Brevet FR2459477A1 — publié le 19810109

la présente invention concerne le sondage de matériaux et de produits à l'aide de vibrations ultra-sonores et plus particulièrement un capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion de produits. L'invention peut être utilisée dans des dispositifs servant à la détection de défauts dans les produits fabriqués en divers matériaux. Elle peut être utilisée avec le plus d'intérêt pour le contrôle non destructif d'objets à parois minces tels que par exemple des tubes. La méthode de contrôle d'objets au moyen de vibrations ultra-sonores est classique. On connaît, en particulier, des dispositifs ultra-soniques servant à la détection de toute sorte de défauts cachés dont le principe de fonctionnement est basé sur l'utilisation de l'effet piézo-électrique inverse pour amorcer des vibrations ultra-sonores. De tels dispositifs capteurs comportent généralement un élément piézo-électrique dont les électrodes sont reliées électriquement à une source électrique à haute fréquence.le contrale d'objets est d'habitude réalisé en régime impulsionnel ce qui permet d'utiliser l'élément piézoélectrique en qualité de récepteur-convertisseur qui traduit les vibrations ultra-sonores réfléchies par le défaut-de l'objet à contrôler en oscillations électriques.L'analyse des oscillations captées est analysée par divers appareils électroniques qui sont en liaison électrique avec l'élément piézo-électrique. La sensibilité des capteurs ultra-soniques du type en question envers les défauts peut être améliorée en augmentant la densité énergétique des vibrations ultra-sonores agissant sur le matériau de l'objet à contrôler. On emploie à cet effet des éléments de focalisation qui augmentent beaucoup la sensibilité du capteur envers les petits défauts. On sait que l'atténuation des vibrations ultra-sonores est rapide dans les gaz et est beaucoup plus lente dans les liquides. Aussi les capteurs ultra-soniques sont-ils utilisés de préférence pour le contrôle d'objets par le procédé à immersion, c'est-à-dire par sondage à travers une couche de liquide qui assure un bon contact acoustique entre l'émetteur ultra-sonore et l'objet à contraler.La focalisation de l'énergie des vibrations ultra-sonores dans le procédé de contrôle en immersion est réalisée d'habitude à l'aide de lentilles focalisatrices plan-concaves. La structure de ces capteurs suppose la possibilité d'utilisation de plaques piézo-électriques de forme ronde ou rectangulaire en quartz ou en céramique piézo-électrique (sulfate de lithium ou titanate de baryum par exemple). Lorsqu'on utilise une plaque piézo-électrique ronde, la surface concave de la lentille focalisatrice plan-concave doit être sphérique. Lorsqu'on utilise une plaque piézo-électrique rectangulaire, la surface concave de la lentille focalisatrice plan-concave doit être cylindrique. La forme de la plaque piézo-électrique, et en conséquence celle de la lentille focalisatrice plan-concave, sont choisies en fonction du genre de défaut que le capteur est sensé détecter. Par exemple en contr8lant la qualité de tubes pour détecter des défauts ponctuels (cavités, poches) et des défauts orientés transversalement par rapport à la génératrice du tube, on emploie des lentilles focalisatrices plan-concaves avec une surface concave sphérique, tandis que pour détecter des défauts orientés longitudinalement on utilise des lentilles avec une surface cylindrique. le choix de la forme de la plaque piézo-électrique et de la lentille plan-concave s'explique par le fait que la lentille focalisatrice plan-concave à surface sphérique possède une tache focale constituée par un point, tandis que la lentille à surface concave cylindrique possède une tache focale étendue se présentant sous forme d'une ligne formée par une multitude de points focaux.Mais comme le contrôle de la qualité d'objets, y compris de tubes, suppose le dépistage de défauts orientés aussi bien transversalement que longitudinalement par rapport à la génératrice du tube et aussi de défauts ponctuels, on est obligé d'utiliser pour le contrôle d'un m8me objet des lentilles focalisatrices à surfaces concaves tant sphérique que cylindrique ce qui rend beaucoup plus compliqué l'appareillage de contrôle et l'ajustage de celui-ci en travail. Le rendement du contrôle basé sur l'utilisation de lentilles focalisatrices de conceptions différentes n'est pas élevé étant donné la faible superficie de la tache focale de la lentille focalisatrice à la surface concave sphérique. En installant le capteur ultra-sonique muni d'une lentille à surface concave sphérique de façon qu'il forme un angle avec la surface de l'objet à contrôler, on obtient la possibilité de détecter aussi des défauts orientés transversalement. Par exemple en faisant le contrôle de tubes on met le capteur en place de telle façon que son axe acoustique se trouve dans le plan passant par l'axe du tube et formant un aigle avec la génératrice de ce tube. Ce procédé est d'un usage courant. On connaît des capteurs ultra-soniques pour le contrôle en immersion d'objets par le procédé qui vient d'être décrit. Ces capteurs comprennent une lentille focalisatrice plan-concave, une plaque piézo-électrique, dont la surface est recouverte d'électrodes auxquelles on applique des oscillations électriques haute fréquence, et un amortisseur de vibrations ultra-sonores, ces éléments étant en contact direct l'un à l'autre et disposés dans l'ordre donné, de telle façon que les plans de symétrie principaux de la surface concave de la lentille focalisatrice planconcave et de la plaque piézo-électrique sont en coincidence. Pourtant les capacités fonctionnelles du capteur qui vient d'être décrit sont restreintes parce qui est installé avec un angle par rapport à la surface de l'objet à co-ntrôler ce qui est nécessaire ; dans ces conditions, si l'on veutdétecter en même temps les défauts orientés transversalement et longitudinalement, la tache focale de ce capteur subit une déformation en se transformant en une ellipse dont l'axe le plus grand coïncide avec la génératrice de l'objet à contrôler. Il en résulte une altération de la focalisation du faisceau ultra-sonore aux extrémités de la tache focale en direction de l'axe le plus grand de l'ellipse, ce qui conduit à une diminution de la sensibilité du capteur envers les défauts dans ces régions de la tache focale. Cette diminution de sensibilité du capteur se manifeste le plus dans la région de la tache focale se trouvant à une distance maximale par rapport à l'axe acoustique du capteur. L'invention vise à mettre au point un capteur ultrasonique pour le contrôle en immersion d'objets qui, étant disposé de manière à former un angle avec la surface de l'objet à contrôler, possède une sensibilité uniforme sur toute la longueur de la tache focale. Conformément à l'invention, le capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion d'objets comprend : une lentille focalisatrice plan-concave ; une plaque piézo-électrique, dont la surface est recouverte d'électrodes auxquelles on applique des oscillations électriques hautes fréquences ; et un amortisseur de vibrations ultra-sonores ; ces éléments étant en contact direct l'un à l'autre et disposés dans l'ordre donné de façon telle que la surface concave de la lentille focalisatrice plan-concave et la plaque piézo-électrique possèdent un plan de symétrie principal commun ; et il est caractérisé en ce que la plaque piézoélectrique présente une forme trapézoidale, la surface concave de la lentille focalisatrice plan-concave est conique tandis que la directrice de cette surface est située du côté de la base la plus grande de la plaque piézo-électrique. le capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion ayant cette construction et formant un angle avec la surface de l'objet à contrôler se caractérise par une sensibilité uniforme sur toute la longueur de la tache focale. On voit s'élargir les capacités fonctionnelles d'un tel capteur, et croître son rendement. Pour assurer la mise en phase de la lentille focalisatrice plan-concave il y a intéret à réaliser le capteur ultrasonique pour le contrôle en immersion de telle façon que la génératrice de la surface conique de ladite lentille focalisatrice plan-concave se trouvant dans le plan de symétrie principal commun soit parallèle à l'axe de symétrie principal de la plaque piézoélectrique. Pour assurer une sensibilité uniforme du capteur sur toute la longueur de la trace focale de la lentille focalisatrice, il y a intérêt à ce que la directrice de la surface concave de la lentille soit un arc de cercle. Une telle forme de la surface permet en même temps de simplifier la fabrication de la lentille. Pour améliorer la qualité de focalisation par la surface conique de la lentille focalisatrice tout en conservant la sensibilité uniforme du capteur sur toute la longueur de la trace focale de la lentille focalisatrice, il est avantageux que la directrice de la surface concave conique de la lentille soit un arc d'ellipse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une vue d'ensemble du capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion d'objets selon l'invention - la figure 2 représente schématiquement un exemple de réalisation du capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion d'objets dans lequel, selon l'invention, la génératrice de la surface conique de la lentille focalisatrice plan-concave se trouvant dans le plan de symétrie principal commun est parallèle à l'axe de symétrie de la plaque piézo-électrique - la figure 3 représente une coupe transversale du capteur avec la lentille focalisatrice plan-concave dont la directrice de la surface concave conique est un arc de cercle - la figure 4 représente schematiquement une coupe du capteur avec la lentille focalisatrice plan-concave dont la directrice de la surface concave conique est un arc d'ellipse - la figure 5 représente en coupe un exemple de réalisation du capteur ultra-sonique selon l'invention placé dans un bottier et mis en position de travail par rapport à l'objet à contrôler. Dans le but de faciliter la compréhension de l'invention on a représenté les éléments constitutifs du capteur par des vues éclatées montrées sur les figures 1 à 4. Le capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion d'objets comporte (figure 1) une lentille focalisatrice planconcave 1, une plaque piézo-électrique 2, dont la surface est recouverte d'électrodes 3 auxquelles on applique des oscillations électriques haute fréquence, et un amortisseur 4 de vibrations ultrasonores. La surface concave 5 de la lentille focalisatrice plan-concave 1 et la plaque piézo-électrique 2 ont un plan de symétrie principal A commun. les figures 1 et 2 permettent de mieux comprendre l'invention en montrant, situés dans le plan de symétrie A, un axe géométrique OO'R et une génératrice > DP du cône, une partie de la surface conique de ce dernier étant la surface concave 5 de la lentille focalisatrice plan-concave 1. Les courbes SMK, TNt et les courbes flèchées indiquent de façon conventionnelle le passage des rayons des vibrations ultra-sonores depuis la surface de la plaque piézo-électrique 2 à travers la lentille 1 vers la surface de l'objet à contrôler. L'angle ss (dans le plan A) est l'angle d'inclinaison du capteur par rapport à la surface de l'objet à contrôler en position de travail. La plaque piézo-électrique 2 est de forme trapézoEdale. La surface concave 5 de la lentille focalisatrice plan-concave 1 est conique. Le guide 6 de la surface 5 est situé du c8té de la base la plus grande de la plaque piézo-électrique 2. La figure 1 représente un capteur ultra-sonique dont la directrice 6 de la surface concave de la surface 5 de la lentille focalisatrice plan-concave 1 est un arc de cercle. La figure 2 représente un capteur ultra-sonique dont la directrice 6 de la surface concave 5 de la lentille focalisatrice plan-concave 1 est un arc d'ellipse. On voit bien sur la figure 2 que la génératrice 7 de la surface concave 5 de la lentille focalisatrice plan-concave 1, génératrice située dans le plan de symétrie principal commun A, est parallèle à l'axe de symétrie principal C de la plaque piézo-électrique 2. les figures 3, 4 donnent des coupes transversales du capteur. On voit bien la forme de la surface concave 5 dont les guides sont respectivement un arc de cercle et un arc d'ellipse. la figure 5 représente en coupe axiale longitudinale un exemple de réalisation du capteur ultra-sonique logé dans un boîtier et placé en position de travail par rapport à l'objet à contrôler. Cette figure montre bien la disposition réciproque des éléments du capteur, la plaque piézo-électrique 2, la lentille 1, l'amortisseur 4 étant en contact l'un à l'autre, E étant l'axe géométrique du capteur. Le capteur est représenté en position de travail. Le capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion d'objets faisant l'objet de la présente description fonctionne de la façon suivante. le capteur est fixé au support du dispositif d'ajustage d'un détecteur des-défauts (non représentés) et il est positionné de telle manière que soient mis en coincidence dans un même plan A (figure 5) l'axe géométrique E du capteur, le plan de symétrie principal de la lentille 1 et l'axe C de symétrie de la plaque piézo-électrique 2. le secteur de l'objet à contrôler et le capteur lui-même sont plongés dans un liquide , par exemple de l'eau. Avant de procéder au sondage on met au-dessous du capteur, à la place de l'objet à contrôler, un échantillon témoin qui est identique à l'objet à contrôler du point de vue dimensions, matériau et procédé de fabrication.On pratique, sur les surfaces extérieure et intérieure de l'échantillon témoin, des défauts artificiels sous forme de traits, de poches, etc., disposés de façon à imiter les défauts réels les plus fréquents par exemple ceux ayant l'orientation longitudinale et transversale. les dimensions et les coordonnées des défauts pratiques sont connues et correspondent aux normes techniques régissant la qualité de produits. Cet échantillon témoin sert à accorder le capteur à son régime de travail. le capteur est à positionner de façon telle qu'il forme, avec la surface de 11 objet à contrôler, un angle P assurant l'amorçage, dans le matériau de l'objet, des vibrations u1tra- sonores de mode voulu. L'angle ss est pris entre la normale à la surface de l'objet dans le plan focal (plan d'introduction de vibrations ultra-sonores) et la direction de l'onde ultra-sonore mobile provenant du capteur. Après ceci on applique aux électrodes 3 de la plaque piézo-électrique 2 des impulsions de tension électrique haute-fréquence produites par un générateur d'impulsions (non représenté) en positionnant l'échantillon de façon que l'un des défauts se trouve dans le rayon d'action du capteur. La plaque 2 se met à vibrer à une fréquence égale à celle des impulsions du générateur et à émettre des vibrations ultra-sonores (ondes longitudinales) par ses surfaces attenant à la surface plane de la lentille et de l'amortisseur. Les vibrations ultra-sonores se propageant en direction de l'amortisseur 4 s'atténuent rapidement dans la matière de celui-ci et ne sont pas exploitées pour le contrôle de l'objet, tandis que les vibrations se propageant en direction de la lentille 1 traversent celle-ci et le liquide d'irnmersion de façon telle qu'il se produit la focalisation du flux ultra-sonore d'énergie dans le plan focal. la distance entre la plaque piézo-électrique et la surface de l'objet est déterminée par le calcul et elle est précisée pendant l'accord du capteur de façon que le signal dQ à l'onde ultrasonore renvoyée par le défaut possède son amplitude maximale. A cette fin on déplace l'échantillon témoin par rapport au capteur en corrigeant en même temps la position du capteur en espace. Dans le cas des objets.à parois minces, dans lesquels naissent les ondes de flexion longitudinales dues à 1' effet des vibrations ultra-sonores, on peut procéder à la détection simultanée des défauts externes et internes. Dans le cas des parois plus épaisses, le contrôle est effectué à l'aide d'au moins deux capteurs accordés de façon identique chacun sur son genre de défaut. L'accord du capteur est réalisé de manière que la direction d'irradiation de l'objet soit perpendiculaire à la position supposée du défaut, c'est-à-dire que le front de tonde ultra-sonore incidente se propageant dans la paroi de l'objet arrive sur sa surface latérale. Une fois l'accord terminé, on remplace l'échan- tillon témoin par l'objet à contrôler et on passe à l'essai. Dans le cas où l'accord est réalisé en visant le contrôle simultané de défauts longitudinaux et transversaux, principalement dans les tubes, le capteur ayant été accordé sur le défaut transversal ou "ponctuel" dans le plan de symétrie du système capteur-tube, on procède à un accord complémentaire en vue de permettre la sensibilité envers les défauts longitudinaux. A cet effet, on déplace le capteur dans le plan de la section transversale du tube d'une valeur telle que les angles d'introduction de vibrations ultra-sonores dans la paroi du tube assurent eux-aussi l'excitation du mode voulu de vibrations ultra-sonores, celles-ci se propageant non plus le long mais à travers la génératrice du tube.La trace focale du capteur sur la surface du tube représentant une ligne droite de largeur constante de l'ordre de 1 mm (droite définie par l'angle P constant d'inclinaison de l'axe acoustique du capteur par rapport à la génératrice du tube ainsi que par la distance focale variable de la lentille 1 en direction de l'axe OO'P de symétrie) demeure parallèle à la génératrice. En même temps, on voit se former un angle d'introduc- tion entre l'axe acoustique du capteur et la normale à la surface du tube dans le plan d'introduction, angle orienté dans le plan de la section transversale du tube.On parvient ainsi à détecter des défauts transversaux dans le plan diamétral du tube et des défauts longitudinaux dans le plan de la section transversale, ce qui donne pour effet technique une augmentation du rendement du contrôle et permet de simplifier l'appareillage. C'est ainsi, par exemple, quton a contrôlé des tubes métalliques à l'aide d'un capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion dont la plaque piézo-électrique 2 présente une épaisseur de 0,5 mm, une longueur de 22 mm, la plus grande base (figure 5) de cette plaque étant égale à 9 mm et la plus petite base égale à 6 mm. Le rayon le plus grand de la surface concave est de 12,59 mm, le rayon le plus petit est de 5,43 mm. le capteur étant incliné à un angle P = 360 à la surface du tube, le diamètre du cercle d'lire (largeur de la trace focale) était de 1,0 mm. Un tel capteur dépistait les défauts équivalant au défaut artificiel sous forme d'une poche d'un diamètre de 0,5 mm et d'une profondeur de 45 pm, ainsi que des défauts en forme de traits longs de 10 mm et ayant une profondeur de 20 pm. le capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion d'objets qui vient d'être décrit, lorsqu'il forme un angle avec la surface de l'objet à contrôler, possède une sensibilité uniforme sur toute la longueur de la tache focale. Grâce à ceci on voit croitre ses capacités fonctionnelles et le rendement du contrôle. Bien entendu, d'autres modifications peuvent être apportées au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Capteur ultra-sonique pour le contrôle en immersion d'objets comprenant : une lentille focalisatrice plan-concave une plaque piézo-électrique, dont la surface est recouverte d'électrodes auxquelles on applique des oscillations électriques haute fréquence ; et un amortisseur de vibrations ultra-sonores ces éléments étant en contact direct l'un à l'autre et disposés dans l'ordre donné de façon telle que la surface concave de la lentille focalisatrice plan-concave et la plaque piézo-électrique possèdent un plan de symétrie principal commun, caractérisé en ce que la plaque piézo-électrique présente une forme trapézoidale, la surface concave de la lentille focalisatrice plan-concave est conique tandis que la directrice de cette surface est située du côté de la base la plus grande de la plaque piézo-électrique. 2. Capteur ultra-sonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice de la surface concave de la lentille focalisatrice plan-concave, située dans le plan de symétrie principal commun, est parallèle à l'axe de symétrie principal de la plaque piézo-électrique. 3. Capteur ultra-sonique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la directrice de la surface- concave conique de la lentille focalisatrice plan-concave est constituée par un arc de cercle. 4. Capteur ultra-sonique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la directrice de la surface concave conique de la lentille focalisatrice plan-concave est constituée par un arc d'ellipse.