargit en diamètre et finit par se dissiper, comme le faisceau d’un projecteur.
En réalité, le profil réel du faisceau est complexe parce qu’il présente des gradients de pression tant en direction transversale qu’axiale. Dans l’illustration ci-dessous, la couleur rouge représente les zones de haute énergie, tandis que le vert et le bleu représentent les zones de basse énergie.
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La forme exacte du faisceau dans un cas donné est déterminée par la fréquence et le diamètre de la sonde et la vitesse de propagation des ondes sonores dans le matériau. La zone d’énergie maximale située à une courte distance au-delà de la face de la sonde marque la transition entre les composants du faisceau appelés champ proche et champ lointain, chacun étant caractérisé par des types spécifiques de gradients de pression. La longueur du champ proche est un facteur important pour la détection des défauts par ultrasons, car elle affecte l’amplitude des échos de petits défauts comme des fissures, mais ce n’est généralement pas un facteur significatif pour les applications de mesure d’épaisseur.
Focalisation – Il est possible de focaliser les sondes d’immersion au moyen de lentilles acoustiques pour créer un faisceau de la forme d’un sablier qui rétrécit d’abord en une petite zone focale pour ensuite s’élargir. Certains types de sondes à lignes à retard peuvent aussi être focalisés. La focalisation du faisceau est très utile pour l’inspection de tubes de faible diamètre ayant de petits rayons, puisqu’elle concentre l’énergie sonore dans une petite zone et améliore la réponse des échos.
Atténuation – Lorsqu’il se déplace dans un milieu, le front d’onde organisé généré par une sonde à ultrasons commence à se détériorer en raison d’une transmission imparfaite de l’énergie dans la microstructure des matériaux. Les vibrations mécaniques organisées (ondes sonores) se transforment en vibrations mécaniques aléatoires (chaleur) jusqu’à ce que le front d’onde ne soit plus détectable. Ce phénomène est connu sous le nom d’atténuation acoustique. L’atténuation varie avec le matériau et augmente proportionnellement à la fréquence. En règle générale, les matériaux durs comme les métaux sont moins atténuants que les matériaux plus souples comme les plastiques. L’atténuation limite finalement l’épaisseur maximale du matériau qui peut être mesurée au moyen d’une configuration donnée de mesureur d’épaisseur et de sonde, car elle détermine le point auquel un écho sera trop petit pour être détecté.
