Brevet FR2695788A1 — publié le 19940318

i La présente invention concerne un procédé de réalisation de la surface de sortie d'un transducteur à faisceau ultrasonore focalisé et un transducteur ultra- sonore comportant une surface de sortie réalisée selon ce procédé. Plus particulièrement, ces transducteurs ultra- sonores focalisés sont utilisés pour le contrôle non destructif par ultrasons de pièces placées dans un milieu de couplage acoustique. On connaît déjà dans l'état de la technique, des transducteurs ultrasonores de ce type. C'est ainsi par exemple qu'on connaît du docu- ment FR-A-2 650 144, un transducteur ultrasonore focalisé qui comporte une lentille acoustique de focalisation et une pastille piézo- électrique plane, la lentille étant plan-concave et accolée par sa surface plane à la pas- tille, sa surface de sortie étant telle que le faisceau ultrasonore incident, issu de la pastille, soit perpendi- culaire au plan de celle-ci et se réfracte sur la surface de sortie, de façon que le faisceau réfracté engendré dans le milieu de couplage, se réfractant à son tour sur la surface de la pièce à contrôler, converge exactement au point de contrôle de celle-ci. Dans ce document de l'état de la technique, la réalisation de la surface de sortie de la lentille est basée sur des calculs de deux rayons de courbure, mais lorsque la surface est usinée en utilisant de tels cal- culs, on n'obtient qu'une approximation très grossière de la surface de Fermat (équiphase) idéale, car plus on s'éloigne du point de référence du calcul du cercle, plus l'erreur commise augmente, pour être maximale aux points les plus éloignés des points de référence. On conçoit que ceci se traduit par des problèmes plus ou moins importants de qualité de contrôle des pièces. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes en proposant un procédé qui permette d'optimiser la réalisation d'une telle surface de sortie d'un trans- ducteur ultrasonore focalisé pour s'approcher le plus possible d'une surface de Fermat idéale. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation de la surface de sortie d'un transducteur à faisceau ultrasonore focalisé, notamment pour le contrô- le non destructif par ultrasons d'une pièce placée dans un milieu de couplage acoustique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: on calcule, en faisant varier l'angle d'ouver- ture du faisceau, un premier ensemble de points de réfé- rence de coordonnées x, z dans un plan d'incidence du faisceau, tels que les temps de parcours ultrasonores passant par ces points et par le point focal soient identiques, de façon analogue, on calcule un deuxième ensemble de points de référence de coordonnées y, z dans un plan perpendiculaire au plan d'incidence, on définit deux polynômes de degré 4 par interpolation polynomiale par la méthode des moindres carrés des deux ensembles de points calculés précédemment, de la forme suivante: f(x) = ax 4 + bx 3 + cx 2 + dx g(y) = a'y 4 + b'y 3 + c'y 2 + d'y on détermine les coordonnées x, y et z des points de la surface de sortie par la relation z = f(x) + g(y); et on réalise la surface de sortie à partir de ces coordonnées. Avantageusement, on réalise la surface de sortie par usinage de celle-ci. Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet un transducteur ultrasonore comportant une surface de sortie réalisée selon ce procédé. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la Fig 1 représente une vue schématique en coupe d'un transducteur ultrasonore focalisé; la Fig 2 représente un organigramme illustrant différentes étapes d'un procédé selon l'invention; la Fig 3 représente un schéma synoptique montrant différents moyens utilisés pour la mise en oeuvre d'une phase d'usinage d'un procédé selon l'invention; et les Fig 4 et 5 illustrent la phase d'usinage d'un procédé selon l'invention. Comme on peut le voir sur la Fig 1, un transduc- teur ultrasonore focalisé comporte un boîtier désigné par la référence générale 1 sur cette figure. Ce boîtier est muni de moyens de connexion désignés par la référence générale 2 permettant de relier ce transducteur à tout moyen approprié d'activation et d'analyse de ses signaux de sortie. Ce transducteur comporte également un amortis- seur 3 sur lequel est fixée une pastille piézo-électrique 4. Une gaine 5, par exemple en Cellerond, est disposée autour de cet amortisseur et de cette pastille. Enfin, une lentille acoustique de focalisation désignée par la référence 6, peut être fixée par exemple par collage sur la pastille piézo-électrique La surface de sortie de cette lentille est désignée par la référence générale 7, délivre un faisceau ultrasonore et présente une forme s'approchant le plus possible d'une surface équiphase encore appelée surface de Fermat. Une description plus détaillée de la structure et du fonctionnement d'un tel transducteur ultrasonore focalisé peut être trouvée dans le document FR-A-2 650 144 mentionné précédemment. On notera cependant que ces transducteurs ultra- sonores sont utilisés notamment pour le contrôle non destructif par ultrasons de pièces placées dans un milieu de couplage acoustique. Un tel transducteur engendre en effet des ondes acoustiques dans la pièce à analyser et l'analyse des ondes réfléchies et/ou diffractées par un ou plusieurs défauts de celle-ci, permet de réaliser un diagnostic de la qualité de la pièce, de détecter la présence de défauts et de déterminer leur dimension. Ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, l'inven- tion concerne le procédé de réalisation de la surface de sortie de ce transducteur, pour obtenir une meilleure approximation de la surface de Fermat et améliorer la qualité des contrôles. Ce procédé comporte plusieurs étapes qui sont illustrées sur la Fig 2. On notera que la définition de la surface de sortie d'un tel transducteur prend en compte un certain nombre de données, telles que: la géométrie de la pièce à contrôler (plane, cylindrique concave ou convexe), la profondeur à inspecter dans la pièce, la hauteur du milieu de couplage acoustique (par exemple de l'eau), les dimensions du faisceau souhaitées. La première étape du procédé de réalisation selon l'invention, désignée par la référence générale 10 sur la Fig 2, consiste à calculer un premier ensemble de points de référence de coordonnées x, z dans un plan d'incidence du faisceau ultrasonore et un second ensemble de points de référence de coordonnées y, z dans un plan perpendiculaire à ce plan d'incidence, en faisant varier l'angle d'ouverture du faisceau, tels que les temps de parcours ultrasonores passant par ces points et par le point focal soient identiques. Ce calcul étant de type classique et ne posant pas de problèmes particuliers, on ne le décrira pas plus en détail par la suite. Une fois ces ensembles de points de référence calculés, l'étape suivante désignée par la référence 11 sur la Fig 2, consiste à définir deux polynômes de degré 4 par interpolation polynomiale par la méthode des moin- dres carrés de ces deux ensembles de points calculés précédemment. Ces polynômes présentent la forme suivante dans le plan incident: f(x) = ax 4 + bx 3 + cx 2 + dx dans le plan perpendiculaire à ce plan inci- dent g(y) = a'y 4 + b'y 3 + cly 2 + d'y Cette méthode d'interpolation ne présentant pas non plus de difficultés particulières, on ne la décrira pas plus en détail. Il est alors possible de déterminer les diffé- rentes coordonnées x,y et z des points de la surface de sortie par la relation: z = f(x) + g(y), et de réaliser la surface de sortie, par exemple par usinage, à partir de ces coordonnées comme cela est illustré par le bloc portant la référence 12 sur cette figure 2. Cette surface peut être réalisée dans la lentil- le. La lentille, dont la surface de sortie a été ainsi usinée, est alors utilisée pour réaliser l'assem- blage du transducteur avec les différents éléments men- tionnés dans le bloc 13 sur cette figure 2, à savoir une pastille piézoélectrique, un amortisseur, un boîtier, des électrodes, des connexions et une bobine d'adaptation d'impédance. Il va de soi que la surface de Fermat peut également être usinée directement dans la pastille piézo- électrique. On notera que d'autres techniques classiques de fabrication, par exemple par pressage sur contre-matrice, peuvent être utilisées pour la mise en forme correcte de la lentille ou de la pastille. L'étape désignée par la référence 14 sur cette figure 2, désigne une étape de caractérisation du faisceau par visualisation des niveaux de pressions acoustiques suivant des coupes transversales, ce qui permet, en 15, une caractérisation du signal de sortie de ce transduc- teur, en 16, une évaluation du point focal et en 17, une éventuelle modification de la focale optique en recalcu- lant la surface de Fermat et en effectuant une nouvelle étape d'usinage permettant encore d'améliorer la qualité du contrôle Ces différentes opérations étant classiques, on ne les décrira pas en détail. On notera cependant que la focalisation est optimisée par la caractérisation des dimensions transver- sales du faisceau. Cette caractérisation se fait par exemple dans le milieu de couplage au travers d'une lentille de même nature que la pièce à contrôler et représentative de la courbure de la pièce Cette lentille est conçue de telle sorte qu'elle reproduise les conditions de contrôle pour les faisceaux incident et réfracté dans la lentille et que le faisceau réfracté sorte perpendiculairement. Si nécessaire, on procède à une reprise de la surface de Fermat, de nouveaux calculs et un nouvel usinage. Cette étape finale personnalise la surface de Fermat ainsi obtenue. On conçoit que le procédé selon l'invention permet d'obtenir une meilleure approximation de la surface de Fermat idéale en utilisant l'interpolation polynomiale par la méthode des moindres carrés des ensembles de points de référence, la surface obtenue étant définie comme étant la somme des deux polynômes obtenus. Comme on peut le voir sur les figures 3, 4 et 5, la surface de sortie du transducteur peut être réalisée par exemple par usinage de la lentille ou de la pastille, à l'aide par exemple d'une machine-outil à commande numérique, ou une machine spéciale pilotée par micro- ordinateur, telle qu'une fraiseuse 20 comportant une table à mouvements croisés, les déplacements de l'outil et de la table étant contrôlés à travers des moyens d'indexation 21 et 22 respectivement, par un microcalculateur 23 de calcul pas à pas de la côte d'usinage. Ainsi que cela est illustré sur la F Ig 4, l'usinage peut être effectué pas à pas dans l'axe X et incrémentation suivant l'axe Y, la côte z d'usinage étant calculée pour chaque point à partir des relations mention- nées précédemment. Il va de soi bien entendu que cet usinage peut être réalisé par exemple en deux passes (Fig 5), à savoir: une première passe, dite d'ébauche, lors de laquelle le pas peut être de l'ordre de 1 mm; et une seconde passe, dite de finition, lors de laquelle le pas peut être de l'ordre de 0,5 mm. REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation de la surface de sortie d'un transducteur à faisceau ultrasonore focalisé, notamment pour le contrôle non destructif par ultrasons d'une pièce placée dans un milieu de couplage acoustique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: on calcule (en 10), en faisant varier l'angle d'ouverture du faisceau, un premier ensemble de points de référence de coordonnées x, z dans un plan d'incidence du faisceau, tels que les temps de parcours ultrasonores passant par ces points et par le point focal soient identiques, de f açon analogue, on calcule (en 10), un deuxième ensemble de points de référence de coordonnées y, z dans un plan perpendiculaire au plan d'incidence, on définit (en 11) deux polynômes de degré 4 par interpolation polynomiale par la méthode des moindres carrés des deux ensembles de points calculés précédemment, de la forme suivante: f(x) = ax 4 + bx 3 + cx 2 + dx g(y) = a'y 4 + b'y 3 + c'y 2 + d'y on détermine (en 12) les coordonnées x, y et z des points de la surface de sortie par la relation z = f(x) + g(y); et on réalise (en 12) la surface de sortie à partir de ces coordonnées. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise la surface de sortie par usinage de celle-ci. 3 Transducteur ultrasonore focalisé, notamment pour le contrôle non destructif par ultrasons d'une pièce placée dans un milieu de couplage acoustique, caractérisé en ce qu'il comporte une surface de sortie réalisée suivant le procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes. 4 Transducteur selon la revendication 3, comportant une pastille piézo-électrique ( 4), caractérisé en ce que la surface de sortie est réalisée par mise en forme de la pastille.5 5 Transducteur selon la revendication 3, comportant une lentille de focalisation ( 6) fixée sur une pastille piézo-électrique ( 4), caractérisé en ce que la surface de sortie est réalisée par mise en forme de la lentille. f