FR3094793A1 - Procede de controle non destructif pour une piece aeronautique - Google Patents

Procede de controle non destructif pour une piece aeronautique Download PDF

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Mathieu Loïc DUCOUSSO
Frédéric Jenson
Frédéric REVERDY
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Safran SA
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Safran SA
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Abstract

L’invention concerne un procédé d’imagerie ultrasonore d’une surface (2) utilisant des ondes de surfaces pour caractériser des objets (21) tels que des microfissures présentes sur la surface (2). Le procédé comprend au moins les étapes de :- positionnement, en regard de la surface (2) à contrôler, d’au moins une sonde (1) ultrasonore multiéléments comprenant un ensemble de n éléments (111 - 11n) juxtaposés, avec n ≥ 2, selon un angle d’incidence par rapport à la surface (2) adapté pour qu’une onde (Ω1) incidente émise par la sonde (1) permette de générer une onde ultrasonore de surface (Ωs) sur ladite surface (2),- émission, par la sonde (1) d’au moins une onde (Ω1) émise,- réception par la sonde (1) d’au moins une onde réfléchie (Ωr) par un ou plusieurs objets (21) sur la surface (2),- génération d’une image ultrasonore synthétique (A) de la surface grâce à l’utilisation de l’onde de surface avec des techniques d’imagerie telles que la Focalisation en Tout Point (FTP) ou le Plane Wave Imaging (PWI). Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

PROCEDE DE CONTROLE NON DESTRUCTIF POUR UNE PIECE AERONAUTIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION ET ETAT DE LA TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé d’imagerie ultrasonore, et plus particulièrement un procédé d’imagerie ultrasonore non destructif, d’une surface pour caractériser des microfissures débouchantes.
Dans le domaine aéronautique, il est connu de procéder à des contrôles non destructifs pour détecter l’apparition de microfissures sur une pièce.
Il est possible pour réaliser ce contrôle d’utiliser les ondes ultrasonores de surfaces. Les ondes ultrasonores de surfaces sont des ondes qui, comme leur nom l’indique, se propagent en surface d’une structure. Lorsque la structure est à l’air ou dans le vide, on parlera d’onde de Rayleigh. Lorsque la structure est immergée, dans de l’eau par exemple, on parlera plutôt d’onde de Scholte. Le champ de déplacement associé aux ondes de Rayleigh est elliptique, dans le plan perpendiculaire à la surface et décroit rapidement avec la distance à la surface. La profondeur effective de pénétration des ondes de Rayleigh est classiquement considérée comme étant égale à la longueur d’onde. Les ondes de Rayleigh possèdent une composante de polarisation longitudinale et une composante de polarisation transverse.
Lorsqu’une onde de surface se propage à la surface d’une structure, celle-ci peut être réfléchie, ou plus généralement diffractée, par une discontinuité de matière à la surface de la structure. Ainsi, utilisant un système apte à générer et à détecter des ondes de surface il est possible de contrôler de manière non destructive la surface de ladite structure. La génération/détection des ondes de Rayleigh est le plus couramment réalisée par méthodes d’Ultrasons Laser (Scruby & Drain, 1990), par méthodes EMAT (Rosli, Edwards, & Fan, 2012), ou par méthode piézo-électriques (Auld, 1990). La génération d’ondes de Rayleigh par méthodes piézo-électriques est classiquement réalisée avec des piézo-électrique spécifiques à ce besoin ou peut, alternativement, être réalisée avec un traducteur piézo-électrique conventionnel d’ondes de volume mais qui sera placé pour un tel besoin selon un angle d’incidence que les lois de la physique permettent de définir. L’angle d’incidence par rapport à la surface est défini par la relation suivante :
avec θ l’angle d’incidence, c3la vitesse de l’onde émise incidente et c2la vitesse de l’onde de surface.
Concernant cette dernière approche, de génération/détection avec un moyen piézo-électrique conventionnel d’onde de volume, l’homme de l’art pourra utiliser un traducteur mono-élément ou multiéléments. Un traducteur multiélément est composé d’une pluralité de traducteur mono-élément, placé les uns au voisinage des autres.
Une utilisation avec traducteur mono-élément permettra à l’homme de l’art de détecter un signal en fonction du temps qu’il saura éventuellement interpréter pour diagnostiquer la présence d’une indication en surface de la structure. Un déplacement manuel lui permettra de dimensionner à peu près l’indication. Alternativement, si le traducteur est placé sur un moyen permettant de réaliser des cartographies ultrasonores, une image ultrasonore pourra être obtenue.
L’état de l’art propose aussi une génération/détection des ondes de Rayleigh avec traducteurs multiéléments (Ohara, et al., 2017). Dans cette configuration, une image ultrasonore d’une éventuelle indication à la surface de la structure peut être imagée grâce au champ ultrasonore sous le sabot utilisé. Ce confinement du champ ultrasonore sous le sabot est probablement lié aux pertes acoustiques possibles lorsque l’on utilise une génération piézo-électrique avec sabot angulaire pour définir correctement l’incidence de l’onde ultrasonore émise (Zhang, Li, & Jeong, 2017).
Parallèlement, les ondes ultrasonores peuvent aussi être utilisées pour contrôler le cœur des structures avec des ondes ultrasonores de volume (Workman & Kishoni, 2007). Contrairement aux ondes de surfaces, les ondes de volumes ne sont guidées par aucune interface et, en l’absence de discontinuité, se propagent de manière balistique dans le cœur de la structure inspectée. Ces ondes possèdent une unique polarisation, longitudinale ou transverse. Avantageusement, les sondes multiéléments permettent d’obtenir de manière quasi-immédiate une image de la zone inspectée grâce à la pluralité des d’éléments piézo-électrique la composant (Workman & Kishoni, 2007). Avantageusement, les sondes multiéléments peuvent permettre d’obtenir une image ultrasonore optimisée en procédant par exemple à une focalisation synthétique du champ ultrasonore en tout point de l’image (Wilcox, Holmes, & Drinkwater, 2006). Elle peut aussi être optimisée en proposant des méthodes d’imagerie par synthèse de fronts d’ondes plans (Le Jeune, 2016). Dans tous les cas, l’ensemble de ces méthodes d’imagerie avancées sont réalisées sur des ondes de volumes, possédant une polarisation unique à l’émission.
En conséquence, il est nécessaire de fournir un procédé de contrôle non destructif qui permette de repérer un maximum de microfissures de sorte à être compatible avec les normes de sécurité aéronautique.
PRESENTATION GENERALE DE L’INVENTION
L’invention concerne un procédé d’imagerie ultrasonore d’une surface utilisant des ondes de surfaces pour caractériser des objets tels que des microfissures présentes sur la surface. Le procédé comprend au moins les étapes de :
- positionnement, en regard de la surface à contrôler, d’au moins une sonde ultrasonore multiéléments comprenant un ensemble de n éléments juxtaposés, avec n ≥ 2, selon un angle d’incidence par rapport à la surface adapté pour qu’une onde incidente émise par la sonde permette de générer une onde ultrasonore de surface sur ladite surface,
- émission, par la sonde d’au moins une onde émise,
- réception par la sonde d’au moins une onde réfléchie par un ou plusieurs objets sur la surface,
- génération d’une image ultrasonore synthétique de la surface grâce à l’utilisation de l’onde de surface avec des techniques d’imagerie telles que la Focalisation en Tout Point (FTP) ou le Plane Wave Imaging (PWI).
L’étape de génération d’une image ultrasonore peut être réalisée en utilisant une vitesse de l’onde de surface.
L’étape de génération d’une image ultrasonore synthétique A de la surface grâce à l’utilisation de l’onde de surface avec une technique de Focalisation en Tout Point (FTP), peut être réalisée par application de la relation suivante,
avecs ij (t)=k ij (t)+jH(k ij (t)), oùk ij (t) défini le signal reçu à l’instanttpar l’élémentjlorsque un élémentia émis un signal,Hest la transformée de Hilbert,Nest le nombre d’éléments sonde ultrasonore multiéléments,t i p (respectivementt j p ) est le temps de vol entre l’émetteur (respectivement le récepteur) et un pointP( x p ,y p )de la surface inspectée, le temps de vol défini entre la zone d’émergence( x e ,y e )du signal ultrasonore au niveau de la surface inspectée etP( x p ,y p )étant
oùc R est la vitesse de l’onde de Rayleigh à la surface de la structure inspectée.
L’étape de génération d’une image ultrasonore synthétique A de la surface grâce à l’utilisation de l’onde de surface avec une technique Plane Wave Imaging (PWI) peut être réalisée par application de la relation suivante,
où l’on considèreQtir avec βqdirections différentes et où les temps de vol sont définis par la relation suivante :
L’au moins une sonde peut être positionnée sur un sabot incliné selon l’angle d’incidence par rapport à la surface.
L’angle d’incidence de l’au moins une sonde par rapport à la surface peut être définie par la relation suivante :
avec θ l’angle d’incidence, c3la vitesse de l’onde émise dans le sabot et c2la vitesse de l’onde surface.
L’étape d’émission peut être effectuée par un élément i de la sonde, avec i appartient à [1 ; n], et l’étape de réception peut être effectuée par l’ensemble des éléments de la sonde.
Le procédé peut comprendre une succession de séquences d’émission et de réception, chaque séquence comprenant une étape d’émission effectuée par un élément i de la sonde distinct, avec i appartient à [1 ; n], et l’étape de réception peut être effectuée par l’ensemble des éléments de la sonde.
La surface et la sonde peuvent être placées à l’air libre pour que l’onde de surface circulant sur la surface soit une onde dite de Rayleigh.
La surface et la sonde peuvent être placées dans un liquide pour que l’onde de surface circulant sur la surface soit une onde dite de Schlote.
La sonde peut émettre une série d’ondes de surfaces dont les fronts d’onde sont des plans infinis tous perpendiculaires à une même direction de propagation.
Le procédé peut comprendre une étape de marquage des structures mises en évidence par l’au moins une onde réfléchie.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
La figure 1 est une représentation schématique d’une sonde ;
La figure 2 est une représentation schématique de la mise en œuvre d’un procédé d’imagerie ultrasonore selon l’invention ;
La figure 3 est une représentation schématique d’un sabot adapté pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
Sonde et éventuel sabot
L’invention porte sur un procédé d’imagerie ultrasonore utilisant une sonde 1. D’une manière préférentielle, la sonde 1 est une sonde multiéléments adaptée pour émettre et recevoir des ultrasons (telle que schématisée sur la figure 1).
D’une manière connue, la sonde 1 peut comprendre des matériaux piézo-composites constitués de nombreuses petites et fines baguettes de céramique piézoélectrique intégrées dans une matrice polymère. Les baguettes de céramique piézoélectrique séparées par le polymère constituent un ensemble de n éléments 111à 11n, avec n ≥ 2, électriquement séparés et qui peuvent être excités séparément. Ces éléments 111à 11nsegmentés sont ensuite incorporés dans un dispositif de sonde 1 qui comprend une couche de protection appropriée, un support, des raccords de câbles et un boîtier.
Utilisée en contact, un sabot 3 de contrôle sera associé à la sonde 1. Ce sabot 1 permet de positionner la sonde 1 de telle sorte que le faisceau ultrasonore incident ait un angle d’incidence dont la définition sera précisée ci-après. Le sabot 3 est façonné de telle sorte que le faisceau ultrasonore incident émerge du sabot 3 en son extrémité, de telle sorte qu’une onde de Rayleigh soit un minimum perturbée par la présence du sabot au-dessus d’elle et puisse se propager au loin devant le sabot sans perte de son contenu spectral.
Procédé d’imagerie ultrasonore de surface
L’invention concerne un procédé d’imagerie ultrasonore d’une surface 2 pour caractériser des objets tels que des microfissures présentes sur la surface 2. Le procédé comprend essentiellement les étapes de :
- positionnement, en regard de la surface 2 à contrôler, d’au moins une sonde 1 ultrasonore multiéléments comprenant un ensemble de n éléments (111- 11n) juxtaposés, avec n ≥ 2, selon un angle d’incidence par rapport à la surface 2 adapté pour qu’une onde Ω1incidente émise par la sonde 1 permette de générer une onde ultrasonore de surface Ωssur ladite surface 2,
- émission, par la sonde 1 d’au moins une onde Ω1émise,
- réception par la sonde 1 d’au moins une onde réfléchie Ωrpar un ou plusieurs objets 21 sur la surface 2,
- génération d’une image ultrasonore synthétique A de la surface grâce à l’utilisation de l’onde de surface avec des techniques d’imagerie telles que la Focalisation en Tout Point (FTP) ou le Plane Wave Imaging (PWI).
Il est précisé que par objet 21, on entend une indication de surface telle qu’une fissure, une microfissure ou la présence ponctuelle d’un élément déposé sur la surface telle qu’une gouttelette d’eau ou d’huile par exemple. Il peut aussi s’agir d’une zone de concentration des contraintes internes du matériau.
L’utilisation d’une onde de surface Ωs pour détecter, imager et dimensionner des fissures débouchantes permet avantageusement de détecter et mesurer des fissures invisibles au ressuage, de manière non destructive.
Tel que représenté sur la figure 2, la sonde 1 peut être positionnée sur un sabot 3 incliné selon l’angle d’incidence θ par rapport à la surface 2.
L’angle d’incidence θ peut être défini par la relation suivante :
avec c3la vitesse de l’onde Ω1émise dans le sabot et c2la vitesse de l’onde de surface Ωs. En d’autres termes,
ce qui implique, pour que θ existe que c3soit inférieur à c2.
D’une manière préférentielle, le procédé comprend une succession de séquences d’émission et de réception.
Chaque séquence comprend une étape d’émission effectuée successivement par un élément 11i distinct avec i appartient à [1 ; n] de la sonde 1 et l’étape de réception est effectuée par l’ensemble des éléments 111à 11nde la sonde 1. Ainsi, le procédé comprend k séquences d’émissions et de réception avec k appartient à [1 ; n], et préférentiellement k = n.
En d’autres termes, dans le cas où k = n, le procédé comprend successivement, une émission par un premier élément 111, une réception par l’ensemble des éléments 111à 11n, une émission par un deuxième élément 112, une réception par l’ensemble des éléments 111à 11n, et ainsi de suite jusqu’à une ultime séquence d’émission par un élément 11net de réception par l’ensemble des éléments 111à 11n. On comprendra que quelle que soit la valeur de k, le procédé comprendra au moins k séquences d’émission et de réception pour lesquelles au moins k éléments 111à 11kdistincts auront réalisés chacun une émission. Néanmoins il est possible de réaliser plus de k séquences, pour réaliser une séquence confirmative par exemple. Il est donc possible d’avoir plus de k séquences et qu’un ou plusieurs éléments émettent plus d’une fois, si au moins k séquences ont été réalisées avec un élément 111à 11kémetteur différent.
Il est précisé que selon le mode de réalisation schématisé en figure 1 les éléments sont numérotés selon un ordre allant d’une extrémité à l’autre de la sonde 1. Cependant, selon un autre mode de réalisation, les éléments peuvent émettre successivement selon un ordre aléatoire.
L’ensemble des ondes réfléchies, reçues lors de l’ensemble des séquences d’émission et de réception peuvent être traitées selon une méthode dite de focalisation en tout point.
D’une manière particulièrement avantageuse, cette disposition permet de contrôler des surfaces courbes. De plus, cette disposition permet de détecter et cartographier des microfissures quelles que soient leurs orientations. En sus, cette disposition permet de détecter des microfissures juxtaposées. Il s’agit là d’une caractéristique particulièrement avantageuse par rapport aux dispositifs de l’art antérieur.
On peut exécuter le procédé en plaçant la sonde 1 et la surface 2 à l’air libre, dans ce cas, l’onde de surface Ωs sera une onde dite de Rayleigh. L’onde Rayleigh étant une onde se propageant à l’interface entre un solide à l’air (ou dans le vide), sa structure correspond à celle d’une onde sismique. Par analogie, l’onde de Rayleigh peut être comparée au déplacement d’un solide sur une vague, avec à la fois un déplacement vertical et horizontal.
D’une manière avantageuse, l’onde de Rayleigh est non dispersive dans une structure monolithique, ce qui permet lui de couvrir de grandes distances sans être significativement atténuée.
On peut exécuter le procédé en plaçant la sonde 1 et la surface 2 dans un liquide, dans ce cas, l’onde de surface Ωs sera une onde dite de Schlote. L’onde de Schlote correspond à une onde de surface immergée.
D’une manière avantageuse, l’immersion permet de réaliser le procédé selon l’invention dans le cadre d’un système automatisé dans lequel la surface 2 est plongée dans un liquide
La sonde 1 peut émettre une série d’ondes de surface dont les fronts d’onde sont des plans infinis tous perpendiculaires à une même direction de propagation.
D’une manière particulièrement avantageuse l’étape de génération d’une image ultrasonore synthétique A est réalisée en utilisant une vitesse de l’onde de surface Ωs.
Dans le cas de l’utilisation d’une technique de Focalisation en Tout Point (FTP), l’image ultrasonore synthétique A est générée par application de la relation suivante,
avecs ij (t)=k ij (t)+jH(k ij (t)), oùk ij (t) défini le signal reçu à l’instanttpar l’élémentjlorsque un élémentia émis un signal,Hest la transformée de Hilbert,Nest le nombre d’éléments sonde 1 ultrasonore multiéléments,t i p (respectivementt j p ) est le temps de vol entre l’émetteur (respectivement le récepteur) et un pointP( x p ,y p )de la surface 2 inspectée, le temps de vol défini entre la zone d’émergence( x e ,y e )du signal ultrasonore au niveau de la surface 2 inspectée etP( x p ,y p )étant
oùc R est la vitesse de l’onde de Rayleigh à la surface 2 de la structure inspectée.
Dans le cas où l’étape de génération d’une image ultrasonore synthétique A de la surface 2 grâce à l’utilisation de l’onde de surface Ωsest mise en oeuvre avec une technique Plane Wave Imaging (PWI), on applique la relation suivante,
où l’on considèreQtir avec βqdirections différentes et où les temps de vol sont définis par la relation suivante :
Le procédé peut être achevé avec une étape de marquage des objets 21 mis en évidence par la ou les ondes réfléchies Ωr.Le marquage peut, par exemple, consister en une coloration au feutre. Ce marquage peut être réalisé en temps réel à l’aide de la visualisation acoustique, si l’on utilise l’onde de surface qui se réfléchie sur le dispositif physique servant au marquage.
D’une manière particulièrement avantageuse, le procédé d’imagerie ultrasonore d’une surface selon l’invention présente notamment les avantages suivants par rapport à l’état de l’art :
- imagerie de la surface avec des résolutions spatiales optimisées en tout point de l’image,
- détection d’indications présentant une orientation principale inclinée par rapport à la surface d’émission de la sonde ultrasonore,
- détection d’indications placées derrière d’autres indications par rapport à l’onde ultrasonore incidente.

Claims (12)

  1. Procédé d’imagerie ultrasonore d’une surface (2) utilisant des ondes de surfaces pour caractériser des objets (21) tels que des microfissures présentes sur la surface (2), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins les étapes de :
    - positionnement, en regard de la surface (2) à contrôler, d’au moins une sonde (1) ultrasonore multiéléments comprenant un ensemble de n éléments (111- 11n) juxtaposés, avec n ≥ 2, selon un angle d’incidence par rapport à la surface (2) adapté pour qu’une onde (Ω1) incidente émise par la sonde (1) permette de générer une onde ultrasonore de surface (Ωs) sur ladite surface (2),
    - émission, par la sonde (1) d’au moins une onde (Ω1) émise,
    - réception par la sonde (1) d’au moins une onde réfléchie (Ωr) par un ou plusieurs objets (21) sur la surface (2),
    - génération d’une image ultrasonore synthétique (A) de la surface grâce à l’utilisation de l’onde de surface avec des techniques d’imagerie telles que la Focalisation en Tout Point (FTP) ou le Plane Wave Imaging (PWI).
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’étape de génération d’une image ultrasonore est réalisée en utilisant une vitesse de l’onde de surface (Ωs).
  3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel l’étape de génération d’une image ultrasonore synthétique (A) de la surface grâce à l’utilisation de l’onde de surface (Ωs) avec une technique de Focalisation en Tout Point (FTP) , est réalisée par application de la relation suivante, , avecs ij (t)=k ij (t)+jH(k ij (t)), oùk ij (t) défini le signal reçu à l’instanttpar l’élémentjlorsque un élémentia émis un signal,Hest la transformée de Hilbert,Nest le nombre d’éléments sonde (1) ultrasonore multiéléments,t i p (respectivementt j p ) est le temps de vol entre l’émetteur (respectivement le récepteur) et un pointP( x p ,y p )de la surface (2) inspectée, le temps de vol défini entre la zone d’émergence( x e ,y e )du signal ultrasonore au niveau de la surface (2) inspectée etP( x p ,y p )étant , oùc R est la vitesse de l’onde de Rayleigh à la surface (2) de la structure inspectée.
  4. Procédé selon la revendication 2 dans lequel l’étape de génération d’une image ultrasonore synthétique (A) de la surface (2) grâce à l’utilisation de l’onde de surface (Ωs) avec une technique Plane Wave Imaging (PWI) est réalisée par application de la relation suivante, , où l’on considèreQtir avec βqdirections différentes et où les temps de vol sont définis par la relation suivante : .
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’au moins une sonde (1) est positionnée sur un sabot (3) incliné selon l’angle d’incidence (θ) par rapport à la surface (2).
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’angle d’incidence (θ) de l’au moins une sonde (1) par rapport à la surface (2) est définie par la relation suivante : , avec θ l’angle d’incidence, c3la vitesse de l’onde (Ω1) émise dans le sabot (3) et c2la vitesse de l’onde surface (Ωs).
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel l’étape d’émission est effectuée par un élément (11i) de la sonde (1), avec i appartient à [1 ; n], et l’étape de réception est effectuée par l’ensemble des éléments (111- 11n) de la sonde (1).
  8. Procédé selon la revendication 7, comprenant une succession de séquences d’émission et de réception, chaque séquence comprenant une étape d’émission effectuée par un élément (11i) de la sonde (1) distinct, avec i appartient à [1 ; n], et l’étape de réception est effectuée par l’ensemble des éléments (111- 11n) de la sonde (1).
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la surface (2) et la sonde (1) sont placées à l’air libre pour que l’onde de surface (Ωs) circulant sur la surface (2) soit une onde dite de Rayleigh.
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la surface (2) et la sonde (1) sont placées dans un liquide pour que l’onde de surface (Ωs) circulant sur la surface (2) soit une onde (Ω) dite de Schlote.
  11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la sonde (1) émet une série d’ondes de surfaces (Ωs) dont les fronts d’onde sont des plans infinis tous perpendiculaires à une même direction de propagation.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant une étape de marquage des structures (21) mises en évidence par l’au moins une onde réfléchie (Ωr).
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