Qu’est-ce qu’un réseau multiélément ?
Une sonde multiélément est une sonde d’inspection par ultrasons qui contient une série d’éléments pouvant être excités de façon coordonnée pour diriger les ondes sonores dans une direction précise. Il est ainsi possible d’inspecter plusieurs zones à la fois.
Qu’est-ce qu’un « réseau » dans le domaine des dispositifs électroniques ?
Un réseau est un assemblage organisé d’une grande quantité d’objets de même nature. En contrôle non destructif (CND), la forme la plus simple de réseau ultrasonore est une série de sondes monoéléments disposées de manière à augmenter la couverture et/ou la vitesse de l’inspection.
Utilisations des sondes à réseau multiélément (ou « sondes multiéléments »)
Les sondes multiéléments sont utilisées dans le cadre de divers types d’inspections dans le domaine du CND. En voici des exemples :
- Lors de l’inspection de tubes, plusieurs sondes sont souvent utilisées pour détecter des fissures et des défauts laminaires, ainsi que pour mesurer des épaisseurs globales.
- Les pièces métalliques forgées exigent souvent l’utilisation de plusieurs sondes focalisées à différentes profondeurs pour permettre la détection de petits défauts par zone.
- Un agencement linéaire de sondes sur une surface améliore la possibilité de détection des défauts laminaires dans les matériaux composites, ou de la corrosion dans les métaux.
Ces inspections exigent l’utilisation d’appareils à ultrasons multicanaux fonctionnant à grande vitesse et équipés des émetteurs, des récepteurs et des réglages de portes appropriés pour traiter chaque canal. De plus, chaque sonde doit être minutieusement installée de manière à couvrir correctement les zones d’inspection.
Dans sa forme la plus simple, une sonde multiélément est une série d’éléments individuels réunis dans un seul assemblage. Bien que les éléments soient beaucoup plus petits que ceux des sondes à ultrasons conventionnels, ils peuvent être excités en groupe de façon à générer des fronts d’onde dans des directions contrôlées. Cette formation électronique de faisceaux permet la programmation et l’analyse très rapides de plusieurs zones d’inspection à partir d’une seule position de la sonde. Cette question est examinée plus en détail plus loin dans ce tutoriel.
Caractéristiques des sondes multiéléments
Les sondes multiéléments sont classées en fonction des paramètres de base suivants :
Type : La plupart des sondes multiéléments sont à faisceau angulaire et sont conçues pour être utilisées avec un sabot en plastique, une semelle droite en plastique (sabot droit) ou une ligne à retard. Des sondes de contact direct et d’immersion sont également offertes.
Fréquence : La plupart du temps, la recherche de défauts par ultrasons se fait à des fréquences allant de 2 MHz à 10 MHz, et la plupart des sondes multiéléments se situent dans cette fourchette. Des sondes ayant des fréquences supérieures et inférieures à cette fourchette sont également offertes. Comme avec les sondes à ultrasons conventionnels, la pénétration augmente avec les basses fréquences, tandis que la résolution et la netteté de focalisation augmentent avec les hautes fréquences.
Nombre d’éléments : Les sondes à ultrasons multiéléments ont généralement de 16 à 128 éléments, mais certaines peuvent compter jusqu’à 256 éléments. Un grand nombre d’éléments améliore les capacités de focalisation et de déflexion, et peut également agrandir la zone de couverture. Cependant, plus il y a d’éléments, plus le prix des sondes et des appareils augmente. Chaque élément est individuellement excité, ce qui permet de créer le front d’onde souhaité. C’est pourquoi la largeur totale de ces éléments a un rôle important dans ce qu’on appelle la « direction active » ou « direction de déflexion ».
Taille des éléments : Plus la largeur des éléments diminue, plus les capacités de déflexion du faisceau s’améliorent. Toutefois, pour une zone de couverture plus large, il faut utiliser une sonde comptant un plus grand nombre d’éléments, ce qui vient augmenter le prix.
Les paramètres dimensionnels d’une sonde multiélément sont habituellement définis comme suit :
Les paramètres dimensionnels d’une sonde multiélément sont habituellement définis comme suit :
- N = nombre total d’éléments dans le réseau
- A = ouverture totale pour la direction de déflexion ou la direction active
- H = hauteur ou élévation de l’élément ; cette dimension étant fixe, elle est souvent désignée comme le plan passif
- p = pas, ou distance de centre à centre entre deux éléments successifs
- e = largeur d’un élément individuel
- g = espace entre les éléments actifs
Cette information est utilisée par le logiciel de l’appareil pour générer la forme de faisceau désirée. Si elle n’est pas saisie automatiquement par un logiciel de reconnaissance de la sonde, elle doit être entrée par l’utilisateur lors de la configuration.
À l’intérieur d’une sonde à ultrasons multiéléments
Les sondes multiéléments sont offertes dans une grande variété de tailles, de formes, de fréquences et de nombre d’éléments, mais elles comportent toutes un élément piézoélectrique divisé en un certain nombre de segments.
Les sondes multiéléments modernes pour les applications de CND industrielles sont généralement fabriquées à partir de matériaux piézocomposites, lesquels sont constitués de nombreuses petites et fines tiges de céramique piézoélectrique intégrées dans une matrice polymère. Bien que ces sondes soient plus difficiles à fabriquer, leur sensibilité est généralement supérieure de 10 dB à 30 dB par rapport aux sondes de céramique piézoélectrique de conception par ailleurs semblable. Un placage métallique segmenté permet de diviser la bande composite en un certain nombre d’éléments électriquement séparés, qui peuvent être excités individuellement. Ces éléments sont ensuite intégrés dans un assemblage de sonde qui comprend une couche de protection appropriée, un support, des raccords de câbles et un boîtier.
Types de configurations de sonde multiélément
L’animation ci-dessus montre un réseau linéaire avec une surface de contact rectangulaire. Il s’agit d’une configuration très fréquente pour une sonde multiélément. Les réseaux peuvent être disposés en matrice pour offrir un meilleur contrôle du faisceau dans la coupe transversale de la surface, ou en cercle pour offrir un tracé de focalisation plus sphérique.
Les sondes à ultrasons multiéléments peuvent être organisées selon plusieurs configurations différentes, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients. Voici les configurations courantes de sondes multiéléments :
Sonde multiélément linéaire
Les éléments des sondes multiéléments linéaires sont disposés en ligne droite. Il s’agit de la configuration la plus fréquente dans le domaine de l’inspection par ultrasons multiéléments. Les sondes multiéléments linéaires sont faciles à fabriquer, mais elles doivent être larges pour assurer une focalisation profonde.
Sonde multiélément annulaire
Les sondes multiéléments annulaires ordinaires et segmentées comprennent des éléments disposés en différents cercles ayant le même centre. Ces sondes peuvent créer des faisceaux elliptiques et sphériques ayant des capacités de déflexion à différentes profondeurs. Toutefois, leur conception complexe rend leur fabrication difficile.
Sonde multiélément convexe
Les sondes multiéléments convexes, aussi appelées « sondes multiéléments courbées/curvilignes », comportent des éléments disposés en ligne arquée. Ces sondes sont adaptées aux inspections en profondeur, mais la résolution d’image peut diminuer à mesure que la profondeur augmente.
Sonde multiélément carrée
Les éléments des sondes multiéléments carrées sont disposés en carré. Bien que cette forme offre d’excellentes capacités de déflexion, le design complexe des sondes multiéléments carrées rend difficile leur fabrication.
Sonde multiélément circulaire
Les sondes multiéléments circulaires comportent des éléments disposés en anneau, mais qui n’ont pas de centre commun. Elles présentent une excellente capacité de déflexion à différentes profondeurs, plus particulièrement avec des cibles courbées. Toutefois, le design complexe des sondes multiéléments circulaires rend difficile leur fabrication.