Brevet FR2741717A1 — publié le 19970530

La présente invention a trait à un appareil à sonde composite utilisable pour la détection ultrasonique de défauts ou de fissures, tels que des défauts internes d'une plaque d'acier ou d'un tube en acier. La figure 4, annexée à la présente demande, est une illustration donnée à titre d'exemple d'un détecteur ultrasonique de défauts utilisant une sonde verticale com- posite antérieure décrite dans la demande de brevet japo- nais publiée avec examen N 58-33901. Sur la figure 4, la référence T désigne un émetteur d'impulsions, la référence PT un oscillateur d'émission, les références PR1 à PR3 des oscillateurs de réception, la référence DT un élément de retardement d'émission, la référence DR un élément de retardement de réception, la référence SP une plaque de séparation des ondes ultrasoniques d'émission et de récep- tion, la référence TR un matériau examiné, la référence RS un commutateur d'entrée de réception, la référence R un amplificateur de réception, la référence F un défaut interne dans le matériau TP examiné, la référence lT une dimension de l'oscillateur d'émission, la référence 1 une ligne formée de tirets représentant un trajet de propaga- tion d'échos ultrasoniques liés à des défauts, se propa- geant de l'oscillateur d'émission PT jusqu'aux oscillateurs de réception PR1 à PR3. Dans le détecteur ultrasonique de défauts de l'art antérieur, une pluralité d'oscillateurs de réception PR1 à PR3 sont disposés parallèlement à un oscillateur d'émission PT, et l'oscillateur d'émission PT produit une vibration ultrasonique périodique d'atténuation, en réponse à l'envoi d'un signal de sortie électrique impulsionnel périodique par l'émetteur d'impulsions T. Un faisceau d'ultrasons d'émission, qui se propage dans le matériau TP examiné, couvre une étendue (largeur) d'une dimension légè- rement inférieure à la dimension T de l'oscillateur d'émis- sion et traverse l'élément DT de retardement d'émission, pour pénétrer dans le matériau TP examiné, comme indiqué par la ligne formée de tirets 1. Ensuite, le faisceau d'ultrasons d'émission est réfléchi par le défaut interne F du matériau TP examiné et traverse l'élément DR de retarde- ment de réception pour atteindre les oscillateurs de récep- tion PR1 à PR3. En outre, les faisceaux d'ultrasons d'émission reçus par les oscillateurs de réception PR1 à PR3 sont convertis, par transduction piézoélectrique, en des signaux électriques qui à leur tour sont reçus par l'amplificateur de réception R après avoir traversé le com- mutateur d'entrée de réception RS, qui permet la mesure de la dimension d'un défaut sur la base du niveau d'écho cor- respondant au défaut F. Dans le cas de ce détecteur de défauts de l'art antérieur, l'un des oscillateurs de réception PR1 à PR3, qui est disposé de manière à fournir la distance de propa- gation la plus courte à partir de la position du défaut F dans la direction de l'étendue en largeur de l'oscillateur, reçoit le niveau d'écho du défaut avec une haute sensibi- lité. Cependant, lorsque le défaut F est situé entre les oscillateurs de réception PR1 et PR2, l'écho provenant du défaut F est reçu de façon dispersée par les oscillateurs de réception PR1 et PR2, et par conséquent la sensibilité de réception diminue de sorte qu'il se pose des problèmes pour garantir une sensibilité uniforme parmi les oscilla- teurs composites. Une solution à ce problème est que les deux oscillateurs de réception successifs PR1 et PR2 sont bran- chés simultanément au moyen du commutateur d'entrée de réception RS pour recevoir l'écho en parallèle. Cependant, la largeur de l'oscillateur de réception est doublée, ce qui réduit la sensibilité et l'aptitude à détecter des défauts en raison de l'augmentation de la perte en circuit du commutateur d'entrée de réception PR. En outre, confor- mément à ce procédé, lorsque par exemple les oscillateurs PR2 et PR3 reçoivent l'écho pendant la période de réception des oscillateurs PR1 et PR2, l'oscillateur médian PR2 passe à un état de chevauchement, de sorte qu'on ne peut pas obtenir une performance de sensibilité uniforme. C'est pour cette raison que deux types de signaux sont reçus selon un mode à partage du temps. D'autre part, dans le cas d'un dispositif automatique de détection de défauts dans une chaîne de fabrication de fer et d'acier, dans laquelle le matériau TP se déplace à grande vitesse, ce qui s'accompa- gne d'un allongement de la période de réception de l'écho du défaut F, ce procédé signifie que le pas d'obtention des données du défaut F devient grossier ou que la vitesse de balayage devient faible, ce qui réduit la performance de détection de défauts en conduisant à une grande dispersion dans la sensibilité de détection de défauts et une réduc- tion de la capacité de traitement. C'est-à-dire que, étant donné qu'il se pose des problèmes pour garantir une sensi- bilité uniforme et une largeur effective importante du faisceau avec une sonde composite, le procédé de l'art antérieur requiert l'utilisation de plusieurs sondes pour garantir l'obtention d'une grande largeur du faisceau. On ne peut pas disposer les différentes sondes sur une même ligne dans l'étendue en largeur du faisceau étant donné la limitation des dimensions et par conséquent il est nécessaire qu'elles soient disposées selon une dis- position en zig-zag de telle sorte que les séparations entre les sondes dans la direction des oscillateurs d'émission et de réception dépassent la dimension des sondes. Cependant, ceci s'accompagne d'un accroissement des dimensions et du poids du dispositif supportant la sonde et, dans le cas d'un appareil tel qu'un détecteur automa- tique de défauts de plaques épaisses dans des chaînes de fabrication du fer et de l'acier, qui recherche des défauts alors que le dispositif de support de la sonde suit les déplacements verticaux du matériau TP examiné, il se pose un problème consistant en ce que les sondes disposées en zig-zag ne permettent pas d'exécuter un balayage complet du matériau TP examiné, ce qui a pour effet que l'étendue des parties d'extrémité non détectées des plaques augmente et que le dispositif de balayage à sonde devient complexe et que son coût augmente. La présente invention a été mise au point en vue d'éliminer ces problèmes et c'est pourquoi un but de la présente invention est de fournir un appareil à sonde com- posite, qui permet d'obtenir un faisceau ayant une grande largeur effective, qui permet d'atténuer la réduction de performance et permet de disposer des sondes suivant une rangée. Dans un appareil à sonde composite selon la pré- sente invention, un oscillateur d'émission est disposé dans une partie centrale, tandis que des oscillateurs de récep- tion sont disposés selon une disposition en zig-zag des deux côtés de l'oscillateur d'émission de sorte que les oscillateurs de réception disposés en zig-zag se chevau- chent partiellement. En outre, dans un appareil à sonde composite selon la présente invention, ses dimensions sont déterminées de telle sorte que le champ acoustique proche est produit à l'intérieur du matériau examiné dans la direction parallèle à la direction de séparation de l'émission et de la réception de l'oscillateur d'émission disposé dans la partie centrale de l'appareil et de telle sorte que le champ acoustique lointain se forme à l'inté- rieur du matériau examiné dans la direction perpendiculaire à la précédente. En outre, dans un appareil à sonde composite selon la présente invention, les oscillateurs d'émission et de réception sont formés par subdivision d'une électrode sur une plaque piézoélectrique commune. En outre, dans un appareil à sonde composite selon la présente invention, une plaque de séparation des ondes ultrasoniques d'émission et de réception est disposée dans un plan de séparation de l'émission et de la réception entre l'oscillateur d'émission et les oscillateurs de réception et dans un plan situé en vis-à-vis de la surface avant d'un matériau examiné. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1 est une illustration d'un agence- ment d'oscillateurs d'un appareil à sonde composite confor- mément à une première forme de réalisation de l'invention; - les figures 2A à 2C sont des illustrations d'une vue en coupe de l'appareil à sonde composite selon la première forme de réalisation de la présente invention, et de diagrammes de réception; - les figures 3A et 3B sont des illustrations de l'agencement d'un appareil à sonde composite selon une seconde forme de réalisation de l'invention; et - la figure 4, dont il a déjà été fait mention, est une illustration d'un détecteur ultrasonique de défauts utilisant des sondes verticales composites de l'art anté- rieur. Première forme de réalisation La figure 1 représente une disposition d'oscilla- teurs d'un appareil à sonde composite selon une première forme de réalisation de la présente invention et la figure 2A représente une coupe transversale de l'appareil à sonde composite parallèle à une direction de séparation de l'émission et de la réception, et la figure 2B représente une vue en coupe transversale de l'appareil, perpendiculai- rement à la direction de séparation de l'émission et de la réception, et la figure 2C représente une illustration d'un diagramme de réception d'une onde ultrasonique formé avec des oscillateurs de réception disposés selon une disposi- tion en zig-zag. Sur ces illustrations, le chiffre de référence 2 désigne un boîtier de sonde, le chiffre de référence 3 désigne un faisceau d'ultrasons émis par un oscillateur d'émission PT, le chiffre de référence 4 désigne des fais- ceaux d'ultrasons dirigés vers les oscillateurs de récep- tion PR1 à PR4, le chiffre de référence 5 désigne une région de réception possible, dans laquelle le faisceau d'ultrasons d'émission 3 est en chevauchement avec les faisceaux d'ultrasons 4 envoyés aux oscillateurs de récep- tion PR1 à PR4, le chiffre de référence 6 désigne une plaque piézoélectrique commune, la référence PT désigne un oscillateur d'émission, les références PR1 à PR4 désignent des oscillateurs de réception, la référence TP désigne un matériau examiné, la référence S désigne une surface avant du matériau TP examiné et la référence B désigne une sur- face inférieure du matériau TP examiné. En outre, la référence lT désigne la longueur de l'oscillateur d'émission PT parallèlement à une direction de séparation entre l'émission et la réception, les réfé- rences 1R2 à 1R4 désignent respectivement les longueurs des oscillateurs de réception PR1 à PR4 dans des directions parallèles aux directions correspondantes de séparation entre l'émission et la réception, la référence Al désigne les dimensions de chevauchement des oscillateurs de récep- tion PR1 et PR2, des oscillateurs de réception PR2 et PR3 et des oscillateurs de réception PR3 et PR4, qui sont dis- posés selon une disposition en zig-zag, la référence WT désigne la largeur de l'oscillateur d'émission PT perpendi- culairement à la direction de séparation entre l'émission et la réception, la référence WR désigne des largeurs des oscillateurs de réception PR1 à PR4 perpendiculairement à la direction de séparation entre l'émission et la récep- tion, la référence WTR désigne la distance séparant l'oscillateur d'émission PT et les oscillateurs de récep- tion PR1, RP3 ou les oscillateurs de réception PR2, PR4, et les références BW1 et BW4 désignent des diagrammes de réception formés au moyen des oscillateurs de réception PR1 à PR4 disposés selon une disposition en zig-zag. Dans l'appareil à sonde composite ainsi agencé, étant donné que la longueur T de l'oscillateur d'émission PT est déterminée de telle sorte que la distance critique (X0 = 1T2/4/À, À désignant une longueur d'onde) du champ acoustique proche est supérieure à l'épaisseur maximale du matériau TP examiné, la largeur effective du faisceau dans la direction de la longueur 1T de l'oscillateur d'émission PT devient légèrement inférieure à la longueur lT de l'oscillateur d'émission PT, et le faisceau avance essen- tiellement parallèlement depuis la surface avant S jusqu'à la surface inférieure B du matériau TP examiné. Les oscillateurs de réception PR1 à PR4 sont dis- posés des deux côtés de l'oscillateur d'émission PT de manière à être réciproquement en chevauchement dans une gamme de 10 à 20 % de leurs longueurs lR1 à 1R4 de manière à former les parties de chevauchement Al, avec comme résul- tat le fait qu'il n'existe aucun intervalle entre les dia- grammes BWl à BW4 des faisceaux produits par les oscilla- teurs de réception PR1 à PR4 dans la direction parallèle à la direction de séparation entre l'émission et la récep- tion, ce qui conduit à une caractéristique uniforme. En outre, la largeur WT de l'oscillateur d'émis- sion PT, la largeur WR des oscillateurs de réception PR1 à PR4 et l'espacement WTR entre l'oscillateur d'émission PT et les oscillateurs de réception PR1 à PR4 dans la direc- tion perpendiculaire à la direction de séparation entre l'émission et la réception sont réglés de telle sorte que le faisceau d'ultrasons 3 délivré par l'oscillateur d'émission PT est suffisamment en chevauchement avec les faisceaux d'ultrasons 4 atteignant les oscillateurs de réception PR1 à PR4 à l'intérieur du matériau TP examiné, avec WTR 2x tg (angle de direction de la dimension de l'oscillateur d'émission PT) x distance entre la plaque piézoélectrique 6 et la surface avant S du matériau TP exa- miné. C'est pourquoi la région apte à la réception 5 peut être obtenue dans une gamme étendue depuis la surface avant S à la surface supérieure B du matériau TP examiné. En outre, l'oscillateur d'émission PT et les oscillateurs de réception PR1 à PR4 ne sont pas constitués d'éléments individuels, mais sont formés par la plaque pié- zoélectrique prévue en commun pour eux. Ainsi, l'oscilla- teur d'émission PT et les oscillateurs de réception PR1 à PR4 sont formés par division de l'électrode sur la plaque piézoélectrique 6 et sont logés dans le boîtier 2 de la sonde. Pour cette raison, les composants peuvent avoir la même structure que celle de la sonde du type général à un oscillateur, hormis des lignes formant conducteurs indiquées. L'appareil à sonde composite de l'art antérieur doit séparer les éléments de retardement ultrasonique DT et DR au moyen de la plaque SP de séparation des ondes ultra- soniques d'émission et de réception, afin d'empêcher la fuite de l'onde ultrasonique. Étant donné que cette plaque de séparation SP doit être disposée de telle sorte qu'elle est amenée à proximité de la surface avant S du matériau TP examiné, à une distance inférieure à 0,25 mm de cette sur- face, elle peut venir en contact avec des parties sail- lantes présentes sur la surface avant S du matériau TP exa- miné ou avec des substances étrangères, ce qui entraîne des endommagements ou une abrasion de sorte que la performance de détection des défauts s'en trouve altérée. En outre, la maintenance et l'inspection sont difficiles. D'autre part, conformément à la première forme de réalisation de la pré- sente invention, il n'est pas nécessaire de disposer la plaque SP de séparation des ondes ultrasoniques d'émission et de réception, et donc il est possible de supprimer cet inconvénient. Seconde forme de réalisation Les figures 3A et 3B sont des vues en coupe transversale représentant un appareil à sonde composite selon une seconde forme de réalisation de l'invention. Sur ces illustrations, le chiffre de référence 2 désigne un boîtier de la sonde, le chiffre de référence 3 désigne un faisceau d'ultrasons transmis par un oscillateur d'émission PT, le chiffre de référence 4 désigne des faisceaux d'ultrasons envoyés aux oscillateurs de réception PR1 à PR4, le chiffre de référence 5 désigne une zone de récep- tion possible, dans laquelle le faisceau d'ultrasons d'émission est en chevauchement avec les faisceaux d'ultra- sons atteignant les oscillateurs de réception PR1 à PR4, le chiffre de référence 7 désigne des plaques de séparation des ondes ultrasoniques d'émission et de réception, dispo- sées dans des plans de division entre l'oscillateur d'émission PT et les oscillateurs de réception PR1 à PR4, la référence PT désigne l'oscillateur d'émission, les réfé- rences PR1 à PR4 désignent les oscillateurs de réception, la référence TP désigne un matériau examiné, la référence S désigne une surface avant du matériau TP examiné, et la référence B désigne une surface inférieure du matériau TP examiné. Dans l'appareil à sonde composite ainsi agencé, les plaques 7 de séparation des ondes ultrasoniques d'émis- sion et de réception sont prévues dans les plans de divi- sion entre l'oscillateur d'émission BT et les oscillateurs de réception PR1, PR3 et les oscillateurs de réception PR2, PR4 et dans les plans situés devant la surface avant S du matériau TP examiné. Ainsi, le faisceau ultrasonique émis par l'oscillateur d'émission PT atteint la surface avant S du matériau TP examiné, et une partie du faisceau d'ultrasons 3 est réfléchie sur la surface avant S du maté- riau TP examiné de manière à être reçu par les oscillateurs de réception PR1 à PR4. Simultanément, les composantes du faisceau d'ultrasons 3 sur la surface avant S du matériau TP examiné, qui possèdent une pression acoustique intense, sont supprimées par les plaques 7 de séparation des ondes ultrasoniques d'émission et de réception, lorsqu'ils sont réfléchis par les oscillateurs de réception PR1 à PR4. Par conséquent, les faisceaux d'ultrasons réfléchis par la sur- face avant S du matériau TP examiné et qui atteignent les oscillateurs de réception PR1 à PR4 restent en tant que seules composantes, dont les pressions acoustiques sont faibles, ce qui crée un faible écho de surface. Comme décrit précédemment, conformément à la pré- sente invention, les oscillateurs de réception sont dispo- sés selon une disposition en zig-zag des deux côtés de l'oscillateur d'émission, et les oscillateurs de réception disposés en zig-zag sont placés de manière à se chevaucher partiellement, et par conséquent il n'apparaît aucun inter- valle vide entre les diagrammes de faisceaux formés par les oscillateurs respectifs de réception dans la direction parallèle à la direction de séparation entre l'émission et la réception, de sorte que l'on peut obtenir une caracté- ristique uniforme de faisceaux, avec comme résultat le fait qu'il est possible de détecter de façon sûre des défauts existants sur l'étendue en largeur effective du faisceau délivré par l'oscillateur d'émission PT. En outre, les espacements entre les oscillateurs de réception disposés en zig-zag dans la direction perpendiculaire à la direction de séparation entre l'émission et la réception sont faibles, de sorte qu'il est possible de réduire la zone non détectée dans les parties d'extrémité avant et arrière du matériau TP examiné. En outre, conformément à la présente invention, étant donné que la longueur de l'oscillateur dans la direc- tion parallèle à la direction de séparation entre l'émission et la réception de l'oscillateur d'émission est déterminée de telle sorte que le champ acoustique proche s'étend sur l'ensemble de la portée de mesure, le faisceau d'ultrasons d'émission devient un faisceau parallèle d'une dimension sensiblement égale à la longueur de l'oscillateur dans la direction de propagation des ondes ultrasoniques. En outre, étant donné que la largeur de l'oscil- lateur dans la direction perpendiculaire à la direction de séparation entre l'émission et la réception est déterminée de telle sorte que le champ acoustique lointain apparaît dans l'ensemble de la plage de mesure, les oscillateurs de réception disposés des deux côtés de l'oscillateur d'émis- sion peuvent recevoir les faisceaux avec une sensibilité suffisante, et les largeurs de l'oscillateur d'émission et des oscillateurs de réception et les espaces entre les oscillateurs d'émission et les oscillateurs de réception sont optimisés de sorte qu'il est possible de réduire l'écho de surface propre à la sonde à deux oscillateurs et qu'il est possible de prévoir une sonde dans laquelle la performance est accrue pendant un long intervalle de temps. En outre, conformément à la présente invention, étant donné qu'on utilise la plaque piézoélectrique commune et que l'oscillateur d'émission et les oscillateurs de réception sont formés uniquement par division de la section d'électrodes, il n'est pas nécessaire de tenir compte du positionnement et de l'assemblage des oscillateurs et de traiter de façon précise des oscillateurs en utilisant une machine de traitement telle qu'une scie de découpage, ce qui permet de fournir un appareil à sonde possédant une caractéristique stable, à un faible coût. En outre, conformément à la présente invention, étant donné que les plaques de séparation des ondes ultra- soniques d'émission et de réception sont prévues dans le plan de séparation entre l'émission et la réception, entre l'oscillateur d'émission et les oscillateurs de réception situés des deux côtés de l'oscillateur d'émission et dans le plan situé en avant de la surface avant du matériau exa- miné, il est possible de réduire le niveau de l'écho de surface dans le diagramme de détection des défauts, ce qui permet de réaliser un appareil à sonde qui est à même d'améliorer l'aptitude à la capacité de détection de défauts en rapport avec la position voisine de la surface du matériau examiné. On comprendra que dans ce qui précède, on a décrit uniquement des formes de réalisation préférées de la présente invention, et que l'invention est censée inclure tous les changements et modifications apportés dans ces formes de réalisation indiquées ici dans le cadre de la description. REVENDICATIONS 1. Appareil à sonde composite, caractérisé en ce qu'il comporte: au moins un oscillateur d'émission (PT) pour émettre une onde ultrasonique; et deux ou plusieurs oscillateurs de réception (PR1- PR4) disposés alternativement selon une disposition en zig- zag dans une direction perpendiculaire à une direction de séparation d'émission et de réception et placés des deux côtés dudit oscillateur d'émission (PT) de sorte que les oscillateurs de réception (PR1-PR4) disposés en zig-zag sont en chevauchement partiel. 2. Appareil à sonde composite selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que ledit oscillateur d'émission (PT) possède une dimension (1T) telle dans une direction parallèle à ladite direction de séparation d'émission et de réception qu'une région d'un champ acoustique proche est établie dans une portée de mesure d'un matériau examiné (TP), et possède en outre une dimension (WT) telle dans une direction perpendiculaire à ladite direction de séparation d'émission et de réception que ladite portée de mesure dudit matériau examiné (TP) définit une région de champ acoustique lointain. 3. Appareil à sonde composite selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que ledit oscillateur d'émission (PT) et lesdits oscillateurs de réception (PR1-PR4) sont formés par subdivision d'une électrode sur une plaque pié- zoélectrique commune (6). 4. Appareil à sonde composite selon la revendica- tion 1, caractérisé en outre en ce qu'il comporte une plaque de séparation des ondes ultrasoniques d'émission et de réception, prévue dans un plan de séparation entre l'émission et la réception entre ledit oscillateur d'émission (PT) et lesdits oscillateurs de réception (PR1- PR4) et dans un plan situé en vis-à-vis d'une surface du matériau examiné (TP).