Brevet FR2056886A1 — publié le 19710507

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à l'analyse des discontinuités ou "obstacles" qui perturbent la lro- Fgation des ondes acoustiques dans un milieu donné. On sait que la présence d'obstacles, sur le trajet d'une onde acoustique, donne naissance à des phénomènes de réflexions, de ré- fraction et de diffraction. Deux types de méthodes connues d'analyse dérivent de cette remarque : la méthode dite "par réflexion", la plus couramment utilisée et la méthode dite par transmission Dans la suite du présent texte, on se référa uniquement, pour simplifier l'exposé, à la méthode par réflexion d'impulsions, bien que l'invention puisse également s'appliquer à la méthode par transmission. L'analyse se propose en principe, d'une manière générale, de déterminer, avec la plus grande précision possible, la position, la forme et les dimensions des obstacles. Elle peut donc concerner la mesure d'épaisseurs, de niveaux ou de distances, ou encore la détection des obstacles et l'étude de leur nature et de leurs caractéristiques. Dans ce qui suit, on se référera plus spécialement, sans pour cela liniter la portée de l'invention à ce genre d'applications, à la détection et à l'étu- de de défauts dans des pièces mécaniques, ce que l'on désigne généralement sous le nom de contrôle non destructif. Les appareillages connus de contrôle non destructif par échos ultra-sonores ne donnent généralement qu'une évaluation grossièxe de l'importance du défaut. Ils se contentent en effet de mesurer l'intensité de l'énergie acoustique réfléchie en direction de la sonie réceptrice (celle-ci joue généralement en même temps, le rôle d'émetteur et il pourra en être de même dans la présente invention), le plus souvent en affichant sur ltécran d'un tube catho dique, Cette méthode est base sur l'hypothèse très grossière suivant laquelle l'intensité de l'écho ne dépendrait que des dimensions de @'obstacle. Elle conduit à des erreurs considérables notamment dès que l'orientation de l'obstacle, par rapport au faisceau ultrasonore de sondage, s'écarte sensiblement de la normale. En pratique, la méthode classique ne vise nullement à une déter mination précise des dimensions et de la forme des obstacles. Certanas tentatives cnt déjà été faites pour améliorer le pouvoir de résolution du dispositif d'analyse. En particulier, dans la demande de brevet français déposée le 23 Août 1968 par La Demanderesse pour : dispositif d'échantillonnage analogique de signaux récurrents", on a décrit un procédé de contrôle non destructif qui permet de réduire le bruit qulentral- ne normalement la réduction de la durée des impulsions de sondage, réduction destinée à augmenter la finesse de l'analyse. Ce procédé comporte un échantillonnage analogique des signaux d'échos, au moyen donne matrice de condensateurs. Dans un mode d'exécution particulier, un certain nombre de cycles successifs du signal reçu sont appliqués à la matrice d'échantillonnage avec des retards respectivement croissants et réglables, et le gain de l'amplificateur de réception est variable dune manière réglable en fonction desdits retards Gela permet finalement de superposer à chacune des composantes pseudo-sinus#dales du signal reçu, un signal de même forme, décalé d'une demi-période et d'amplitude tel le que la somme des deux signaux ne comporte r:us que la première oscillation du signal reçu. On a ainsi, en quelque sorte, au prix il est vrai d'un procé de relativement complexe, d'échantillonnage et Q de mise en mémoire abouti à un résultat d'analyse équivalent à celui qui serait obtenu au moyen d'une impulsion de sondage très breve exemple d'oscillations parasites. Un tel procédé est toutefois limité dans ses possibilités d'ap plication et la présente invention se propose tout d'abord d'en étendre considérablement la portée en fournissant un moyen gén- ral, ne faisant appel à aucune mise en mémoire, d'obtenir un sondage équivalent à celui qui serait effectué avec une impulsion idéalement brève et pure, tout en utilisant un générateur d'im- pulsions plus ou moins imparfaits tel que ceux qu'on sait réalisés en pratique. Le procédé suivant l'invention se caractérise essentiellement par le fait que le signal perturbé par l'obstacle et porteur de l'information relative à celui-ci, est, à chaque cycle de sondage, fractionné en plusieurs signaux élémentaires dont chacun possède par rapports aux autres une amplitude et un retard relatifs prédéterminés, de manière telle que la somme de ces signaux élément taires reproduise sensiblement ce que l'on désignera sous le nom de 1,profil réflecteur de l'obstacle. La notion de profil réflecteur sera exposée en détail dans la suite. Pour le moment, on se contentera d'indiquer, d'une part que la forme du signal perturbé reproduirait sensiblement le profil réflecteur de l'obstacle si l'impulsion de sondage était infiniment brève (ce qui ne peut jamais être le cas en pratique), d'autre part, que la connaissance de ce profil réflecteur fournit, sur les différentes caractéristiques de l'obstacle, des informations aussi complètes que possible. L'invention permet donc d'aboutir, en partant d'un signal de sondage très imparfait, à une qualité d'analyse équivalente à celle qui serait obtenue en partant d'une impulsion idéalement brève et ce, par un procédé d'application très générale, mis en oeuvre à chaque cycle, sans échantillonnage, et par le moyen de dispositifs qui peuvent être très divers, car le fractionnement du signal véhicule de l'information, ainsi que le retardement et la modification d'amplitude des signaux élémentaires qui le composent, peuvent être effectués en différents points de l'appareil d'analyse, en particulier, soit à l'entrée du récepteur électronique, soit même au niveau des transducteurs, et faire appel à des techniques variées. Suivant une particularité importante de l'invention, ledit retardement et ladite modification d'amplitude des signaux élémentaires sont déterminés de façon telle que, y étant le décalage tem porel d'un signal élémentaire, r (y) un facteur par lequel son amplitude se trouve multipliée dans l'appareil et f (t) l'intensité du signal de sondage à l'instant t d'émission, la fonction r (y), est calculée à partir d'une formule de la forme rp = 1/1p, rp et fp étant les transformées de Laplace des fonctions r (y) et f (t). L'invention fournit donc un mode de calcul précis du retardement et du facteur de transformation d'amplitude des signaux élémentaires. Elle a encore pour obJet différents modes d'exécution de l'ap- pareil d'analyse qui permet la mise en oeuvre du procédé susvisé. es modes d'exécution, non limitatifs, vont maintenant être décrits dans le détail, en se référant au dessin annexé, dans lequel La figure 1 est le schéma de principe d'un appareil de contrô- le par ultrasons utilisant une ligne à retard à prises multiples dans son circuit de réception La figure 2 représente un autre mode d'exécution, faisant appel à un transducteur du type magnétostrictif, La figure 3 illustre un autre mode d'exécution, dans lequel les retards des signaux élémentaires sont apportés par l'emploi de transiueteurs auxiliaires de réception incorporée à un bloc absorbant et La figure 4 représente une variante, dans laquelle les signaux élémentaires sont obtenus-par réflexions sur des organes réflecteurs incorporés à un bloc absorbant. A la figure 1, on a représenté un appareil de contrôle non destructif d'une pièce P contenant des défauts D. Cet appareil comporte, de façon connue en soi, un générateur d'impulsions électriques récurrentes 1, un émetteur à haute fréquence 2 modulé par ces impulsions, un transducteur d'émission et de réception 4 en contact avec la pièce à examiner, un amplificateur de réception 5 et un organe 6 d'exploitation des signaux issus de cet amplificateur. L'organe 6 peut être un oscillographe cathodique ou tout autre dispositif approprié d'affichage d'enregistrement, ou de traitement de l'information relative au défaut D et contenue dans le signal perturbé par la présence de ce défaut, c'est à dire l'écho formé par réflexion des impulsions ultrasonores sur ce défaut. La particularité de l'appareil décrit réside dans la présence d'une ligne à retard 7 munie de prises multiples, respectivement connectées à l'entrée de l'amplificateur 5, lequel fonctionne en mélangeur, par l'intermédiaire de résistances réglables R1 Rn 1 Rn. Une résistance Ro connecte l'entrée de l'amplificateur 5 à sa sortie. On a représenté une ligne à retard 7 du type à constantes localisées, formée de condensateurs et de bobines d'inductance, mais il doit être bien compris qu'elle pourrait être remplacée par une ligne à constantes réparties. Les résistances R1.. Rn doivent avoir des valeurs nettement supérieures à l'impédance caractéristique de la ligne à retard, de façon à ne pas perturber la propagation du signal dans cette dernière. La tension de sortie de l'amplificateur est Autrement dit, le signal véhicule de l'information est, à la sortie du récepteur, la somme de n signaux élémentaires d'amplitudes respectivement proportionnelles fil r (xi), Yi étant le retard subi par le signal élémentaire prelevé sur la prise de rang de La demanderesse a pu montrer, par un calcul qui sort du cadre de cet exposé et vérifier par l'expérience, que lorsque les coef ficients R. et Y. sont choisis de telle façon que la transformée i i de Laplace de la fonction r (Yi) soit 1 inverse de la transformée de Laplace de la fonction f (t) qui définit l'intensité de l'impulsion d'émission engendrée par le transducteur 4, le signal de sortie Vs reproduit sensiblement le profil réflecteur du défaut D. Par conséquent, en partant d'une impulsion d'émission de forme rigoureusement connue, on pourra calculer les coefficients R. et Y. qui devront être utilisés dans le schéma de la figure I. On va maintenant expliquer ce qu'on entend par "profil réflecteur" d'un obstacle et quel est l'intérêt de cette notion. En vertu du principe d'Huyghens, un obstacle quelconque situé sur le traJet d'une onde acoustique est équivalent, du point de vue de la perturbation d'une onde incidente, à un ensemble d'obstacles élémentaires de faibles dimensions. Plus précisèment, l'énergie renvoyée par l'obstacle en direction de la source émettrice est la source des énergies rayonnées par lesdites sources élémentaires, considérées comme onnidirectionnelles. Or, l'énergie de chaque source élémentaire est proportionnelle à l'intensité de l'onde incidente au point considéré et fonction du pouvoir réfléchissant de la source élémentaire. Si l'on considère l'ensemble des sources élémentaires situées entre les distances x et x + dx de la source émettrice, leur pouvoir réfléchissant est une certaine fonction R (x), laquelle est proportionnelle à la somme des densités desdites sources élémentaires affectées chacune d'un coefficient de pondération proportionnel à leur coefficient réflecteur propre. Cette fonction R (x) est appelée "profil réflecteur" de l'obstacle. L'énergie réfléchie par l'obstacle en direction de la source émettrice sera donc finalement calculée par intégration du produit de la fonction R (x) par l'intensité de l'onde incidente au point d'abscisse Cette dernière intensité est elle-même, en supposant qu'il stagisse d'une onde plane, (ce qui est pratiquement le cas lorsque 11 ouverture du faisceau est faible et la distance de l'ob- stacle à la source très supérieure à la dimension de l'obstacle) proportionnelle à ;- f (t - C) C étant la vitesse de propagation de cette onde ; si bien que l'énergie totale réfléchie est donnée Par la formule I1 existe donc, finalement, une relation bien définie entre le profil réflecteur de l'obstacle, la fonction f (t) qui définit le profil des impulsions d'émission, et l'énergie réfléchie par l'obstacle en direction de la source d'émission. On fera observer que, lorsque la fonction f(t) est harmonique, si # est sa pulsation, la fonction # r(t) est une fonction de # , soit g(#). Cette fonction g(#) est appelée "fonction de transfert de l'obstacle". la Demanderesse a pu montrer que cette fonction de transfert est, à un coefficient près, la transformée de FOURIER de la fonction R (x). Il existe donc une relation simple entre le profil réflecteur de l'obstacle et sa fonction de transfert, telle qu'elle a été définie et utilisée dans la demande de brevet français déposée le 6 juin 1969 par la Demanderesse, pour z "Procédé et appareillage d'analyse de matériaux par impulsions ultrasonores, mettant en oeuvre la fonction de transfert propre à chaque obstacle". Toutefois, le procédé qui fait l'objet de la présente demande, et qui vise àobtenir directement le profil réflecteur, est tout-àfait différent, dans son principe et sa mise en oeuvre pratiques, de celui qui 'fait l'objet de la demande antérieure susvisée0 Pour faire apparattre plus clairement l'intérêt pratique de cette notion complexe de profil réflecteur, on considérera le cas, purement théorique, où l'impulsion d'émission est une impulsion de DIRAC (impulsion infiniment brève, mais d'énergie non nulle). la Demanderesse a pu montrer que, dans ce cas, le profil de l'écho reproduit strictement celui du profil réflecteur de l'ob- stacle. Cette remarque fournit une explication théorique rigoureuse de la constatation empirique du fait que le sondage efféctué avec des impulsions très brèves donne des résultats d'analyse particulièrement intéressants, puisque la connaissance du profil réflecteur représente finalement mieux encore que celle de la fonction de transfert, l'information optimale que l'on puisse obtenir relativement à l'obstacle. Elle suggère par ailleurs l'idée de base de l'invention, puisque celle-ci consiste finalement à fournir un moyen simple et pratique de transformer, dans l'appareil d'analyse, les signaux perturbés par l'obstacle, de manière telle qu'ils prennent sensiblement la même forme que si l'impulsion d'émission utilisée avait effectivement té une impulsion de Dirac. Le lien qui existe entre la forme et les dimensions de l'osta- cle d'une part, et son profil réflecteur d'autre part, est généralement assez simple dans les cas pratiques d'utilisation. En effet, pour un obstacle homogène de faibles dimensions et un faisceau d'analyse fin, on peut montrer que la fonction R (x) a pour valeur la surface de la projection, sur un plan perpendiculaire à la direction de propagation, des éléments de surface de cet obstacle, compris entre les points d'abscisses x et x + dx. Par exemple, pour un obstacle carré de coté a dont le plan est incliné d'un angle # sur l'axe du faisceau et dont l'un des côtés est perpendiculaire à cet axe et le centre, situé à la distance d 5 de l'émetteur, on a la relation simple R (x) = a sin # pour d - a/2 sin # R (x) = O pour toutes les valeurs de x extérieures à cet interval le. La fonction R (x) est donc un signal rectangulaire. ) Pour un obstacle circulaire de rayon r et dont le plan est in cliné d'un angle#sur l'axe du faisceau et situé à la distance d de l'émetteur. on a la relation simule pour d - r d + r et x La fonction R (x) est alors représentée par un arc d'ellipse. Ces exemples ne sont pas limitatifs et, dans un grand nombre de cas pratiques, la connaissance du profil réflecteur permettra 0 d'effectuer très simplement la détermination de la forme et le cal cul des dimensions et de l'orientation de l'obstacle. L'organe 6 pourra donc comporter des circuits de calcul aptes à fournir directement les caractéristiques de l'obstacle. Il convient de faire observer que, bien que la méthode de calcul des paramètres Yi et Ri indiquée plus haut permette théoriquement d'aboutir rigoureusement à l'obtention du profil réflecteur de l'obstacle, on se contentera en pratique, de résultats approximatifs, susceptibles d'etre obtenus avec une bande passante raisonnable des circuits de l'appareil et avec une variation diiscon- tinue de la fonction r (y) (la ligne à retard 7 ne comportant qu' un nombre fini de prises fournissant un nombre fini de valeurs discrètes des retards Yi). Dans la variante de la figure 2, les numéros de référence 1-3-5-6 et Ro désignent les mêmes organes qu a la figure 1. L'émet; teur 3 attaque l'enroulement Bo d'un transducteur magnétostrictif composé d'un fil 8 le long duquel sont distribués des enroulements B1, B2 ... Bnî connectés à l'entrée de l'amplificateur-mélangeur5 par l'intermédiaire des résistances R1, R2 ... R n Les retards Yi sont, dans cette variante, réglables en modifiant la position des bobines le long du fil. Au lieu d'intercaler des organes de retardement entre le transducteur et le récepteur, il est possible d'utiliser, pour engendrer les signaux élémentaires, une pluralité de petits transducteurs auxiliaires jouant le rôle de récepteurs acoustiques associés au transducteur principal émetteur-récepteur. Un tel mode d'exécution est illustré par la figure 3. Dans un bloc 10 de matériau absorbant les ultra-sons sont incorporés ces transducteurs auxiliaires Tî, T2 ... Un du type piézo-électriaue, respectivement reliés à l'entrée de l'amplifica teur-mélangeur 5 par des résistances R1, R2 ... R n Le bic 10 repose sur la face arrière d'un transducteur piézoélectrique démission 9, excité par l'émetteur 3 et en contact avec la pièce P à sonder. Les transducteurs auxiliaires ont des dimensions suffisamment faibles pour ne réfléchir qu'une fraction négligeable de l'impulsion acoustique émise par le transducteur 9, de sorte que la forme de ladite impulsion n'est pas sensiblement altérée. Le dosage d'amplitude des signaux d'écho captés par les récepteurs acoustiques auxiliaires se fait au moyen des résistances R11 R2... R , mais la position desdits récepteurs détermine une fois pour toutes les valeurs des retards Yi. Ceux-ci correspondent, dans ce mode d'exécution, aux temps de propagation des ultra-sons dans le matériau absorbant, entre les récepteurs auxiliaires. Une solution du même genre est illustrée par la figure 4. Les transducteurs auxiliaires ae la figure 3 y sont remplacés par de simples réflecteurs acoustiques K1, K2 ... Kn, incorporés au bloc absorbant 10. Le signal d'écho reçu par le transducteur émetteurrécepteur 9 est transmis à l'amplificateur-mélangeur 5 par lin- termédiaire de résistances réglables B, R2 . Rn ne signal émis par le transducteur 9 est la somme de plusieurs impulsions élémentaires, à savoir - l'impulsion émise directement par la face du transducteur en contact avec la pièce P - les impulsions mises par la face arrière du transducteur réfléchies par les différents réflecteurs, donc retardées de durées respectivement proportionnelles aux temps de propagation entre ladite face arrière et les réflecteurs respectifs. Les amplitudes de ces différentes impulsions sont fonction de la surface des réflecteurs lie signal d'écho, engendré par le transducteur 9 et appliqué à l'entrée de l'amplificateur 5, est, de même, la somme d'impulsions d'échos élémentaires, correspondant aux impulsions élémentaires émises. On ne dispose, dans ce mode d'exécutions d'aucun élément électrique de réglage des amplitudes et des retards des signaux élémentaires et seul le calcul permet de les déterminer une fois pour toutes. Il doit être bien compris que le procédé de l'invention pourra être mis en oeuvre avec d'autres moyens de retardement et de réglage d'amplitude des signaux élémentaires. En particulier, ces moyens pourraient être numériques, au lieu d'être analogiques comme dans les modes d'exécution décrits. lies retardements serait alors obtenus par l'emploi de registres a décalage, et les réglages d'amplitude au moyen de secteurs d'amplitude associés à ces registres. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'analyse des discontinuités ou obstacles qui perturbent la propagation des ondes acoustiques dans un milieu donné, du type dans lequel l'on dirige, vers l'obstacle à analyser un faisceau d'ondes correspondant à des signaux acoustiques récur rents brefs ou "impulsions" et l'on déterminé l'amplitude de nergie acoustique reçue après transmission, dans le milieu corte- nant llobstacle, ou réflexion sur l'obstacle, caractérisé par de fait que le signal perturbé par obstacle et porteur de l'inder mation relative à celui-ei 9 est à haque cycle de sondage frmo tionné en plusieurs signaux élémentaires dont chacun possèds par rapport aux autres une amplitude et un retard relatifs préds minés, de manière telle que la somme de ces signaux élémentaires reproduise sensiblement le profil réflecteur de l'obstacle. 2 - Procédé suivant la revendication 1@ caractérisé en ce e@e lesdits retards et lesdites amplitudes des signaux élémentairas sont déterminés de façon telle que, y étant le décalage temporal d'un signal élémentaire, r (y) un facteur par lequel son ampl@@ade se trouve multipliée dans l'appareil et f(t) l'intensité de @@- pulsion de sondage à l'instant t d'émission, la fonction r (y, @@@ calculée à partir d'une formule de la forme rp = 1/fp, rp et fp étant transformées de Laplace des fonctions r (y) et f (t). 3 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant @8@ @@- vendications 1 ou 2, caractérisé par une ligne à retard élect l@@s à prises multiples connectées a une extrémité au transducteur @@@ engendre lesdits signaux perturbés et dont les prises sont à l'entrée d'un amplificateur-mélangeur par l'intermédiaire de sistances réglables. 4 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant les re- vendications 1 ou 2, caractérisé par un transducteur magnétostris tif composé d'un élément magnêtostritif allongé le long duquel sont distribués des enroulements multiples, connectés, par l'in termédiaire de résistances réglables à l'entrée d'un amplificat@ mélangeur, a l'exception du premier enroulement, lequel est con- necté à l'émetteur d'impulsions. 5 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant les vendications i ou 2, caractérisé par un bloc de matière absorbart. les ultrasons, accolé à la face arrière d'un transducteur-émetteur récepteur, et Far une pluralité de réflecteurs incorporés audit bloc à des distances respectbfes prédéterminées de ladite face arrirère. 6 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant les revendiqations 1 ou 2, caractérisé par un bloc de matière absorbant les ultrasons, accolé à la face arrière d'un transducteur émetteur-récepteur et par une pluralité de transducteurs auxiliaires de réception incorporés audit bloc à des distances respec- tives prédéterminées de ladite face arrière, lesdits transducteurs auxiliaires étant connectés à l'entrée d'un aplificateurmélangeur par l'intermédiaire d'une pluralité de résistances réglables.