2.4 Caractéristiques du faisceau

La sonde monoélément à ultrasons conventionnels à ondes longitudinales agit comme un piston qui pousse des vibrations mécaniques à haute fréquence, ou des ondes sonores. Lorsqu’une tension est appliquée, l’élément piézoélectrique (appelé « cristal ») de la sonde se comprime perpendiculairement à sa face. Lorsque la tension est interrompue, généralement moins d’une microseconde plus tard, l’élément se détend, générant une impulsion d’énergie mécanique qui compose une onde ultrasonore. Le graphique ci-dessous montre un exemple conceptualisé de la réponse de l’élément piézoélectrique à une brève impulsion électrique.

Les sondes les plus couramment utilisées pour le contrôle non destructif par ultrasons ont les propriétés fonctionnelles fondamentales suivantes :

Type -- Les différents types de sondes sont classés selon leur fonction, comme les sondes de contact, les sondes à ligne à retard, les sondes d’angle ou les sondes d’immersion. Le type de sonde qui sera choisi pour l’inspection dépend des différentes caractéristiques du matériau inspecté, notamment la rugosité de surface, la température, l’accessibilité aux défauts et leur position dans le matériau et la vitesse d’inspection.

Diamètre -- Le diamètre de l’élément actif de la sonde, normalement logé dans un boîtier un peu plus grand.

Fréquence -- Nombre de cycles d’onde complétés en une seconde, normalement exprimés en kilohertz (kHz) ou en mégahertz (MHz). La plupart des inspections par ultrasons industrielles 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.

Bande passante -- Spectre de fréquences entre les limites d’amplitude définies pour la réponse d’un appareil. Dans ce contexte, il convient de noter que les sondes de CND typiques ne produisent pas d’ondes sonores à une fréquence unique pure, mais plutôt dans une gamme de fréquences situées au centre des fréquences nominales définies. La norme de l’industrie définit cette bande passante à -6 dB (ou demi-amplitude).

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 a plus de cycles qu’une sonde à bande passante large. Le diamètre de l’élément, le matériau de renfort, le réglage électrique et la méthode d’excitation de la sonde sont tous des facteurs qui influencent la durée de la forme d’onde.

Sensibilité -- Relation entre l’amplitude de l’impulsion d’excitation et celle de l’écho reçu d’une cible donnée.

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 et dont le diamètre commence par augmenter avant de finir par se dissiper.

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.

Le champ acoustique d’une sonde est divisé en deux zones : le champ proche et le champ lointain. Le champ proche est la zone près de la sonde où la pression acoustique passe par une série de maximums et de minimums. Il se termine au dernier maximum sur l’axe à une distance N de la face de la sonde. La distance N du champ proche représente le centre naturel de la sonde.

En raison des variations de pression acoustique dans le champ proche, il peut être difficile d’évaluer avec précision la taille des discontinuités en utilisant des techniques basées sur l’amplitude (bien que la mesure d’épaisseur dans le champ proche ne soit pas un problème). En outre, la valeur N représente la distance la plus grande à laquelle le faisceau de la sonde peut être focalisé au moyen d’une lentille acoustique ou des techniques de déphasage. Il est possible de focaliser les sondes d’immersion avec des 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.

Dynamique du front d’onde