Études du comportement complexe de source et du rayonnement ultrasonore des traducteurs multi-éléments flexibles au contact

par Vincent Amory

Thèse de doctorat en Acoustique et Vibrations

Sous la direction de Jean-François Amphoux de Belleval.


  • Résumé

    Les méthodes de contrôle non-destructif (CND) par ultrasons sont fréquemment utilisées dans des domaines où les exigences de sécurité sont importantes (nucléaire, aérospatiale). Pour améliorer le contrôle au contact de pièces de géométrie complexe, le CEA a développé des traducteurs multiéléments particuliers constitués d'un arrangement d'éléments piézo-électriques assemblés pour rendre l'ensemble flexible. Leur surface active épouse la forme irrégulière des pièces, minimisant ainsi les aberrations de champ ultrasonore rayonné observables lorsque des traducteurs classiques rigides sont utilisés ; ils rendent réalisables et fiables des contrôles autrement impossibles. Pour optimiser leur conception, mettre au point des méthodes de CND les utilisant, il faut disposer d'un simulateur capable de prédire le champ qu'ils rayonnent. Un outil de calcul de champ est implémenté dans la plate-forme logicielle CIVA du CEA, et couramment utilisé pour la simulation des contrôles en ondes longitudinales (L) et transversales (T) utilisant différents types de traducteur ultrasonore. Pour les traducteurs multi-éléments flexibles, un modèle spécifique a été mis au point ; dans certaines directions de propagation des ondes T, les prédictions de ce modèle sont en désaccord partiel avec des résultats de mesure. Dans ce travail de thèse, on développe un outil pour simuler des contrôles en ondes T à l'aide de ces traducteurs souples. Les modèles de source et de rayonnement développés s'appuient sur des observations faites à partir de résultats de calculs par éléments finis et d'expériences. Le modèle de source rend compte des contraintes complexes créées par un des éléments du traducteur flexible à l'interface traducteur-pièce. L'étude du rayonnement de ces sources met en évidence l'importance quantitative de la contribution des ondes de tête, généralement négligée, sur le champ rayonné par des sources de petites dimensions. Les ondes de tête sont couplées aux ondes T dans certaines directions de rayonnement, et leur prise en compte est nécessaire pour l'usage que l'on veut faire des traducteurs souples en contrôle par ondes T. Le modèle de rayonnement prend donc en compte les contributions des ondes L, T et celles des ondes de tête ; il combine des fonctions de Green exactes pour les ondes T et les ondes de tête, et le modèle asymptotique déjà validé en usage au CEA pour les ondes L. Les résultats de calcul du champ rayonné par un traducteur multi-éléments complet montrent l'apport du modèle développé relativement aux approximations asymptotiques, pour simuler avec précision le contrôle au contact en ondes T des pièces de surface complexe.

  • Titre traduit

    Studies of the complex source behavior and ultrasonic radiation of the contact flexible phased-arrays transducers


  • Résumé

    Ultrasonic methods of non-destructive testing (NDT) are frequently used in industries where safety requirements are important (nuclear, aerospace). To improve contact inspection of parts of irregular geometry, specific phased arrays are developed at the French Atomic Energy Commission (CEA), made up of an arrangement of piezoelectric elements assembled to make the probe flexible. Their active surface can fit the irregular shape of the component, thus inimizing aberrations in radiated ultrasonic field observable when rigid traditional transducers are used ; they make feasible and reliable examinations that are impossible otherwise. To optimize their design, to develop NDT methods using them, it is necessary to have a simulation tool able to predict the field they radiate. A field computation tool is implemented in the CIVA platform of CEA; it is widely used for the simulation of longitudinal (L) and transversal (T) waves testing using various kinds of ultrasonic transducers. For flexible phased arrays, a specific model has been developed; in certain directions of T wave propagation, predictions based on this latter model partially disagree with measurements. A tool to simulate T-wave inspections using these flexible transducers is developed in this thesis. Models of source and of radiation are based on observations made thanks to computation results by finite elements and to experiments. The model of source accounts for the complex stresses created by one of the elements of the flexible transducer to the transducer-part interface. The study of the radiation from these sources highlights the quantitative importance of head wave contribution, generally neglected, on the field radiated by small sources. Head waves are coupled with T-waves in certain directions of radiation; it is necessary to take them into account when using flexible transducers in T-wave testing. The proposed radiation model deals with L, T and head wave contributions; it combines exact Greens functions for T and head waves, and the asymptotic model already validated used at CEA for L-waves. Simulation results for the field radiated by a whole phased arrays transducer demonstrate the show the effectiveness of the developed model relatively to results computed under asymptotic approximations, to accurately simulate T-wave contact testing of parts of complex surface.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (141 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury.
  • Annexes : Bibliogr. 42 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2007 AMO 1727
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