Brevet FR2400284A1 — publié le 19790309

La présente invention concerne un dispositif d'amplification non-linéaire de signaux électriques d'amplitudes tres variables, notamment pour application dans les systèmes à impulsions de sondage ou de repérage par échos. On sait que de nombreux systemes de repérage ou de sondage font appel à la technique des échos récurrents. Dans ces systèmes, une impulsion plus ou moins brève et plus ou moins puissante d'énergie est envoyée périodiquement dans le milieu examiné et les échos en retour, provoqués par les réflexions de cette impulsion sur les objets ou discontinuites qu'elle a rencontré sur son trajet permettent de les déceler, de les situer, ou d'évaluer leur importance. C'est par exemple le cas de systèmes de repérage ou de poursuite d'objets ou de systèmes de sondage de pièces mécaniques ou de milieux fluides. Dans certaines de ces applications, on éprouve parfois des diffieultes pour bien détecter ou distinguer les différentes impulsions entre l'émission de l'impulsion de sondage et la réception des échos, spécialement lorsque l'eloigne- ment des différentes sources de réflexion par rapport à l'émetteur est tres différent ou que l'absorption du milieu est très forte. Ce cas se rencontre par exemple pour le sondage ultrasonore de produits dont le module de rigiditê est faible, métaux mous ou portés à haute température, dans lesquels l'énergie ultrasonore subit une absorption considérable qui croit très vite avec le chemin parcouru par l'onde. On est alors contraint d'utiliser des puissances d'émission très grandes pour pouvoir détecter les discontinuites les plus éloignées et la face opposée du produit.On sait en effet qu'il est nécessaire, en cours de sondage ultrasonore de la santé interne de produits solides, de détecter en permanence l'écho de la face du produit opposee au sondage pour s'assurer de la réalité du couplage mécanique entre le traducteur & ectro-mécanique et le produit sondé, faute de quoi l'absence d'écho de discontinuité ou de defaut ne pourrait être interprétée avec certitude comme l'absence de toute discontinuité ou de tout défaut.Dans ces conditions, l'homme de métier sait que les amplificateurs d'échos, qui reçoivent également sur leur entrée au moins une fraction des impulsions d'émission, reçoivent des signaux qui peuvent être dans des rapports d'amplitude de plusieurs centaines ou même de plusieurs milliers et que si leur sensibilité est adaptee pour les signaux les plus faibles, ils sont satures et paralysés par les signaux forts (on dit qu'ils sont éblouis) ou que, inversement, si leur sensibilité est adaptee pour les signaux les plus forts, on ne peut plus détecter les signaux les plus faibles. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de procurer un dispositif qui ne laisse subsister de chaque écho que la partie utile pour la détection des objets ou des discontinuités recherchés et de permettre ainsi aux amplificateurs de fonctionner dans de bonnes conditions pour toutes les zones de l'espace de sondage. A cet effet, l'invention à pour objet un dispositif d'amplification non linéaire de signaux électriques impulsionnels récurrents composé d'un amplificateur linéaire précédé par un étage à seuil qui ne laisse passer vers l'entrée de l'amplificateur que les parties de signaux excédant à chaque instant la valeur de seuil, ladite valeur de seuil étant elle-même une fonction récurrente décroissante du temps au cours de chaque cycle de récurrence. Selon une caractéristique complémentaire que peut comporter l'invention, le dispositif comprend en outre un étage écrêteur supprimant toute partie de signal excédant une valeur maximale prédéterminée. Dans une forme de mise en oeuvre particulière, l'étage à seuil comprend un générateur de fonction décroissante récurrente synchronisé avec la fréquence de récurrence des signaux à amplifier, un discriminateur de tension qui compare continuellement l'amplitude instantanée des signaux à l'amplitude de ladite fonction décroissante, un additionneur algébrique qui fournit la différence d'amplitude entre les signaux à amplifier et ladite fonction décroissante et un système de porte commandé par le discriminateur, qui laisse passer cette différence vers l'entrée de l'amplificateur lorsque l'amplitude des signaux excede celle de ladite fonction et bloque les signaux pendant le reste du temps. Afin d'illustrer l'invention et de bien faire ressortir son mode de fonctionnement, on va maintenant en décrire une application au sondage ultrasonore de produits métalliques à titre d'exemple en aucune façon limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma simplifié d'une chaine classique de sondage ultrasonore ; - la figure 2 montre les signaux obtenus en différents points du schéma de la figure 1 ; - la figure 3 est un schéma simplifié d'une chaîne de sondage ultrasonore selon l'invention ; et - la figure 4 montre les signaux obtenus en différents points du schema de la figure 3. Sur la figure 1, on a représenté le schema de principe d'une channe de sondage ultrasonore classique, composée des éléments suivant bien connus du technicien en ce domaine. Un émetteur d'impulsions électriques récurrentes I piloté par une horloge 2 excite périodiquement un traducteur piezo-electrique 3 couplé mécaniquement avec la piece à sonder. A chaque impulsion, le traducteur vibre sur sa fréquence propre et envoie une impulsion d'énergie vibratoire ultrasonore dans la piece. Chaque discontinuité rencontrée dans la pièce par la vibration produit une réflexion, ou écho, qui retourne au capteur 3, lequel la transforme en signal électrique dit d'écho.Les signaux d'échos, de faible niveau, doivent être amplifies avant d'être utilisés ; à cet effet, ils sont transmis à un amplificateur 5 par un systeme de blocage 4, commandé par l'horloge 2, dont le rôle est d'arrêter la transmission pendant le fonctionnement de l'émetteur 1 de façon que l'mulsion d'émission, dont l'amplitude peut atteindre plusieurs centaines ou plusieurs milliers de volts, ne soient pas appliquée à l'entrée de l'amplificateur, ce qui le détruirait ou tout au moins paralyserait son fonctionnement correct. Les signaux amplifiés à la sortie de 5 sont ensuite utilises de façon habituelle non représentée, soit par un système de traitement d'information, soit par un système d'affichage ou de visualisation, généralement synchronisés aussi par les signaux provenant de l'horloge 2. La figure 2 montre les divers signaux pendant un cycle de récurrence du sondage. En A, on voit les impulsions de synchronisation délivrées par l'horloge 2 ; leur fréquence de répétition est généralement comprise entre quelques dizaines et quelques milliers de Hz. Elles déclenchent le fonctionnement de l'émetteur 1 dont on voit les impulsions en B. Sous l'influence des impulsions B, le traducteur 3 entre en vibration à sa frequence propre et fournit une oscillation amortie que l'on voit en C-1. Une première réflexion C-2 se produit sur la face d'entree du produit sondé, une deuxième éventuelle, C-3 s'il y a un défaut dans la pièce et une derniere, C-4, sur la face arrière, ou de sortie, de la pièce.Dans ce qui suit, on désignera C-I à C-4 respectivement par : top d'émission (C-1), echo d'interface (C-2), écho de défaut (C-3) et écho de fond (C-4). Il faut faire à leur sujet les remarques suivantes - ils ne sont pas representes proportionnellement à leur amplitude réelle, ce qui rendrait le graphique illisible ; dans la pratique courante, C-1 peut atteindre plusieurs centaines de volts -et C-2 peut ne pas excéder une fraction de mV. - C-1 et C-2 sont toujours présents. - C-3 n'existe que s'il y a un défaut dans la pièce sur le trajet du faisceau ultrasonore ; il peut y avoir plusieurs echos de défaut successifs s'il y a plusieurs défauts. - C-4 n'existe que si le couplage acoustique (ou mécanique) entre le traducteur et la face d'entree de la piece est effectif. Il est donc nécessaire dans la pratique de s'assureur en permanence de la presence de C-4 pour s'assurer qu'il y a effectivement un bon couplage et que l'absence d'écho de défaut puisse etre interprétée avec certitude comme l'absence de tout défaut. Dans des conditons de sondage difficiles, notamment lorsque liabsorption de l'énergie dans le matériaux sonde est tres forte, il peut etre nécessaire d'utiliser des puissances d'émission tres élevées. Le cas se produit par exemple pour le sondage ultrasonore de produits sidérurgiques de forte épaisseur à chaud, c'est-à-dire à température de laminage, généralement comprise entre 800 et 12000C. A ces températures, le métal est mou, son module de rigidité est faible et l'absorption est forte. D'autres phénomènes comme la réfraction, la diffraction, l'état de surface souvent défectueux du produit qui cause de fortes pertes par réflexion et diffusion, etc, contribuent également à augmenter la déperdition d'énergie ultrasonore L'augmentation de la puissance d'émission entraîne naturellement un élargissement des différents signaux. La ligne D de la figure 2 montre ce qui se produit alors si un défaut se trouve trop près de la face d'entree : son écho de défaut est masqué par l'écho d'interface, dont l'amplitude et la durée sont trop grandes.On peut faire ressortir cet écho de défaut en diminuant la puissance d'émission ou le gain de l'amplificateur, mais on ne peut plus alors détecter convenablement l'écho de fond C-4 qui est devenu trop petit (ligne E). Sur la figure 3, on a represente le schéma de principe de la chaîne de sondage complétee selon l'invention. On y retrouve l'emetteur 1, l'horloge 2, le traducteur 3, le systeme de blocage 4 et l'amplificateur 5. La figure 4 montre les signaux en différents endroits de la chaîne, à la même échelle de temps que sur la figure 2. C'est ainsi que l'on y retrouve sur la ligne A' les impulsions de synchronisation de l'horloge 2 et sur la ligne Bl les impulsions de l'émetteur 1. Le systeme de blocage 4 comporte un limiteur de tension qui écrête à I volt tout signal qui provient du traducteur avant de le transmettre à un amplificateur séparateur-adaptateur d'impédance 6. La ligne F de la figure 4 montre le signal écrêté, qui est alors symétrique par rapport au potentiel de masse. Un détecteur uni-directionnel 7 fait apparaî- tre l'enveloppe de l'oscillation (ligne G, figure 4) et l'applique à l'entrée d'un additionneur algébrique 8 dont le rôle sera explicité un peu plus loin. Par ail leurs, un générateur de fonction 9, dont le fonctionnement est déclenche par les impulsions de l'horloge 2, fournit à chaque cycle de récurrence une fonction décroissante exponentielle dont l'amplitude initiale et la courbure peuvent être ajustées à volonté. Un tel générateur est bien connu en soi et n'a pas à être decrit en détail ici. Cette fonction constitue une tension de seuil, ou de référence, variable à laquelle on compare constamment l'amplitude instantanée du signal détecté issu de 7.Lorsque ce signal est inférieur au-seuil, il n'est pas transmis plus loin, lorsqu'il est supérieur au seuil, seule la partie excédant le seuil est transmise. C'est ce qui est illustré ligne H (fig. 4) sur laquelle seules les parties hachurées du signal sont transmises. En fait, cette discrimination est effectuée par soustraction de la fonction decroissante exponentielle et du signal détecte dans l'additionneur algébrique 8 et par détection unidirectionnelle dans un étage détecteur 10 qui ne laisse subsister de l'ensemble que les parties présentant la polarite convenable par rapport à la masse. Ceci est illustré ligne I (fig. 4) ou les parties hachures, qui correspondent aux parties hachurées de la ligne H, sont seules conservées et transmises à l'amplificateur 5. On voit donc que, si comme c'est le cas des signaux représentés à la figure 4, ligne F, il y a chevauchement entre certains échos (ici entre F-2 écho d'interface d'entree et F-3, écho de défaut) le réglage judicieux de la forme de la fonction de seuil permet de n'amplifier que les pointes des échos utiles et même de faire disparaître complétement le top d'émission. On retrouve alors sur l'amplificateur 5 uniquement des signaux bien distincts comme représenta ligne J (fig. 4). Il faut remarquer également que le rapport des amplitudes des signaux qui subsistent en sortie de l'amplificateur 5 est considérablement réduit et que ces amplitudes ne sont donc plus représentatives de l'amplitude des echos reçus par le traducteur 3. On doit naturellement en tenir compte pour la comparaison des différents échos entre eux et l'appréciation de l'importance des discontinuités ou des défauts détectes. C'est un avantage considérable de l'invention que de permettre par l -même de compenser, au moins partiellement ou approximativement l'absorption de l'énergie dans le milieu sondé. On peut voir par la description de l'exemple, qu'un autre avantage considérable de l'invention est de supprimer la plus grande partie du bruit parasite, qui est généralement d'amplitude inférieure au seuil, qu'il s'agisse du bruit d'origine électronique des circuits utilisés ou du bruit ultrasonore lié a la décroissance expomentielle des échos forts, notamment du top d'émission et de l'écho d'interface d'entree qui précedent le signal utile. Il doit être bien entendu que la description qui vient d'être donnée ne saurait limiter la portée de l'invention. Bien d'autres formes de mise en oeuvre sont possibles sans sortir du cadre des revendications annexées. De même, son application ne se limite pas au sondage ultrasonore. D'autres domaines comme le sondage sous-marin ou le repérage d'objets peuvent en bénéficier aussi bien. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'amplification non linéaire de signaux électriques impulsionnels récurrents caractérise en ce qu'il comporte un amplificateur linéaire précédé par un étage à seuil qui ne laisse passer vers l'entrée de l'amplificateur que les parties de signaux excédant à chaque instant la valeur de seuil, ladite valeur de seuil étant elle-même une fonction récurrente décroissante du temps au cours de chaque cycle de récurrence. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un étage écrêteur supprimant toute partie de signal excédant une valeur maximale prédéterminée. 3 - Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étage à seuil comprend un générateur de fonction décroissante récurrente synchronisé avec la fréquence de récurrence des signaux à amplifier, un discriminateur de tension qui compare continuellement l'amplitude instantanée des signaux à l'amplitude de ladite fonction décroissante, un additionneur algébrique qui fournit la difference d'amplitude entre les signaux à amplifier et ladite fonction décroissante et un système de porte commande par le discriminateur, qui laisse passer cette différence vers l'entrée de l'amplificateur lorsque l'amplitude des signaux excede celle de ladite fonction et bloque les signaux pendant le reste du temps.