FR3098302A1

FR3098302A1 - Dispositif d’imagerie par ondes de surface

Info

Publication number: FR3098302A1
Application number: FR1907262A
Authority: FR
Inventors: Philippe BREDIF; Ekaterina Iakovleva
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: FR3098302B1

Abstract

Dispositif d’imagerie par ultrasons pour imager une zone (Z) d’une pièce (PI), le dispositif comprenant un traducteur ultrasonore (TUM) composé d’une pluralité de capteurs (EL) agencés sur une courbe fermée, chaque capteur étant apte à émettre et/ou recevoir une onde ultrasonore de surface dans/depuis la pièce (PI), chaque capteur (EL) étant agencé dans le traducteur ultrasonore (TUM) de manière à ce que, lorsque le dispositif est positionné pour imager la zone de la pièce, la direction normale au capteur (EL) intercepte la surface de la pièce avec un angle d’incidence prédéterminé permettant la propagation de l’onde ultrasonore à la surface de la pièce, le dispositif étant configuré pour réaliser une pluralité de séquences d’acquisitions successives de signaux ultrasonores, chaque séquence d’acquisition comprenant l’émission, depuis un capteur différent, d’un signal ultrasonore vers la zone (Z) puis la réception simultanée, par une pluralité de capteurs, d’une pluralité de signaux ultrasonores provenant de la zone (Z), le dispositif comprenant en outre une unité de traitement configurée pour calculer une pluralité de pixels I(P) correspondant chacun à un point (P) de la zone à partir des signaux ultrasonores acquis. Figure 1a

Description

Dispositif d’imagerie par ondes de surface

L’invention concerne le domaine de l’imagerie par ultrasons et s’applique en particulier au contrôle non destructif de pièces ou objets en matériau divers. Le contrôle non destructif vise notamment à détecter la présence d’éventuels défauts dans une pièce, à les localiser et à les dimensionner.

L’invention concerne plus précisément la recherche de défauts situés à la surface ou dans les premiers millimètres sous la surface des pièces à imager.

L’invention porte sur un dispositif d’imagerie par ondes de surface ou ondes de Rayleigh.

Dans la suite de la description, le terme traducteur est utilisé pour désigner un capteur par ultrasons multi-éléments qui comprend plusieurs émetteurs d’ondes ultrasonores et plusieurs récepteurs d’ondes ultrasonores, chaque élément pouvant avoir à la fois la fonction d’émetteur et de récepteur ou uniquement l’une des deux fonctions.

La problématique générale visée par l’invention concerne la conception d’un dispositif d’imagerie par ultrasons qui soit capable de détecter et caractériser un défaut dans une pièce quelle que soit l’orientation des capteurs par rapport au défaut.

En effet, la détection de certains défauts de surface, tels que les fissures, nécessite une orientation favorable entre l’axe de propagation de l’onde incidente émise par un émetteur du traducteur multi-éléments, la surface réfléchissante du défaut et l’axe d’un récepteur du traducteur. Cette contrainte impose alors de multiplier le nombre d’émissions d’ondes ultrasonores pour chaque zone de la pièce à inspecter, en modifiant entre chaque émission, l’orientation du traducteur par rapport à la pièce.

Un autre problème général visé par l’invention concerne l’amélioration de la détectabilité de défauts faiblement échogènes. En effet, la détectabilité d’un défaut à l’aide de signaux ultrasonores peut également dépendre de la réflectivité intrinsèque du défaut, encore appelée pouvoir échogène. Cette dernière dépend de plusieurs paramètres tels que l’impédance acoustique du défaut par rapport à celle du matériau dans lequel il se situe. En effet, plus ces impédances sont différentes et plus l’amplitude de l’écho ultrasonore réfléchi sera élevée. De la même manière, la réflectivité du défaut dépend de la géométrie et de la dimension de sa surface réfléchissante, avec en particulier une diminution de l’amplitude de l’écho de réflexion avec la taille du défaut.

La demande de brevet américaine US 2009/0019937 concerne le domaine du contrôle non destructif. Un objectif de l’invention décrite dans cette demande est de détecter des défauts présents au voisinage de la surface de billes de roulement en céramique. Deux traducteurs multi-éléments ultrasonores aptes à générer des ondes de Rayleigh à la surface de la bille sont proposés.

Le dispositif décrit dans la demande de brevet précitée présente l’inconvénient d’être sensible à l’orientation des défauts, notamment ceux de type fissure. En effet, le dispositif proposé est constitué de traducteurs linéaires (appelés phased array) comprenant plusieurs éléments agencés linéairement sous forme de barrettes, c'est-à-dire selon une seule dimension. Avec un tel agencement, même si la fissure est située au point de focalisation des ondes ultrasonores, celle-ci peut ne pas être détectée si son orientation par rapport à l’axe de propagation des ultrasons n’est pas favorable. Ceci est dû au fait que la focalisation est réalisée suivant l’axe de propagation des ondes émises par un traducteur. L’utilisation de traducteurs linéaires nécessite de faire tourner la bille par rapport aux traducteurs pour que chaque point de sa surface soit inspecté suivant de multiples orientations. Cette contrainte complexifie le contrôle et augmente le risque de ne pas détecter des défauts de faible dimension.

Par ailleurs, la demande de brevet précitée est basée sur une technique de focalisation en un point de l’objet à imager, selon laquelle chaque élément du traducteur est excité quasi simultanément avec un retard configuré de sorte à ce que les différentes ondes se superposent au point de focalisation. Chaque récepteur reçoit alors un unique signal amplifié résultant de la superposition des échos des signaux ultrasonores émis.

La présente invention vise à résoudre les limitations des solutions de l’art antérieur en proposant un dispositif d’imagerie par ultrasons sous la forme d’un traducteur multi-éléments agencé de sorte à pouvoir réaliser une focalisation spatiale à la surface d’une pièce. De cette manière, l’invention permet d’obtenir une image échographique d’une zone de la pièce qui contient simultanément les informations issues d’orientations multiples du défaut par rapport au traducteur.

L’invention utilise des ondes de surface, encore appelées ondes de Rayleigh qui se propagent naturellement à la surface d’un volume.

L’invention utilise un mode d’acquisition séquentielle des signaux ultrasonores de type FMC (Full Matrix Capture) couplé à une méthode de post-traitement de type TFM (Total Focusing Method) qui permet d’imager précisément une zone d’une pièce sans nécessité de réaliser plusieurs acquisitions en modifiant l’orientation du traducteur à chaque fois.

L’invention améliore la détectabilité des plus petits défauts en mettant en œuvre les techniques de focalisation avancées aussi utilisées en contrôle non destructif avec des ondes de volume. Celles-ci permettent de concentrer un maximum d’énergie ultrasonore en chaque point de la surface inspectée, ce qui rend la méthode plus sensible à la détection des petits défauts ou des défauts moins échogènes. Cette action a également pour effet d’accroître le pouvoir de résolution et de fournir des images très résolues.

L’invention peut être adaptée à des géométries de pièces de différentes formes incluant notamment des sphères, des cylindres ou tout autre type de géométrie. L’invention s’applique pour différents types d’objets à imager, par exemple des rails de chemin de fer.

L’invention a pour objet un dispositif d’imagerie par ultrasons pour imager une zone d’une pièce, le dispositif comprenant un traducteur ultrasonore composé d’une pluralité de capteurs agencés sur une courbe fermée, chaque capteur étant apte à émettre et/ou recevoir une onde ultrasonore de surface dans/depuis la pièce, chaque capteur étant agencé dans le traducteur ultrasonore de manière à ce que, lorsque le dispositif est positionné pour imager la zone de la pièce, la direction normale au capteur intercepte la surface de la pièce avec un angle d’incidence prédéterminé permettant la propagation de l’onde ultrasonore à la surface de la pièce, le dispositif étant configuré pour réaliser une pluralité de séquences d’acquisitions successives de signaux ultrasonores, chaque séquence d’acquisition comprenant l’émission, depuis un capteur différent, d’un signal ultrasonore vers la zone puis la réception simultanée, par une pluralité de capteurs, d’une pluralité de signaux ultrasonores provenant de la zone, le dispositif comprenant en outre une unité de traitement configurée pour calculer une pluralité de pixels I(P) correspondant chacun à un point de la zone à partir des signaux ultrasonores acquis.

Selon un aspect particulier de l’invention, la courbe fermée est une couronne et la pièce est une sphère.

Selon un aspect particulier de l’invention, le traducteur ultrasonore est réalisé au moyen d’un matériau piézo-composite comprenant une résine dans laquelle les capteurs sont noyés de manière à être fixés solidairement.

Selon une variante de réalisation, le dispositif selon l’invention comprend un moyen de positionnement du traducteur ultrasonore par rapport à la pièce pour que la direction normale à chaque capteur intercepte la surface de la pièce avec un angle d’incidence prédéterminé permettant la propagation de l’onde ultrasonore à la surface de la pièce.

Selon un aspect particulier de l’invention, le moyen de positionnement comprend un organe de positionnement du dispositif selon plusieurs degrés de libertés, un capteur central positionné au centre du traducteur multi-éléments et configuré pour émettre un signal ultrasonore vers la pièce et recevoir un écho et une unité de réglage configurée pour piloter l’organe de positionnement de manière à ce que l’énergie de l’écho reçu par le capteur central provenant de la pièce soit maximale et que le temps de vol de l’écho réfléchi à la surface de la pièce corresponde à une valeur attendue, définie à partir de la distance entre la pièce et le capteur central.

Selon un aspect particulier de l’invention, le moyen de positionnement est constitué d’un sabot et d’un fluide couplant, le sabot ayant une face avant de forme complémentaire à la forme de la pièce et une face arrière de forme complémentaire à la forme du traducteur multi-éléments, le sabot étant couplé respectivement au traducteur multi-éléments et à la pièce au moyen du fluide couplant.

Selon un aspect particulier de l’invention, le moyen de positionnement est constitué d’une chambre contenant un fluide, la chambre étant positionnée sur le traducteur multi-éléments, la chambre ayant une ouverture conçue pour recevoir la pièce, la pièce venant se loger dans l’ouverture.

Selon un aspect particulier de l’invention, l’unité de traitement est configurée pour calculer une pluralité de pixels I(P) correspondant chacun à un point P de la pièce en exécutant les étapes de :

pour chaque couple de capteurs émetteur-récepteur, déterminer un temps de vol correspondant à une durée théorique nécessaire à l’onde ultrasonore de surface pour parcourir un trajet depuis le capteur émetteur jusqu’au capteur récepteur en passant par un premier point d’interface entre l’onde émise par le capteur émetteur et la surface de la pièce, le point de la pièce à imager et un second point d’interface entre l’onde reçue par le capteur récepteur et la surface de la pièce,
déterminer une somme des amplitudes extraites d’un ensemble d’ondes ultrasonores de surface émises par lesdits capteurs émetteurs et reçus par lesdits capteurs récepteurs, aux temps de vol déterminés à l’étape précédente.

Selon un aspect particulier de l’invention, chaque capteur est un capteur piézoélectrique.

Selon un aspect particulier de l’invention, l’angle d’incidence prédéterminé est défini à partir de la loi de Snell-Descartes.

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants :

la figure 1a représente, selon une vue en trois dimensions, un exemple de dispositif d’imagerie selon un premier mode de réalisation de l’invention,

la figure 1b représente une vue de dessus du dispositif d’imagerie de la figure 1a,

la figure 2 représente un schéma illustrant le principe de génération d’ondes de surface à l’aide du dispositif décrit aux figures 1a et 1b,

la figure 3a représente, en vue de coupe, une première variante du dispositif décrit aux figures 1a et 1b,

la figure 3b représente une vue en trois dimensions de la figure 3a,

la figure 4 représente, en vue de coupe, une deuxième variante du dispositif décrit aux figures 1a et 1b,

la figure 5 représente, en vue de coupe, une troisième variante du dispositif décrit aux figures 1a et 1b,

la figure 6 représente une vue schématique d’une séquence d’acquisition d’ondes ultrasonores au moyen du dispositif selon le premier mode de réalisation de l’invention,

la figure 7 représente, sur un organigramme, les étapes nécessaires à la mise en œuvre d’un procédé d’imagerie selon l’invention,

la figure 8 représente un schéma, en trois dimensions, illustrant le principe de l’étape de détermination de temps de vol théoriques,

la figure 9 représente le schéma de la figure 8 en vue de côté.

L’invention est basée sur l’utilisation d’ondes ultrasonores de surface encore appelées ondes de Rayleigh. Ces ondes se propagent naturellement à l’interface entre deux milieux et peuvent donc épouser les variations de géométrie d’une pièce en se propageant à sa surface.

De manière générale, l’invention porte sur un dispositif d’imagerie par ultrasons comprenant un traducteur multi-éléments apte à générer des ondes de surface vers une pièce à imager et à recueillir ou capturer les échos de ces ondes.

Pour permettre la propagation naturelle des ondes de Rayleigh à la surface d’un objet, les ondes doivent être émises avec un angle d’incidence critique particulier qui dépend de la vitesse des ondes dans le milieu situé entre le traducteur et l’objet et qui dépend également de la vitesse des ondes de Rayleigh dans le matériau dans lequel est formé l’objet.

L’invention est basée sur une utilisation des ondes de Rayleigh générées par réfraction en appliquant la loi de Snell-Descartes. Si les dimensions des éléments du traducteur sont petites devant la longueur d’onde du signal ultrasonore, alors on peut considérer que le faisceau ultrasonore émis est très divergent et qu’il permet intrinsèquement d’engendrer une onde de Rayleigh à la surface du matériau sans qu’il soit nécessaire de lui imposer une orientation particulière. À l’inverse, si les dimensions des éléments sont grandes devant la longueur d’onde, alors on peut considérer que chaque élément génère une onde plane dont le trajet nominal passe par son centre suivant une orientation normale à sa surface en ce point. C’est ce second cas de figure qui s’applique à l’invention. Le trajet de l’onde intercepte alors la surface de la pièce inspectée en un point d’impact avec un angle d’incidence par rapport à la normale de la surface inspectée. L’orientation de la surface émettrice est donc telle que l’angle d’incidence vérifie la relation suivante conformément à la loi de Snell-Descartes.

est l’angle du trajet incident de l’onde ultrasonore par rapport à la normale de la surface de l’objet inspecté, au point d’impact.

est la vitesse des ondes ultrasonores dans le milieu situé entre la surface active du traducteur et le matériau inspecté.

est la vitesse des ondes de Rayleigh dans le matériau inspecté.

Pour respecter cette propriété, la géométrie de la surface émettrice du traducteur selon l’invention doit dépendre de la surface inspectée et du positionnement relatif entre le traducteur et l’objet. Dans le cas le plus général, la surface du traducteur est définie comme étant une surface de Fermat telle que chaque point de cette surface vérifie géométriquement la relation (1).

En fonction de la forme du matériau inspecté, la surface active du traducteur peut être assimilée à une géométrie canonique. Ainsi, si la surface inspectée est de forme sphérique, la surface émettrice du traducteur sera également de géométrie sphérique. Par exemple, dans au moins une partie des cas d’application, la surface du traducteur est complémentaire de celle de l’objet à imager.

Le principe de réciprocité entre l’émission et la réception d’une onde ultrasonore par un traducteur piézoélectrique implique une géométrie similaire en réception. Dans le cas le plus général, chaque élément du traducteur peut indifféremment être utilisé à l’émission ou à la réception.

Le traducteur multi-éléments selon l’invention est constitué d’autant d’éléments que l’on souhaite d’orientations d’inspections autour des défauts recherchés. Plus les éléments seront nombreux et petits et meilleure sera la qualité de l’image. Le positionnement des éléments à la surface du traducteur est tel qu’ils entourent localement une portion de surface de la pièce inspectée. La géométrie de cette dernière peut être complexe mais elle doit être connue et invariante lors du déplacement du traducteur par rapport à celle-ci. De même, la vitesse de propagation des ondes de Rayleigh dans le matériau de cette pièce doit être connue.

La technologie de traducteurs permettant de générer des ondes de Rayleigh peut être de type piézoélectrique. Le contrôle peut alors être effectué avec un traducteur au contact ou en immersion. Dans le premier cas, une ligne à retard (ou sabot) est positionnée entre le traducteur et le matériau inspecté, dans le second cas, un liquide, généralement de l’eau, remplace la ligne à retard.

Les figures 1a et 1b représentent, respectivement en trois dimensions et en vue de dessus, un exemple de réalisation d’un traducteur multi-éléments TUM selon un mode de réalisation de l’invention. Sur les figures 1a et 1b, seul le traducteur TUM est représenté, étant entendu qu’un dispositif d’imagerie complet comprend le traducteur TUM et d’autres éléments nécessaires notamment à l’acquisition des signaux ultrasonores, le traitement de ces signaux mais aussi le pilotage du traducteur en vue de le positionner correctement par rapport à la pièce à imager. Dans ce mode de réalisation, la pièce à imager PI est une sphère. Le traducteur TUM est constitué d’un réseau bidimensionnel d’éléments EL ayant une géométrie de type sphérique avec une découpe annulaire sectorielle comme représenté à la figure 1a. Autrement dit, la forme générale du traducteur TUM est complémentaire de la forme sphérique de la pièce PI à inspecter. De cette manière, lorsque le traducteur est positionné pour imager la pièce PI, chaque élément EL du traducteur est orienté de sorte à respecter la condition de Snell-Descartes donnée par l’équation (1), c'est-à-dire que les trajets T des ondes ultrasonores émises par chaque élément EL forment un angle d’incidence critique particulier avec la normale à la surface de la pièce PI.

Chaque élément EL du traducteur est un capteur à ultrasons qui peut être actif soit en émission, soit en réception, soit en émission et en réception simultanément. Dans le cas le plus général, tous les éléments EL ont la capacité d’être actifs en émission et en réception. Chaque élément EL est identique. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, chaque élément EL est réalisé par un capteur piézoélectrique.

La figure 2 schématise le trajet TR d’une onde émise par un élément EL_E actif en émission vers la pièce PI. En l’absence de défaut dans la pièce, L’onde se propage à la surface de la pièce PI et est transmise (en partie) vers un élément EL_R actif en réception. La géométrie particulière du traducteur TUM selon l’invention permet d’assurer que l’angle d’incidence θ_Rentre la direction de propagation de l’onde et la normale N1,N2 à la surface de la pièce au point d’impact ou de réflexion de l’onde respecte la relation de Snell-Descartes.

Comme indiqué précédemment, l’angle d’incidence critique θ_Rdépend notamment du matériau de la pièce PI et du milieu couplant entre le traducteur TUM et la pièce PI. La valeur souhaitée de l’angle d’incidence est notamment obtenue en faisant varier le diamètre de la couronne sur laquelle sont positionnés les éléments et l’orientation des éléments sur la couronne. Par ailleurs, la distance entre les éléments et la pièce à imager est aussi un paramètre à régler.

Le respect de cet angle d’incidence critique permet la propagation naturelle des ondes de surface à la surface de la pièce à inspecter. Pour assurer ce respect, le dispositif d’imagerie comprend un moyen de positionnement du traducteur TUM par rapport à la pièce PI qui permet de garantir le positionnement correct des éléments du traducteur vis-à-vis de la pièce. Dans un exemple de réalisation, le traducteur TUM est réalisé au moyen d’un matériau piézo composite comprenant une résine dans laquelle sont noyés les éléments du traducteur. Ces derniers sont, par exemple réalisés en utilisant un matériau piézo électrique tel qu’une céramique piézo-électrique. L’utilisation d’une résine permet de fixer les éléments du traducteur les uns par rapport aux autres de façon définitive.

Dans une première variante de réalisation décrite aux figures 3a et 3b, le moyen de positionnement du traducteur TUM est constitué d’un organe de pilotage ORG qui permet de régler le traducteur selon plusieurs degrés de libertés, par exemple en rotation et en translation. Dans l’exemple de la figure 3a (vue en coupe) et figure 3b (vue en trois dimensions), le traducteur TUM comprend en outre un élément central EL_C apte à émettre et recevoir une onde ultrasonore, par exemple un capteur piézoélectrique. Cet élément central permet de régler le positionnement du traducteur par rapport à la pièce PI de sorte que la direction T de l’onde émise par l’élément central EL_C intercepte la surface de la pièce PI en un point avec un angle incident nul par rapport à la normale à la surface en ce point. Un dispositif de mesure (non représenté sur la figure 3a) est utilisé pour déterminer l’énergie de l’écho reçu par l’élément central EL_C. Le réglage de l’orientation du traducteur TUM par rapport à la pièce PI est effectué en recherchant le maximum de l’énergie du signal émis par l’élément central EL_C, réfléchi à la surface de la pièce et reçu par ce même élément et en s’assurant que le temps de vol de cet écho corresponde bien à celui attendu. En effet, le maximum d’énergie de l’écho est obtenu lorsque le trajet incident de l’onde reçu par l’élément central EL_C est normal à la surface de la pièce PI. Lorsque cette contrainte est respectée, on s’assure que les autres éléments EL_1, EL_2 du réseau de capteurs sont eux aussi correctement orientés pour respecter l’angle d’incidence défini par la relation (1). Par ailleurs, il faut aussi régler la distance entre le traducteur TUM et la pièce. Cette distance est évaluée à partir de la mesure du temps de vol de l’écho émis et reçu par l’élément central EL_C après réflexion sur la surface de la pièce et de la vitesse de propagation de l’onde dans le milieu CPL.

Dans un exemple de réalisation, le dispositif de mesure est un oscilloscope qui est utilisé pour mesurer l’amplitude et l’instant de réception de l’écho reçu par l’élément central EL_C. La mesure de l’amplitude de l’écho permet de régler l’orientation du traducteur TUM. La mesure de l’instant de réception de l’écho permet d’en déduire le temps de parcours de l’onde. A partir du temps de parcours de l’onde, on peut déterminer la distance entre l’élément central EL_C et la pièce à imager (en connaissant la vitesse de propagation de l’onde). Le réglage de l’organe de pilotage ORG peut être réalisé par un opérateur à partir des mesures faites par le dispositif de mesure de manière à assurer l’orientation correcte du traducteur par rapport à la pièce et la distance correcte entre le traducteur et la pièce.

Dans le mode de réalisation décrit aux figures 3a et 3b, un couplant liquide CPL, par exemple de l’eau, est présent entre le traducteur TUM et la pièce PI à imager. Autrement dit, le contrôle de la pièce est fait en immersion. Pendant la phase de réglage, la pièce PI est immobile en immersion dans l’eau et le traducteur TUM est positionné à distance de la pièce PI mais en immersion au moyen de l’organe de pilotage ORG lui-même commandé en fonction de l’énergie de l’écho reçu par l’élément central EL_C. Une fois que le traducteur TUM est correctement positionné, l’imagerie de la pièce PI peut être déclenchée.

La figure 4 décrit une deuxième variante de réalisation du moyen de positionnement qui est constitué cette fois d’un sabot S positionné entre le traducteur TUM et la pièce à imager PI. Le sabot S est réalisé dans un matériau permettant de réaliser un couplant rigide en remplacement de l’eau utilisée comme couplant dans le mode de réalisation précédent. Par exemple, le sabot S est réalisé en plexiglas. Un couplant est nécessaire entre le traducteur TUM et la pièce PI pour permettre la bonne transmission du signal ultrasonore entre les deux milieux. En effet, plus la différence de densité entre deux milieux traversés par l’onde ultrasonore est importante, plus l’écho réfléchi a une énergie importante. Pour cette raison, il n’est pas possible de laisser de l’air entre le traducteur et la pièce car la différence de densité entre l’air et le matériau de la pièce est trop importante.

Dans le cas du mode de réalisation de la figure 4 un couplant fluide CPL, par exemple du gel est inséré entre la face arrière AR du sabot S et le traducteur TUM et entre la face avant AV du sabot S et la pièce PI.

La forme de la face arrière AR du sabot S est complémentaire de la forme du traducteur, c'est-à-dire de la forme de la couronne d’éléments ultrasonores EL_1,EL_2. La forme de la face avant AV du sabot S est complémentaire de la forme de la pièce PI. Ainsi, le traducteur TUM et le sabot S se positionnent naturellement par rapport à la pièce PI et on assure ainsi le respect des contraintes d’incidence des ondes émises par les éléments du traducteur. La longueur du sabot S est déterminée de sorte à respecter la relation (1).

La figure 5 décrit une troisième variante de réalisation du moyen de positionnement qui est constitué cette fois d’une chambre CH contenant un fluide FL, par exemple de l’eau. Selon cette variante, le contrôle est réalisé en immersion locale. Le traducteur TUM est positionné sous la chambre CH. Le fluide est contenu dans la chambre CH et est ainsi maintenu au-dessus du traducteur TUM. La pièce PI vient se loger dans la face avant de la chambre CH pour être en immersion partielle dans le fluide. Le fluide sert de couplant et la chambre CH permet le maintien de la pièce PI par rapport au traducteur. La face avant de la chambre CH est une ouverture conçue pour que la pièce PI puisse s’y loger fixement. Dans le cas où la pièce PI a une forme sphérique, la face avant a une ouverture circulaire de diamètre inférieur au diamètre de la sphère. La longueur de la chambre CH et le diamètre de sa face avant est déterminée de sorte à respecter la relation (1).

On décrit à présent le fonctionnement du dispositif d’imagerie selon l’invention pour réaliser une tomographie d’une zone de la pièce à imager.

La figure 7 schématise, sur un organigramme, les principales étapes de mise en œuvre d’un procédé d’imagerie selon l’invention. Il comprend une première phase 700 d’acquisition de signaux ultrasonores et une seconde phase 710 de traitement des données acquises pour calculer les pixels P d’une zone de la pièce PI à reconstruire.

La phase d’acquisition 700 est basée sur une technique d’enregistrement de signaux ultrasonores du type « Full Matrix Capture » (FMC) ou matrice inter-éléments en français. Selon cette technique, pour un réseau de capteurs comprenant N émetteurs et M récepteurs, on réalise N séquences successives d’émission d’ondes ultrasonores et, pour chaque séquence, M enregistrements sont réalisés.

La figure 6 illustre ce principe. Pour chaque séquence, un élément EL_1,EL_2, EL_i, EL_N actif en émission émet une onde ultrasonore vers la pièce à imager. L’écho de ce signal est ensuite capturé 702 par tous les M éléments actifs en réception. Cette séquence est répétée sur N éléments actifs différents en émission. Dans le cas où M=N, tous les éléments du réseau de capteurs sont actifs en émission et en réception (cas illustré à la figure 6).

A la fin de la phase d’acquisition 700, un nombre MxN de signaux élémentaires sont enregistrés. Un signal enregistré est désigné par S_ij(t) avec i un indice désignant les émetteurs, i variant de 1 à N et j un indice désignant les récepteurs, j variant de 1 à M. Chaque signal est enregistré sur une durée prédéterminée. Le positionnement particulier des éléments ultrasonores par rapport à la pièce permet d’assurer que chaque signal enregistré correspond à une orientation différente des éléments émetteur et récepteur par rapport à la pièce.

La phase 710 de traitement des signaux S_ij(t) enregistrés est exécutée par une unité de traitement (non représentée sur les figures). L’unité de traitement est, par exemple, un processeur CPU, un processeur graphique, un processeur de signaux ou encore un circuit intégré, un circuit logique programmable, un circuit intégré propre à une application ou tout autre dispositif équivalent configurable pour exécuter les étapes du procédé d’imagerie selon l’invention. La phase 710 de traitement des signaux peut aussi être mise en œuvre en tant que programme d’ordinateur comportant des instructions pour son exécution. Le programme d’ordinateur peut être enregistré sur un support d’enregistrement lisible par un processeur. Le programme d’ordinateur peut être exécuté par un ordinateur de type PC.

Le dispositif d’imagerie selon l’invention peut aussi comporter un afficheur tel qu’un écran ou toute autre interface homme machine, pour restituer à un utilisateur une image de l’objet PI déterminée par l’unité de traitement.

La phase 710 de traitement des signaux S_ij(t) est basée sur une technique d’imagerie ultrasonore pour des ondes de volume connue sous l’abréviation anglaise TFM pour « Total Focusing Method ». Cette technique est adaptée pour prendre en compte les contraintes particulières des ondes de surface utilisées par l’invention.

Cette technique consiste à calculer, pour chaque point P de la zone de l’objet à imager, le pixel correspondant I(P) comme étant égal à la somme des amplitudes extraites des signaux S_ij(t) reçus par les récepteurs du transducteur multiéléments, aux temps de vol théoriques t= T_ij(P) correspondant aux chemins parcourus entre un émetteur i et un récepteur j, en passant par le point P.

Autrement dit, si N est le nombre de récepteurs et M le nombre d’émetteurs, on somme les amplitudes des signaux reçus par les récepteurs aux instants correspondant aux durées respectives nécessaires pour rejoindre l'un des récepteurs depuis l'un des émetteurs en passant par le point considéré. La somme peut être formulée par l'expression suivante :

La phase de traitement 710 est ainsi décomposée en une étape 711 de détermination des temps de vol théoriques T_ij(P) et d’une étape 712 de calcul des valeurs des pixels à l’aide de la relation précédente.

Dans le cas d’une onde de surface, le trajet de l’onde entre un émetteur E et un récepteur R est représenté schématiquement sur la figure 8. L’onde émise intercepte la surface Σ de la pièce PI en un point tel que l’angle d’incidence θ_R est donné par la relation (1). L’onde parcourt la surface via le point P et un écho est réfléchi vers un récepteur R à partir d’un point . Le trajet de l’onde est encore représenté schématiquement à la figure 9 en vue de profil dans le cas d’une surface plane.

Par ailleurs, le calcul des distances entre les points , et P dépend de la forme géométrique de la pièce.

On suppose qu’une onde de Rayleigh se propage le long d’une interface délimitant deux milieux dont les propriétés physiques sont fortement contrastées. C’est le cas pour la surface de la pièce PI. On se place également sous l’hypothèse que l’interface présente une courbure suffisamment grande et régulière devant la longueur d’onde, ce qui permet de considérer la vitesse de l’onde de Rayleigh comme une constante.

Dans le cas présent, l’interface est une interface courbe entre un fluide et un solide. La recherche des trajectoires propres à une onde de Rayleigh peut se décomposer en deux étapes. On recherche tout d’abord l’ensemble des points de la surface Σ dont la normale à l’interface fait un angle θ_Ravec le rayon liant l’émetteur E ou le récepteur R au point considéré. Dans le cas d’un traducteur dont la dimension des éléments est grande devant la longueur d’onde du signal ultrasonore, le parcours correspond au trajet nominal passant par le centre de l’élément E et perpendiculaire à la surface émettrice de l’élément E. On cherche ensuite à extraire le chemin entre le point et le point dont la longueur est minimale.

Par analogie au cas d’une interface plane, la distance entre le point et le point recherchée correspond à la distance la plus courte entre ces deux points en suivant la surface de la pièce (géodésique).

Pour une interface sphérique de rayon r, la distance entre le point et le point est la longueur de l’arc de cercle donnée par α_roù α est l’angle au centre du cercle principal passant par les points et . Lorsque l’interface présente une forme géométrique plus complexe, la description du trajet de l’onde nécessite l’utilisation d’outils géométriques.

L’équation du temps de vol de l’onde de surface entre un point émetteur E_iet un point récepteur R_jest donnée par l’équation suivante :

Le premier terme de l’équation (3) décrit une propagation de l’onde dans le fluide couplant à une vitesse v₀sur le trajet entre l’émetteur E_iet l’interface au point .

Le deuxième terme de l’équation (3) décrit une propagation de l’onde de surface à une vitesse v_rsur le trajet entre le point et le point P pour lequel le pixel est calculé.

Le troisième terme de l’équation (3) décrit une propagation de l’onde de surface à une vitesse v_rsur le trajet entre le point P et le point pour lequel le pixel est calculé.

Le quatrième terme de l’équation (3) décrit une propagation de l’onde dans le fluide couplant à une vitesse v₀sur le trajet entre le point et le récepteur Rj.

La valeur du pixel au point P est ensuite calculée 712 à partir de la relation (2) en réalisant une somme des signaux enregistrées échantillonnés aux temps de vol théoriques calculés.

Les étapes 711 et 712 sont itérées pour tous les points P de la zone de la pièce à imager.

L’inspection de la totalité de la pièce peut ensuite être réalisée en déplaçant le traducteur par rapport à la pièce (ou inversement selon les modes de réalisation) en assurant une invariance des positions relatives et en appliquant à nouveau le procédé décrit à la figure 7.

Bien que l’invention ait été décrite pour le cas d’une pièce à imager de forme sphérique, elle est applicable à des pièces présentant d’autres formes géométriques.

Claims

Dispositif d’imagerie par ultrasons pour imager une zone (Z) d’une pièce (PI), le dispositif comprenant un traducteur ultrasonore (TUM) composé d’une pluralité de capteurs (EL) agencés sur une courbe fermée, chaque capteur étant apte à émettre et/ou recevoir une onde ultrasonore de surface dans/depuis la pièce (PI), chaque capteur (EL) étant agencé dans le traducteur ultrasonore (TUM) de manière à ce que, lorsque le dispositif est positionné pour imager la zone de la pièce, la direction (TR) normale au capteur (EL) intercepte la surface de la pièce avec un angle d’incidence prédéterminé (θ_R) permettant la propagation de l’onde ultrasonore à la surface de la pièce, le dispositif étant configuré pour réaliser une pluralité de séquences d’acquisitions successives de signaux ultrasonores, chaque séquence d’acquisition comprenant l’émission, depuis un capteur différent (EL_E), d’un signal ultrasonore vers la zone (Z) puis la réception simultanée, par une pluralité de capteurs (EL_R), d’une pluralité de signaux ultrasonores provenant de la zone (Z), le dispositif comprenant en outre une unité de traitement configurée pour calculer une pluralité de pixels I(P) correspondant chacun à un point (P) de la zone à partir des signaux ultrasonores acquis.
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon la revendication 1 dans lequel la courbe fermée est une couronne et la pièce (PI) est une sphère.
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon l’une des revendications précédentes dans lequel le traducteur ultrasonore (TUM) est réalisé au moyen d’un matériau piézo-composite comprenant une résine dans laquelle les capteurs (EL) sont noyés de manière à être fixés solidairement.
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon l’une des revendications précédentes comprenant un moyen de positionnement (ORG,EL_C,S,CH) du traducteur ultrasonore (TUM) par rapport à la pièce (PI) pour que la direction normale à chaque capteur (EL) intercepte la surface de la pièce (PI) avec un angle d’incidence prédéterminé (θ_R) permettant la propagation de l’onde ultrasonore à la surface de la pièce.
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon la revendication 4 dans lequel le moyen de positionnement comprend un organe de positionnement (ORG) du dispositif selon plusieurs degrés de libertés, un capteur central (EL_C) positionné au centre du traducteur multi-éléments (TUM) et configuré pour émettre un signal ultrasonore vers la pièce (PI) et recevoir un écho et une unité de réglage configurée pour piloter l’organe de positionnement (ORG) de manière à ce que l’énergie de l’écho reçu par le capteur central (EL_C) provenant de la pièce (PI) soit maximale et que le temps de vol de l’écho réfléchi à la surface de la pièce corresponde à une valeur attendue, définie à partir de la distance entre la pièce (PI) et le capteur central (EL_C).
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon la revendication 4 dans lequel le moyen de positionnement est constitué d’un sabot (S) et d’un fluide couplant (CPL), le sabot (S) ayant une face avant (AV) de forme complémentaire à la forme de la pièce (PI) et une face arrière (AR) de forme complémentaire à la forme du traducteur multi-éléments (TUM), le sabot (S) étant couplé respectivement au traducteur multi-éléments (TUM) et à la pièce (PI) au moyen du fluide couplant (CPL).
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon la revendication 4 dans lequel le moyen de positionnement est constitué d’une chambre (CH) contenant un fluide (FL), la chambre (CH) étant positionnée sur le traducteur multi-éléments (TUM), la chambre (CH) ayant une ouverture conçue pour recevoir la pièce (PI), la pièce venant se loger dans l’ouverture.
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’unité de traitement est configurée pour calculer une pluralité de pixels I(P) correspondant chacun à un point (P) de la pièce (PI) en exécutant les étapes de :
pour chaque couple de capteurs émetteur-récepteur (E,R), déterminer un temps de vol correspondant à une durée théorique nécessaire à l’onde ultrasonore de surface pour parcourir un trajet depuis le capteur émetteur (E) jusqu’au capteur récepteur (R) en passant par un premier point d’interface entre l’onde émise par le capteur émetteur (E) et la surface de la pièce, le point (P) de la pièce à imager et un second point d’interface ( entre l’onde reçue par le capteur récepteur (R) et la surface de la pièce (PI),

déterminer une somme des amplitudes extraites d’un ensemble d’ondes ultrasonores de surface émises par lesdits capteurs émetteurs (E) et reçus par lesdits capteurs récepteurs (R), aux temps de vol déterminés à l’étape précédente.
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon l’une des revendications précédentes dans lequel chaque capteur (EL) est un capteur piézoélectrique.
Dispositif d’imagerie par ultrasons selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’angle d’incidence prédéterminé (θ_R) est défini à partir de la loi de Snell-Descartes.