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Contrôles non destructifs

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E. TECHNIQUES DES CONTROLES NON DESTRUCTIFS

1. Défauts externes

En dehors de l'examen visuel ou d'une recherche des défauts à l'aide d'une loupe, nous

disposons d'autres méthodes simples et efficaces, comme celle des liquides pénétrants (essai

de ressuage) ou le contrôle magnétique (magnétoscopie).

1.1 Essai de ressuage

Cet essai permet de déceler les défauts qui apparaissent à la surface. Il est appliqué dans le cas

des matériaux non magnétiques (alliages à base d'Al, de Cu, de Ti, aciers inoxydables, etc.).

Son mode d'emploi est très simple. La pièce à examiner est badigeonnée de pétrole léger,

coloré ou contenant une poudre fluorescente. Au lieu du pétrole léger tout autre liquide

pénétrant, c.-à-d. de faible tension superficielle, peut aussi rendre le même service. Après

pénétration capillaire, la surface est essuyée. Pour le cas d'un liquide fluorescent la résurgence

du liquide à partir des fissures et des porosités est rendu visible par un éclairage aux rayons

ultraviolets. Les fissures contenant du liquide coloré sont rendues visibles par une couche de

talc, qu'on applique sur la pièce à l'aide d'un spray, qui ensuite absorbe le liquide coloré en se

teignant. L'observation, dans ce cas, se fait à l’œil nu. Les traces colorées indiquent les

endroits où il y a des fissures.

lampe (UV)

lumière

fluorescente

trace colorée

couche de talc

absorbante

fissuresurface

liquide pénétrant

Fig. 1 Les contrôles par ressuage

1.2 Contrôle magnétique

Cette méthode se base sur les forces magnétiques et ne permet de mettre en évidence que des

défauts situés à la surface des matériaux magnétiques. En magnétisant la pièce à contrôler, les

lignes de forces sont perturbées à l'endroit de chaque discontinuité dans les propriétés

magnétiques (fissure ou inclusion non-magnétique). Les petites particules de fer d'une

suspension de limaille de fer (révélateur), répandue sur la surface, se concentrent là où les

lignes de forces émergent.


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Fig. 2 Le contrôle magnétique

2. Défauts internes

L'examen non destructif des défauts internes est surtout réalisé avec des rayons X, et les

ondes ultrasoniques.

2.1 Radiographie par rayons X et

Les rayons X et sont des ondes électromagnétiques comme les faisceaux lumineux

ordinaires, mais ils ont une longueur d'onde ( ) sensiblement inférieure et une énergie de

rayonnement supérieure aux rayons lumineux.

Fig. 3 Echelle des ondes électromagnétiques

L'énergie de rayonnement élevée confère aux rayons X et la propriété de pouvoir pénétrer et

de traverser des corps opaques à la lumière ordinaire. La transparence n'est cependant pas

parfaite. A l'intérieur de la matière, l'intensité diminue selon la loi d'absorption

I=I0eµd .

I0 et I sont respectivement l'intensité incidente et l'intensité émergente. d est le chemin

effectivement parcouru dans la matière, sans tenir compte de l'épaisseur des cavités présentes,

et est µ le coefficient d'absorption. Le coefficient d'absorption dépend du matériau et de la

longueur d'onde du rayonnement utilisé. Il augmente très fortement avec le numéro atomique

des éléments chimiques constituant le matériau absorbant et diminue avec l'énergie du


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rayonnement. L'uranium (92) et le plomb (82) absorbent donc plus fortement que le fer (26)

ou l'aluminium (13), d'autre part les rayons pénètrent plus profondément que les rayons X.

Fig. 4 Absorption des rayons X et noircissement de la plaque photographique

2.1.1 Méthode des rayons X

La fig. 5 montre le principe de construction du tube à rayons X. Une tension de quelques

centaines de kV accélère les électrons sortant de la cathode et les dirigent vers l'anode. Les

électrons freinés dans l'anode transforment leur énergie cinétique en énergie de rayonnement.

Ils émettent une radiation continue, à laquelle se superposent les raies caractéristiques émises

par le métal formant l'anode.

Fig. 5 Schéma de l'installation: tube à rayons X, alimentation et pièce à examiner


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Caractéristiques du spectre

- Limite nette pour une valeur maximale de l'énergie de rayonnement qui, exprimée en eV

(volts électroniques), correspond exactement à la tension U appliquée en volts. La

longueur d'onde correspondante à cette énergie vaut 0= 1.24U(kV)

- Cette limite se déplace vers des longueurs d'ondes plus courtes ou des rayons X plus

"durs" voire plus élevés en énergie lorsqu'on augmente la tension U.

- L'intensité du spectre continu est maximale pour m=2 0 .

L'intensité totale de la radiation émise (intégrale du spectre I( )d ) dépend du matériau de

l'anode et de la tension électrique appliquée, mais elle ne dépasse pas 1 à 5 % de la puissance

fournie (N = UI). La grande majorité de l'énergie électrique est transformée en chaleur et il est

donc nécessaire de refroidir l'anode à l'eau.

Fig. 6 Spectre des rayons X

2.1.2 Méthode des rayons

On emploie aussi en radiographie des sources d'émission radioactives à base d'isotopes Co60,

Ir192 et Cs177. Les transformations nucléaires dans ces isotopes sont accompagnées d'une

émission de rayons . Ces derniers ne sont rien d'autre que des rayons X d'origine nucléaire.

Leur spectre d'émission est strictement monochromatique (une seule énergie de

rayonnement). En raison du danger que présentent les substances radioactives les intensités

des sources sont maintenues faibles par rapport à celles des rayons X. Cela implique souvent

des temps de pose très longs, notamment pour le contrôle d'épaisseurs importantes. Cette

méthode a l'avantage de ne pas employer d'alimentation électrique et en raison de la petite


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taille de la source radioactive (~mm3), on peut facilement contrôler des pièces de forme

complexe, auxquelles il ne serait pas possible d'accéder avec un tube à rayons X.

2.1.3 Paramètres de travail

Le choix optimal des paramètres de travail tels que la distance entre le foyer et le film, la

tension et le courant anodiques ainsi que le temps de pose pour une éprouvette donnée (forme,

épaisseur, alliage), nécessite une bonne expérience et quelque fois des essais préliminaires.

Les doses de rayonnement X ou misent en jeu pour le contrôle non destructif des matériaux

sont en général plus élevées que celles couramment appliquées pour les diagnostics en

médecine. Des précautions de sécurité contre ces radiations sont donc impératives.

2.2 Contrôle des matériaux par ultrasons

2.2.1 Généralités

Les ultrasons sont des ondes acoustiques ou élastiques dont la fréquence est supérieure à celle

des sons audibles par l'oreille humaine et inférieure aux vibrations thermiques des atomes. Les

sons audibles sont compris entre 10 et 20000 Hz et la gamme de vibrations thermiques s'étend

de 109 à 1013 Hz (1 GHz - 10 THz). Les fréquences utilisées lors d'examens aux ultrasons ne

comprennent pas toute la gamme des ultrasons, mais varient entre 0,5 à 12 MHz. Pour un

solide ayant une vitesse de son c de 5000 m/s ceci correspond à l'intervalle des longueurs

d'ondes ( = c/ ) de 1 cm à 0.4 mm. La limite inférieure de 0.5 MHz est déterminée par la

perte totale en résolution des défauts qui ont une taille inférieure à la longueur d'onde. Dans

les solides (vitesse du son c 5000 m/s), une onde d'une fréquence de 0,5 MHz ne permet que

de percevoir les défauts qui sont plus grands qu'un centimètre. En général on s'intéresse aussi

à des défauts beaucoup plus petits. L'augmentation de fréquence qui s'impose alors, à comme

effet d'augmenter l'absorption et donc de limiter la profondeur accessible aux ultrasons.

Fig. 7 Echelle des ondes élastiques. Les longueurs d'ondes sont données pour un solide ayant une vitesse du son de 5000 m/s.


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2.2.2 Propagation, absorption, réflexion et réfraction des ultrasons

Dans un milieu homogène, les ultrasons se propagent de manière rectiligne. La vitesse de

propagation c (vitesse du son) dépend du milieu traversé (densité, modules élastiques) et des

dimensions géométriques si celles-ci sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde.

De plus, elle n'est pas la même pour les ondes longitudinales que pour les ondes transversales

(=ondes de cisaillement). Dans les solides la vitesse des ondes transversales est

approximativement la moitié de celle des ondes longitudinales.

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs. Notez les grandes différences entre les gaz, les

liquides et les solides.

cL [m/s]

(ondes longitudinales)

cT [m/s]

(ondes transversales)

Air 340

Eau 1480

non transmise en raison de

l'absorption excessive

Aluminium 6300 3080

Fe et aciers 5900 3220

Laiton 4400 2120

L'atténuation des ondes ultrasonores suit la même loi que celle de l'absorption des rayons X

lorsqu'on substitue l'intensité par l'amplitude de l'onde. Le coefficient d'absorption µ dépend

des propriétés anélastiques et viscoélastiques du matériau et augmente généralement avec la

fréquence. L'atténuation des ultrasons, dans la gamme de fréquence utilisée pour le contrôle

non destructif, est nettement moins forte que celles des rayons X ou . Dans le fer, p. ex.,

l'atténuation des ultrasons devient importante après quelques mètres, alors que les rayons X se

trouvent pratiquement absorbés après quelques centimètres.

La réflexion et la réfraction des ultrasons, lors d'un changement de milieu (interface ou

surface), sont plus complexes que celles des rayons lumineux (= ondes transversales

uniquement). Une onde ultrasonore longitudinale incidente sous un angle oblique sur une

interface se divise en deux ondes réfléchies et en deux ondes transmises. Chaque paire

comprend une onde longitudinale et une onde transversale. L'onde transversale transmise est

supprimée pour une incidence normale et l'onde longitudinale transmise disparaît si dépasse

un angle critique qui dépend du rapport des vitesses du son cL dans les deux milieux

considérés. Cet effet est utilisé par les palpeurs à incidence oblique.


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Fig. 8 Réfraction et réflexion des ondes ultrasoniques

Pour le contrôle par ultrasons, on utilise normalement les ondes longitudinales en incidence

normale et les ondes transversales en incidence oblique (au-delà de l'angle critique). Pour une

incidence normale, le coefficient de réflexion R, défini comme le rapport entre l'amplitude de

l'onde réfléchie AR et l'amplitude de l'onde incidente AI est donné par

R=ARAI = 1c1 2c21c1+ 2c2

1 et 2 sont les masses volumiques et c1 et c2 les vitesses du son (longitudinales ou

transversales selon le type de l'onde). Le produit ·c est appelé impédance acoustique.

On en déduit facilement que la réflexion est quasiment totale, c.-à-d. que R 1, pour une

fissure (= interface solide-air ou solide-vide), et que, en raison de la conservation de l'énergie

transportée par les ondes, l'amplitude de l'onde transmise devient très petite. Pour les rayons X

et , par contre, on aura selon une loi semblable, utilisant l'indice de réfraction au lieu de

l'impédance acoustique, une réflexion négligeable.

Le pouvoir réflecteur élevé d'une fissure est à l'origine de la grande sensibilité des ultrasons

pour la détection des défauts des matériaux. Malheureusement, le coefficient de réflexion

élevé pose aussi des problèmes dans la pratique. En général, les ultrasons sont excités par des

sondes placées à la surface de la pièce à contrôler. En raison de la rugosité de surface, le

contact n'est pas parfait. La couche d'air présent à l'interface, entre la sonde et la pièce,

réfléchit fortement l'onde et ne la laisse pas passer. Pour améliorer le couplage entre sonde et

pièce, on doit appliquer un agent de contact (graisse, eau, huile) sur la surface et veiller à ce

qu'ils ne se forment pas de bulles sous la sonde. La valeur plus élevée de l'impédance

acoustique ·c des liquides fait diminuer le coefficient de réflexion à des valeurs acceptables.

2.3.3 Emission et détection d'ultrasons

L'émission et la détection d'ondes ultrasonores se réalise très facilement grâce à l'effet piézo-

électrique. Certains matériaux anisotropes, comme p. ex. le quartz monocristallin, ainsi que

les matériaux ferroélectriques, tels que le titanate de baryum et le titanate de plomb, possèdent

la propriété de se déformer sous l'effet d'un champ électrique (effet piézo-électrique direct).


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Les déformations sont de l'ordre de 0,1 nm par Volt appliqué aux électrodes. Une tension

électrique alternative, appliquée aux électrodes, fait vibrer le transducteur piézoélectrique. Les

vibrations, ainsi créées, se transmettent à tout solide en contact avec le transducteur et vont se

propager dans celui-ci avec la vitesse du son caractéristique de ce milieu.

Réciproquement, une compression ou une dilatation d'un matériau piézoélectrique, provoquée

par une onde incidente, fait apparaître des charges électriques sur les électrodes qui se

mesurent facilement par la tension créée entre les électrodes (effet piézoélectrique inverse).

L'effet inverse peut alors servir pour la détection d'ondes. Il suffit pour cela de remplacer dans

la fig. 9 la tension d'alimentation par un oscilloscope.

électrodes = surfaces argentées

onde élastique

matériau piézoélectrique

U~tension d'alimentation~ 100 - 1000 V

Fig. 9 Emission d'une onde élastique longitudinale

2.2.4 Les palpeurs pour le contrôle aux ultrasons

Le contrôle aux ultrasons s'effectue le plus souvent avec un palpeur à incidence normale ou

un palpeur à incidence oblique

- Les palpeurs à incidence normale émettent des ondes longitudinales avec comme

direction de propagation la normale à la surface.

Fig. 10 Palpeur pour ondes longitudinales


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Fig. 11 Palpeur pour ondes transversales

- Les palpeurs d'angle émettent des ondes transversales dont la direction de propagation

est inclinée par rapport à la normale de la surface. Pour l'excitation de ce type d'onde,

on utilise le fait qu'une onde longitudinale, créée dans le palpeur, se divise en une

onde transversale et une onde longitudinale lors de la réfraction à l'interface entre le

palpeur et la pièce. Pour faciliter l'interprétation des échos, on choisit l'angle

d'incidence de manière à ce que seule l'onde transversale puisse exister. L'onde qui est

réfléchie à l'interface et reste dans la sonde doit être amortie dans le bloc d'atténuation

pour éviter d'éventuels échos fantômes.

Les palpeurs d'angle s'emploient surtout pour sonder les cordons de soudures. La surface

irrégulière du cordon lui-même empêche normalement un contact satisfaisant avec un palpeur

normal. L'angle d'incidence b dépend de la construction et du matériau du palpeur ainsi que

du matériau de la pièce à sonder. La valeur indiquée sur le boîtier (angles standards 35°, 45°,

60°, 70°, 80°) est valable uniquement pour les aciers. En contact avec un autre matériau, le

même palpeur donne un angle différent (voir tableau).

Conversion des angles d'incidence b pour les ondes transversales.

Angles indiqués sur les palpeurs et valables pour les aciers p. ex: 45° 70°

donnent dans:

Al 42,5° 64°

Cu 30° 41°

Fonte grise 28,5° 39°

Le champ de rayonnement d'un palpeur

La sonde émet un faisceau présentant un angle de divergence. Le champ de rayonnement peut

être décomposé en un champ proche de longueur Ns et un champ éloigné. La grandeur du

champ proche dépend du diamètre de l'émetteur D et de la longueur d'onde du rayonnement

ultrasonique.


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Fig. 12 Champ rapproché et champ éloigné de l'onde ultrasonique

Un défaut placé dans le champ éloigné donnera un écho dont l'amplitude diminuera avec le

carré de la distance r du capteur (1/r2). Par contre, si ce défaut se trouve dans le champ proche,

l'amplitude de l'écho ne peut plus être exprimée par une fonction simple de r. Elle dépend

d'effets d'interférence.

Quelques valeurs de Ns et de pour l'eau, l'acier et l'aluminium

Eau Acier - Aluminium

f [MHz] D [mm] [° ] NS [mm] [° ] NS [mm]

1 34 2,70 220 11 55

2 24 2,20 215 7,80 54

4 10 2,30 76 9,30 19

6 10 1,60 114 6,20 28

Caractéristiques des palpeurs

La précision des sondages dépend beaucoup du choix de la sonde et en particulier de sa

fréquence de résonance. Sa valeur est d'habitude indiquée sur le boîtier du palpeur. Ses

caractéristiques principales sont la sensibilité et son pouvoir de résolution.

- La sensibilité est le rapport entre l'intensité de l'écho pour un défaut de taille donnée

(étant donné un contact parfait à l'interface) et l'intensité d'émission.

- Le pouvoir de résolution est défini comme la finesse des impulsions ou encore par la

distance minimum entre deux défauts qui peuvent encore être distingués.

Les sondes à basse fréquence (0,5 - 1 MHz) ont les caractéristiques suivantes:

- une faible sensibilité pour les petits défauts ( trop grand)

- un manque de sensibilité en proximité de la surface sous le capteur.


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Ces sondes conviennent pour l'étude des matériaux aux microstructures grossières et pour la

détection des défauts à grande distance. Les matériaux aux microstructures grossières

absorbent très fortement les ondes à haute fréquence.

Les sondes à haute fréquence (2 - 6 MHz) ont les caractéristiques suivantes:

- une bonne sensibilité pour les petits défauts

- un bon pouvoir de résolution

- le faisceau sonore est concentré et de ce fait indique précisément la position du défaut.

Ces sondes ne peuvent balayer de grandes distances que dans des matériaux homogènes et

peu absorbants. En général limitées à 1 m. Elles exigent un bon état de surface.

Les palpeurs construits avec des matériaux ferroélectriques, comme le BaTiO3 ou le PbZrO3-

PbTiO3 (= PZT), sont plus sensibles et ont un pouvoir de résolution plus élevé que les

palpeurs construits avec un monocristal de quartz. Ceci s'explique par le fait que les matériaux

ferroélectriques mentionnés ci-dessus, transforment davantage d'énergie électrique en énergie

mécanique.

2.2.5 Principe du sondage par ultrasons

Le sondage par ultrasons peut servir à plusieurs buts:

- Détection de défauts de toutes sortes (fissures, inclusions, porosités)

- Mesure de profondeur ou épaisseur (par exemple: pièce dont un seul côté est

accessible, sondage des fonds marins etc.)

- Mesure des constantes élastiques par l'intermédiaire d'une mesure de la vitesse du son.

- Sondage médical (échographie), etc.

Les intensités couramment utilisées en contrôle non destructif et en sondage médical sont de

l'ordre de 1 mW/cm2 et ne sont pas dangereuses. Cependant, l'exposition à des intensités

dépassant 1 W/cm2 comme on les utilise dans les bains à ultrasons pour le nettoyage et pour la

soudure des polymères peuvent causer des traumatismes et des graves lésions.

Mesure des constantes élastiques

Comme la vitesse du son dans les milieux solides ne dépend pratiquement pas de la fréquence

en dessous de quelques MHz, il est possible de déterminer les constantes élastiques par

l'intermédiaire du temps de transmission d'une impulsion. Il est, néanmoins, très important de

bien vérifier que les dimensions latérales de l'échantillon sont soit beaucoup plus grandes ou

soit beaucoup plus petites que la longueur d'onde moyenne de l'impulsion (voir ondes

extensionnelles ci dessus).


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Selon le type d'onde (voir fig. 13) les relations suivantes sont valables:

Ondes longitudinales dans un milieu étendu

cL= E(1 )(1+ )(1 2 ) E = module d'élasticité

= coefficient de Poisson

Ondes transversales dans un milieu étendu

cT= G = E2 (1+ ) G = module de cisaillement

Ondes extensionnelles: Les ondes extensionnelles sont des ondes longitudinales avec

contraction latérale latérale= long . Les contraintes latérales s'annulent comme dans un essai de

traction. Pour les ondes longitudinales dans un milieu étendu, la matière, entourant le

faisceau, empêche la contraction latérale ( latérale=0) et les contraintes latérales ne s'annulent

pas. Les ondes extensionnelles ne peuvent s'établir que sur des barres dont le diamètre Ø est

très inférieur à la longueur d'onde . Dans les cas intermédiaires, entre barre mince et milieu

étendu, la déformation transversale n'est que partielle et la vitesse du son dépend aussi du

diamètre et de la fréquence.

cE= E cE = vitesse des ondes extensionnelles.

Ondes qui se propagent le long d'un fil

ayant une longueur d'onde beaucoup plus

petit que le diamètre.

Fig. 13 a) Ondes longitudinales dans un milieu étendu. b) Ondes transversales dans un milieu étendu, c) Ondes extensionnelles. d) Ondes de flexion. e) Ondes de surface.


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Détection des défauts

Pour la détection des défauts, on emploie principalement la méthode par réflexion. La sonde a

le double emploi d'émetteur et de récepteur. Tout changement de milieu sera repéré par l'écho

qu'il provoque. On peut donc situer la position du défaut à l'intérieur de la pièce.

La méthode par transmission nécessite deux palpeurs, un émetteur et un récepteur, la pièce

doit avoir au moins deux surfaces parallèles. Une troisième méthode (méthode de résonance)

est basée sur l'influence qu'ont les défectuosités sur les fréquences de résonance d'une pièce.

Une assiette contenant une fissure sonne différemment qu'une assiette parfaite quand on

frappe dessus. Pour appliquer cette méthode, il faut, comme dans l'exemple de l'assiette,

posséder des pièces de référence tout à fait identiques à l'exception des défauts. La méthode

est très puissante mais n'est utilisable que pour le contrôle d'une série d'objets tout à fait

identiques.

2.2.6 L'appareil à ultrasons

Par l'intermédiaire d'une décharge électrique l'émetteur produit une impulsion d'une durée de

quelques nanosecondes et d'une tension de pointe d'environ 1000 volts. Le transducteur

piezoélectrique la transforme en une impulsion élastique qui se propage sous forme d'un train

d'ondes ultrasonores dans l'éprouvette. On entend par train d'ondes, un ensemble d'ondes de

différentes fréquences qui toutes superposées donne la forme de l'impulsion. Après réflexion,

le transducteur retransforme l'impulsion ultrasonore en un signal électrique. En raison des

pertes d'énergie subies lors des transformations, des passages d'interfaces, de la réflexion et de

l'absorption dans la pièce à contrôler, ce signal ressort beaucoup plus faible que l'impulsion

d'émission. Il nécessite donc une amplification pour pouvoir être observé. Le comportement

du faisceau ultrasonore est analysé à l'aide d'un tube cathodique qui enregistre verticalement

l'amplitude de l'onde ultrasonore et horizontalement le temps (fig. 14). C'est l'impulsion

d'émission qui déclenche la tension de déflexion horizontale du tube cathodique.

Fig. 14 Principe du sondage par ultrasons


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On voit alors sur l'écran l'impulsion d'émission (signal très fort) et à sa droite (c'est-à-dire

après un certain temps) un ou plusieurs échos. Toute modification de la forme de l'écho, par

rapport à la forme du signal d'émission, s'explique par l'atténuation et l'amplification sélective

(filtres électroniques) de certaines fréquences dans le paquet d'ondes formant l'impulsion.

La vitesse du son étant constante dans un matériau, l'axe horizontal représente également le

chemin parcouru (aller et retour) par l'onde ultrasonore. On peut alors, pour un matériau

donné, calibrer l'axe horizontal directement en unités (mm, cm) indiquant la profondeur où a

eu lieu la réflexion. Dans ce but, les oscilloscopes prévus pour le contrôle aux ultrasons sont

dotés d'un potentiomètre qui permet de sélectionner la vitesse du son du matériau à examiner

(vitesse des ondes longitudinales ou transversales selon palpeur). Si on ne connaît pas la

vitesse du son (p. ex. alliage inconnu), on déplace l'impulsion d'un écho revenant de la surface

opposée et dont on connaît la profondeur jusqu'à ce que cet écho soit à sa juste position sur

l'axe horizontal. La position du bouton indique maintenant la vitesse du son.

Fig. 15 Réflexion d'une onde sur une arête

Pour les palpeurs d'angle (fig. 15), ce deuxième procédé de calibrage est légèrement différent

parce qu'une surface opposée et parallèle ne réfléchit pas en direction du palpeur. Dans ce cas,

on cherche l'écho d'une arête qui se produit après deux réflexions (effet miroir). Selon les

préférences du contrôleur, l'axe horizontal peut être calibré pour mesurer la distance effective

d, la distance horizontale h ou la profondeur p.

Description des réglages de l'appareil à ultrasons

Interrupteur - Focalisation Interrupteur principal, focalisation du faisceau électronique dans le

tube cathodique

Point-zéro déplace l'impulsion d'émission et l'écho par rapport à l'échelle graduée sur l'écran.

A ajuster de manière à ce que le début de la montée de l'impulsion d'émission (le point le plus

précisément défini de l'impulsion) soit au point-zéro de l'axe horizontal.


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Fig. 16 Dispositif de mesure pour le sondage par ultrason

Vitesse du son sert à calibrer les profondeurs des échos sur les distances indiquées à l'écran

(voir plus haut).

Distances Choix de la distance à représenter sur la largeur de l'écran (10 cm, 25 cm, 1 m, 5 m

ainsi que les doubles (x 2) et les moitiés (x 0,5)).

Puissance et amplification règlent la tension de l'impulsion d'émission et l'amplification du

signal électrique après réception. Il faut essayer de trouver un réglage qui permet d'empêcher

des indications perturbatrices telles que les échos de l'impulsion précédente, autres vibrations

présentes et bruit de fond qui se manifestent sous forme "d'herbe" sur l'axe horizontal de

l'écran. En général, il suffit d'avoir un écho du fond de la hauteur de l'écran.

L'amplification étalonnée sert à déterminer la taille d'un défaut. Pour un matériau et palpeur

donné, l'amplitude de l'écho dépend avant tout de la distance et de la taille du défaut. Pour

pouvoir appliquer cette méthode, il faut d'abord mesurer l'amplitude de l'écho d'un assez

grand nombre de défauts dont on connaît exactement la taille et la distance (p.ex. trous percés)

et établir un graphique. La méthode n'est malheureusement pas très précise car l'écho dépend

aussi de l'impédance acoustique et de la forme du défaut (plane, irrégulière, sphérique). De

plus, il est extrêmement difficile de maintenir un couplage constant (c'est-à-dire un contact

parfait) entre palpeur et pièce à sonder. Un remède pour ce dernier problème est de bien polir

la surface de la pièce et de la submerger avec le palpeur dans un liquide.

Fréquence Détermine la largeur de bande de l'amplificateur. A ajuster normalement à la

valeur de la fréquence indiquée sur le palpeur. Notez que l'émetteur électrique émet des

impulsions et non pas des ondes de fréquences monochromatiques. L'impulsion d'émission

consiste en une impulsion de durée très courte que l'on peut aussi décrire par une somme

d'ondes de différentes fréquences et dont les amplitudes sont données par le spectre de Fourier


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de l'impulsion. Pour une impulsion de durée ce spectre s'étend de 0 Hz jusqu'à des

fréquences d'environ 1/ plusieurs MHz. Afin de correctement reconstituer la forme des

échos (montée et largeur initiale) qui résultent de cette impulsion, la bande passante de

l'amplificateur doit être plus large que la largeur de ce spectre. Or les amplificateurs à large

bande passante souffrent du désavantage qu'ils amplifient aussi tout le bruit de fond. Ce

dernier se manifeste à l'écran sous forme de "l'herbe" qui pousse sur la ligne de base. A forte

amplification ceci peut complètement brouiller le signal dû à l'écho. Une limitation modérée

de la largeur de bande passante élargit légèrement les échos mais les maintient clairs.

Un élargissement de l'impulsion résulte aussi lorsque l'amortissement des ultrasons est

importante et en conséquence la vitesse du son varie avec la fréquence. Ce phénomène, appelé

dispersion, vient du fait que les ondes partielles du spectre de Fourier n'arrivent plus en même

temps à un endroit donné et reconstituent donc un signal qui ne ressemble pas exactement au

signal émis.

Interprétation de quelques cas particuliers

"Herbe" sur l'axe horizontal (bruit de fond). La puissance d'émission et/ou l'amplification sont

trop élevées

Grand nombre d'échos dus à une microstructure grossière (fontes) ou matériau composite. Les

joints de grains réfléchissent et empêchent l'onde de traverser la pièce. Choisissez un palpeur

de fréquence plus faible.


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Echo de fond disparaissant lors du balayage avec le palpeur. Défaut avec surface limite plane

qui est incliné par rapport à la direction d'incidence. Le faisceau réfléchi ne revient plus vers

le palpeur et se perd dans l'éprouvette. Utilisez un palpeur d'angle pour localiser l'endroit

exact du défaut.

Plusieurs échos avec séparation identique et amplitude décroissante provoqués par une surface

limite réfléchissant fortement. Le faisceau va et vient plusieurs fois entre palpeur et surface

réfléchissante. L'amplitude décroît en raison de l'amortissement et des pertes par réflexion. Il

peut aussi arriver qu'un écho de l'impulsion précédente revienne après émission d'une

deuxième impulsion (échos fantômes).

Echo d'un défaut à proximité de la surface. Augmentez la fréquence supérieure de la bande

passante pour amincir l'impulsion d'émission.


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3. L'expérience

Cette expérience a comme objectif de démontrer les différentes techniques de contrôles non

destructifs, ainsi que l'application des ultrasons pour la détermination du module d'élasticité.

En particulier, nous proposons l'examen par ultrasons des pièces contenant des défauts.

4. Bibliographie

Ultrasonic methods of non-destructive testing

- Jack Blitz and Geoff Simpson, Chapman & Hall 1996

Le contrôle non destructif par ultrasons

- Jean Perdijon, Hermes 1993

Ultrasonic testing of materials

- Josef Krautkraemer, Herbert Krautkraemer, Ed.4, Springer,1990

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