Brevet FR2806162A1 — publié le 20010914

PROCEDE DE CONTROLE ULTRASONORE PAR ADAPTATION D'IMPEDANCE ACOUSTIQUE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention se rapporte au domaine des contrôles ultrasonores d'objets, notamment en matériau solide, plongés dans l'eau. Art antérieur et problème posé Dans les systèmes de contrôle ultrasonore de l'état des objets solides plongés dans l'eau, c'est-à-dire le contrôle de l'homogénéité de la masse de matériau constituant cet objet, les ondes ultrasonores émises par le détecteur ou le traducteur, également plongé dans l'eau, doivent franchir l'interface eau/matériau, comme le montre la figure 1. En effet, cette dernière est relative à un procédé de contrôle ultrasonore selon l'art antérieur. On y distingue un objet 12 placé dans un récipient 9 rempli d'eau 6. Un traducteur 7 émet une onde ultrasonore 1 qui franchit, seulement en partie, la première interface 10 eau/matériau. Une première partie 2 continue le chemin à travers le matériau de l'objet 12, en direction d'un éventuel défaut 5 de ce dernier. Une seconde partie 3 est réfléchie par la première interface 10 et retourne vers le traducteur 7. L'onde émise 2 traverse donc l'objet 12 et est réfléchie en partie par la deuxième interface 11 eau/matériau en une première onde écho de mesure 4A par la deuxième interface 11. On fait remarquer quef pour ne pas perturber la mesure, la trajectoire de l'onde ultrasonore de mesure ne doit pas rencontrer d'autres matériaux ou objets autres que l'objet 12 à contrôler et l'eau 6. C'est pourquoi l'objet 112 est placé sur deux supports 13 écartés de la trajectoire de l'onde. De plus, les deux interfaces 10 et 11 doivent être rigoureusement perpendiculaires à cette trajectoire. Elle est également réfléchie en une deuxième onde écho de mesure 4B, qui est réfléchie par la présence d'un corps étranger ou une bulle d'air 5, dans la pièce ou l'objet 12, créant ainsi un décalage dans l'ensemble de l'onde écho. Ce décalage est exploité par le traducteur 7 qui émet, par un câble de sortie 8, un signal caractéristique de la présence du défaut 5. Dans le cas présent, avec de l'eau et un matériau solide, la partie d'onde réfléchie 3 est souvent bien plus importante que la partie d'onde transmise 2 dans le matériau. Dans les lois de la propagation, le coefficient de réflexion r s'exprime sous la forme : r (Z2 - Zl) / (Z2 + Zl) (1) où Z, est l'impédance acoustique spécifique de l'eau 6, tandis que Z2 est l'impédance acoustique spécifique du matériau dont est constitué l'objet 12. L'impédance acoustique de l'eau s'évalue de la façon suivante : Zi pi-VI 486 Pa.s/m, OÙ pi la masse volumique de leau et VI la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans l'eau. Pour l'objet 12 en matériau dur, par exemple du titane, l'impédance acoustique spécifique Z2 de ce dernier est égale à : P2-V2 4 407.6 075 = 2,677. 107 Pa.s/m, OÙ P2 est la masse volumique du titane et V2 la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans ce matériau. On en conclut immédiatement que r Ainsi, 89,5 % de l'onde émise 1 est réfléchie (onde réfléchie 3) au passage de la première interface 10 entre l'eau et le titane. Par conséquent, seulement 10,5 % de l'onde émise 1 est transmise dans la pièce 4 (onde transmise 2). Bien entendu, le rendement d'un tel système, dans de telles circonstances est réduit à 0,1 et la recherche des défauts dans l'objet 12 ne peut être efficace. Linspection ultrasonore de pièces se heurte donc, de manière générale, à une très grande déperdition d'amplitude et d'énergie de l'onde ultrasonore au passage de l'interface eau/matière. Celle-ci est un peu moindre dans le cas des matériaux composites. Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de contrôle ultrasonore d'un meilleur rendement en améliorant le pourcentage de l'onde transmise dans la matière de l'objet ou de la pièce à tester, mesurer ou vérifier. Résumé de l'invention A cet effet, lobjet principal de l'invention est un procédé de contrôle ultrasonore d'un objet constitué d'un matériau solide déterminé, plongé dans l'eau, le procédé utilisant l'impédance acoustique du matériau constituant l'objet et de l'eau et consistant, entre autres, à : - émettre une onde ultrasonore en direction de l'objet et dont une partie est réfléchie directement vers lémetteur, au niveau de l'interface entre l'eau et l'objet et recevoir l'onde de la partie de l'onde émise, qui a traversé l'objet et qui est réfléchie par le fond de l'objet. Selon l'invention, le procédé consiste à placer une couche intermédiaire au niveau de l'interface eau/objet, adhérant à l'objet, constituée d'un matériau différent de l'eau et du matériau constituant lobjet, ayant une épaisseur e3 égale à environ 13/4, X3 étant la longueur d'onde de l'onde ultrasonore dans la couche intermédiaire, et dont l'impédance acoustique spécifique Z3 est égale à environ Z, étant l'impédance acoustique spécifique de l'eau et Z2 étant l'impédance acoustique spécifique du matériau constituant l'objet. Si des moyens de support de l'objet sont utilisés, ils ne doivent pas se trouver sur la trajectoire de l'onde ultrasonore et de ses ondes incidentes. Dans une réalisation préférentielle de l'invention, le matériau constituant la couche intermédiaire peut être constitué en particulier d'une peinture acrylique polyuréthanne et plus particulièrement d'un produit dénommé SRY 037 ou LRY 067 , fabriqué par la Compagnie BOLLORE. Les performances de la couche de peinture sont améliorées lorsqu'on y ajoute 40 % de charges de nickel et un durcisseur à raison de 16, 66 % du poids total. Il peut également être une laque ou un vernis. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures représentant respectivement : - figure 1, déjà décrite, en coupe un procédé de mesure selon l'art antérieur ; - figure 2, en coupe, le procédé de mesure selon l'invention ; - figure 3, une courbe représentant le gain lorsque le défaut dans l'objet est un trou d'air. Description détaillée d'une réalisation de l'invention En référence à la figure 2, l'innovation principale du procédé selon l'invention consiste donc à placer sur l'objet 12, qui est à sonder, une couche intermédiaire 20 de mince épaisseur e3 sur la surface de l'objet 12, par laquelle l'onde ultrasonore émise 1 pénètre. En effet, en considérant la formule, repérée (1), la diminution du coefficient de réflexion r passe par la modification du couple constitué par les deux impédances acoustiques spécifiques des deux matériaux à l'interface desquels se produit ladite réflexion. En conséquence, le matériau de la couche intermédiaire 20 doit être choisi pour que son impédance acoustique spécifique Z3 forme un couple de rendement optimal avec les impédances acoustiques spécifiques de l'eau et du matériau constituant l'objet 12. De plus, lépaisseur e3 de la couche intermédiaire 20 a une influence sur le coefficient de réflexion, puisque plusieurs réflexions apparaissent au franchissement de la lame constituant la couche intermédiaire 20. or, les coefficients de réflexion et de transmission peuvent être exprimés sous la forme de développements limités, faisant apparaître des termes en sin 2 (27ce3/X) et COS2 (2ne3/1)- Ainsi, le coefficient de transmission T est associé au rapport de l'énergie acoustique transmise sur l'énergie acoustique incidente et s'écrit : #,3 étant la longueur d'onde de l'onde ultrasonore dans la couche intermédiaire 20 et Z3 étant l'impédance acoustique spécifique de la couche intermédiaire 20. Néanmoins, une condition particulièrement intéressante apparaît lorsque l'épaisseur e3 de la couche intermédiaire 20 est un multiple de X3/4. En effet, dans ce cas, le terme en sin 2 est égal à 1 et le terme en COS2 est égal à 0. Ceci correspond au principe de la lame dont lépaisseur est égale au quart de la longueur d'onde. En conséquence, une première condition intéressante pour lapplication du procédé selon l'invention est que l'épaisseur e3 de la couche soit égale à X3/4 : e3 X3/4, (3) Concernant le coefficient de transmission de londe ultrasonore vers l'objet 12 à tester, ce coefficient T prend alors la forme suivante : T 4ZlZ2/ (Z3 + ZIZ2/Z3 ) 2. Ce coefficient de transmission T exprime la fraction d'onde ultrasonore (onde transmise 2) qui transite dans le matériau de la couche intermédiaire 20 pour arriver dans l'objet 12, après le franchissement de deux interfaces. On en déduit que 100 % de l'onde ultrasonore est transmise, à la condition suivante que l'impédance acoustique spécifique Z3 de la couche intermédiaire 20 soit égale à Ceci constitue donc la deuxième condition pour obtenir un rendement optimal de la mesure. Pour résumer, la mise en #uvre du procédé selon l'invention peut être obtenue avec une couche d'épaisseur e3 X/4 (3), et dont l'impédance acoustique spécifique Z3 est égale à ; dans le cas de l'eau et du titane. Or, parmi les principaux éléments, seuls le granit et le matériau composite à fibres de carbone se rapprochent de cette valeur de 6,301 .106 de l'impédance acoustique spécifique optimale de la couche intermédiaire 20. Par contre, il semble impossible de réaliser le dépôt d'une couche intermédiaire 20 de 40 pm avec l'un de ces deux matériaux et qui adhère parfaitement à l'objet 12. Or, parmi les produits du type laque ou vernis, il est possible de trouver des produits susceptibles de bien adhérer à l'objet à tester et dont le dépôt se fait facilement à une épaisseur voulue. L'impédance acoustique spécifique de toutes les peintures à base de polymère est par contre faible, crest-à-dire de l'ordre de 3.106 Pa.s/m. Or, la Société BOLLORE commercialise des peintures du type acrylique polyuréthanne chargées de particules conductrices de petit diamètre et dont les références sont LRY 037 et LRY 067 . Leur masse volumique est de 1 003 kg /M3 sans charges (et de 1 370 kg /M3 avec charges) et présente une excellente qualité d'adhésion sur les métaux ferreux. Elles ne présentent aucun problème de séchage et leur épaisseur à sec est de 25 pm après dépose au pistolet. La connaissance de leur impédance acoustique spécifique et de la vitesse de propagation de l'onde émise permet d'en déduire la longueur d'onde ;#3 de cette dernière lorsqu'elle traverse de telles peintures. On en déduit l'épaisseur e3 de la couche intermédiaire avec la formule : e3 X3/4 (3) En référence à la figure 3, la courbe A représente la variation du gain de transmission avec l'épaisseur de couche calculée précédemment et constituée de la peinture référence LRY 067 de BOLLORE. Il est constaté qu'un gain de 6,2 dB est obtenu pour une épaisseur d'environ 55 pm. La courbe B représente la même expérience avec un produit identique, mais avec 40 % de charge de nickel dans la peinture et un durcisseur, à raison de 16,6 % du poids total. Le gain obtenu sur l'amplitude du signal détecté monte à 12,66 dB. on précise que ces essais ont été réalisés avec un objet constitué d'un cylindre de titane épais de 30 mm à la base duquel un trou à fond plat de diamètre de 0, 4 mm et d'une hauteur de 5 mm a été réalisé et que le gain du signal obtenu à l'aide de la couche ainsi décrite est augmenté de plus de 400 % par rapport à la même mesure effectuée sans couche. Il faut remarquer que l'utilisation de produits fluides, tels que les peintures, permet d'utiliser le procédé selon l'invention sur des objets dont l'état de surface n'est pas parfait. En effet, les peintures s'introduisent dans les interstices des surfaces. Ceci permet de contrôler des pièces rebutées au contrôle traditionnel. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle ultrasonore d'un objet (12) constitué d'un matériau solide déterminé et plongé (9) dans l'eau (6), le procédé prenant en compte l'impédance acoustique spécifique de l'eau (6) et dudit matériau consistant l'objet (12) et consistant entre autre : - à émettre une onde ultrasonore (1) en direction de l'objet (12) et dont une partie, appelée onde réfléchie (3) est réfléchie directement sur l'émetteur (7) au niveau de l'interface eau/objet ; - à recevoir les ondes écho (4A et 4B) de la partie de l'onde émise (1) qui ont pénétré l'objet (12), et qui est réfléchie par le fond, caractérisé en ce qu'il consiste à placer une couche intermédiaire (20) entre l'eau et l'objet (12), adhérant à lobjet, et constituée dl un matériau différent de l'eau et du,matériau constituant l'objet (12) avec une épaisseur (e3) égale à X3/4 OÙ X3 est la longueur d'onde de londe ultrasonore dans la couche intermédiaire (20) et dont l'impédance acoustique spécifique Z3 est égale à environ où Z, est l'impédance acoustique spécifique de l'eau (6) et Z2 est l'impédance acoustique spécifique du matériau constituant l'objet (12). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens de support (13) de l'objet (12) sont utilisés, mais ne se trouvent pas dans la trajectoire de l'onde ultrasonore (1) et de ses ondes incidentes (2, 3, 4A, 4B). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la laque est une peinture acrylique polyuréthanne. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la peinture acrylique polyuréthanne est celle du type répertorié LRY 037 ou LRY 067, fabriquée par la Société BOLLORE. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la peinture contient 40 % de charges de nickel et un durcisseur, à raison de 16,66 % du poids total. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche (20) est choisi dans le groupe des laques. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche (20) est choisi dans le groupe des vernis.