FR2908517A1 - Procede et dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes ultrasonores guidees, selon un mode de propagation unique - Google Patents

Abstract

Procédé et dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes ultrasonores, selon un mode de propagation unique.Dans l'invention, pour l'émission et/ou la réception des ondes guidées dans une structure (2), on a accès à au moins une section de la structure. On choisit une fréquence parmi les fréquences correspondant aux modes guidés à distribution nulle de contraintes tangentielles ; on choisit un mode parmi ceux associés à la fréquence choisie ; et pour l'émission, on rayonne les ondes à cette fréquence, à partir de la section, à l'aide d'un traducteur (6), en créant au niveau de la section une distribution de contraintes normales reproduisant celle associée au mode choisi à la fréquence choisie, et/ou pour la réception, on utilise le traducteur ou un autre (16) ayant des caractéristiques permettant de créer la distribution reproduite pour l'émission.

Description

1 PROCEDE ET DISPOSITIF D'EMISSION ET/OU DE RECEPTION D'ONDES ULTRASONORES

GUIDEES, SELON UN MODE DE PROPAGATION UNIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine de l'utilisation des ondes ultrasonores guidées. Plus précisément, elle concerne un procédé et un dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes ultrasonores guidées. L'invention s'applique principalement au CND (en anglais, NDT) c'est-à-dire au contrôle non-destructif (en anglais, non-destructive testing) de pièces présentant une invariance géométrique sur une distance qui est grande par rapport à au moins l'une des dimensions de la section de ces pièces, cette section étant une surface localement perpendiculaire à la dimension qui conduit à l'invariance. Dans une telle structure, les ondes se propagent suivant la direction conduisant à l'invariance sur de grandes distances et sont guidées par la surface engendrée par les bords de la section. A titre d'exemple, on voit sur la figure 1 une pièce 2 dans laquelle des ondes ultrasonores guidées peuvent se propager ; cette pièce présente une direction d'invariance suivant une direction z et elle est engendrée par translation d'une section S de la pièce suivant la direction z ; la surface guidante a la référence 4 sur la figure 1.

2908517 2 On peut ainsi contrôler par exemple des tubes de plusieurs mètres, de grandes plaques ou des barres de grande longueur, sans déplacer le traducteur (en anglais, probe) ultrasonore utilisé pour le 5 contrôle. C'est le principal avantage des ondes guidées dans l'application au CND. A ce sujet, on se reportera au document [Rose02] qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de 10 la description. Indiquons que l'invention s'applique notamment au contrôle des câbles de précontrainte ou de post-contrainte.

15 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On donne ci-après quelques caractéristiques des ondes ultrasonores guidées. Les ondes ultrasonores peuvent se propager de façon guidée, suivant différents types de modes, 20 dans une pièce dont une ou deux des dimensions sont de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde des ondes ultrasonores. Les modes guidés correspondent à des phénomènes de résonance d'ondes ultrasonores dans la section de la pièce constituant le guide. Il suffit de 25 connaître ces résonances dans une section pour déduire la structure spatio-temporelle des ondes qui se propagent, en n'importe quel point du guide. On connaît des modèles qui décrivent les ondes guidées dans les structures de géométrie 30 canonique (par exemple cylindres ou plaques) et 2908517 3 permettent une évaluation numérique rapide de la structure spatio-temporelle des ondes guidées. Pour des géométries plus complexes, on doit mettre en oeuvre des méthodes numériques (telles que la 5 méthode des éléments finis, la méthode des éléments finis semi-analytique, la méthode des différences finies ou la méthode des éléments finis aux frontières par exemple) pour calculer la structure spatio-temporelle.

10 Fondamentalement, pour une fréquence d'excitation ultrasonore donnée, il existe différents modes guidés qui se propagent à différentes vitesses (caractère multi-modal des ondes guidées). Par ailleurs, les vitesses de propagation 15 des différents modes dépendent de la fréquence d'excitation des ondes ultrasonores (caractère dispersif des ondes ultrasonores guidées). Si l'excitation a une large bande passante, c'est-à-dire comporte un spectre étendu de fréquences 20 d'excitation, l'allure de l'impulsion initiale est déformée à mesure que l'onde se propage, chaque composante fréquentielle se propageant à sa vitesse propre. C'est pourquoi l'excitation des ondes ultrasonores guidées est en général un signal dont la 25 bande passante est étroite, de manière à limiter au maximum ces déformations. On considère ci-après l'utilisation des ondes ultrasonores guidées en contrôle non-destructif. Les ondes guidées sont utilisées pour détecter les éventuels défauts qui sont présents dans la structure guidante, à savoir une pièce qui est 2908517 4 constituée d'un ou de plusieurs matériaux solides et dont la géométrie permet la propagation d'ondes guidées. Chaque mode guidé possède ses propres 5 caractéristiques de répartition spatiale de l'amplitude des différentes quantités physiques qui sont associées au passage de l'onde (déplacement particulaire, contrainte). Les caractéristiques d'un mode donné 10 peuvent être plus favorables à certains contrôles ; cela dépend beaucoup des buts que l'on assigne à la méthode mise en oeuvre. Par exemple, on peut préférer un mode dont l'amplitude de déplacement particulaire est forte au 15 barycentre de la section si l'on cherche à détecter des défauts au coeur de la pièce contrôlée, ou l'on peut au contraire préférer un autre mode pour lequel cette même amplitude doit être forte à la surface du guide (pièce) si l'on cherche à détecter des défauts qui sont proches 20 de la surface de la pièce. Souvent, les configurations de contrôle sont telles que l'on n'a pas accès à la section de la structure guidante. Le rayonnement des ondes ultrasonores, c'est-à-dire l'émission de ces ondes, se 25 fait alors par la surface guidante, ou l'une des surfaces guidantes, dont la normale est perpendiculaire à la normale de la section. Par exemple, dans le cas où la structure guidante est un tube, on peut émettre des ondes depuis la paroi externe du tube ou depuis la 30 paroi interne de ce dernier.

2908517 5 Cependant, dans certaines configurations de contrôle, on peut avoir accès à la section de la structure guidante. Dans d'autres configurations, seul l'accès par la section de la structure guidante est 5 possible. Précisons dès à présent que la présente invention suppose que l'accès à la section du guide est possible. On considère dans ce qui suit les 10 difficultés qui sont propres à l'utilisation des ondes ultrasonores guidées en contrôle non-destructif. Comme dans toute méthode de CND qui utilise des ondes ultrasonores se propageant dans une pièce à inspecter, le temps d'arrivée d'une onde ayant interagi 15 avec un défaut peut servir à déduire la position du défaut si l'on sait associer une vitesse de propagation à cette onde. Dans le cas des ondes ultrasonores guidées, la localisation des défauts détectés est rendue 20 difficile par le caractère multi-modal des ondes rayonnées, car plusieurs modes guidés se propagent simultanément à plusieurs vitesses ; l'interprétation des signaux reçus, en termes de temps d'arrivée des ondes ayant interagi avec un défaut, pour en déduire la 25 localisation de ce défaut, est d'autant plus difficile que les modes guidés excités sont nombreux. De plus, chaque mode guidé présente une certaine dispersion - sa vitesse de propagation dépend de sa fréquence - et cette dispersion est différente 30 d'un mode à l'autre ; ceci accroît les difficultés d'interprétation des signaux.

2908517 6 On considère maintenant les solutions connues, visant à pallier les difficultés mentionnées dans ce qui précède. Des solutions existent pour émettre (et/ou 5 recevoir) un mode guidé particulier parmi les différents modes guidés possibles. Elles font appel à la sélection d'une plage de fréquences d'excitation et à la sélection d'un mode par différents moyens techniques.

10 La sélection d'une plage de fréquences ne présente pas de difficulté ; mais la sélection d'un mode nécessite la mise en œuvre de techniques spécifiques. Une solution connue consiste à rayonner par 15 réfraction entre un milieu de couplage et la structure guidante selon un angle particulier de coïncidence des projections, sur la surface guidante (ou l'une des surfaces guidantes) de la structure, des vitesses de phase respectives de l'onde dans le milieu de couplage 20 et de l'onde que l'on veut émettre dans la structure. Le milieu de couplage peut être solide (voir [Ditr95]), liquide (voir [Plon76]) ou gazeux (voir [Cast96]). On est également capable de rayonner à l'aide de transducteurs (en anglais, transducers) en 25 contact direct avec la surface guidante ou l'une des surfaces guidantes d'une structure qui présente une périodicité spatiale correspondant à la périodicité spatiale du mode guidé que l'on veut émettre. Pour ce faire, on utilise des transducteurs 30 EMAT, c'est-àdire des transducteurs acoustiques électromagnétiques (en anglais, electro-magnetic 2908517 7 acoustic transducer) (voir [Thom97]), des transducteurs piézoélectriques en forme de peignes (voir [Rose98]) ou des transducteurs interdigités (voir [Wilc97]). En outre, la possibilité de sélectionner un 5 mode dans le cas d'une excitation par la section du guide n'a été évoquée que dans le document [Leve96] et seulement dans le cas d'un guide en forme de plaque. La méthode divulguée par ce document consiste tout d'abord à choisir une fréquence à 10 laquelle il existe seulement deux modes présentant des symétries différentes par rapport au plan médian de la plaque, ce qui est très restrictif du point de vue géométrique mais aussi en termes de fréquences de travail possibles. En exerçant une force présentant 15 l'une des deux symétries possibles, on privilégie le mode correspondant à cette symétrie. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de 20 permettre de rayonner (dans le cas de l'émission d'ultrasons) ou d'être sensible (dans le cas de la réception des ultrasons) à un mode unique de propagation ultrasonore dans un guide d'onde, ce mode étant choisi parmi les différents modes de propagation 25 guidée possibles. On facilite ainsi l'interprétation des résultats d'un contrôle non-destructif d'une structure par des ondes ultrasonores guidées. En effet, en ne rayonnant qu'un seul mode 30 guidé, selon une excitation temporelle dont le spectre fréquentiel est centré autour d'une fréquence 2908517 8 particulière, ce mode étant choisi par l'opérateur parmi différents modes possibles dont les caractéristiques physiques sont connues grâce à un outil de simulation approprié, on supprime les 5 difficultés qui sont propres à l'utilisation des ondes ultrasonores guidées. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé d'émission et/ou de réception d'ondes ultrasonores guidées dans une structure, selon 10 un unique mode de propagation, procédé dans lequel on a accès à au moins une section de la structure, cette structure présentant une invariance géométrique sur une distance qui est grande par rapport à au moins l'une des dimensions de la section, une ou deux des 15 dimensions de la structure étant de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde des ondes ultrasonores, ce procédé étant caractérisé en ce que : - on choisit une fréquence universelle parmi les fréquences universelles qui sont relatives à 20 la structure, c'est-à-dire les fréquences qui correspondent à des modes guidés ayant une distribution nulle de contraintes tangentielles, - on choisit un mode guidé parmi les différents modes guidés qui sont associés à la 25 fréquence universelle choisie, et - pour l'émission, on rayonne les ondes ultrasonores à la fréquence universelle choisie, à partir de la section, à l'aide d'un premier traducteur ultrasonore, en créant à l'aide de ce premier 30 traducteur ultrasonore, au niveau de cette section, une distribution de contraintes normales reproduisant la 2908517 9 distribution de contraintes normales qui est associée au mode guidé choisi à la fréquence universelle choisie, et/ou -pour la réception, on utilise le premier 5 traducteur ultrasonore ou un deuxième traducteur ultrasonore ayant des caractéristiques qui lui permettent de créer la distribution de contraintes normales que l'on reproduit pour l'émission, le premier ou le deuxième traducteur ultrasonore étant alors 10 sélectivement sensible, dans le cas de la réception, au mode guidé choisi à la fréquence universelle choisie. Selon un mode de réalisation préféré du procédé objet de l'invention, - on détermine les fréquences universelles 15 et l'on visualise la répartition d'amplitude des différents modes guidés à la fréquence universelle qui leur correspond, à partir des caractéristiques géométriques et élastiques de la structure et d'une gamme de fréquences choisie, 20 - on choisit l'un des modes, et on procède à l'émission et/ou à la réception des ondes ultrasonores. La présente invention concerne aussi un dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes 25 ultrasonores guidées dans une structure, selon un unique mode de propagation, dispositif dans lequel on a accès à au moins une section de la structure, cette structure présentant une invariance géométrique sur une distance qui est grande par rapport à au moins l'une 30 des dimensions de la section, une ou deux des dimensions de la structure étant de l'ordre de grandeur 2908517 10 de la longueur d'onde des ondes ultrasonores, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens pour déterminer les fréquences universelles qui sont relatives à la structure, c'est- 5 à-dire les fréquences qui correspondent à des modes guidés ayant une distribution nulle de contraintes tangentielles, et pour visualiser la répartition d'amplitude des différents modes guidés à la fréquence universelle qui leur correspond, à partir des 10 caractéristiques géométriques et élastiques de la structure et d'une gamme de fréquences choisie, de manière à choisir une fréquence universelle et l'un des modes qui lui est associé, et - au moins un traducteur ultrasonore apte à 15 rayonner les ondes ultrasonores à la fréquence universelle choisie, à partir de la section, en créant, au niveau de la section, une distribution de contraintes normales reproduisant la distribution de contraintes normales qui est associée au mode guidé 20 choisi à la fréquence universelle choisie, le traducteur ultrasonore étant alors sélectivement sensible, dans le cas de la réception, au mode guidé choisi à la fréquence universelle choisie. De préférence, chaque traducteur 25 ultrasonore est un traducteur ultrasonore multi- éléments. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, ce dispositif est adapté à la structure et au mode choisi, 30 et comprend en outre des moyens de commande des éléments, qui sont communs à tous ces éléments.

2908517 11 Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des moyens de commande des éléments, ces moyens de commande étant aptes à commander chaque 5 élément indépendamment des autres éléments. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation 10 donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 a déjà été décrite et illustre schématiquement un exemple de pièce 15 cylindrique dans laquelle des ondes ultrasonores guidées peuvent se propager, cette pièce étant engendrée par translation de l'une de ses sections suivant une direction d'invariance, - la figure 2 illustre schématiquement le 20 profil de contrainte normale, qui est associé au mode L(0,5), et la discrétisation en cinq éléments d'une source ultrasonore utilisée pour envoyer des ondes ultrasonores dans la pièce, -la figure 3 illustre schématiquement 25 cette source, vue en coupe, - la figure 4 illustre schématiquement l'excitation de la pièce cylindrique depuis la section de cette pièce cylindrique, - la figure 5 illustre schématiquement un 30 signal d'excitation dans les domaines temporel et fréquentiel, 2908517 12 - la figure 6 illustre schématiquement une configuration d'émission-réception dans laquelle l'émission et la réception sont séparées, et - la figure 7 illustre schématiquement le 5 signal électrique qui est reçu pour deux longueurs différentes de la pièce. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention s'applique à tous les guides 10 d'ondes élastiques (définis plus haut) pour lesquels au moins un mode guidé voit la contrainte tangentielle qui lui est associée s'annuler à une certaine fréquence, appelée fréquence de Lamé (respectivement, fréquence universelle) pour les guides en forme de plaque 15 (respectivement, les guides cylindriques). C'est le cas de tous les modes axisymétriques dans un tube ou un cylindre (voir [Thur78]). C'est également le cas des modes symétriques et antisymétriques dans une plaque (voir [Lamb17]).

20 Dans un guide de section rectangulaire, seuls certains modes présentent cette propriété. Dans le reste de la description, cette fréquence sera dénommée fréquence universelle par souci de simplification, au lieu de fréquence à 25 laquelle le mode guidé choisi possède une distribution nulle de contraintes tangentielles . La solution apportée par la présente invention est fondée sur l'utilisation de cette fréquence particulière et sur le fait que l'on rayonne 30 l'énergie ultrasonore par la tranche de la structure 2908517 13 guidante, à l'aide d'un traducteur ultrasonore, en créant une distribution de contraintes normales. L'invention consiste à créer, à l'aide du traducteur ultrasonore, une distribution de contraintes 5 normales reproduisant, de façon exacte ou approchée, la distribution de contraintes normales qui est associée au mode de propagation choisi à la fréquence universelle. Cela permet de sélectionner ce mode guidé parmi tous les modes guidés possibles pour un 10 fonctionnement du traducteur en tant qu'émetteur. Réciproquement, un traducteur ayant les caractéristiques qui lui permettent de créer la distribution de contraintes normales voulue dans le cas de l'émission, sera sensible de façon sélective au même 15 mode à la fréquence universelle dans le cas de la réception. Enfin, si ce même traducteur est utilisé à la fois en tant qu'émetteur et en tant que récepteur, la sélectivité du mode choisi sera obtenue à la fois 20 lors de l'émission et lors de la réception à la fréquence universelle. Dans le cas de l'émission, on rayonne un mode unique, choisi parmi différents modes possibles. Pour ce faire, on peut utiliser un 25 traducteur multiéléments permettant de créer une distribution de contrainte normale qui est discrétisée spatialement par l'ensemble des éléments et aussi proche que possible de la distribution continue de la contrainte normale correspondant à un mode donné et 30 relative à la fréquence universelle. En forçant ainsi le mode à cette fréquence universelle, on rayonne de 2908517 14 façon unique le mode choisi. On a donc sélectionné un mode. Dans le cas de la réception, on sélectionne exclusivement un mode parmi différents modes qui 5 atteignent le traducteur récepteur. Lorsque le même traducteur multi-éléments ou un autre traducteur multi-éléments fonctionne en mode réception, chaque élément mesure la vitesse particulaire normale qui est moyennée à sa surface. En 10 créant, à la sortie du récepteur, un signal qui est proportionnel à la somme des signaux reçus par chaque élément, cette somme étant pondérée par la même distribution d'amplitude que la distribution de contrainte normale qui est nécessaire pour sélectionner 15 le mode dans le cas de l'émission, on obtient, lors de la réception, une sélectivité optimale du mode choisi à sa fréquence universelle, parmi les différents modes qui atteignent le récepteur. Dans les deux cas (émission et réception), 20 la présente invention sélectionne, de préférence automatiquement, un mode unique parmi différents modes, à une fréquence déterminée de préférence automatiquement, une fois données (a) les caractéristiques géométriques 25 (section) et élastiques (constantes d'élasticité et masse volumique ou bien vitesses de propagation des ondes de volume et masse volumique) du guide d'ondes ultrasonores et (b) la gamme de fréquences choisie par 30 l'utilisateur pour l'application visée.

2908517 15 Cette sélection est de préférence effectuée selon les trois étapes suivantes : une fois les données fournies, un calcul est effectué pour obtenir les fréquences universelles 5 et visualiser la répartition d'amplitude des différents modes guidés à leur fréquence universelle, - l'opérateur choisit l'un des modes possibles, et une fois ce choix effectué, 10 l'instrumentation est mise en œuvre automatiquement. En pratique, les signaux ont une durée finie, ce qui se traduit par une certaine largeur de bande passante. De plus, suivant les applications visées, l'utilisateur peut vouloir effectuer des 15 mesures de temps d'arrivée des ondes guidées, ce qui nécessite que les signaux soient définis sur une plage temporelle limitée. En conséquence, les signaux excitateurs que l'on peut utiliser en pratique sont des signaux qui possèdent une certaine largeur de bande 20 passante, cette bande passante étant centrée sur la fréquence universelle. Il existe deux possibilités pour créer la distribution spatiale qui reproduit la distribution spatiale de contrainte normale du mode sélectionné à la 25 fréquence universelle. Elles sont données ci-après. (1) On peut utiliser une configuration bloquée, adaptée à un guide donné et à un mode donné, avec un pilotage électronique qui est commun à tous les éléments, ce qui correspond à l'électronique standard 30 des traducteurs mono-éléments. La disposition et la géométrie des éléments sont alors telles que les 2908517 16 frontières entre ces éléments respectent les passages à zéros de la distribution de contrainte normale à reproduire. De plus, ces passages à zéro n'étant pas équi-répartis dans le cas du guide cylindrique, les 5 amplitudes relatives des différents éléments sont gérées, par exemple, par des résistances qui sont adaptées pour chacun des éléments. Quant à l'alternance des amplitudes positives et négatives, elle est gérée en connectant 10 l'électrode de masse de chaque élément sur une face ou l'autre, suivant le signe de l'amplitude locale de la distribution que l'on cherche à produire. (2) On peut utiliser une configuration versatile, à savoir une solution qui met en oeuvre un 15 traducteur multi-éléments, avec une électronique permettant un contrôle indépendant de chaque élément. Cela nécessite l'utilisation d'un plus grand nombre d'éléments, la gestion des amplitudes par voie électronique, et la gestion des amplitudes négatives 20 par retard d'une demi-période de la fréquence universelle, ce qui est possible parce que le signal temporel excitateur est généralement un signal à bande étroite, cette bande étant centrée sur la fréquence universelle.

25 Pour la mise en oeuvre de l'invention, on peut utiliser les moyens suivants : au moins un traducteur ultrasonore multi-éléments, - pour la configuration versatile, une 30 chaîne électronique de pilotage de l'émission et/ou de 2908517 17 la réception d'ondes ultrasonores à partir d'un traducteur multi-éléments, un calculateur, qui est par exemple intégré au système d'acquisition, ce calculateur 5 permettant le calcul des modes guidés par le guide défini, dans la bande passante définie, et le calcul des fréquences universelles de ces modes, le calculateur étant éventuellement prévu pour prédire quantitativement le degré de sélectivité du mode obtenu 10 en prenant en compte la discrétisation imposée par la découpe du traducteur multi-éléments et la largeur de bande réellement utilisée pour l'excitation, et une électronique pour transmettre à la chaîne d'acquisition les résultats fournis par le 15 calculateur. Le procédé, objet de l'invention, constitue un procédé physique optimal pour sélectionner un mode guidé unique, dans le cas de l'émission, de la réception ou de l'émission-réception, pour des guides 20 d'ondes élastiques pour lesquels au moins un mode guidé possède la propriété d'existence de la fréquence universelle. Selon les besoins, deux solutions techniques ont été proposées plus haut l'une est 25 adaptée à une configuration donnée et ne nécessite pas d'électronique spécifique ; l'autre est plus versatile et nécessite la mise en place d'un pilotage par une électronique adaptée au pilotage d'éléments multiples. Dans la solution versatile, le même 30 traducteur peut être utilisé pour plusieurs configurations (différentes sections de guides, 2908517 18 différents modes pour une même section, différents matériaux) à condition que ce traducteur comporte un nombre suffisant d'éléments pour permettre d'effectuer une discrétisation satisfaisante du profil de 5 contrainte normale. La pertinence de la discrétisation peut être évaluée par simulation. A titre d'exemple, pour contrôler une pièce du genre de la pièce cylindrique 2 de la figure 1, on emploie une source d'ultrasons dont la discrétisation 10 est réalisée par un disque Dl, dont l'axe est l'axe z, et quatre électrodes annulaires concentriques D2, D3, D4 et D5 dont l'axe commun est l'axe z et qui ont des épaisseurs différentes, comme on le voit sur la figure 2.

15 Sur cette figure 2, on voit aussi (a) le profil de contrainte normale I, qui est habituellement noté a,,(r) et qui, dans l'exemple, est associé au mode L (0,5), et (b) la forme discrétisée II de ce profil.

20 Sur la figure 2, a représente le rayon extérieur de l'anneau D5 et r représente une distance radiale, comptée à partir du centre du disque Dl. La figure 3 montre la source 6 utilisée dans l'exemple de la figure 2.

25 On voit le transducteur ultrasonore multiéléments 8 de la source. Ce transducteur comporte une pastille piézoélectrique 10 sur chaque face de laquelle sont disposés cinq éléments, à savoir les électrodes Al sur une première face et B1 sur la deuxième face (en 30 regard de Al), correspondant à la discrétisation du profil de contrainte normale G,,(r) par le disque Dl, et 2908517 19 les quatre électrodes espacées A2, A3, A4 et A5 sur la première face et les quatre électrodes B2, B3, B4 et B5 sur la deuxième face (en regard de A2, A3, A4 et A5), correspondant aux discrétisations D2, D3, D4 et D5 du 5 profil de contrainte normale aZZ(r). Le disque Al et les anneaux B2, A3, B4 et A5 sont mis à la masse. La source comprend aussi un générateur de tension 14 prévu pour exciter les éléments B1, A2, B3, A4 et B5 par l'intermédiaire de résistances appropriées 10 R1, R2, R3, R4 et R5. La figure 4 illustre schématiquement une excitation de la pièce cylindrique 2 par la source 6, ou traducteur, en appliquant la face du transducteur 8 de la source contre la section S de la pièce. On a 15 aussi représenté la répartition II de la source de contrainte normale o (r) [L(0,5)] qui est discrétisée par éléments. On donne maintenant un exemple numérique pour illustrer l'effet de la répartition d'amplitude de 20 source de contrainte normale, produite par un traducteur ultrasonore, du genre du traducteur 6 de la figure 4, qui est placé sur la tranche d'un guide d'onde. Dans l'exemple, ce dernier est en acier et a une géométrie cylindrique comme la pièce 2.

25 Comme plus haut, on cherche à rayonner le mode noté L(0,5) à une fréquence centrale égale à la fréquence universelle de ce mode, qui est égale à 1,09 MHz pour un cylindre d'acier de diamètre 20 mm. Le signal excitateur est une sinusoïde à la fréquence de 30 1,09 MHz qui est modulée en amplitude par une enveloppe 2908517 20 gaussienne dont la durée est telle que sa largeur de bande passante à -6dB relative vaut 10%. La figure 5 montre ce signal excitateur dans le domaine temporel (I) et dans le domaine 5 fréquentiel (II). On a également simulé le signal reçu par un traducteur ultrasonore multi-éléments 16 (figure 6), qui sert de récepteur et qui est localisé à une distance z de l'émetteur formé par le traducteur 6.

10 Dans l'exemple de la figure 6, la pièce cylindrique 2 a donc une longueur z, et les traducteurs 6 et 16 sont appliqués contre les sectionsd'extrémité de cette pièce et ont le même diamètre d que la pièce. Le résultat de la simulation est donné par 15 la figure 7 où l'on voit le signal électrique reçu pour z=250mm et z=500mm. Le cas de l'excitation uniforme I est celui qui correspond a l'utilisation d'un traducteur standard, produisant en tout point de la section une 20 contrainte normale uniforme. On constate que le signal simulé est composé de plusieurs composantes arrivant à différents instants, illustrant ainsi le caractère multi-modal de la propagation guidée. Le deuxième cas est le cas d'une 25 excitation idéale II, correspondant à l'utilisation d'un traducteur ultrasonore fictif qui serait capable de produire exactement, en chaque point de la section, l'amplitude de contrainte normale correspondant à celle du mode guidé L(0,5) à sa fréquence universelle. Le 30 signal prédit est cette fois composé d'une unique contribution.

2908517 21 Le troisième cas III correspond à l'utilisation d'un traducteur dont la surface active est divisée en cinq éléments, comme dans l'exemple de la figure 3. Sur chaque élément, on impose une 5 amplitude constante, égale à la moyenne des valeurs d'amplitude aux points situés sur cet élément, cette moyenne étant pondérée par la distance au centre du cylindre. Le fait que l'amplitude soit définie par 10 une fonction constante par morceaux au lieu d'une fonction continue (cas de l'excitation idéale) conduit à ce que d'autres modes guidés soient rayonnés, en plus du mode L(0,5). Cependant, ces autres modes sont rayonnés avec une amplitude négligeable (mais prédite).

15 Les documents qui sont cités dans la présente description sont les suivants : [Cast96] M. Castaings et P. Cawley (1996) 20 "The generation, propagation, and detection of Lamb waves in plates using air-coupled ultrasonic transducers", J. Acoust. Soc. Am., 100, pp. 3070-3077. [Ditr95] J. J. Ditri et K. M. Rajana 25 (1995) "Analysis of the wedge method of generating guided waves", Review of Progress in Quantitative NonDestructive Evaluation, ed. by D. O. Thompson and D. E. Chimenti, Vol. 14, (Plenum, New-York), pp. 163-170. 30 [Lamb17] H. Lamb (1917), 2908517 22 "On waves in an elastic plate", Proc. Roy. Soc., series A, 93, p. 122. [Leve96] F. Levent Degertekin and B. T.

5 Khuri-Yakub (1996), "Single mode Lamb wave excitation in thin plates by Hertzian contacts", Appl. Phys. Lett., 69, pp. 146-148. [Plon76] T. J. Plona, L. E. Pitts and 10 W. G. Mayer (1976) "Ultrasonic bounded beam reflection and transmission effects at a liquid/solid plate/liquid interface", J. Acoust. Soc. Am., 59, pp. 1324-1328. [Rose98] J. L. Rose, S. P. Pelts and M. J. Quarry (1998) "A comb transducer model for guided wave NDE", Ultrasonics, 36, pp. 885-888. [Rose02] J. L. Rose (2002) "A baseline and vision of ultrasonic guided wave inspection potential", Journal of Pressure Vessel Technology, 124, pp.273-282. 25 [Thom97] R. B. Thompson (1997) "Experiences in the use of guided ultrasonic waves to scan structures", Review of Progress in Quantitative NonDestructive Evaluation, ed. by D. O. Thompson and D. E. Chimenti, Vol. 16, (Plenum, 30 New-York), pp. 121-128. 15 20 2908517 23 [Thur78] R. N. Thurston (1978) "Elastic waves in rods and clad rods", J. Acoust. Soc. Am., 64, pp. 1-37. 5 [Wilc97] P. Wilcox, M. Castaings, R. Monkhouse, P. Cawley and M. Lowe (1997) "An example of the use of interdigital PVDF transducers to generate and receive a high order Lamb wave mode in a pipe", Review of Progress in 10 Quantitative NonDestructive Evaluation, ed. by D. O. Thompson and D. E. Chimenti, Vol. 16, (Plenum, New-York), pp. 919-926.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'émission et/ou de réception d'ondes ultrasonores guidées dans une structure (2), selon un unique mode de propagation, procédé dans lequel on a accès à au moins une section de la structure, cette structure présentant une invariance géométrique sur une distance qui est grande par rapport à au moins l'une des dimensions de la section, une ou deux des dimensions de la structure étant de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde des ondes ultrasonores, ce procédé étant caractérisé en ce que : on choisit une fréquence universelle parmi les fréquences universelles qui sont relatives à la structure, c'est-à-dire les fréquences qui correspondent à des modes guidés ayant une distribution nulle de contraintes tangentielles, on choisit un mode guidé parmi les différents modes guidés qui sont associés à la fréquence universelle choisie, et -pour l'émission, on rayonne les ondes ultrasonores à la fréquence universelle choisie, à partir de la section, à l'aide d'un premier traducteur ultrasonore (6), en créant à l'aide de ce premier traducteur ultrasonore, au niveau de cette section, une distribution de contraintes normales reproduisant la distribution de contraintes normales qui est associée au mode guidé choisi à la fréquence universelle choisie, et/ou -pour la réception, on utilise le premier 30 traducteur ultrasonore (6) ou un deuxième traducteur ultrasonore (16) ayant des caractéristiques qui lui 2908517 25 permettent de créer la distribution de contraintes normales que l'on reproduit pour l'émission, le premier ou le deuxième traducteur ultrasonore étant alors sélectivement sensible, dans le cas de la réception, au 5 mode guidé choisi à la fréquence universelle choisie.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel - on détermine les fréquences universelles et l'on visualise la répartition d'amplitude des 10 différents modes guidés à la fréquence universelle qui leur correspond, a partir des caractéristiques géométriques et élastiques de la structure (2) et d'une gamme de fréquences choisie, - on choisit l'un des modes, et 15 - on procède à l'émission et/ou à la réception des ondes ultrasonores.

3. Dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes ultrasonores guidées dans une structure (2), selon un unique mode de propagation, dispositif dans 20 lequel on a accès à au moins une section de la structure, cette structure présentant une invariance géométrique sur une distance qui est grande par rapport à au moins l'une des dimensions de la section, une ou deux des dimensions de la structure étant de l'ordre de 25 grandeur de la longueur d'onde des ondes ultrasonores, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens pour déterminer les fréquences universelles qui sont relatives à la structure (2), c'est-à-dire les fréquences qui correspondent à des modes guidés ayant une distribution nulle de contraintes tangentielles, et pour visualiser la 2908517 26 répartition d'amplitude des différents modes guidés à la fréquence universelle qui leur correspond, à partir des caractéristiques géométriques et élastiques de la structure et d'une gamme de fréquences choisie, de 5 manière à choisir une fréquence universelle et l'un des modes qui lui est associé, et au moins un traducteur ultrasonore (6, 16) apte à rayonner les ondes ultrasonores à la fréquence universelle choisie, à partir de la section, 10 en créant, au niveau de la section, une distribution de contraintes normales reproduisant la distribution de contraintes normales qui est associée au mode guidé choisi à la fréquence universelle choisie, le traducteur ultrasonore étant alors sélectivement 15 sensible, dans le cas de la réception, au mode guidé choisi à la fréquence universelle choisie.

4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel chaque traducteur ultrasonore (6, 16) est un traducteur ultrasonore multi-éléments. 20

5. Dispositif selon la revendication 4, ce dispositif étant adapté à la structure (2) et au mode choisi, et comprenant en outre des moyens de commande des éléments, qui sont communs à tous ces éléments.

6. Dispositif selon la revendication 4, 25 comprenant en outre des moyens de commande des éléments, ces moyens de commande étant aptes à commander chaque élément indépendamment des autres éléments.