Foire aux questions sur la méthode TFM

Q. : Qu’est-ce que la méthode TFM, et en quoi est-elle liée à la méthode FMC ?

R. : La méthode TFM (total focusing method) est fondée sur la même approche de déflexion et de focalisation des faisceaux que la méthode par ultrasons multiéléments conventionnelle, sauf que dans le cas de la TFM, la focalisation s’applique partout dans la région d’intérêt (la « zone TFM »), et non pas à une profondeur fixe. Bien que le procédé TFM pourrait être réalisé par la transmission physique de faisceaux acoustiques focalisés à toutes les positions sur la région d’intérêt, le temps requis pour achever un tel cycle d’acquisition serait extrêmement long.

Mais puisque les ondes acoustiques utilisées dans les applications de contrôle non destructif sont linéaires, leur superposition physique, qui produit un faisceau particulier en transmission et en réception (formation de faisceaux), peut se faire au moyen d’une sommation post-acquisition. Pour effectuer une formation synthétique TFM de faisceaux qui correspond à une formation physique de faisceaux, il est nécessaire d’acquérir tous les A-scans élémentaires à partir des ouvertures de transmission et de réception d’une sonde. Cet ensemble de données complet de A-scans élémentaires est nécessaire pour calculer tous les faisceaux focalisés. L’acquisition FMC (full matrix capture) est utilisée pour recueillir cet ensemble de données.

Q. : Comment la méthode TFM fonctionne-t-elle ?

R. : D’abord, l’utilisateur entre les paramètres qui délimitent la « zone TFM », qui est en fait la zone d’inspection ciblée ou la région d’intérêt. La zone TFM est divisée au moyen d’une grille, et la taille de chaque position (ou pixel) dans cette grille est déterminée par l’utilisateur (résolution de la grille). Pour donner un sens aux données FMC, l’algorithme TFM entre des variables clés, comme le mode de propagation acoustique et la résolution, et divise ainsi les données en différents modes d’acquisition. Le mode d’acquisition TT-T, par exemple, est celui où l’onde transversale transmise se réfléchit sur la surface intérieure avant d’atteindre chaque pixel de la région d’intérêt, puis se déplace sous forme d’onde transversale dans une trajectoire directe depuis chaque pixel jusqu’à l’élément récepteur.

Réglage des paramètres de la zone TFM

Q. : Qu’est-ce que la méthode FMC, et comment fonctionne-t-elle ?

R. : L’acquisition acoustique FMC (full matrix capture) produit un ensemble de données FMC, qui est le regroupement de l’ensemble des combinaisons de A-scans de réception élémentaires résultant de la transmission acoustique produite par chaque élément d’une sonde multiélément ou d’un assemblage de sondes. L’information est recueillie de la façon suivante : chacun des éléments de la sonde est activé successivement, et l’élément activé de même que tous les autres éléments reçoivent les faisceaux acoustiques de retour.

Visionnez la vidéo pour voir le fonctionnement des méthodes FMC et TFM.

Q. : Pourquoi utiliser la méthode TFM pour traiter les ensembles de données FMC ?
OU (à l’inverse)
Q. : Pourquoi utiliser la stratégie FMC pour produire des images TFM ?

Toute méthode de formation de faisceaux peut être appliquée aux ensembles de données FMC. Vous pourriez utiliser les données FMC brutes (A-scans élémentaires) pour imiter synthétiquement une acquisition multiélément classique. Toutefois, la stratégie multiélément classique de formation de faisceaux focalise le faisceau uniquement à une profondeur précise dans la pièce, alors que la méthode TFM permet la représentation de l’amplitude acoustique sur une région d’intérêt entière (la « zone TFM »), et chaque position de pixel dans cette région est focalisée. La possibilité d’obtenir une région d’intérêt entièrement focalisée constitue le principal facteur qui motive les inspecteurs à utiliser la TFM pour traiter les données FMC.

Et à l’inverse, pour obtenir des images TFM à une vitesse assez grande pour les applications de contrôle non destructif, il est nécessaire d’utiliser la méthode d’acquisition FMC. L’ensemble complet de A-scans élémentaires pour l’ouverture est requis pour former une image TFM. Un même ensemble de données FMC peut servir à la création de plusieurs images TFM présentant différents modes d’acquisition.

Q. : Puis-je accéder aux ensembles de données FMC bruts non traités dans les appareils de recherche de défauts de la série OmniScan X3 ?

R. : Au moment de la publication de la présente foire aux questions, la réponse est non. Restez toutefois à l’affût, car nous concevons continuellement de nouvelles solutions pour la série OmniScan X3 !

Q. : Quel mode de propagation acoustique devrais-je utiliser pour générer l’image d’un réflecteur vertical ?

R. : Certains modes d’acquisition tendent à donner de meilleurs résultats pour les réflecteurs verticaux. Nous vous recommandons de commencer avec le mode tandem à une seule sonde en utilisant le mode d’acquisition TTT-TT ou TT-T. Le hic, c’est qu’un mode d’acquisition ne fournit habituellement qu’une vue partielle d’un réflecteur vertical. Des modes d’acquisition supplémentaires, comme le mode TL-T, peuvent aider à voir ce qui n’est pas visible sur les images créées avec le premier mode sélectionné. Les modes d’acquisition par réflexion, comme T-T et TT-TT, peuvent être utilisés pour détecter les échos de coin et la diffraction sur les pointes des fissures.

L’une des façons de garantir une détection et une image adéquates consiste à utiliser l’outil AIM (Acoustic Influence Map) de l’OmniScan™ X3 et à réaliser des essais expérimentaux, le tout pour caractériser entièrement chaque mode de propagation et bien cerner les avantages et les inconvénients de chacun. Gardez à l’esprit que l’utilisation de modes tandem à une seule sonde peut être complexe, car l’épaisseur du matériau inspecté et la vitesse de propagation dans celui-ci doivent être déterminées avec une grande précision si on veut obtenir de bons résultats.

Apprenez-en plus sur la cartographie de l’influence acoustique dans cet article technique : « Cartographie de l’influence acoustique en mode TFM ».

Q. : Peut-on utiliser le scanner HydroFORM™ avec la méthode TFM ?

R. : Malheureusement non, sauf dans le cadre d’applications très précises où la colonne d’eau reste constante. Donc à l’exception de ces applications, il n’est pas possible d’utiliser le scanner HydroFORM avec la méthode TFM. Puisque la vitesse de propagation des ondes dans l’eau et dans le matériau inspecté est différente, une variation même très faible dans la hauteur de la colonne d’eau causera une déviation relativement importante du parcours ultrasonore dans le matériau. Par exemple, une variation de 0,5 mm dans la hauteur de la colonne d’eau engendre une déviation de 2 mm du parcours ultrasonore dans l’acier non allié, ce qui nuit aux capacités de focalisation de la méthode TFM. Restez toutefois à l’affût, car nous concevons continuellement de nouvelles solutions.

Q. : Quels sont les avantages de la fonction d’enveloppe TFM qu’offre la série OmniScan X3 ?

R. : L’avantage le plus évident de l’enveloppe TFM est l’élimination des oscillations d’amplitude résultant de l’utilisation de A-scans d’ondes acoustiques à oscillation naturelle comme ensemble de données de base. Une fois les oscillations éliminées, l’amplitude devient plus continue, ce qui facilite la prise de mesures.

De plus, l’image créée avec l’enveloppe TFM se forme à un taux d’acquisition supérieur par rapport à l’image TFM normale avec oscillations, et ce, tout en maintenant la même valeur de fidélité en amplitude. Les exemples ci-dessous montrent des images de défauts résultant de l’attaque par l’hydrogène à haute température (HTHA) quand l’enveloppe est désactivée (en haut) et activée (en bas). Lorsque la fonction d’enveloppe TFM est activée, la résolution de la grille peut être plus grossière, mais la fidélité en amplitude demeure en deçà de 2 dB (le niveau de tolérance standard), et le taux d’acquisition augmente. En comparant ces deux images, on peut voir que les échos des défauts sont plus facilement décelables lorsque l’enveloppe est activée. Puisqu’elle est moins influencée par les oscillations, l’image créée avec l’enveloppe TFM peut faciliter l’interprétation de défauts et la mesure fondée sur l’amplitude.

Apprenez-en plus sur l’enveloppe TFM en lisant l’article technique suivant : Utilisation de la méthode d’inspection TFM et de la fonction de traitement d’enveloppe FMC.

Image TFM standard de défauts HTHA – Résolution de la grille : 0,07 mm, fidélité en amplitude : 1,7 dB, taux d’acquisition : 10,6 Hz

Image de défauts HTHA créée avec l’enveloppe TFM – Résolution de la grille : 0,15 mm, fidélité en amplitude : 1,9 dB, taux d’acquisition : 19,5 Hz

Q. : Pourquoi la méthode TFM permet-elle l’utilisation d’ouvertures actives contenant le double du nombre d’éléments par rapport au mode d’acquisition PA, et ce, même si on utilise le même modèle d’appareil et la même sonde ?

R. : L’utilisation d’un aussi grand nombre d’éléments est possible parce que l’imagerie TFM est produite à l’aide de données FMC. La collecte de données FMC dans un appareil de recherche de défauts OmniScan X3 peut être divisée en deux parties si nécessaire, par exemple lorsqu’on utilise une sonde multiélément contenant 128 éléments avec un appareil de recherche de défauts à 64 canaux comme un appareil OmniScan X3 64.

Voici le fonctionnement : tout d’abord, l’appareil excite un seul élément et reçoit les ultrasons de retour sur la première moitié des éléments. Ensuite, il excite à nouveau cet élément, recevant cette fois les ultrasons sur la seconde moitié des éléments. Cette double séquence de tirs se répète pour chaque élément de la sonde, ce qui permet de rassembler très rapidement les données de tous les éléments.

Pour comparer la méthode TFM à la méthode PA, réutilisons l’exemple d’un appareil de recherche de défauts OmniScan X3 64 avec une sonde à 128 éléments. En utilisant le mode d’acquisition PA, vous ne pouvez émettre/recevoir qu’avec 64 éléments de la sonde à la fois. Le traitement du signal PA est limité par le nombre de canaux de l’appareil de recherche de défauts, qui est de 64 dans ce cas-ci. Étant donné que le traitement TFM est basé sur les données FMC, lesquelles peuvent être acquises à l’aide des 128 éléments de la sonde, l’ouverture active est doublée par rapport à la méthode PA.

Q. : Dans le plan d’inspection, pourquoi est-ce que je peux voir la cartographie en couleurs de mon faisceau en mode TFM, mais pas en mode ultrasons multiéléments (PAUT) ?

R. : Au moment de la publication de la présente foire aux questions, l’outil AIM (Acoustic Influence Map) est offert seulement en mode TFM. Restez toutefois à l’affût, car nous concevons continuellement de nouvelles solutions.

Q. : Quel est l’intérêt de réduire la résolution de la grille ?

R. : Bien qu’un nombre très élevé de pixels (résolution de grille élevée) améliore l’image TFM, le lourd traitement qui y est associé entraîne une baisse du taux d’acquisition. Ainsi, les utilisateurs doivent cibler un « juste équilibre », qui leur permettra d’obtenir de bonnes capacités de détection et de caractérisation sans réduire la productivité. Les appareils de la série OmniScan X3 donnent des lectures utiles qui peuvent aider l’utilisateur à choisir la résolution de grille adéquate en fonction de la longueur d’onde de la fréquence centrale de la sonde dans l’échantillon, tant pour les ondes transversales (ondes T) que longitudinales (ondes L). Ils fournissent aussi une valeur théorique de fidélité en amplitude, laquelle est définie selon le mode acoustique sélectionné et la résolution de la grille. Cette information est très utile, car certains nouveaux codes et normes relatifs aux méthodes FMC/TFM imposent aux inspecteurs de définir la résolution de la grille de manière à obtenir un niveau de fidélité en amplitude de 2 dB ou moins. Elle leur évite ainsi de se lancer dans le processus fastidieux de calcul expérimental de la valeur de fidélité en amplitude.

Q. : En quoi les modes de propagation par réflexion, en tandem à une seule sonde et à émission-réception séparées sont-ils différents ?

R. : Un mode par réflexion, c’est tout mode de propagation dans lequel le faisceau transmis et le faisceau reçu suivent exactement la même trajectoire dans la pièce inspectée. Les modes par réflexion peuvent utiliser une trajectoire directe (aucun bond) ou de multiples bonds. Ils sont définis par le mode de l’onde acoustique – longitudinal (L) ou transversal (T) – de chaque demi-bond sur la trajectoire de propagation : L-L, T-T, LL-LL, TT-TT, etc.

En mode tandem à une seule sonde, les trajectoires de propagation en transmission et en réception ne correspondent pas parfaitement, mais les éléments émetteurs et récepteurs se trouvent sur la même sonde multiélément. Dans la forme la plus simple de ce mode, un segment de la trajectoire de propagation, soit le segment de transmission ou de réception, bondit au fond de la pièce inspectée, et l’autre segment de la trajectoire, respectivement le segment de réception ou de transmission, est direct. La zone de détection se trouve au croisement des deux segments. Tout comme les modes par réflexion, les modes tandem à une seule sonde (ou modes d’acquisition) sont définis par le mode de l’onde acoustique de chaque demi-bond sur la trajectoire de propagation : TT-T, TL-T, etc. Les modes de propagation en tandem à une seule sonde incluent aussi des modes d’acquisition comportant de multiples bonds, comme TTT-TT.

Trajectoires de propagation courantes en mode par réflexion (trois premières images à partir de la gauche) et 
trajectoire de propagation en mode tandem à une seule sonde (image de droite)

Le mode à émission‑réception séparées se définit de la même façon que le mode tandem à une seule sonde, la seule différence étant que les éléments émetteurs et récepteurs se trouvent sur deux sondes multiéléments différentes.

Les modes de propagation en réflexion et en tandem à une seule sonde ne sont pas des modes propres à la TFM. En effet, ils peuvent être obtenus tant avec la méthode multiélément classique qu’avec la méthode TFM.

De plus, en mode TFM par réflexion, les variations d’épaisseurs dans la pièce n’influencent que la position des signaux d’échos de fond et les indications liées aux parois internes. Contrairement aux modes TFM par réflexion, les modes TFM en tandem à une seule sonde sont très sensibles aux légères variations dans l’épaisseur de la pièce en raison du léger chevauchement entre les points focaux de transmission et de réception. Ainsi, en mode TFM en tandem à une seule sonde, des variations d’épaisseur aussi minimes que 5 % peuvent générer des indications floues, raison pour laquelle il est essentiel de mesurer précisément l’épaisseur réelle de la pièce.

Q. : Puis-je utiliser un sabot lorsque je me sers du mode TFM ?

R. : Tout à fait ! Comme pour la méthode PAUT, il est possible, en mode TFM, d’utiliser une sonde avec ou sans sabot.

Q. : D’où provient le A-scan généré en mode TFM ?

R. : Le A-scan apparaissant à côté de la « vue d’extrémité » TFM provient de l’image TFM reconstruite et non de l’ensemble de données des A-scans élémentaires créés par la FMC. Le A-scan TFM représente une matrice constituée d’amplitudes de pixels ayant été sélectionnées, puis affichées. C’est pourquoi, en mode TFM, on parle de A-scans « synthétiques » plutôt que de A-scans « additionnés », comme ceux que génère la méthode PAUT.

Q. : La méthode TFM est-elle meilleure que la méthode à ultrasons multiéléments (PAUT) ?

R. : En fait, tout est une question d’applications et de préférences. C’est un peu comme si on devait comparer des pommes et des oranges. Quiconque a une préférence pour les unes ou les autres fera valoir que les pommes font de meilleures tartes ou que les oranges font du meilleur jus. Voici les principales différences entre les méthodes PAUT et TFM :

• Focalisation : La méthode PAUT classique produit des faisceaux qui sont focalisés à une profondeur précise, alors que la méthode TFM permet de focaliser les faisceaux partout. Toutefois, la TFM est fondée sur les mêmes principes acoustiques que ceux qui permettent l’utilisation de la méthode PAUT. En effet, les mêmes lois physiques s’appliquent aux deux méthodes et influencent la formation de faisceaux de la même façon. Par conséquent, un fait qu’on oublie souvent, en particulier pour la TFM, est que ces méthodes ne fonctionnent que dans la zone du champ proche. Dans la zone pouvant être focalisée en mode PAUT, la performance des méthodes TFM et PAUT devrait être assez semblable. Notez que la méthode PAUT offre une souplesse supplémentaire, car elle peut être utilisée sans focalisation (à des fins de détection) ou avec focalisation (à des fins de mesure précise).
• Capacité de détection : Les résultats de détection obtenus avec les méthodes TFM ou PAUT peuvent être équivalents ou supérieurs l’un à l’autre, selon l’application. La capacité de la méthode TFM à faire une focalisation complète sur la zone peut aider à détecter les très petits défauts, comme les inclusions et la porosité, sans qu’il soit nécessaire d’ajuster la focalisation en fonction de la position du défaut détecté. Les différents modes TFM et modes d’acquisition produisent des profils de sensibilité très différents. Enfin, la méthode TFM est aussi très sensible à l’orientation des défauts, puisqu’après tout, il s’agit d’une technique d’inspection par ultrasons. L’inspecteur qui souhaite utiliser la méthode TFM doit bien comprendre l’influence de chacune des variables exposées ci-dessus, à défaut de quoi il obtiendra de piètres résultats de détection. Le meilleur moyen de garantir une bonne détection consiste à générer une cartographie simulée de la sensibilité (à l’aide de l’outil AIM dont est doté l’OmniScan X3) et à en étayer les résultats au moyen d’essais expérimentaux. Quant à la méthode PAUT, elle est utilisée depuis des dizaines d’années et ses capacités de détection sont bien documentées. Reconnue pour offrir d’excellentes capacités de détection et de mesure de divers types de fissures et de manques de fusion, la méthode PAUT est toutefois considérée comme moins efficace pour la détection et la mesure des petits défauts comme la porosité isolée. En général, elle est effectivement moins efficace dans ces cas, mais uniquement parce que la plupart des inspections PAUT sont initialement effectuées sans focalisation (à des fins de détection). Si vous utilisez la méthode PAUT en mode focalisé avec une sonde et un sabot adéquats et de bonne qualité, vous obtiendrez des résultats équivalents à ceux de la méthode TFM. Cependant, cela ne s’applique qu’à la zone où le faisceau est focalisé.
• Vitesse d’inspection : Puisque l’acquisition au moyen de la méthode PAUT s’effectue à partir d’un nombre limité de groupes de faisceaux (lois focales), elle est généralement plus rapide que l’acquisition FMC qui, elle, s’effectue à partir d’impulsions successives appliquées à chaque élément. De plus, la méthode TFM exige un traitement intensif en temps réel qui ralentit encore davantage le taux d’acquisition, ce qui n’est pas le cas avec la méthode PAUT. Généralement, la méthode PAUT peut fournir des acquisitions beaucoup plus rapides que la méthode TFM, mais en focalisant seulement à une profondeur donnée. Notez que l’utilisation de l’enveloppe TFM peut améliorer la vitesse d’acquisition par rapport à la fonction TFM standard, tout en maintenant la valeur de la fidélité en amplitude à un niveau acceptable.
• Plan d’inspection et outil de simulation : L’OmniScan X3 est doté d’un outil utile appelé AIM, ou « Acoustic Influence Map », lequel fournit une cartographie de l’influence acoustique. Il illustre la couverture offerte par chaque mode d’acquisition afin de vous aider à choisir les données FMC à enregistrer. Les méthodes TFM et PAUT garantissent chacune à leur façon une couverture adéquate. Par conséquent, il est important de bien connaître les particularités de chacune des méthodes afin d’en tirer les résultats optimaux (voir le point « Formation » ci-dessous).
• Formation : Pour vous assurer d’utiliser efficacement chacune des deux méthodes, vous devez recevoir une formation adéquate. On recommande aux inspecteurs de suivre une formation de portée semblable et de durée équivalente pour chaque méthode. Certaines idées fausses contribuent grandement à répandre la confusion quant à ces technologies d’inspection, notamment celles voulant que n’importe qui peut configurer un appareil doté de la technologie TFM, ou encore que la méthode PAUT permet de choisir n’importe quel angle de faisceau pour l’inspection. Cela peut mener à une mauvaise prise de décision que seule une formation adéquate peut éviter.
• Technologie reconnue et éprouvée sur le terrain : La méthode PAUT est utilisée avec succès dans le domaine du contrôle non destructif depuis plus de deux décennies, et elle est associée à des applications, à des capacités et à des limites bien établies. La méthode TFM, quant à elle, est une technologie émergente dont la vaste étendue des possibilités reste encore à exploiter par les intervenants de l’industrie.
• Réglages sur site : Les deux technologies permettent aux utilisateurs d’apporter des modifications aux paramètres directement sur le site d’inspection.
• Étalonnage : Les deux technologies nécessitent un étalonnage approprié de la sensibilité pour garantir que les défauts sont détectés sur toute la zone ciblée.