Brevet FR2642253A1 — publié le 19900727

TRANSDUCTEUR ULTRASONORE POUR LA VISUALISATION DE DEFAUTS. L'invention se rapporte aux dispositifs de contrôle et de mesure et concerne notamment les transducteurs ultrasonores utilisés pour la visualisation de défauts. L'invention peut être appliquée au contrôle 1 non destructif de la qualité de matières et de produits,- y compris de joints soudés, de structures métalliques de différentes destinations, des cuves et autres ensembles de réacteurs nucléaires, dans la construction navale, dans la construction par exemple d'oléoducs et d'objets analogues, et dans différentes branches des constructions mécaniques et du bâtiment. On connaît déj& un transducteur ultrasonore à angle d'entrée du faisceau ultrasonore variable, comportant un prisme possédant une cavité de forme 23 conique abritant un ensemble de rotation portant un élément piézoélectrique. Dans un tel transducteur, la variation de l'angle d'entrée du faisceau ultrasonore est réalisée en faisant pivoter sur le prisme, l'ensemble support de rotation portant l'élément piézo- électrique (SU, A, 728076). L'inconvénient d'un tel transducteur réside en l'impossibilité de réaliser une variation automatique de l'angle d'incidence et de déterminer sa valeur instantanée; autrement dit, on ne peut déterminer que la présence d'un défaut sans pouvoir déterminer ses coordonnées ni son niveau conventionnel, ce qui diminue la productivité et la validité du contrôle. On connaît des transducteurs ultrasonofes dans lesquels, pour la commande électrique de la position angulaire de tout le transducteur, on utilise une plaque demi-circulaire sensible en position aux courants tourbillonnaires. Le transducteur comporte, de plus, un émetteur, une lentille acoustique asphérique et une servo-commande de l'émetteur (Pol Greguss, "Ultrasonic imaging", 1980, London, ch. 4.3.2.). Un tel transducteur se caractérise par une inertie notable due à la présence de la servo-commande, ce qui limite la vitesse de balayage du faisceau ultrasonore. Le dispositif le plus proche de l'invention proposée, quant à son idée technique, est constitué par un transducteur ultrasonore à balayage automatique comportant un prisme ultrasonore ayant une cavité abritant un ensemble de rotation, avec au moins un élément piézo-électrique fixé à cet ensemble. Le transducteur comporte une commande sous forme de deux électro-aimants. L'ensemble de rotation comporte une plaquette en un matériau ferromagnétique sur laquelle sont fixés des éléments piézo-électriques et qui sert d'armature aux électro-aimants (SU, A, 451943). La commande est reliée à l'ensemble de rotation et est fixée au prisme. L'inconvénient de ce transducteur réside en une cadence de contrôle insuffisamment élevée, ce qui est dû aux limitations de la vitesse d'oscillation de l'ensemble porte-éléments piézo-électriques, ces limitations étant liées aux phénomènes de turbulence et à la viscosité du liquide, en général de l'huile. D'autres inconvénients de ce transducteur sont sa relativement faible sensibilité, et une grande zone morte du transducteur due à des réflexions multiples dans le liquide d'immersion à l'interface liquide- corps. En outre, il ne donne pas de possibilité d'obtenir une information sur la valeur instantanée de l'angle d'incidence du faisceau, ce qui ne permet pas de former à l'aide du transducteur, une image bidimensionnelle panoramique de la zone à contrôler du produit. L'invention vise & fournir un transducteur pour la visualisation de défauts qui permettrait de former rapidement l'image bidimensionnelle panoramique du produit à contrôler grâce à l'obtention d'une information supplémentaire sur la position de l'élément piézo-électrique relativement à la surface du produit à contrôler. Le problème ainsi posé est résolu du fait qu'un transducteur ultrasonore pour la visualisation de 0 défauts, à balayage automatique du faisceau ultrasonore, comportant un prisme possédant une cavité dans laquelle est disposé au moins un élément piêzo- électrique fixé sur un support de rotation, ainsi qu'une commande servant à réaliser le balayage du faisceau ultrasonore en interaction avec le support de rotation de l'élément piézo-électrique et fixée sur le prisme, conformément à l'invention, comporte un capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage relié au support de rotation et fixé sur le prisme. Avantageusement, le capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage comporte un élément mobile fixé sur le support de rotation de l'élément piézo-électrique, et un ensemble fixe possédant deux enroulements couplés à induction mutuelle et montés sur le prisme, avec lesquels coopère l'élément mobile pour créer un signal proportionnel à l'angle d'incidence ou à l'angle d'entrée du faisceau ultrasonore. Le capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage peut être muni d'un limiteur de l'angle de rotation de l'ensemble de rotation de l'élément piézo-électrique, comprenant deux déflecteurs élastiques mécaniques disposés sur le prisme, ainsi que deux axes se situant de part et d'autre de l'élément mobile et liés, chacun, au déflecteur mécanique correspondant, et un commutateur du régime de travail, qui, dans un premier état, maintient, à l'aide des déflecteurs mécaniques, l'élément mobile en position neutre, et dans un second état, assure un mouvement de va-et-vient de l'élément mobile entre les déflecteurs mécaniques écartés entre eux. Il s'est avéré avantageux d'exécuter les déflecteurs mécaniques sous la forme d'un élément élastique unique qui serre par ses extrémités libres l'élément mobile pour maintenir ce dernier en position neutre. Il est également rationnel que le limiteur de l'angle de rotation comprenne deux butoirs se situant sur le prisme de deux côtés différents par rapport à l'élément mobile et coopérant, chacun, avec le déflecteur mécanique correspondant, lorsque l'élément mobile est maintenu en position neutre. Dans le cas o la commande de balayage du faisceau ultrasonore comporte un électro-aimant à courant alternatif, il est avantageux que les contacts du commutateur de régime de travail soient connectés électriquement à l'enroulement de l'électro-aimant à courant alternatif de façon que, lorsque les contacts sont ouverts, l'élément mobile se trouve en position neutre, et lorsque les contacts sont fermés, les déflecteurs mécaniques libèrent l'élément mobile pour qu'il puisse exercer un mouvement de va-et-vient. Le capteur de l'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage peut comporter un ressort fixé au prisme et sollicitant l'élément mobile, et il est préférable de choisir la rigidité du ressort telle que la fréquence de résonance mécanique du capteur de l'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage soit égale ou inférieure à la fréquence de déplacement de l'élément mobile. En outre, il est avantageux que la commande de balayage du faisceau ultrasonore-comporte un élément ferromagnétique fixé sur l'ensemble de rotation de l'élément piézo-électrique, cet élément ferromagnétique pouvant représenter en soi un aimant permanent orienté par l'un de ses pôles vers l'espace interpolaire de l'électro-aimant à courant alternatif. Il est aussi avantageux que l'ensemble de rotation de l'élément piézoélectrique comprenne un corps de révolution et qu'au moins un élément piézo- électrique et un élément ferromagnétique soient !0 disposés sur ce corps de révolution qui, lui, soit disposé avec un jeu dans la cavité du prisme, remplie d'un liquide conducteur acoustique, et relié à l'élément mobile du capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage, la valeur du jeu entre le corps de révolution et le prisme étant multiple de la demi-onde ultrasonore dans le liquide conducteur acoustique remplissant la cavité du prisme. Une telle exécution du transducteur ultrasonore pour la visualisation de défauts permet d'augmenter la validité du contrôle des produits ainsi que la productivité du travail de l'opérateur. Dans la suite, l'invention est expliquée à l'aide d'une description d'exemples de réalisation en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente une vue d'ensemble d'un transducteur ultrasonore pour la visualisation de défauts, selon l'invention; - la figure 2 représente le même transducteur en coupe suivant la ligne II-II sur la figure 1; - la figure 3 montre un limiteur d'angle de rotation, selon l'invention, et un élément mobile en position neutre, en vue générale; - la figure 4 représente le même limiteur d'angle de rotation dans son second état, selon l'invention; - la figure 5 représente le circuit électrique d'une commande de balayage du faisceau ultrasonore. Le transducteur ultrasonore pour la visualisation de défauts à balayage automatique du faisceau ultrasonore représenté comporte un prisme 1 (figures 1, 2) possédant une cavité 2 présentant une forme axialement symétrique, par exemple cylindrique. Dans cette cavité 2, est placé un élément piézo- électrique 3 (figure 2), fixé à un support 4 de rotation de l'élément piézo-électrique. Le nombre d'éléments piézo-électriques 3 placés dans la cavité 2 peut être augmenté et est déterminé par le schéma d'auscultation et par l'épaisseur du produit à contrôler. Pour simplifier le dessin, un élément piézo- électrique 3 unique est montré sur la figure, fixé à un élément amortisseur 5 réalisé par exemple en une résine époxy avec une charge. L'ensemble de rotation 4 (figure 1) comprend un axe 6 débouchant à l'extérieur du prisme à travers un presse-étoupe 7. La cavité 2 (figure 2) est remplie d'un liquide conducteur acoustique, par exemple d'une huile technique ou de glycérine. Une commande à induction assurant le balayage du faisceau ultrasonore et fixée au prisme 1 est reliée à l'ensemble support de rotation 4. La commande comporte un électro-aimant à courant alternatif 8 à deux enroulements 9 et 10, les enroulements étant places sur un noyau 11. Le transducteur, selon l'invention, comporte aussi un capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage, ayant un élément mobile 12 (figure 1, 3) se présentant sous la forme d'une plaque fixée à l'axe 6, et un ensemble fixe constitué de deux enroulements 13 et 14 (figures 3 et 4) présentant un couplage inductif entre eux, montés sur un support 15 et disposés dans des plans parallèles. Les spires des enroulements 13 et 14 sont de forme triangulaire. Le support 15 est fixé au prisme 1 à l'aide d'une vis 16. L'élément mobile 12 est placé entre les enroulements 13 et 14, parallèlement aux plans dans lesquels ils sont disposés, et coopère avec ces deux enroulements 13 et 14 de façon à créer un signal proportionnel à l'angle d'incidence ou à l'angle d'entrée de faisceau ultrasonore formé par ce faisceau et la surface d'un produit à contrôler (non montré sur le dessin), sur lequel le transducteur ultrasonore est placé pour effectuer un examen de contrôle et de visualisation de défauts. Le capteur d'angle d'incidence comprend en plus un limiteur de la course de l'ensemble de rotation 4 qui comporte deux déflecteurs élastiques mécaniques 17 et 18 situés sur le prisme 1 et coopérant avec l'élément mobile 12. Le prisme 1 porte deux axes 19 et 20, à savoir un axe pour chacun des déflecteurs 17, 18. Les axes 19 et 20 sont disposés de part et d'autre de l'élément 12. En outre, le limiteur comporte un commutateur 21 coopérant avec les déflecteurs 17 et 18 et ayant deux états permettant aux déflecteurs 17 et 18 de prendre, respectivement, deux positions différentes par rapport à l'élément mobile 12. Comme montré sur les figures 3, 4, les déflecteurs 17 et 18 sont réalisés sous la forme d'un élément élastique unique fait en un fil métallique fixé aux axes 19 et 20 et ayant des extrémités libres 22 et 23. Le prisme 1 porte aussi des butoirs 24 et 25 respectivement pour les déflecteurs 17 et 18, contre lesquels ces derniers butent lorsque l'élément mobile 12 est mis en position neutre et est serré entre les déflecteurs 17 et 18, comme montré sur la figure 3. Le capteur d'angle d'incidence comporte un ressort 26 (figure 1) reliant l'élément 12 à un axe fixe 27 solidaire du prisme 1, assurant une liaison élastique dudit élément mobile avec le prisme 1. La rigidité du ressort 26 est choisie en partant de la condition imposant que la fréquence de résonance mécanique du capteur d'angle d'incidence soit égale ou inférieure à la fréquence de déplacement de l'élément 12, ou de balayage du faisceau ultrasonore. Le ressort 26 est nécessaire pour conférer une bonne régularité au déplacement de l'élément 12, et, grâce à sa rigidité choisie comme décrit ci-dessus, il assure une variation dans le temps de l'angle d'incidence du faisceau ultrasonore suivant la loi requise, par exemple linéaire. La commande de balayage du. faisceau -ultrasonore comprend un élément ferromagnétique, fixé à l'ensemble 4 (figure 2) et réalisé sous forme d'un aimant permanent 28. L'un des pôles de l'aimant permanent 28 est orienté vers l'espace interpolaire 29 de l'électro-aimant 8, dont les enroulements 9 et 10 (figure 5) sont mis en série avec les contacts 30 du commutateur 21 (figure 3) et sont raccordés aux bornes 31 d'une source d'alimentation (non montrée sur le 23 dessin). L'ensemble 4 (figure 2) comporte un corps de révolution 32, dans l'exemple considéré, cylindrique, qui, avec un jeu " ", est monté dans la cavité 2 du prisme 1. L'élément piézo-électrique 3 et l'aimant permanent 28 sont disposés sur un corps cylindrique de révolution 32. L'élément mobile 12 est lié au corps de révolution 32 par l'intermédiaire de l'axe 6. Le jeu " e "-entre le corps 32 et le prisme 1 est choisi multiple de la demi-onde ultrasonore dan's le 3' liquide remplissant la cavité 2, c'està-dire que: e n o X est la longueur de l'onde ultrasonore, et n = 1, 2, 3.... Le transducteur ultrasonore fonctionne comme suit. En régime d'angle d'incidence invariable (figure 3), les déflecteurs mécaniques 17, 18 sont rapprochés l'un de l'autre par l'élément mobile du commutateur de régimes de travail 21, qui & son tour, ouvre les contacts électriques 30 et déconnecte les 1: enroulements 9, 10 de l'électro-aimant 8 de la tension de commande. Dans ces conditions, les déflecteurs mécaniques 22, 23 butent contre les butoirs 24, 25 et immobilisent l'ensemble 4 de rotation de l'élément piézo-électrique, donc l'élément piézo-électrique lui même porté par cet ensemble, par l'intermédiaire de l'élément mobile 12, en une position correspondant à l'angle d'incidence standard du faisceau ultrasonore. En régime de balayage (figure 4), les déflecteurs mécaniques 17, 18 sont écartés entre eux en étant maintenus par les axes fixes 19, 20, tandis que le commutateur 21 ferme, à son tour, les contacts électriques 30 et connecte les enroulement 9, 10 de l'électro-aimant 8 à la source d'alimentation. La tension de commande appliquée à l'électro-aimant 8 par le commutateur 21 ayant établi le circuit engendre un champ magnétique alternatif qui, en attirant et en repoussant l'aimant permanent 28, provoque les oscillations de l'ensemble de rotation et, donc, de l'élément mobile 12 fixé à cet ensemble, dans le secteur prédéterminé de balayage. Le ressort 26 sert à rendre plus régulier le mouvement du support 4 de rotation de l'élément piézo-électrique et possède une rigidité choisie compte.tenu de la condition imposant d'assurer la résonance mécanique à une fréquence qui n'est pas inférieure à la fréquence d'oscillation. En se déplaçant entre les enroulements 13, 14, l'élément mobile 12 fait varier périodiquement la mutuelle induction, et partant, la valeur des signaux électriques à l'un des enroulements 13 ou 14 qui sert d'enroulement de sortie dans le capteur d'angle d'incidence. L'arrêt du balayage et l'immobilisation de l'élément piézo-électrique 3 sont imposés lors de l'ajustage et de l'étalonnage du transducteur ultrasonore, car, dans ce cas, le transducteur doit !0 fonctionner en transducteur ordinaire orienté obliquement. De cette façon, le transducteur ultrasonore à balayage automatique proposé, comparé à la technique antérieure, permet de multiplier la productivité par deux ou trois, ainsi que d'améliorer d'autant la validité des résultats du contrôle du fait de l'augmentation de la vitesse d'oscillation de l'ensemble mobile devenue possible grâce à la commande à induction, à l'augmentation de la sensibilité et à la réduction de la zone morte du transducteur, à la possibilité d'obtenir l'information sur la valeur instantanée de l'angle d'incidence du faisceau ultrasonore, et à la possibilité d'immobiliser le transducteur en position correspondant à l'angle étalon d'incidence du faisceau ultrasonore. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation cidessus décrites et représentées, et on pourra en prévoir d'autres formes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1) Transducteur ultrasonore pour la visualisation de défauts, à balayage automatique du faisceau ultrasonore, comportant un prisme (1) possédant une cavité (2) dans laquelle est disposé au moins un élément piézoélectrique (3) fixé sur un support (4) de rotation, et une commande de balayage du faisceau ultrasonore en interaction avec le support (4) de rotation de l'élément piézo-électrique (3) et fixée sur le prisme (1), transducteur caractérisé en ce qu'il comporte un capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage relié au support (4) de rotation de l'élément piézo-électrique (3) et fixé au prisme (1). 2) Transducteur ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage comporte un élément mobile (12) fixé du support (4) de rotation de l'élément piézo-électrique (3), et un ensemble fixe ayant deux enroulements couplés à induction mutuelle (13, 14), qui sont montés sur le prisme (1) et avec lesquels coopère l'élément mobile (12) pour créer un signal proportionnel à l'angle d'incidence ou à l'angle d'entrée du faisceau ultrasonore. 3) Transducteur ultrasonore selon 'la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage comprend un limiteur de l'angle de rotation du support (4) de rotation de l'élément piézo-électrique (3), ce limiteur comportant deux déflecteurs élastiques mécaniques (17, 18) disposés sur le prisme (1). 4) Transductpur ultrasonore selon la revendication 3, caractérisé en ce que le limiteur-de l'angle de rotation comprend deux axes (19, 20) se situant de deux côtés différents par rapport à l'élément mobile (12) et sur le prisme (1), en liaison, chacun avec le déflecteur mécanique correspondant (17, 18), ainsi qu'un commutateur de régime de travail (21) qui dans un premier état, à l'aide de déflecteurs mécaniques (17, 18), maintient l'élément mobile (12) en position neutre, et, dans un deuxième état, assure un mouvement de va-et-vient de l'élément mobile (12) entre les déflecteurs mécaniques (17, 18) écartés entre eux. ) Transducteur ultrasonore selon l'une des !0 revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les déflecteurs mécaniques (17, 18) sont réalisés sous la forme d'un élément élastique unique qui, par ses extrémités libres (22, 23), coince l'élément mobile (12) pour le maintenir en position neutre. 6) Transducteur ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le limiteur de l'angle de rotation comporte deux butoirs (24, 25) disposés sur le prisme (1) de deux côtés différents par rapport à l'élément mobile (12) et coopérant avec le déflecteur mécanique correspondant (17, 18) lorsque l'élément mobile est immobilisé en position neutre. 7) Transducteur ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la commande pour le balayage par faisceau ultrasonore comporte un électroaimant à courant alternatif (8), transducteur caractérisé en ce que les contacts électriques (30) du commutateur de régime de travail (21) sont connectés électriquement à l'enroulement (9) de l'électro-aimant à courant alternatif (8), et en ce que, lorsque les contacts (30) sont ouverts, l'élément mobile (12) se trouve immobilisé en position neutre, tandis que lorsque ces contacts (30) sont fermés, les déflecteurs mécaniques (17, 18) libèrent l'élément mobile (12) en lui permettant d'exercer le mouvement de va-et-vient. 8) Transducteur ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé-en ce que le capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage comprend un ressort (26) fixé au prisme (1) et sollicitant l'élément mobile (12). 9) Transducteur ultrasonore selon la revendication 8, caractérisé en ce que le ressort (26) a une rigidité à laquelle la fréquence de résonance mécanique du capteur d'angle d'incidence du faisceau !0 ultrasonore de balayage est égale ou inférieure à la fréquence de déplacement de l'élément mobile (12). ) Transducteur ultrasonore selon la revendication 7, et l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la commande de balayage par faisceau ultrasonore comprend un élément ferromagnétique fixé au support (4) de rotation de l'élément piézo-électrique (3). 11) Transducteur ultrasonore selon la revendication 10, caractérisé en ce que, comme élément ferromagnétique, on emploie un aimant permanent (28) qui, par l'un de ses pôles, est orienté vers l'espace interpolaire (29) de l'électro-aimant à courant alternatif (8). 12) Transducteur ultrasonore selon la revendication 2 et l'une des revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le support (4) de rotation comprend un corps de révolution (32), et au moins un élément piézoélectrique (3) et l'élément ferromagnétique sont disposés sur ce corps de révolution (32), qui est placé avec un jeu dans la cavité (2) du prisme (1), laquelle est remplie d'un liquide conducteur de son, et est relié à l'élément mobile (12) du capteur d'angle d'incidence du faisceau ultrasonore de balayage. 13) Transducteur ultrasonore selon la revendication 12, caractérisé en ce que la valeur du jeu entre le corps de révolution (32) et le prisme (1) est multiple de la demi-onde ultrasonore dans le liquide conducteur acoustique remplissant la cavité (2) du prisme (1). 1!