Caractéristiques d’un champ ultrasonore focalisé

Transmission et réflexion d’une onde ultrasonore

Un cas souvent rencontré en CND est celui d’une interface liquide/solide (cf. figure 1.4), où l’onde incidente u I , présentant un angle d’incidence θ I , se propage dans l’eau en direction du solide. À l’interface, elle donne naissance à trois ondes qui sepropagent de chaque côté de celle-ci. Dans l’eau, une onde uR est réfléchie sous un angle θR. Dans le solide, deux ondes sont transmises : une onde longitudinale u L et une onde transversale u T . Les angles de réflexion (θ R ) et de transmission (θ L et θ T ) obéissent à la loi de Snell-Descartes de l’optique géométrique.

Atténuation

L’atténuation d’une onde ultrasonore dans un matériau correspond à une diminution de son amplitude au cours de sa propagation. Expérimentalement, cette décroissance peut être observée en enregistrant par exemple, les échos successifs du fond de pièce (cf. figure 1.6). Si l’étalement géométrique de l’onde est négligeable (cf. sous-section 1.3) et si l’on néglige les coefficients de réflexion (cf. équation 1.9 et figure 1.5), les maxima des échos successifs suivent une décroissance exponentielle de la forme. où A(z ) est l’amplitude de l’onde atténuée à la profondeur z , A 0 correspond à l’amplitude de l’onde à l’entrée de la pièce (z = 0) et α est le coefficient d’atténuation qui, en général, dépend de la fréquence. L’atténuation est causée par deux mécanismes distincts, l’absorption et la diffusion. L’absorption est le processus par lequel l’énergie vibratoire de l’onde ultrasonore est transmise au milieu de propagation et est dissipée sous forme de chaleur. La diffusion correspond à l’interaction de l’onde avec des diffuseurs de taille équivalente à la longueur d’onde, et se traduit par la génération de bruit de structure plus ou moins important. L’atténuation est proportionnelle à la fréquence de l’onde, ce qui implique que plus la fréquence est élevée, plus l’atténuation est forte.
Elle peut être mesurée expérimentalement en enregistrant les échos successifs du fond de pièce et est donnée par la relation :

Les capteurs piézoélectriques

Il existe différents moyens de génération d’ondes élastiques. Dans le domaine des ultrasons, l’émission et la réception reposent majoritairement sur l’utilisation d’éléments piézoélectriques [5]. Cette section présente les capteurs piézoélectriques multiéléments et leur principe de fonctionnement. Dans un premier temps, le principe de génération d’ondes à l’aide de traducteurs piézoélectriques est exposé, puis deux types de capteurs multiéléments sont présentés : les capteurs au contact et les capteurs en immersion.
Dans un second temps, la directivité d’un élément piézoélectrique est donnée dans le cas d’un milieu fluide, puis dans un milieu solide.

La piézoélectricité

L’effet piézoélectrique, découvert en 1880 par les frères Curie [6], repose sur la conversion d’une énergie électrique en énergie mécanique, et inversement. Lorsqu’un cristal piézoélectrique est traversé par un courant électrique, il se contracte dans la direction du courant et revient à sa position d’origine lorsque le courant cesse. C’est cette caractéristique qui est utilisée afin de produire des ultrasons. Des impulsions électriques sont émises à la fréquence de résonance de l’élément piézoélectrique de manière à obtenir la plus grande amplitude de vibration de sa surface. Une onde de pression est alors émise dans le matériau au contact de l’élément. Inversement, si l’élément piézoélectrique subit une contrainte due à une onde mécanique, il se déforme et engendre un courant électrique. C’est cet effet qui est utilisé pour recevoir des signaux ultrasonores. Ainsi, il est possible avec un même traducteur d’émettre etde recevoir des ultrasons, et de réaliser de l’imagerie échographique.

Les capteurs multiéléments

Les capteurs ultrasonores peuvent être constitués d’un (monoélement) ou de plusieurs (multiéléments) éléments piézoélectriques. Le cas le plus simple est celui d’un capteur monoélément de forme cylindrique, représenté sur la figure 1.7. Dans la plupart des traducteurs, les éléments piézoélectriques sont fabriqués en céramique PZT (Plomb, Zirconate, Titane).

Les capteurs au contact

Les capteurs multiéléments classiques peuvent être utilisés directement au contact de la pièce si la surface de celle-ci est plane et que la zone d’intérêt se trouve sous l’ouverture du capteur ou, autrement dit, lorsque l’image à calculer est centrée sur l’axe central du capteur. Lorsque la zone image est excentrée et éloignée de l’axe central du capteur, la possibilité de réaliser des images est contrainte par la directivité des éléments. On utilise alors un sabot incliné monté sous le capteur qui, grâce à la réfraction à l’interface sabot/pièce, permet d’améliorer la déviation du faisceau ultrasonore (cf. figure 1.9a). Les sabots inclinés sont aussi très souvent employés pour focaliser des ondes T. Ce type de contrôle au contact est adapté à des pièces de géométries planes ou cylindriques présentant un rayon de courbure grand par rapport à la dimension latérale du sabot.
Cependant, les pièces inspectées en industrie comportent souvent des géométries irrégulières dont les courbures ne sont pas négligeables et peuvent altérer significativement la qualité du contrôle. Dans cette situation, le couplage acoustique entre le capteur et la pièce n’est plus assuré et les lois de retards calculées pour focaliser dans la pièce ne sont pas adaptées à la géométrie. Cela se traduit par l’impossibilité de contrôler la déviation du faisceau et par une diminution de l’amplitude des signaux.
Pour optimiser le contrôle au contact de pièces complexes, le CEA développe des capteurs multiéléments souples qui permettent de s’adapter à la surface de la pièce [7] (cf. figures 1.9b et 1.9c). Le capteur conformable intelligent (TCI [8]) a été conçu afin de contrôler des pièces complexes 2D présentant des rayons de courbure de l’ordre de 15 mm (cf. figure 1.9b). Il est composé d’éléments piézoélectriques indépendants formant une face avant flexible. Pour contrôler les caractéristiques du faisceau ultrasonore (déviation, profondeur de focalisation) lors d’un déplacement au-dessus d’une surface complexe, il est nécessaire de compenser les effets de celle-ci en prenant en compte la déformation du capteur dans le calcul de la loi focale. Pour cela, le TCI est équipé d’un profilomètre qui lui permet de mesurer en temps réel la déformation de la surface émettrice. Un algorithme embarqué dans le système d’acquisition adapte alors les lois focales en fonction de la déformation mesurée. De cette manière, les caractéristiques des faisceaux restent quasi identiques, quelle que soit la position du capteur.

Caractéristiques d’un champ ultrasonore focalisé

La focalisation est le fait de concentrer l’énergie transmise par le capteur en un point du milieu considéré. Une onde ultrasonore peut être focalisée dans différentes directions dans le plan d’incidence d’un capteur multiéléments. Focaliser les ultrasons à la profondeur supposée des défauts maximise l’amplitude des échos tandis qu’une déviation permet d’inspecter le matériau en dehors de l’axe du capteur. On peut focaliser au moyen d’une lentille, d’une mise en forme de la surface émettrice du capteur, ou bien à l’aide de capteurs multiéléments, en appliquant un retard à l’émission à chaque élément en fonction de sa distance par rapport au point de focalisation (cf. figure 1.14).

Modification des grandeurs caractéristiques d’un champ focalisé en présence d’une interface

Les grandeurs données dans les sous-sections précédentes sont valables pour un capteur au contact d’un solide. Or, la plupart des contrôles réalisés durant cette thèse ont été effectués en immersion, en prenant en compte une interface eau/solide entre le capteur et la zone à imager (cf. figure 1.17). Cette section s’attache donc à évaluer l’influence de cette interface sur les grandeurs caractéristiques d’un champ focalisé.

Les méthodes d’imagerie multiéléments

Les capteurs multiéléments présentent de nombreux avantages par rapport aux capteurs monoéléments. Le plus intéressant d’entre eux est la possibilité de réaliser des images, ce qui permet de simplifier l’interprétation des contrôles. Il est en effet possible de focaliser à différentes profondeurs et d’infléchir le faisceau ultrasonore avec un seul et même capteur. La vitesse d’inspection peut être augmentée en remplaçant un balayage mécanique par un balayage électronique (technique présentée plus loin dans cette section). Les méthodes d’imagerie multiéléments sont nombreuses et peuvent être plus ou moins sophistiquées en fonction de la complexité du milieu d’inspection (géométrie complexe, matériau anisotrope et/ou atténuant, bruit de structure,. . .) et des exigences de contrôle (précision du dimensionnement des défauts, vitesse d’inspection, traitements dans un système embarqué,. . .). Les méthodes de l’état de l’art présentées dans ce chapitre sont celles que l’on retrouve dans la plupart des appareils CND du marché : Omniscan (Olympus), Phaser (GE), Gekko (M2M), VEO (Sofranel),. . .
Dans un premier temps, les méthodes dites « conventionnelles » sont présentées.
Elles sont caractérisées par une construction de l’image « ligne par ligne », c’est-à-dire que chaque ligne correspond à un tir focalisé. Dans un second temps, une méthode d’imagerie « point par point » est décrite. Dans ce cas, l’image est construite en focalisant les ondes en tous points/pixels de la zone image. Ce principe de focalisation point par point offre des avantages par rapport à l’imagerie conventionnelle, et certains appareils récents (par exemple, le Gekko) disposent de cette fonctionnalité en tempsréel.

Imagerie B-Scan

Cette technique est la base du CND et consiste à focaliser le faisceau ultrasonore, en émission et en réception, en un seul point de la zone d’inspection, à l’aide d’une loi de retards appliquée aux éléments du capteur [16]. Une focalisation en un point donne un A-Scan, il faut donc effectuer un balayage mécanique pour obtenir une image. Cependant, si le capteur a un nombre d’éléments suffisamment important, le balayage mécanique peut être remplacé par un balayage électronique. Pour ce faire, on focalise dans la pièce avec un groupe d’éléments adjacents (on parle de sous-ouverture) du capteur. Le balayage électronique de la sous-ouverture permet de construire le B-Scan. Que ce soit en balayage mécanique ou électronique, l’angle et la profondeur de focalisation restent des données constantes.

Focalisation dynamique

L’image en balayage mécanique (cf. figure 1.18) montre que la résolution latérale est optimale à proximité du point de focalisation, mais celle-ci se dégrade rapidement quand on s’éloigne de ce point. L’application d’une focalisation dynamique permet de corriger en partie ce problème. Le principe est de focaliser en réception en plusieurs profondeurs autour du point de focalisation en émission. La focalisation est dite dynamique car, pour un même tir focalisé en émission, les paramètres de focalisation en réception évoluent et dépendent du temps de propagation [17]. Ces paramètres sont la loi de retards et la taille de la sous-ouverture en réception qui, elle aussi, peut varier pour optimiser la détection en fonction de la profondeur. La résolution latérale R lat étant proportionnelle au paramètre F # (F # = F/ D, cf. sous-section 3.2), une sous-ouverture D constante entraîne une variation de la résolution en fonction de la profondeur F. Pour conserver une résolution homogène, la valeur de F # doit être maintenue constante en faisant varier D (cf. figure 1.21).

Imagerie S-Scan

L’imagerie S-Scan, résultant d’un balayage angulaire focalisé, est l’imagerie multiéléments de loin la plus utilisée en CND [18]. Par rapport aux précédentes méthodes, le balayage angulaire fournit une image en une seule position de la sonde et sans recourir à un  balayage électronique. Le principe est d’émettre successivement plusieurs ondes focalisées suivant différentes directions. Il fournit une image sectorielle de la zone inspectée, communément appelée S-Scan. Contrairement au balayage électronique où la taille de l’image est limitée par le nombre d’éléments du capteur, l’image S-Scan peut couvrir une large zone d’intérêt dans la pièce. Le secteur angulaire d’un S-Scan est défini par ses deux angles extrêmes (direction de focalisation du premier et du dernier tirs) qui dépendent des caractéristiques du capteur et en particulier de sa directivité.
Le pas angulaire est en général constant. Il définit la résolution angulaire et influe sur la vitesse d’inspection. Plus le pas angulaire est fin, meilleure est la résolution angulaire de l’image. En contrepartie, le nombre de tirs est plus important et réduit la cadence d’imagerie. Le balayage angulaire présente un intérêt lorsque, pour des raisons d’accessibilité, on souhaite réaliser une image en une position fixe de la sonde (pas de possibilité de réaliser un balayage mécanique) ou lorsque le nombre limité d’éléments ne permet pas d’exploiter un balayage électronique, comme décrit en 4.2.
Le S-Scan issu d’un balayage angulaire focalisé entre −70° et 70° avec un pas angulaire de 1° et une focalisation à 38 mm de profondeur est donné sur la figure 1.23. On constate qu’un plus grand nombre de défauts est imagé et que la taille de l’image n’est pas limitée par l’ouverture du capteur. Comme en imagerie de type B-Scan, on note également que la résolution est optimale à la profondeur de focalisation.

Imagerie multifocus

La méthode multifocus, employée couramment dans le domaine de l’imagerie médicale, est une amélioration de l’imagerie B-Scan en balayage électronique (cf. sous-section 4.2.2) car chaque ligne de l’image est construite à partir de plusieurs tirs focalisés à différentes profondeurs. Cette méthode s’avère utile quand la focalisation dynamique ne suffit pas à améliorer l’image B-Scan avec un seul tir focalisé, ce qui est notamment le cas lorsque la profondeur de champ est petite par rapport à l’épaisseur de la pièce. Elle permet également de maximiser le niveau de détection dans des matériaux atténuants.
Comme le B-Scan en balayage électronique, une sous-ouverture de plusieurs éléments voisins est définie et déplacée le long du réseau. Chaque position de la sousouverture correspond à une ligne de l’image. Plusieurs lois de retards sont appliquées à cette sous-ouverture pour focaliser en émission à différentes profondeurs. Pour optimiser la méthode multifocus, le pas entre deux points focaux doit correspondre à Z champ / 2 et la sous-ouverture doit être de taille variable pour conserver un F #constant.
Pour un capteur et une sous-ouverture composés respectivement de N et n éléments, le nombre de lignes N s dans l’image multifocus est donné par l’équation 1.36. Si l’image multifocus est réalisée à l’aide de P profondeurs de focalisation, alors le nombre total de tirs est P × N s . L’image de la figure 1.24 est obtenue en appliquant le même balayage électronique qu’en 4.2.2, avec 4 profondeurs de focalisation (de 10 à 50 mm) et un F # fixé à 1. Au total, l’image est donc réalisée avec 220 tirs. Comme pour le balayage électronique, la largeur de l’image est limitée par l’ouverture du capteur, et seuls 3 défauts sont imagés.

Imagerie STA

Il a été montré dans le chapitre 1 que l’algorithme STA nécessite le calcul des temps de parcours ultrasonores associés à tous les couples émetteur/récepteur d’un réseau de N éléments. En immersion, la difficulté réside dans la détermination des trajets ultrasonores en tenant compte de la réfraction à l’interface entre le milieu couplant et le milieu inspecté. Les trajets ultrasonores sont déterminés par une approche par rayons. Cette approche est possible car les zones d’inspection sont éloignées du capteur (plusieurs dizaines de longueurs d’onde), les éléments sont petits devant les longueurs d’onde considérées, les ondes de volume sont non-dispersives et enfin le matériau est homogène et isotrope. Les sections suivantes décrivent les équations permettant leur calcul pour les modes de propagation direct et demi-bond, présentés au chapitre 1 (sous-section 4.5), dans le cas d’une surface plane et d’un capteur en immersion. En un point P d’une image STA, on rappelle que l’amplitude A(P) est donnée par :

Imagerie PWI

Le principe de l’imagerie par émission d’ondes planes, aussi appelée Plane Wave Imaging (PWI), est d’émettre un ensemble de Q ondes planes sous différents angles et d’enregistrer les signaux avec les N éléments du capteur. À l’origine inventée pour l’imagerie médicale [32–34], cette méthode est ici généralisée pour traiter les cas d’application en CND, notamment l’imagerie en demi-bond (le cas de pièces de géométries complexes sera abordé dans le chapitre 3).

Principe de l’imagerie PWI médicale

La méthode PWI en échographie médicale est une généralisation de la méthode Single Plane Wave Imaging (SPWI) [39]. Dans cette dernière, une seule onde plane est émise à 0° dans le matériau et est ensuite rétrodiffusée par les hétérogénéités du milieu. Les signaux sont alors enregistrés avec les N éléments du capteur. L’image est construite ligne par ligne (cf. figure 2.3b) en appliquant un balayage électronique en réception et une focalisation dynamique à différentes profondeurs pour chaque pas du balayage. La construction d’une image SPWI repose donc sur le même principe qu’un B-Scan en balayage électronique associé à une focalisation dynamique (cf. chapitre 1 sous-section 4.2.3), sauf qu’un seul tir est réalisé avec tous les éléments du réseau.

Table des matières

Remerciements 
Introduction 
1 Généralités sur l’imagerie ultrasonore multiéléments 
1 Les ultrasons
1.1 Définition
1.2 Ondes longitudinales, ondes transversales
1.3 Équation d’ondes
1.4 Géométrie des ondes
1.5 Énergie
1.6 Transmission et réflexion d’une onde ultrasonore
1.7 Atténuation
2 Les capteurs piézoélectriques 
2.1 La piézoélectricité
2.2 Les capteurs multiéléments
2.3 Les capteurs au contact
2.4 Les capteurs en immersion
2.5 Directivité des éléments piézoélectriques
3 Caractéristiques d’un champ ultrasonore focalisé
3.1 Champ proche et champ lointain
3.2 Résolutions axiale, latérale et profondeur de champ
3.3 Modification des grandeurs caractéristiques d’un champ focalisé en présence d’une interface
4 Les méthodes d’imagerie multiéléments 
4.1 Représentation des données ultrasonores
4.2 Imagerie B-Scan
4.3 Imagerie S-Scan
4.4 Imagerie multifocus
4.5 Imagerie Synthetic Transmit Aperture
5 Conclusion du chapitre
2 Développement d’une méthode d’imagerie rapide par émission d’ondes planes
1 Imagerie STA 
1.1 Imagerie en mode direct
1.2 Imagerie en mode demi-bond
2 Imagerie PWI 
2.1 Principe de l’imagerie PWI médicale
2.2 Généralisation de la méthode PWI pour le CND
3 Évaluation expérimentale de l’imagerie PWI 
3.1 Dispositif expérimental
3.2 Évaluation de la méthode PWI pour un capteur au contact
3.3 Application de la méthode PWI pour un capteur en immersion
3.4 Imagerie PWI avec balayage mécanique
4 Conclusion du chapitre 
3 Imagerie adaptative 
1 Intérêt de l’imagerie adaptative 
2 Comparaison des méthodes de mesure de surface 
2.1 Description des méthodes
2.2 Comparaison des méthodes de mesure de surface
3 Imagerie STA adaptative 
3.1 Optimisation de la mesure de surface par la méthode STA
3.2 Méthode de calcul des trajets à travers une surface complexe
3.3 Imagerie STA adaptative dans le matériau
3.4 Imagerie adaptative temps-réel dans un appareil industriel
4 Imagerie PWI adaptative 
4.1 Généralisation de la méthode PWI pour des surfaces complexes
4.2 Méthode PWI adaptative
5 Conclusion du chapitre 
Conclusions et perspectives 
Bibliographie

Lire le rapport complet