Introduction
L’industrie du contrôle non destructif (CND) connaît une importante avancée technologique, car les appareils d’inspection prenant en charge la méthode TFM (total focusing method) font leur entrée sur le marché. Cette méthode représente un progrès majeur pour la technologie d’inspection par ultrasons multiéléments (PAUT – phased array ultrasonic testing). Cependant, certains habitués de la méthode PAUT peuvent mal saisir le fonctionnement de la méthode TFM et son lien avec l’acquisition FMC, et ne connaissent pas bien les différences entre le traitement de données classique de la méthode PAUT et le traitement de données particulier de la méthode TFM. Si vous faites partie de ces personnes, cette note d’application fournit les renseignements qui vous permettront de mieux comprendre l’imagerie TFM. Par souci de concision et de clarté, les aspects liés aux modes de propagation par ultrasons ne seront pas abordés.
Imagerie habituelle d’une inspection par ultrasons multiéléments (PAUT)
La caractéristique principale de la technologie d’inspection par ultrasons multiéléments est sa capacité de focalisation et de déflexion du faisceau acoustique selon une position souhaitée dans une pièce inspectée. Le type de focalisation qu’applique cette technologie utilise des délais appliqués sur les éléments émetteurs et récepteurs de la sonde multiélément pour synchroniser le temps de vol des formes d’ondes sonores courtes émises à la zone d’intérêt. Au point de focalisation dans la pièce inspectée, la largeur du faisceau sonore se rétrécit et la résolution de détection correspondante augmente considérablement.
Formation de faisceau physique
Les ultrasons multiéléments habituels effectuent une superposition physique des ondes acoustiques élémentaires en transmission pour produire un faisceau acoustique visant une profondeur focalisée spécifique dans la pièce inspectée. L’ensemble des éléments émetteurs forme une ouverture à partir de laquelle une impulsion acoustique cohérente émerge. Cette utilisation des ultrasons multiéléments en transmission est appelée formation de faisceau « physique ». Dans un S-scan, par exemple, l’acquisition des données par la formation de faisceau physique s’effectue pour chacun des angles indiqués par l’utilisateur.
Formation de faisceau synthétique
À la fin de la boucle acoustique entre l’émetteur, le diffuseur et le récepteur, les éléments qui composent l’ouverture de réception enregistrent sous forme de A-scans tous les échos de retour provenant de la partie inspectée. Les données A-scan contiennent l’amplitude de l’écho et le temps de parcours. Pour augmenter la sensibilité de la réception dans une région précise de la pièce, les A-scans sont différés et additionnés, comme si la focalisation devait être appliquée par la formation de faisceau physique. Dans ce cas, cependant, l’ensemble des délais et des sommes s’effectuent dans le logiciel de l’unité d’acquisition. Cette formation de faisceau de réception est appelée formation de faisceau « synthétique ». Tous les calculs nécessaires à la formation de faisceau synthétique sont effectués au moyen de composants électroniques d’entrée dédiés, permettant l’obtention rapide d’une imagerie en temps réel.
Limitation des ultrasons multiéléments habituels
La focalisation avec les ultrasons multiéléments améliore nettement la sensibilité dans la zone focale, ce qui augmente localement les probabilités de détection. Cependant, cette sensibilité accrue est limitée à une profondeur contrôlable, mais fixe dans la pièce inspectée. Les réflecteurs situés à l’extérieur de la zone de focalisation apparaissent flous et légèrement plus gros que les réflecteurs identiques situés dans la zone de focalisation.
FMC — Stratégie d’acquisition
TFM — Reconstruction de l’image
TFM — Construction d’une image à très haute résolution
La « total focusing method » (TFM) consiste à appliquer systématiquement le principe de focalisation de base des ultrasons multiéléments dans une région d’intérêt définie de la pièce inspectée. La région d’intérêt est segmentée en une grille de positions, ou « pixels », et la focalisation par formation de faisceaux multiéléments est appliquée à chaque pixel de cette grille. À ce jour, la méthode TFM est la plus efficace pour générer cette image de la région d’intérêt qui est focalisée partout et à toutes les profondeurs.
Cependant, si on appliquait la stratégie d’acquisition PAUT par formation physique de faisceau à la méthode TFM, le temps requis pour générer une seule image TFM interdirait son utilisation dans la plupart des applications de CND. Car avec la méthode TFM, le nombre de pixels constituant une image est beaucoup plus élevé que le nombre d’angles distincts requis pour générer un S-scan couvrant la même région d’intérêt. Par exemple, un S-scan obtenu de 100 angles différents exige 100 acquisitions par formation physique de faisceau, alors qu’une image TFM formée de 100 pixels × 100 pixels exige 10 000 acquisitions par formation physique de faisceau.
Pour éviter ce problème, on utilise une autre stratégie d’acquisition selon laquelle les valeurs d’amplitude dans la grille sont calculées par formation synthétique de faisceau, tant pour les phases d’émission que de réception. Cette stratégie nécessite un ensemble de lois focales correspondant à l’emplacement de chaque pixel dans la grille de la région d’intérêt, et un ensemble de formes d’ondes fondamentales brutes, ou A-scans élémentaires. Un moyen efficace d’obtenir cet ensemble de A-scans élémentaires est l’acquisition de type « full matrix capture » (FMC).
FMC — Une stratégie d’acquisition offrant une imagerie TFM efficace
La méthode « full matrix capture » (FMC) est une stratégie d’acquisition de données qui permet d’obtenir tous les A-scans (séries temporelles d’amplitude) entre toutes les paires individuelles d’éléments émetteurs et récepteurs de la sonde. Ces A-scans élémentaires sont enregistrés dans l’ensemble de données FMC. Pour obtenir la meilleure focalisation possible, tous les éléments constituant l’ouverture complète d’une sonde doivent être utilisés pour générer l’ensemble de données FMC par formation synthétique des faisceaux. Ainsi, le nombre d’acquisitions nécessaires à la construction de l’ensemble de données FMC est égal au nombre d’éléments de la sonde. L’ensemble de données FMC contient toutes les informations relatives à la propagation du son entre chaque élément de la sonde, y compris les réflexions aux interfaces et la diffusion provoquée par les défauts. Toutes données acquises au moyen d’une méthode PAUT peuvent être reconstruites à l’aide de l’ensemble de données FMC en appliquant les délais adéquats, notamment celles provenant d’un balayage sectoriel, d’une imagerie en ondes planes, d’une focalisation dynamique de la profondeur, de la méthode TFM, etc.
La méthode d’acquisition FMC requiert un nombre d’acquisitions semblable à celui de la méthode PAUT habituelle pour générer une image. Toutefois, le traitement des ensembles de données FMC individuels nécessite une capacité de stockage, une bande passante de transfert et une puissance de calcul considérable. Ainsi, selon les composants électroniques dont est doté l’appareil d’inspection utilisé, l’obtention de résultats TFM/FMC peut être plus lente qu’avec la méthode PAUT habituelle.
Exemple de cas expérimental pouvant illustrer les différences entre les imageries PAUT et TFM
Pour illustrer les différences entre les imageries PAUT et TFM, prenons le cas d’une configuration d’inspection dans laquelle une sonde linéaire multiélément (PA) est utilisée pour balayer des trous génératrices (SDH – side-drilled hole) identiques, réparties verticalement dans un bloc étalon en acier.
Vous pouvez voir ci-dessus une vue S-scan PAUT (a) et une image TFM (b) obtenues à partir d’une même configuration d’inspection effectuée avec un OmniScan™ X3, une sonde 5L64-A2, un sabot SA2-N55S-IHC et une ouverture de 32 éléments.
Dans la vue S-scan PAUT (a), chaque A-scan est acquis selon une profondeur de focalisation unique de 22 mm. L’amplitude et la dimension des SDH situés dans la zone de focalisation sont semblables. Les SDH situés loin de la zone de profondeur de focalisation affichent une distorsion et leur amplitude est inférieure. Il faut générer plusieurs images obtenues à partir de diverses profondeurs de focalisation pour s’assurer d’un dimensionnement uniforme de tous les SDH dans la pièce inspectée.
Dans l’image TFM (b), les faisceaux ultrasonores sont focalisés sur chaque pixel. Comme vous pouvez le constater, la résolution est optimale pour chaque SDH. Néanmoins, on observe toujours des déformations provenant des SDH situés aux extrémités de la région d’intérêt. Ces déformations sont intrinsèques au processus de formation des faisceaux, commun à l’imagerie PAUT et TFM.
Récapitulation des observations sur les méthodes TFM et PAUT
Le principal avantage de la méthode TFM réside dans le fait que l’ensemble de l’image présente une amplitude focalisée, alors qu’avec la méthode PAUT, seule la zone de focalisation du faisceau s’affiche en haute résolution.
La formation synthétique de faisceau effectuée uniquement à la phase de réception avec la méthode PAUT habituelle est également effectuée dans la phase d’émission avec la méthode TFM pour rendre le taux d’acquisition acceptable pour les applications de CND. La formation synthétique de faisceau nécessite l’application de délais précis sur les A-scans élémentaires acquis via la méthode FMC. Notez que l’ensemble de données FMC peut fournir des données de base à toute formation synthétique de faisceau, tant pour la méthode PAUT que TFM.
En raison de la grande quantité de données FMC qui doivent être traitées pour produire une image TFM, la méthode TFM peut impliquer, avec la même ouverture, une productivité inférieure à la méthode PAUT.
Bien que l’image TFM soit fortement focalisée sur toute la région d’intérêt, elle subit les mêmes limitations acoustiques qui nuisent à la méthode PAUT. Des fluctuations et des distorsions d’amplitude sont observées à la fois pour les méthodes PAUT et TFM, mais les résultats pour un ensemble de diffuseurs identiques dans une pièce inspectée sont plus cohérents lorsqu’obtenus avec la méthode TFM.
