Brevet FR2530342A1 — publié le 19840120

Procédé et dispositif d'échographie ultrasonore. La présente invention concerne le domaine de l'écho- graphie ultrasonore à balayage et elle a plus particuliè- rement pour objet un procédé et un dispositif d'échogra- phie permettant de localiser les zones de réflexion d'un faisceau fin d'ultrasons dirigé dans une pièce à travers une surface de celle-ci. L'invention trouve une application importante, bien que non exclusive, dans le contrôle non destructif des pièces, et en particulier dans la vérification des pièces soudées ou massives, o les fissures constituent des ré- flecteurs pour les faisceaux d'ultrasons dirigés transver- salement au développement en plan de la fissure. On connaît déjà de nombreux procédés d'échographie utilisant un balayagede la pièce à contrôler à l'aide d'un faisceau d'ultrasons focalisé Le principe mis en oeuvre est en général le suivant: Un faisceau d'ultrasons finement focalisé est dirigé dans la pièce Lorsqu'il rencontre un réflecteur, consti- tué par une hétérogénéité, on reçoit en retour un écho dont l'amplitude dépend de l'aire du réflecteur (si elle est inférieure à la section du faisceau, de son orienta- tion et de son coefficient de réflexion L'écho est re- cueilli, en général par le traducteur d'émission, et on peut localiser le réflecteur par la mesure du temps de parcours On peut ainsi déterminer le contour d'unréflec- teur en sélectionnant les échos dont l'affaiblissement par rapport à l'amplitude correspondant à un réflecteur plan étendu de même orientation, à la même profondeur, est inférieur à un seuil, -6 d B en général. En règle générale, l'exploration d'une pièce s'effec- tue par balayage de sa surface selon deux directions per pendiculaires, avec une incidence constante dans un plan qui, au cours de l'exploration, garde une même orienta- tion par rapport à un axe de symétrie de la pièce Ces procédés présentent le grave inconvénient de ne permettre de déceler que les réflecteurs qui sont frappés par le faisceau d'ultrasons sous une incidence ne s'écartant pas trop de la normale. Des réflecteurs peuvent donc passer inaperçus et il s'agit là d'un inconvénient particulièrement grave pour le contrôle non destructif. L'invention vise notamment à fournir un procédé d'é- chographie répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il per- met de déterminer la présence de zones constituant réflec- teurs dl'ultrasons, telles que des fissures ou criques dans un milieu, tel qu'un organe ou surtout une pièce, quel que soit l'azimut de ces réflecteurs {orientatini par rapport à la nonnale de la pièce). Dans ce but, l'invention propose notamment un procé- dé d'échographie suivant lequel on dirige un faisceau fin d'ultrasons dans le milieu à travers la surface dudit mi- lieu et on détermine la position des zones fournissant un écho pour plusieurs positions de faisceau, procédé ca- ractérisé en ce qu'on déplace le faisceau d'ultrasons successivement suivant les génératrices de plusieurs cônes de révolution ayant leur sammet sur ladite surface et leur axe perpendiculaire à ladite surface, avantageuseoent de nome angle au somnet, Pour obtenir une résolution élevée, on formera géné- ralement le faisceau d'ultrasons à l'aide d'un transduc- teur constitué par une pastille unique de matériau piézo- électrique montée contre un bloc amortisseur, afin d'obtenir des impulsions courtes, de forme appropriée ou associée à une lentille ultrasonore de focalisation. En général, on se contentera de détecter, pour chaque orientation, la présence d'échos dont l'amplitude est supérieure au seuil (typiquement de -6 d B par rapport à un réflecteur étendu) et de mémoriser les coordonnées des zones ayant donné naissance à un tel écho A partir des échos mémorisés, on peut effectuer ensuite une visua- lisation classique Mais, du fait même qu'un même point de milieu peut être vu pour des positions et des azimuts différents du faisceau et aussi pour des temps de vol différents, il est souvent avantageux d'adopter un mode de présentation qui donne une vue en perspective de la pièce, tous les signaux obtenus en cours de balayage de la pièce et dont les informations montrent qu'ils concer- nent un même point de la pièce étant superposés au même point de la représentation Cette-solution peut être mise en oeuvre de faç on simple, car il existe déjà de nombreux programmes d'ordinateur permettant de fournir une représentation en perspective, souvent même de la faire tourner sur un écran de visualisation. Dans une variante de réalisation permettant de four- nir une représentation plus élaborée, on numérise l'amplitude du signal haute -fréquence d'écho reçu, ce qui correspond à plusieurs niveaux de gris ou à des couleurs arbitraires, et on' effectue une sommation des échos correspondant à chacun des éléments de volume centrés sur un noeud d'un réseau à trois dimen- sions dans le milieu Un tel procédé conduit à une amé- lioration du rapport signal/bruit par moyennage du signal haute fréquence Il oblige évidemment à disposer d'un vo- lume de mémoire beaucoup plus important, puisqu'il faut faire correspondre un élément de mémoire à chaque élément de volume du milieu. L'invention vise également à fournir un appareil d'échographie susceptible d'être réalisé par adjonction de composants simples et de co t peu élevé à une instal- lation d'échographie existante comportant déjà des moyens de calcul, appareil accroissant la capacité du dispositif à détecter des réflecteurs ultrasonores dans un milieu quel que soi*t l'azimut de ces réflecteurs Dans ce but, l'invention propose un appareil comprenant des moyens d'émission d'un faisceau fin d'ultrasons et de réception des échos, un dispositif permettant de déplacer lesdits moyens à l'extérieur du milieu de façon à réaliser un ba- layage de ce dernier, et des circuits de calcul des coor données des zones produisant un écho supérieur à un seuil prédéterminé, appareil caractérisé en ce que ledit dispo- sitif est prévu pour donner auxdits moyens un mouvement de balayage constitué par une rotation autour d'un axe perpendiculaire à la surface en les maintenant dans une orientation telle que le faisceau pénètre da Ls la pièce sur l'axe à parcours préliminaire constantet pour répé- ter ce balayage autour de plusieurs axes perpendiculaires à la surface. Les moyens de calcul seront généralement prévus pour déterminer l'emplacement des sources d'écho dans un sys- tème de coordonnées-lié à la pièce à partir du temps de parcours des ultrasons, de l'emplacement de l'axe et des coordonnées des moyens par rapport à l'axe. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisa- tion, donnés à titre d'exemples non limitatifs La des- cription se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma montrant les grandeurs qui interviennent lors du balayage d'une pièce. la figure 2 est un schéma montrant une application possible de l'invention au contrôle des soudures dans une pièce composite, montrée en coupe. la figure 3 est un schéma de principe montrant une sonde utilisable pour une variante de mise en oeuvre de l'invention, destinée à l'exploration manuelle d'une pièce. Bien-que l'invention soit applicable au contrôle de tout milieu limité par une surface relativement simple, on supposera pour simplifier que la pièce présente une face plane accessible à travers laquelle sera faite l'ex- ploration Il est très fréquent que l'on se trouve dans ce cas et que lesréflecteurs à déceler aient à peu près tous la même orientation dans un plan perpendiculaire à la surface de la pièce, c'est-à-dire la même inclinaison, tandis que leur azimut (Qrientation dans un plan paral- lèle à la surface de la pièce) est très variable. Sur la figure 1, on a représenté un trièdre de réfé- rence OXYZ, le plan OXY étant confondu avec la surface de la pièce L'exploration de celle-ci est effectuée àl'aide d'un traducteur ultrasonore 10 d'émission et de réception dont la distance h au point d'entrée dans la pièce est maintenue constante Pour cela, on déplace le traducteur suivant un cercle, avec une inclinaison telle que le faisceau pénètre dans la pièce en un point d'incidence X corres- pondant à l'intersection de l'axe de rotation avec la surface de la pièce Ainsi le parcours préliminaire du faisceau d'ultrasons, entre le traducteur 10 et la pièce, est constant De plus, la forme du faisceau dans la pièce ne se modifie pas. On choisira en règle générale un traducteur 10 à fo- calisation, fournissant un faisceau étroit approximati- vement cylindrique On connaît déjà de nombreux traduc- teurs-de ce type En général, le traducteur 10 et lapièce sont immergés dans un liquidetel que l'eau, contenu dans une cuve, non représentée Le traducteur 10 est porté par une potence 12 donnant au traducteur une distance h par rapport à la pièce et une inclinaison déterminées Cette potence fait partie d'un équipage mobile en rotation au- tour de l'axe 11, comportant des moyens 13 de mesure de la position angulaire de la potence, fournissant l'angle a du traducteur autour de l'axe 11. Un tel dispositif permet d'effectuer plusieurs ba- layages angulaires successifs autour d'axes perpendicu- laires à la pièce, par exemple les axes 11 et 11 ' sur la figure 1 Pour éviter la nécessité de joints tournants d'alimentation électrique du traducteur, l'équipage mo- bile peut être prévu pour osciller entre deux positions extrêmes définies par des butées plutôt que pour tourner toujours dans le même sens On peut également utiliser des miroirs tournants, bien qu'ils allongent le parcours préliminaire. La détermination des coordonnées X,Y,Z du premier réflecteur rencontré par un faisceau ultrasonore peut toujours être réalisée par un calcul simple, notamment lorsque la surface d'entrée du faisceau d'ultrasons est plane En effet, le parcours préliminaire du faisceau d'ultrasons dans le liquide reste constant et égale à h. Avec les notations indiquées en figure 1, on voit que l'apparition d'un écho S de niveau supérieur au seuil est liée à la présence d'un réflecteur R dans la pièce par les relations: X = x + (h sin i + c 1 t sin r) cos a, ( 1) Y= y + (h sin i + c 1 t sin r) sin a, ( 2) Z = c 1 t cos r ( 3) Puisque le calculateur reçoit les coordonnées numérisées x A et y A du point A, il n'est pas nécessaire de remonter aux coordonnées x, y du centre de l'émetteur et on obtient les coordonnées du réflecteur par le sys- tème suivant d'équations ( 1), ( 2) et ( 3) qui ne contient ni h, ni l'angle d'incidence IL X = x A + clt sin r Cos a, ( 1) Y = y ++ c t sin r sin a, ( 2) at cos r ( 3) Dans cette formule, t désigne le temps d'aller (ou de retour) dans la pièce, r l'angle de réfraction (déduit de i par la loi de Descartes), a l'azimut du traducteur 10, h, r et la célérité dans la pièce c 1 sont connus et cons- tants. En pratique, on mettra généralement en oeuvre l'in- vention dans une installation existante, déjà munie d'une cuve à balayage XY, telle par exemple que la cuve fabri- quée et commercialisée par la COMPAGNIE GENERALE DE RADIOLOGIE sous la référence CE 2 Le système de mesure de cette cuve permettra de fournir les coordonnées du point A suivant OX et OY Un capteur de mesure d'angle de rota- tion, à sortie numérique ou muni d'un convertisseur ana- logique/numérique 14, fournit la valeur de a à un calcu- lateur 15 qui reçoit également les coordonnées numérisées de A. La détection des échos d'amplitude supérieure au seuil peut s'effectuer de façon classique, en utilisant par exemple un circuit du genre montré en figure 1, o on suppose que la vitesse de rotation du traducteur 1 C est suffisamment faible pour qu'il soit possible de l'utili- ser à l'émission et à la réception Le circuit comporte une horloge 16 envoyant, à intervalles réguliers, des 253-0342 impulsions qui sont amplifiées en 17 et appliquées au traducteur Les signaux en retour, amplifiés en 18, sont appliqués à un détecteur à seuil 19 Le temps de parcours entre émission et réception d'un écho supérieur au seuil est mesuré par un circuit 20 qui attaque également le calculateur 15 Les coordonnées XYZ de chaque écho retenu sont stockées par le calculateur dans une mémoire 21. Il faut remarquer au passage que les relations entre coordonnées sont plus complexes lorsque la pièce n'a pas -10 de surface plane, mais on peut cependant se contenter en général des relations 1, 2 et 3 ci-dessus qui fournissent une représentation de la pièce que l'on peut assimiler à un développement. La table de remplacement en OX et OY permet d'effec- tuer des explorations coniques de la pièce autour d'axes 11 successifs Deux axes 11 et 1 ont été représentés sur la figure 1 et l'on voit que le réflecteur R, consti- tué par exemple par une fissure ou une crique, apparaîtra beaucoup mieux au cours du balayage autour de l'axe 11 qu'autour du balayage suivant l'axe 11 ', le faisceau di- rigé dans la pièce suivant A'-R étant dans ce dernier cas presque parallèle à la direction du réflecteur. Il suffira en règle générale d'un calculateur de petite taille, par exemple du type HP 85 (HEWLETT-PACKARD), éventuellement complété par des mémoires supplémentaires. A la fin du balayage de la pièce autour d'unnombre d'axes 11 successifs qui dépendra des dimensions de la pièce, le calculateur 15 restitue les coordonnées de chaque zone correspondant à un signal d'écho significatif La resti- tution peut en particulier se faire sous forme d'une re- présentation en perspective de la pièce sur l'écran du moniteur associé au calculateur Eventuellement, cette image peut être stockée puis comparée, ajoutée ou retran- chée à une image obtenue dans des conditions différentes. par exemple avec un angle i différent. On voit que la mise en oeuvre de l'invention peut s'effectuer dans des conditions adaptées à chaque cas particulier et que de nombreux paramètres peuvent être sélectionnés pour répondre au mieux à la nature de la pièce et au type d'anomalie à détecter. A titre d'exemple, on a montré sur la figure 2 une mise en oeuvre possible de l'invention pour détecter les fissures éventuelles dans un cordon de soudure hexagonal 22 entre un bouchon 23 et un tube à section hexagonale 24, l'un et l'autre en acier Le traducteur 10 est cons- titué par une pastille de-titanate de-barium 25 d'au moins 10 millimètres de diamètre, placée entre un bloc amortisseur et une lentille de focalisation 26 En géné- ral, on adoptera une pastille dont la fréquence de réso- nance est comprise entre 2 et 10 M Hz L'angle d'incidence i sera notamment choisi en fonction de la nature des ondes utilisées (ondes longitudinales si l'on souhaite favoriser la traversée du métal, ondes transversales si lion souhaite renforcer les échos) Les essais ont essen- tiellement été effectués avec un traducteur présentant une longueur focale de l'ordre de 50 mm, travaillant en ondes transversales à 5 M Hz, la pastille 25 ayant 10 mm de diamètre Le trajet préliminaire h dans l'eau de la cuve était de 24 mm L'angle d'incidence i était de 250 et conduisait à un angle moyen de réfraction de 700 et à un angle de réflexion sur la face interne du même ordre. Le cercle de moindre diffusion du faisceau (correspondant à la distance focale à partir du traducteur) se plaçait ainsi approximativement-au plan de joint, au sein de la soudure La pièce est immergée dans une cuve du type commercialisé par la CGR sous le nom CE 2 Le cordon est exploré face par face, en plusieurs passages effectués parallèlement au cordon, avec un pas de l'ordre de 0,5 mm L'apparition lors de cette exploration d'un signàl supérieur au seuil fixé, déclenche la mesure de son re tard par rapport à l'écho d'entrée, celle de 4 (dornnée numériquement par un codeur optique) et la convers:on en numérique des mesures x A et y A' fournies analogiquement par la cuve Ces mesures sont stockées dans une mémoire- tampon, puis vidées dans le calculateur à chaque fin de ligne Le calculateur, du type HP 85, donne en fin de balayage une vue en perspective sur son écran et permet de sortir des coupes ou des cartes sur table traçante. L'invention est susceptible de très nombreuses va- riantes de réalisation En particulier, comme cela a déjà été indiqué plus haut, on peut traiter l'ensemble du signal haute fréquence reçu après l'écho d'entrée et mémoriser sous forme quantifiée leur niveau, ce qui oblige toutefois à utiliser un calculateur plus puis- sant On peut au contraire effectuer une exploration manuelle, avantageusement en temps réel pour identifier rapidement les zones à étudier plus en détail Dans ce cas, il est souhaitable d'opérer par contact, avec un traducteur à sabot 10 a qui peut être du genre montré en figure 3 Le traducteur 10 a comporte encore une pastille piézoélectrique 25 a, -la focalisation est réalisée par une lentille 26 a en contact avec un sabot métallique de liaison capable de tourner autour de l'axe lla, ou par courbure de la pastille, ce qui évite d'interposer deux milieux différents, l'un pour la lentille et l'autre pour le sabot Un film mince de liquide de couplage est inter- posé entre le sabot 27 et la surface de la pièce Dans ce cas, il sera généralement préférable de repérer la position du traducteur 10 a en coordonnées polaires par rapport au système d'axes liés à la pièce, ainsi que son orientation par rapport au rayon vecteur OA. REVENDICATIONS 1 Procédé d'échographie ultrasonore permettant de localiser les zones de réflexion des ultrasons dans un lilieu, suivant lequel on dirige un faisceau fin d'ultra- sons dans le milieu à travers la surface dudit milieu et on déterminé la position des zones fournissant un écho pour plusieurs positions de faisceau, caractérisé en ce qu'on déplace le faisceau d'ultrasons,à parcours préli- minaire constant, successivement suivant les génératrices de plusieurs cônes de révolution ayant leur sommet (A) sur ladite surface et leur axe ( 11) perpendiculaire à ladite surface, avantageusement de m Noe angle au scimet. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on déduit lescoordonnées (XYZ) en repère lié à la pièce de chaque zone (R) de réflexion de la position de l'orientation du faisceau et du temps de parcours. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce qu'on réalise une représentation de la pièce par superposition des informations tout ou rien pour des positions différentes du faisceau. 4 Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce qu'on numérise le niveau d'écho reçu par chacun des éléments de volume du milieu centré sur un noeud d'un réseau à trois dimensions dans le milieu et en ce qu'on effectue une sommation des échos correspon- dant à chacun des éléments. Appareil d'échographie ultrasonore permettant de localiser les zones de réflexion d'ultrasons dans un mi- lieu, comprenant des moyens ( 10) d'émission d'un faisceau fin d'ultrasons et de réception des échos ultrasonores, un dispositif ( 12) permettant de déplacer lesdits moyens à l'extérieur du milieu de façon à réaliser un balayage de ce dernier, et des circuits de calcul des coordonnées des zones produisant un écho supérieur à un seuil pré- déterminé, caractérisé en ce que ledit dispositif ( 12) est prévu pour donner auxdits moyens ( 10) un mouvement de balayage constitué par une rotation autour d'un axe ( 11) perpendiculaire à la surface en les maintenant dans une orientation'telle que le faisceau pénètre dans la pièce sur l'axe à parcours préliminaire constant et pour répéter ce balayage autour de plusieurs axes ( 11, 11 ',) perpendiculaires à la surface. 6 Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont prévus pour détermi- ner l'emplacement (XYZ) des sources d'écho (R) dans un système de coordonnées liées à la pièce à partir du temps de parcours des ultrasons, de l'emplacement de l'axe ( 11) et des coordonnées des moyens par rapport à l'axe. 7 Appareil suivant la revendication 5 ou 6, carac- térisé en ce qu'il comprend des moyens de visualisation en perspective du milieu.