Brevet FR2526951A1 — publié le 19831118

Dispositif d'examen par ultrasons pour l'examen non destructif des matériaux. L'invention concerne un dispositif d'examen par ul- trasons pour l'examen non destructif des matériauxrcomprenant un amplificateur'de réception ainsi que des têtes d'examen de fréquences nominales différentes f O qui sont utilisées tant pour générer que pour recevoir les ondes ultrasonores et une résistance variable d'atténuation pour le réglage de l'amplitude de l'impulsion émise. Pour obtenir un haut pouvoir de résolution spatiale avec des dispositifs d'examen par ultrasons pour l'examen non destructif des matériaux en utilisant des têtes d'examen normales, il est nécessaire de travailler avec des impulsions sonores très courtes A cet effet, une impulsion émise cor- respondante de courte durée excite une tête d'examen par ul- trasons fortement amortie (tête d'examen à large bande). L'écho réfléchi est ensuite reçu par cette tête d'examen à large bande et le signal électrique correspondant est ampli- fié dans un amplificateur à large bande L'impulsion d'émis- sion électrique est en règle générale produite en déchargeant très rapidement un condensateur chargé par une tension pré- déterminée, à l'aide d'un composant jouant le r 6 le de commu- tateur, tel que transistor ou thyristor. Comme les dispositifs d'examen par ultrasons fonc- tionnent, selon les types d'examen à effectuer, avec des tê- tes d'examen de fréquences nominales différentes, il est pré- vu un dispositif qu'on peut appeler régulateur d'impulsion pour adapter l'émetteur à chaque tête d'examen, permettant de régler l'amplitude de l'impulsion d'émission électrique. Il s'agit ici d'une résistance d'atténuation disposée en parallèle avec la sortie d'émission et par conséquent égale- ment avec la tête d'examen, ainsi qu'avec l'entrée du récep- teur L'utilisateur ajuste 'Le régulateur d'impulsion de l'ap- pareil d'examen par ultrasons jusqu'à ce qu'il considère que les impulsions visualisées sur l'écran de l'appareil d'exa- men par ultrasons sont représentées de façon optimale-(am- plitude maximale et absence de distorsion de l'impulsion d'écho). Lors de l'application de cette méthode connue d'adap- tation de la tête d'examen à l'émetteur, il est apparu que les réglages varient en fonction de l'utilisateur de l'appa- reil d'examen par ultrasons Ce procédé connu ne permet donc pas d'obtenir un réglage reproductible Il conduit au con- traire à des ajustements fortement entachés d'erreur etpar conséquent, à des estimations erronnées -Il est effet apparu qu'à la variation de la résistance d'atténuation était éga- lement liée une modification du spectre de fréquence de l'en- semble du système émetteur-tête d'examen-récepteur Si l'on utilise par exemple une tête d'examen à 2 M Hz, le domaine de sensibilité maximale peut se trouver à 1 M Hz en cas de mau- vais réglage de la résistance d'atténuation. La présente invention vise à fournir un dispositif d'examen par ultrasons du type général ci-dessus mentionné tel que le régulateur d'impulsion ait le moins d'influence possible sur le spectre de fréquence de l'ensemble du systè- me émetteur tête d'examen récepteur. Dans ce but, l'amplificateur de réception présente une réponse en fréquence V(f) adaptée à chaque tête d'examen utilisée et choisie de telle manière que le produit 11 (f) de la distribution spectrale S(f) de l'émetteur par la réponse en fréquence V(f) de l'amplificateur de réception soit indé- pendant de la fréquence jusqu'à la fréquence nominale f de la tête d'examen correspondante et qu'il atteigne sa valeur maximale dans ce domaine Il suffit cependant en pratique que H(f) soit pratiquement constant entre f et f /10 Pour des résistances d'atténuation supérieures à 1 hohm, la dé- croissance maximale d'amplitude dans le domaine allant de f O à f 0/10 pourra être inférieure au dizième de l'amplitude maximale de H(f). Lorsqu'on utilise les émetteurs habituellement em- ployés dans les appareils d'examen par ultrasons qui mettent en jeu la décharge d'un condensateur pour générer les impul- sions, il est nécessaire, du fait de la décroissance en 1/f 1 o du spectre d'émission correspondant, que la réponse en fré- quence de l'amplificateur de réception V(f) augmente linéai- rement de 6 d B/octave jusqu'à environ f 0. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples de réalisation, description qui se réfère aux dessins, dans lesquels: la figure 1 représente le circuit d'un dispositif d'exa- men par ultrasons en lui-même connu, comportant un régula- teur d'impulsion; la figure 2,représente la distribution spectrale d'un dispositif d'examen par ultrasons selon la figure 1; les figures 3 a à 3 d représentent les réponses en fré- quence ou les répétitions spectrales de l'émetteur S(f), de l'amplificateur de réception V(f), de la tête d'examen P(f) et du produit H(f) = S(f) V(f); les figures 4 a à 4 d représentent les réponses en fré- quence correspondant aux figures 3 a à 3 c lorsqu'on utilise un amplificateur présentant une réponse en fréquence linéai- re jusqu'à la fréquence nominale de la tête d'examen, ainsi que la réponse en fréquence du produit li'(f) P(f) la figure 5 représente un filtre RC fournissant la ré- ponse en fréquence de la figure 4 b; et la figure 6 représente un dispositif d'amplification pour l'adaptation à des têtes d'examen par ultrasons à large bande, ayant des fréquences médianes f O différentes. La figure 1 montre un émetteur ultrasonore 1 essen- tiellement constitué d'un thyristor 10, d'un condensateur Il et d'un régulateur d'impulsion 12 L'électrode de commande du thyristor 10 est reliée par un conducteur 2 à un déclen- cheur 3 La sortie de l'émetteur I est reliée par un conduc- teur 7 à une tête d'examen par ultrasons 4 ainsi qu'à l'en- trée d'un amplificateur de réception à large bande 5 auquel est raccordée une unité d'exploitation 6. Le mode de fonctionnement d'un circuit de ce type est déjà connu et ne sera rappelé dans la suite que si cela est nécessaire pour la compréhension de l'invention. Le déclencheur 3 produit,à intervalles de temps pré- déterminés, des impulsions qui sont appliquées par le conduc- teur 2 à l'électrode de commande du thyristor 10 Cette im- pulsion de déclenchement rend le thyristor 10 conducteur de sorte que le condensateur 11, préalablement chargé sous une tension U 0, se décharge Une impulsion correspondante (de dé- charge) est transmise par le conducteur 7 à l'oscillateur piézoélectrique 40 de la tête d'examen 4 Celle-ci produit une impulsion qui pénètre dans la pièce 8 et qui y est réflé- chie par un défaut 80 Le signal d'écho revient vers l'oscil- lateur piézo-électrique 40 et est transformé en une-impulsion électrique correspondante qui est-ensuite amplifiée dans l'am- plificateur 5 et traitée dans l'unité d'exploitation 6. A l'aide du régulateur d'impulsion 12, on peut ré- gler l'amplitude de l'impulsion émise Comme mentionné pré- cédemment, on tient insuffisamment compte, dans les dispositifs d'examen par ultrasons connus, du fait que l'utilisation de ce régulateur d'impulsion a pour-conséquence de modifier le spectre de fréquence du système constitué par l'émetteur 1, la tête d'examen 4 et l'amplificateur; Cela peut conduire, en particulier lorsqu'on utilise des têtes d'examen à large bande, à une évaluation erronée du défaut L 'action du régu- lateur d'impulsion 12 sur la réponse en fréquence de l'ensem- ble du dispositif à ultrasons constitué par l'émetteur 1, la tête d'examen 4 et l'amplificateur 5 est illustrée par la figure 2 L'amplitude est portée en ordonnées, en décibels, et la fréquence est portée en abscisses, en mégaherz. La fréquence moyenne de la tête d'examen 4 est de 2 M Hz La courbe A correspond à une réponse en fréqoence pour laquelle la résistance du régulateur d'impulsion 12 était d'environ 400 Q. Les courbes B et C ont été obtenues avec des résistances de 100 et de 50 2. Ces courbes montrent qu'une modification de la valeur de la résistance du régulateur d'impulsion 12 provoque une variation d'intensité du spectre de l'impulsion (variation de la sensibilité) ainsi qu'une modification de la partie initiale du spectre de fréquence Enfin, la fréquence moyen- ne du maximum principal, situé à environ 2 M Hz, se déplace également, de sorte que la sensibilité maximale se trouve lé- gèrement décalée par rapport à la fréquence moyenne de la tête d'examen Les maxima secondaires situés à 6 et 10 ffz sont provoqués par la tête d'examen 4 et sont sans importance pour la présente invention. Il est apparu que les spectres de l'ensemble du sys- tème représentés dans la figure 2 peuvent être établis à partir des spectres individuels de l'émetteur 1, de la tête d'examen 4 et de l'amplificateur 5 A cet effet,on forme d'abord le produit H teur par la réponse en fréquence V(f) de l'amplificateur, puis on calcule le produit de H(f) par la réponse en fréquen- ce P(f) de la tête d'examen Celui-ci est représenté à titre d'exemple sur les figures 3 a à 3 d La figure 3 a représente le spectre de fréquence de l'émetteur à thyristor 1 représenté figure 1 Le comporte- ment en fréquence de l'émetteur est essentiellement détermi- né par la décroissance en 1/f provoquée par le thyristor jouant le rôle de commutateur Le condensateur il et le ré- gulateur d'impulsion 12 jouent essentiellement le rôle de filtre passe-haut Une variation de la valeur de la résistan- ce du régulateur d'impulsion provoque, de la même façon que dans le cas de la figure 2, un décalage du spectre de fré- quence. La figure 3 b montre encore la réponse en fréquence V(f) de l'amplificateur de réception à large bande 5. La figure 3 c représente les spectres H(f) du pro- duit du spectre d'émission S(f) par V(f) On voit clairement qu'une modification du régulateur d'impulsion 12 provoque d'une part un décalage des fréquences, d'autre part une va- riation de l'amplitude maximale du spectre Cette variation spectrale agit de façon correspondante sur le spectre, illus- tré en figure 3 d, de la tête d'examen de 2 M Hz et conduit au spectre global représenté figure 2. Pour limiter l'influence du régulateur d'impulsion sur la réponse en fréquence du dispositif à ultrasons, il est proposé, suivant l'invention, d'utiliser un amplifica- teur à bande étroite adapté à chaque tête d'examen 4 utili- sée, au lieu de l'amplificateur à large bande 5 La réponse en fréquence de cet amplificateur est choisie de manière que le produit H'(f) de la distribution spectrale de l'émet- teur par la réponse en fréquence de l'amplificateur de ré- ception soit à peu prés indépendant de la fréquence jusqu'à la fréquence nominale f de la tête d'examen 4 au moins o dans l'intervalle de fréquence allant de fo à f /10-. La figure 4 a représente encore un spectre d'émission S'(f) pour trois valeurs différentes du régulateur d'impul- sion 12 La courbe A' correspond à une résistance de 1000 n alors que les courbes B' et C' correspondent respectivement à des résistances de 400 et de 200 Q. La figure 4 b montre encore la réponse en fréquence V'(f) de l'amplificateur de réception Jusqu'à environ la fréquence nominale f ( 2 M Hz) de la tête d'examen, la réponse en fréquence augmente linéairement de 6 d B par octave Ceci permet de compenser la décroissance en 1/f de l'émetteur à thyristor (fig 4 a) L'évolution de la réponse en fréquence au-delà de f O n'est pas déterminante et est fixée par le com- portement en fréquence des composants raccordés en aval de l'amplificateur. La figure 4 c représente le produit I'(f) de S'(f) par V'(f), alors qu'on a représenté dans la figure 4 d le produit de I 1 '(f) par P(f), P(f) étant la réponse en fréquen- ce de la tête d'examen, indiquée sur la figure 3 d. Comme le montre la figure 4 d, et contrairement à la figure 2, une variation du régulateur d'impulsion 12 ne provoque ni modification de l'amplitude ni décalage de la fréquence en fonction de la fréquence moyenne Seule la par- tie initiale du spectre est légèrement décalée. Sur la base des résultats à attendre mentionnés plus haut, il aurait été envisageable de renoncer totalement au régulateur d'impulsion 12 étant donné que, par le choix de la réponse en fréquence de l'amplificateur en fonction de la fréquence nominale de la tête d'examen 4, on parvient déjà à une adaptation optimale du système émetteur tête d'examen amplificateur de réception Il est cependant apparu dans la pratique que l'adjonction d'un régulateur d'impulsion était judicieuse Pour les valeurs très élevées de la résistance du régulateur d'impulsion ou même en cas de défaut de cette résistance (résistance infinie), les impulsions d'émission sont, en raison d'effets d'amortissement, sensiblement plus longues qu'avec des valeurs de résistance plus faibles, de telle sorte que la zone d'influence de l'impulsion d'émission est plus importante et que,par conséquent, le pouvoir de résolution spatiale diminue Dans la plupart des cas d'utilisa- tion, il suffit que le régulateur d'impulsion présente une valeur d'environ 1 kn Dans ce cas, le spectre de fréquence résultant (fig 4 d) est encore suffisamment large et la zone d'influence de l'impulsion d'émission est déjà suffisamment petite On peut cependant penser également à des cas prati- ques dans lesquels la zone d'influençe de l'impulsion d'émis- sion doit être très petite, ce qui nécessite le choix d'une valeur de résistance du régulateur d'impulsion 12 inférieure à 1000 an (par exemple 400 il); même si dans ces cas la bande passante du système émettcer 1 tête d'examen 4 amplificateur de réception 5 est plus faible qu'avec des valeurs élevées de la résistance. Un amplificateur ayant la rrponse en fréquence mon- trée en figure 4 b peut être réalisé dans le cas le plus sim- ple au moyen d'un amplificateur à large bande associé à un filtre passe-haut, tel que celui indiqué dans la figure 5. Ce filtre passe-haut est essentiellement constitué d'un con- densateur 51 et d'une résistance 52 (filtre RC). Si on doit utiliser plusieurs têtes d'examen de fréquences moyennes différentes avec un appareil d'examen par ultrasons, il convient de remplacer l'amplificateur à large bande 5 représenté sur la figure 1 par l'amplificateur 500 représenté en figure 6 Il comprend essentiellement deux amplificateurs à large bande 501 et 502 Entre ces amplifica- eurs sont disposés des filtres 503, chaque filtre correspon- dant à la fréquence moyenne d'une tête d'examen (par exemple entre 1 et 10 M Hz) Un commutateur 504 permet-d'insérer en- suite, entre les amplificateurs 501 et 502, le filtre cor- respondant à la fréquence moyenne de la tête d'examen utilisée. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'examen par ultrasons pour l'examen non destructif de matériaux, comprenant un émetteur et un amplificateur de réception ainsi que des têtes d'examen à large bandes à diverses fréquences nominales f qui sont chacune utilisées pour produire et pour recevoir les ondes ultrasonores, et une résistance d'atténuation variable pour régler l'amplitude de l'impulsion d'émission, caractérisé en ce que l'amplificateur de réception ( 5) a une réponse en fréquence V(f) adaptée à chaque tête d'examen ( 4) utilisée et prévue pour que le produit H(f) de la distribution spec- trale S(f) de l'émetteur ( 1) par la réponse en fréquence V(f) de l'amplificateur de réception ( 5) soit pratiquement constant approximativement jusqu'à la fréquence nominale f de la tête d'examen ( 4) au moins entre f et f /10 et o o atteigne sa valeur maximale dans ce domaine. 2 Dispositif d'examen pour ultrasons selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que, pour des valeurs de la résistance d'atténuation supérieures à 1 k 5, la décroissance maximale d'amplitude dans le domaine limité par f et -f/10 est inférieure ou égale à Umax/10, Umax étant l'amplitude maximale de H(f). 3 Dispositif d'examen par ultrasons selon la re- vendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la réponse en fré- quence V(f) de l'amplificateur de réception ( 5) augmente linéairement d'à peu près 6 d B/octave jusqu'à environ f 4 Dispositif d'examen par ultrasons selon la re- vendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'amplificateur de réception ( 5) comprend au moins deux amplificateurs à large bande ( 501, 502) entre lesquels sont disposés plusieurs filtres ( 503) adaptés aux fréquences des têtes d'examen indi- viduelles ( 4) et insérables séparément en circuit au moyen d'un commutateur ( 504).