Transducteurs à ultrasons: principes, types et applications

par Jessie Wang / dimanche, 16 juin 2013 / Publié dans Blog

La partie la plus importante d’un test à ultrasons est un transducteur à ultrasons. Pour toute application par ultrasons, la sélection du bon transducteur est l’étape la plus vitale. Un certain nombre de facteurs qui affectent les résultats sont les propriétés du matériau, l’instrument et les conditions utilisées pour le couplage et les réglages. En fonction de l’application particulière, il est requis pour; le transducteur peut être sélectionné en conséquence en fonction de sa sensibilité et de sa résolution. La capacité du transducteur à détecter les petits défauts est appelée sa sensibilité, tandis que la séparation des deux signaux produits par les deux réflecteurs à proximité, perpendiculaire ou parallèle au faisceau, est appelée résolution. Un transducteur fortement amorti permet de résoudre les défauts étroitement espacés en aidant à raccourcir l’impulsion réfléchie. Le fabricant de cet appareil peut également fabriquer des transducteurs focalisés pour une résolution et une sensibilité améliorées.

Objectif

Une échographie est un son qui se situe au-dessus du niveau de l’audition humaine. Bien que la plupart des transducteurs produisent des ultrasons ayant une fréquence supérieure à 200 KHz, les ultrasons commencent à seulement 20 KHz. Ces sons ressemblent à des ondes sonores ordinaires mais ont une longueur d’onde beaucoup plus courte. Cette caractéristique clé rend ces ondes plus adaptées à la détection de petits défauts. En fait, ce sont ces courtes longueurs d’onde qui rendent les transducteurs à ultrasons extrêmement utiles pour le test, la détection, l’inspection et la mesure de différents matériaux.

Comment ça marche

Le transducteur à ultrasons est un appareil capable de générer des ultrasons et de les détecter. Il se compose de 3 parties principales dont la fonction est expliquée ci-dessous

Le cristal piézoélectrique: Le cœur du transducteur qui est le «principe actif» du dispositif est le cristal cristallin piézoélectrique qui subit des compressions et des raréfactions afin de convertir l’énergie électrique en énergie ultrasonore ou inversement. Un détecteur de défauts est un autre instrument utilisé pour générer l’impulsion électrique qui est ensuite transmise au transducteur.

Le support: Il s’agit d’un matériau très dense et extrêmement atténuant. Le seul but de cette opération est d’absorber l’énergie qui émane de l’arrière du cristal afin de contrôler les vibrations. Un transducteur hautement amorti à haute résolution peut être fabriqué en adaptant l’impédance acoustique du matériau de support à celle du cristal. Si le matériau de support est changé, la différence de cette impédance acoustique peut être modifiée. Cela affectera certainement les transducteurs car la résolution peut devenir beaucoup plus élevée en amplitude ou sensibilité du signal.

Plaque d’usure: Une plaque d’usure est installée dans le transducteur pour protéger le cristal piézoélectrique de l’environnement. Les facteurs environnementaux contre lesquels elle protège sont généralement l’usure et la corrosion. La plaque d’usure fonctionne souvent comme un transformateur acoustique entre le cristal et l’eau, une cale ou une ligne à retard, généralement dans un transducteur du type à immersion.

Le champ sonore du transducteur

Le champ sonore des transducteurs a généralement deux zones exclusives appelées «champ proche» qui sont la région directement opposée au transducteur et le champ éloigné est la zone au-delà de «N. Le champ lointain est également la zone où la pression du champ sonore retombe progressivement à zéro. Il peut également s’avérer parfois très difficile de prendre des lectures précises et d’évaluer les défauts en raison des variations du champ proche.

N = D2 / 4c

Les caractéristiques du transducteur peuvent être décrites de manière décente en utilisant plusieurs paramètres différents du champ sonore. Pour déterminer si un transducteur convient à un certain type d’application, il est essentiel de connaître la longueur de la focale, la largeur du faisceau et la zone focale.

La diminution du diamètre du faisceau sonore est une raison très importante pour laquelle la focalisation augmente la sensibilité du transducteur. C’est pourquoi même le plus petit des défauts reflètera une part beaucoup plus grande de l’énergie transmise. L’équation utilisée pour calculer le diamètre du faisceau d’écho à impulsions 6DB est la suivante

BD (= 6dB) = 1,028 Fc / fD

Où BD est connu comme le diamètre du faisceau et F est appelée la longueur focale.

Les points où l’amplitude du signal de l’écho de l’impulsion sur l’axe tombe à environ -6 dB sont appelés points de départ et de fin. L’équation suivante est utilisée pour calculer la longueur de la zone focale.

Fz = NS 2 F [2 / (1 + .5S F )]

La propagation du faisceau des transducteurs est un point important à prendre en compte lorsque les défauts proches des caractéristiques géométriques du matériau à tester doivent être inspectés. Les angles pouvant provoquer des échos factices peuvent facilement être considérés comme des défauts ou des défauts, de sorte que les parois latérales constituent les éléments clés à inspecter.

L’angle du faisceau, qui est un écho d’impulsion de -6 dB, est défini pour tous les transducteurs plats et est déterminé par la formule ci-dessous.

Sin (a / 2) = .514c / fD

Les différents types de transducteurs

Il existe un certain nombre de types de transducteurs dans lesquels les capteurs à contact droit sont les plus courants et les plus populaires. Ceux-ci sont utilisés pour conduire des ondes longitudinales dans un matériau spécifique. Une combinaison de transducteurs d’ondes longitudinales et de cisaillement ou une onde de cisaillement à incidence normale peut être réalisée simplement en utilisant des éléments spéciaux. Un tel transducteur nécessite une plaque d’usure très durable, car il est utilisé en contact avec un matériau de test.

Le principe de base de la réfraction et de la conversion de mode est utilisé par les transducteurs de faisceau angulaire pour produire les ondes longitudinales et le cisaillement réfracté dans le matériau à tester. L’onde réfractée requise est produite à l’aide d’un angle d’incidence spécifique, qui peut être calculé à l’aide de la loi de Snell.

L’angle de coin (représenté par Q1) nécessaire pour créer le mode et l’angle de réfraction souhaités (représenté par Q2) dans le matériau testé

Sin Q1 / Sin Q 2 = V 1 / V 2

Où Ø 1 est l’angle de coin et Ø 2 est l’angle de l’onde réfractée dans le matériau à tester. V 1 est la vitesse longitudinale du matériau utilisé par la cale et V 2 est la vitesse du matériau

Des éléments séparés sont utilisés par les transducteurs qui ont 2 éléments pour la transmission et la réception des signaux. En règle générale, les éléments sont coupés et attachés aux lignes à retard. Cela est nécessaire pour améliorer la résolution proche de la surface. Le foyer est généralement créé par une conception à faisceau croisé qui rend les transducteurs à double élément plus sensibles aux échos provenant de défauts irréguliers.

Les transducteurs à immersion présentent plusieurs avantages par rapport aux capteurs à contact classiques. Le couplage uniforme réduisant les variations de sensibilité est l’un d’eux, le second étant, et la rapidité accrue de la capacité à effectuer un balayage automatisé. Un autre des avantages est la capacité de focalisation du type à immersion qui augmente la sensibilité aux petits défauts. Il existe différents types de transducteurs à immersion, à savoir les configurations non focalisée, à focalisation sphérique et cylindrique. Un transducteur non focalisé est souvent utilisé dans des applications générales, telles que la mesure de matériaux épais, alors que la focalisation sphérique est utilisée pour améliorer la sensibilité aux petits défauts et imperfections. Le troisième, qui est le cylindre cylindrique, est généralement utilisé dans la mesure du tube de matière première.