Il y a quelque chose dans l’air
Quels problèmes un programme de contrôle ultrason peut aider à identifier

Par Thomas Murphy

Les ultrasons sont utilisés comme outil de diagnostic depuis plus de 35 ans. Malgré cela, l’utilisation (et la maîtrise même de cette technologie) est toujours peu répandue. Cet article a pour objectif d’explorer la vaste gamme d’applications de la technologie aéroportée, des applications simples aux plus compliquées. Un article constituant la seconde partie, explorera les applications des ultrasons par contact.

Principes fondamentaux

Un ultrason peut se définir très simplement comme un son dont la fréquence dépasse 20 kHz, c’est-à-dire au-delà de la fréquence la plus élevée audible par un jeune adulte. Cela représente une plage de fréquences phénoménale. Les instruments médicaux à ultrasons utilisent par exemple souvent des ultrasons de l’ordre des mégahertz. La plage de fréquences type utilisée par les systèmes à ultrasons de maintenance préventive est toutefois beaucoup plus faible, généralement de l’ordre de 30-40 kHz.

L’ultrason est inaudible. Les systèmes à ultrasons utilisent traditionnellement des techniques d’hétérodynage ou de mixage pour présenter un signal à un casque d’écoute ayant généralement lui-même une gamme de fréquences audible de 2 kHz. Passés les systèmes à ultrasons bas de gamme (qui généralement émettent des cliquetis ou des bruissements pour représenter la présence d’un signal à ultrason), les instruments à ultrasons qui utilisent la technologie du mixage permettent de réellement écouter des sons bien au-delà du champ audible humain. Certains instruments du marché permettent même de changer la fréquence du mixer de manière à pouvoir écouter des fréquences pouvant aller jusqu’à pratiquement 200 kHz. Une prouesse fascinante puisqu’elle permet d’entendre des sons bien au-delà de ce dont l’oreille est capable. S’il y a un clic, un cognement, un froissement ou un bruissement à 40 kHz, vous l’entendez si l’instrument a été configuré dans une plage de 2 kHz de cette fréquence.

Mesure de l’ultrason

L’ultrason est traité, à juste titre, comme un son, ce qui signifie que lorsque nous quantifions le niveau du signal ultrasonique que nous écoutons, nous utilisons l’échelle des décibels. Malheureusement, l’arrivée de la calculette électronique dans les années 70 a permis de résoudre des problèmes d’arithmétique compliqués sans l’aide de tables logarithmiques. En conséquence, très peu de personnes comprennent aujourd'hui les décibels.

Les tables logarithmiques ont aidé à réaliser toutes sortes de prouesses en ingénierie. Ces calculs arithmétiques relativement simples reposent sur deux principes clés, à savoir :

1. Tout nombre peut être représenté selon une puissance de 10. Par exemple, nous savons tous que 10 000 = 104. Le logarithme de 10 000 est 4. Le logarithme de 20 000 serait 4,3.
2. Pour multiplier deux nombres, il suffit d’ajouter leurs logarithmes. Pour les diviser, il suffit de soustraire leurs logarithmes. En d’autres termes, toute multiplication ou division de nombres peut être réduite à des additions ou de soustractions plus simples en utilisant simplement les tables de logarithmes.

La méconnaissance de l’échelle des décibels s’étant étendue, il convient de revoir quelques points sur les dB. Par exemple, les dB ne sont jamais multipliés ni divisés.

Le dB est une échelle de rapport logarithmique, et un rapport doit avoir une valeur de référence. Ce n’est pas en soi une unité de mesure. L’unité de mesure est la partie située à la fin. Ainsi, dB(A), dBm, dBV ou dBμV peuvent être considérés comme des unités de mesure, mais dB seul n’a aucun sens. Par exemple, l’équation qui définit le dBμV utilisée dans l’ultrason de SDT est la suivante :

20log10 (V1/V0)

Où V0 est la tension de référence du détecteur à ultrasons, à savoir 1μV. Mentionner dB sans mentionner de référence porte donc à confusion puisque, sans valeur de référence, il est impossible de savoir ce que l’on compare.

Selon cette échelle, l’augmentation de l’ultrason d’un facteur de 2 augmenterait le niveau de l’ultrason de 6 dBμV. L’augmentation de 20 à 26 dBμV est identique à l’augmentation de 50 à 56  dBμV étant donné qu’il s’agit d’une augmentation de 6 dBμV, ce qui correspond à doubler l’amplitude de l’ultrason mesuré.

Voilà pour les explications fastidieuses, quoique importantes. Sachant cela, à quoi peut servir l’ultrason ?

Applications

Détection de fuite d’air comprimé – Un système à ultrasons permet d’entendre une partie différente du spectre audio par rapport à l’audition normale. Autrement dit, un instrument à ultrasons n’entend pas ce qui est dans la plage audible humaine. Cela signifie que je peux emmener un système à ultrasons dans un environnement ultra bruyant sans que cela ne change en rien à la capacité du détecteur à ultrasons de détecter les sources de signaux ultrasoniques.

Il existe de nombreuses applications pour l’ultrason aéroporté. Le plus courant est peut-être la détection des fuites de gaz comprimé. Le gaz est généralement de l’air, mais il peut aussi s’agir d’azote, d’oxygène, d’hydrogène, de dioxyde de carbone, d’argon ou d’autres gaz.

Devant ce procédé de détection, les sceptiques répliquent souvent qu’ils entendent les fuites d’air. Dans certains cas très particuliers, cela peut être vrai. S'il n'y a pas de bruit de fond, une fuite relativement importante sera audible. Toutefois, si l'on considère la plage de fréquences du bruit généré par une fuite d’air, environ 10 % seulement de l’énergie produite se trouve dans la plage audible. Le pic de la plage de fréquences est de  l’ordre de 30-40 kHz. Les sceptiques entendent donc peut-être certaines fuites d'air qui se produisent dans une usine désaffectée, mais certainement pas toutes, loin s'en faut.

Il existe un parallèle entre les fuites d’air et le profil de défaillances des machines, que l’on pourrait qualifier de « mort à petit feu ».

Dans un monde où la fiabilité est un facteur très important pour les entreprises, nous savons que ce n’est pas une grosse défaillance isolée qui ruine la fiabilité d’une entreprise, mais plutôt les défaillances chroniques et répétées dont l’impact individuel est faible.

Il en va de même pour les fuites d'air. Trouver et réparer les quelques grosses fuites d'air est une chose, mais il est tout aussi important de trouver les dizaines (voire les centaines) de petites fuites d’air inaudibles. Ces petites fuites chroniques, ajoutées les unes aux autres, deviennent rapidement un drain dans votre système à air comprimé. Cette phrase bien souvent répétée « Nous avons fait des économies, nous n’avons pas acheté de système à ultrasons. Nous nous contentons d’écouter et de détecter les fuites le week-end » devrait aujourd’hui être considérée dans toute son absurdité.

Une fuite d’air émet un ultrason particulier. Elle génère un bruit strident similaire à un moteur d'avion. Ce que nous écoutons précisément, c'est l'écoulement, ainsi que la friction. Trouver une fuite d'air est très simple. Tellement simple en fait que n’importe qui peut le faire après une simple formation. Étant donné qu’il ne s’agit pas d’un travail de spécialiste, c’est une technologie inclusive. Un programme complet de détection des fuites peut aider une entreprise à augmenter sa rentabilité, et donc a être plus compétitive. L’air comprimé est coûteux, bien souvent la source d’énergie la plus coûteuse de l’entreprise. Il peut parfois être intéressant de se livrer à un petit exercice consistant à rapporter le coût des fuites d’air au coût de votre processus de fabrication.

Prenons l’exemple d’un producteur de chips fabriquant des millions de paquets par an, vendus à 5 cents de profit par paquet. Supposons maintenant que le coût annuel de production (et de fuite) d’air comprimé s’élève à 100 000 $. Cela signifie que le producteur doit vendre, produire, emballer, acheminer, facturer et encaisser l'argent de 2 millions de paquets de chips rien que pour payer les fuites d'air !

Si le coût de ces fuites d’air est réduit à 10 000 $ par an, les économies réalisées pourraient par exemple être utilisées pour financer une campagne de promotion pour laquelle 1 800 000 paquets de chips seraient distribués gratuitement sans que les recettes n’en pâtissent !  Imaginez les avantages compétitifs pour cette entreprise !

Fuite de vide – Si vous utilisez un système à vide, vous savez combien il est difficile de détecter une fuite sans appareil à ultrasons. Le mécanisme de génération ultrasonique est similaire à celui d’une fuite de pression positive, mais dans le cas du vide, le son ne se déplace pas vers vous mais au contraire retourne dans les tuyaux.

Le son d’une fuite de vide est similaire à celui d’une fuite d’air, mais plus silencieuse. Si vous essayez de détecter une fuite de vide en présence d’une fuite d'air, vous risquez d'avoir des difficultés. Une formation peut vous y aider, et une certification à l’ultrason de niveau 1 peut se révéler un bon investissement si vous risquez de vous retrouver dans ce genre de situation.

Pour définir précisément une fuite de vide, vous devez faire en sorte d’augmenter la sensibilité de votre détecteur, de bloquer les autres sources d’ultrasons, ou les deux. Pour cette raison, nombre de fabricants d’équipements à ultrasons produisent un capteur parabolique, un instrument très utile en acoustique, et toujours largement utilisé aujourd’hui dans l’industrie des enceintes. L’intérêt du capteur parabolique réside dans le fait que, en contrôlant la dimension relative du profil de la parabole, il est possible de la régler à une plage de fréquences relativement étroite. Dans l'effet, il résonne.

L’avantage du capteur parabolique est qu’il permet de produire une amplification de plus de 26 dBμV, soit un facteur de 20x de sensibilité accrue. Toutefois, cette amplification a un prix. La plage de fréquences sur laquelle l'amplification sera présente est très restreinte. Au dehors de cette plage, le capteur pourrait même réduire votre sensibilité à un niveau inférieur à celui que vous auriez sans lui.

Les systèmes à vide sont assez répandus. Les processus chimiques et pharmaceutiques nécessitent souvent un vide pour initier une réaction chimique. Sans vide, pas de réaction, et donc pas de production. C’est pour cette raison que ces industries portent un intérêt tout particulier aux appareils à ultrasons. Étant donné l’environnement actuel, pauvre en énergie, il est bien entendu inconcevable d'acheter une autre pompe pour palier au manque de vide.

Fuites de vapeur – Les fuites de vapeur à haute pression sont potentiellement mortelles. Si vous utilisez des surchauffeurs par exemple, les températures peuvent atteindre plus de 300 °C, voire pratiquement 600 °F. Une fuite haute pression peut donc se transformer en une véritable lance invisible capable de transpercer une personne.

Face à un tel danger, un bon système de détection devrait être en place. Et pourtant, il n’est pas rare que le contrôle des fuites soit fait par des employés munis de perches, voire de balais munis d’un chiffon au bout. Si le chiffon se soulève, il y a fuite. Il y a quelques années au Royaume-Uni, cette méthode a failli coûter la vie à deux personnes, entraînant son interdiction et son remplacement par des systèmes d’inspection par ultrason.

Aussi bruyante que peut être une fuite d’air comprimé, la turbulence générée par une fuite de vapeur est encore plus grande, ce qui signifie qu’il y a encore plus de bruit ultrasonique.

Inspection Electrique

L’ultrason peut être utilisé pour détecter trois problèmes électriques courants : l’effet de couronne, le cheminement et l’arc.

L’effet de couronne résulte de l’ionisation des molécules d’air et d’une décharge partielle à la surface. L’ionisation de l’air a peu de chance de se produire à des tensions inférieures à 4 kV. La présence de couronne met en évidence un problème qui nécessite une attention immédiate afin d’éviter qu’il n’empire. L’effet de couronne est particulièrement problématique dans les appareils de commutation à haute tension et les composants de transmission. Malheureusement pour les thermographistes, la couronne ne génère pas de chaleur et n’est donc pas détectable à l’aide d’une caméra à infrarouge.

Depuis quelques années, le cheminement et l’arc sont devenus très importants dans le milieu de l’inspection infrarouge d’armoires électriques. L’inspection ultrasonique d’un panneau avant de l'ouvrir est aujourd'hui considérée comme la meilleure pratique à adopter, et à juste titre. L'ultrason est un son, et en tant que tel traverse les brèches entre les portes et le dormant et rebondit à l’intérieur de l’armoire. L’utilisation d’un capteur à ultrasons sur une porte non étanche permet donc d’identifier les craquements à l’intérieur de l’armoire, lesquels craquements pourraient indiquer un arc ou un cheminement.

La Figure 1est un exemple de transformateur abaisseur de 13,8 kV dont l’isolateur présente un problème de cheminement, avant et après nettoyage. Comme le montre la Figure 2, la présence d’activité après le nettoyage indique que le problème persiste, lequel nécessitera une réparation plus poussée.

 

Figure 1 – Isolateur d’un transformateur abaisseur de 13,8 kV avant nettoyage

Figure 2 – Le même isolateur après nettoyage. Tous les problèmes n’ont pas été éliminés.

ÉtanchEitE

L’allusion à l’étanchéité à l’eau des armoires électriques m’amène à une autre utilisation majeure de l’ultrason aéroporté, à savoir les essais d’étanchéité.

Au lieu d’utiliser une source physique d’ultrason comme ceux dont avons discuté précédemment, nous allons générer de l’ultrason au moyen d’un émetteur (enceinte) et écouter ce son. Si je place un émetteur à l’intérieur d’une boîte étanche, le son de l’émetteur ne pourra pas traverser les joints de la boîte. Il ne peut donc être entendu de l’extérieur, comme avec une voiture équipée d’un système audio puissant, que via les vibrations des parois de la boîte.

Cette idée simple ouvre alors pour l’ultrason aéroporté des applications pratiquement illimitées. Toutefois, comme pour toutes les idées simples, il y a quelques conditions à respecter. L’émetteur que vous utilisez pour fournir la source de votre ultrason doit être stable et fournir une amplitude répétable de la source du signal. Dans le cas contraire, la combinaison de l’instabilité de l’émetteur et de la mauvaise sensibilité du détecteur pourrait potentiellement rendre la fuite inaudible.

Il s’agit en fait là de la méthode reconnue et préférée dans le monde entier pour inspecter les panneaux de cales des navires de transport de marchandise afin de s’assurer de leur étanchéité : un émetteur d’ultrasons et un détecteur aéroporté.

Si vous placez un détecteur à l’intérieur d’une voiture et que vous fermez les portes et les fenêtres, vous pouvez détecter toutes les brèches, parfois même des trous minuscules, qui toutefois font une différence audible pour le propriétaire de la voiture.

Cette même méthode d’essai est utilisée pour inspecter les échangeurs de chaleur, les cabines de tracteurs, les bus, les trains, les camions, les camionnettes, les chambres à vide, les autoclaves, les fenêtres et toits des bâtiments, les portes de cloison étanches à l’eau. Et la liste s’allonge tous les mois !

MEcanique

Il semble contradictoire de parler d’ultrason aéroporté pour des applications mécaniques. Et pourtant, il existe de nombreuses applications mécaniques pour lesquelles la capacité à inspecter sans effectuer de contact physique peut s’avérer très bénéfique.

J’ai mentionné plus haut que l’on peut écouter la friction. Il est possible d’effectuer une FMEA (analyse des modes de défaillance et de leurs effets) pour identifier les modes de défaillance associés à la friction. Si, dans certains cas, l’ultrason généré par cette friction peut devenir aéroporté, il est alors possible d’utiliser la détection ultrasonique aéroportée pour isoler le problème. Il suffit simplement d’avoir un chemin d’air entre la source du son et le capteur.

Voici quelques exemples :

Courroies d'entraînement

Les courroies peuvent être trop lâches, trop serrées ou peuvent glisser sur des poulies mal alignées. Les courroies lâches claquent et produisent un son similaire à un coup de fouet. Les courroies trop serrées ou mal alignées génèrent une friction additionnelle qui, là encore, sera audible à l’ultrason. La Figure 3 montre un exemple de signal de temps de courroies lâches.

Figure 3 – Signal de temps de courroies d’entraînement lâches.

 

Accouplements

Les accouplements peuvent être mal alignés ou lâches. Les formations aux infrarouges nous apprennent que les accouplements mal alignés génèrent de la chaleur. Cette chaleur est générée par la friction périodique causée par le fait que l’accouplement est comprimé à chaque révolution. Souvenons-nous que l’on peut entendre la friction. Ainsi, un accouplement mal aligné génèrera une friction périodique et donc un signal ultrasonique périodique comme celui illustré à la Figure 4.

Un accouplement lâche génèrera un signal ultrasonique en raison du cliquettement du frottement des deux moitiés de l’accouplement. Ce frottement sera plus sévère et moins périodique (voir la Figure 5) que celui dû à un défaut d’alignement.

Figure 4 – Signal ultrasonique d’un accouplement mal aligné.

Figure 5 – Les accouplements lâches génèrent un frottement plus sévère et moins périodique que les accouplements mal alignés.

 

Chaînes

 Très peu de personnes disposant de transmissions par chaîne ont en place des programmes d’inspection prédictifs ou même non intrusifs pour les chaînes. C’est dommage car il est très simple de vérifier une chaîne par ultrason. Lorsque le maillon d’une chaîne passe sur un pignon, deux phénomènes se produisent. Premièrement le maillon se courbe, et deuxièmement une dent du pignon doit se glisser dans le maillon et entrer en contact avec la tige. Tout ceci produit de la friction et donc de l’ultrason, qui montrera des impulsions correspondant à chacun des ces mouvements, avec un certain degré de périodicité étant donné que la chaîne répète ses circuits (voir la Figure 6, page précédente).

Figure 6 – Signal de temps d’une transmission par chaîne

 

Roulements

Certains défauts de roulement génèrent de l’ultrason. Les roulements ouverts à l’environnement génèrent de l’ultrason qui est transmis dans cet environnement. Quels types de sons peuvent être générés ? Le plus évident est bien entendu la friction. Un roulement mal lubrifié génèrera de la friction. Le son produit par une mauvaise lubrification est un craquement constant ressemblant à celui d’une poêle à frire (voir l’exemple de la Figure 7).

Si le roulement contient des parties usées ou détachées à l’intérieur, lesquelles génèrent des impacts, ces impacts peuvent être audibles en mode ultrasonique aéroporté. Ces impacts sont illustrés à la Figure 8.

Une enveloppe de roulement lâche (ou bien un déséquilibre dans les pieds d’un moteur) génèrera un impact périodique à mesure que le pied se soulève et retombe. L’impact produira un signal ultrasonique aéroporté audible. La Figure 9 montre un exemple de pied déséquilibré dans un roulement, détecté par ultrason aéroporté. Le roulement est resserré et une mesure supplémentaire est prise pour montrer l’efficacité de la réparation (Figure 10).

 

Figure 7 – Enregistrement ultrasonique d’un roulement mal lubrifié.

Figure 8 – Impacts d’un objet à l’intérieur du roulement.

 

Figure 9 – Une inspection ultrasonique confirme l’existence d’un déséquilibre du pied du roulement.

Figure 10 – Lecture ultrasonique validant la réparation.

 

L’avenir

L’une des idées reçues le contrôle  Ultrason est qu’il est nécessaire de disposer d’un système d’enregistrement de 40 kHz. « Les collecteurs de vibration normaux n’ont pas la largeur de bande nécessaire » entend-on souvent. C’est bien entendu faux. Le fait est que la sortie au casque d’un système à ultrasons est généralement de seulement 2 kHz.

Ces deux dernières années, nous avons constaté une augmentation marquée du souhait d’enregistrer les signaux ultrasoniques en vue d’effecteur des analyses de pannes plus détaillée et plus poussée. De précédents articles sur le sujet ont mis en évidence le besoin d’enregistrer des signaux à l’aide d’un appareil de haute qualité. Un appareil qui par exemple enregistrerait des ondes de haute qualité plutôt que des signaux MP3 comprimés, et qui n’appliquerait pas d’autogain au signal, corrompant de ce fait la dynamique des données utilisées pour l’analyse.

C’est cette capacité à enregistrer correctement et traiter les signaux audio avec le détecteur SDT 270 qui m’a permis de présenter les graphiques de signal de temps de cet article.

Il convient toutefois de faire très attention lors de la réalisation de comparaisons à l’aide de méthodes d’enregistrement. Outre le besoin évident de maintenir la même distance par rapport au sujet soumis à essai, il est également primordial de contrôler le niveau de sortie de l’instrument à ultrasons et le gain d’entrée de l’enregistreur afin de produire des données comparatives.

L’avenir de la technologie ultrasonique ? Naturellement, nous dirions plus légère, plus rapide, plus puissante et plus sensible. Tout ceci est, dans une certaine mesure, utile, en particulier l’idée d’une technologie plus sensible, notamment pour détecter des fuites encore plus petites. Mais qu’en est-il d’une technologie plus objective ? Y a-t-il un besoin de systèmes permettant d’effectuer des mesures ? des systèmes mesurant plus précisément, avec une traçabilité ? Des systèmes capables de d’enregistrer les données dynamiques en plus de la valeur dBμV et de traiter ce signal en tant que signal plutôt que son ? Si l’ultrason est appelé à mériter plus complètement sa place en tant que « troisième technologie » avec l’analyse vibratoire et la thermographie infrarouge, nous devons suivre la voie de l’infrarouge et passer d’appareils de lecture ou d’écoute à des appareils de mesure.

 

Conclusions

La vaste gamme d’applications de l’ultrason aéroporté revue ici devrait avoir provoqué des réflexions. J’espère vous avoir fait prendre conscience du fait que l’utilisation d’un détecteur à ultrasons dans une usine peut aider à mettre à jour bien des problèmes.

Qui plus est, j’ai essayé de montrer dans cet article qu’il n’est pas toujours possible de dégager une tendance qui permettrait de détecter les défauts. Une inspection permet de mettre en évidence les défauts, et non une procédure de mesure point par point.

La Partie 2 de cet article paraîtra dans une prochaine édition et traitera des applications de l’ultrason de contact. Là encore, elles sont nombreuses.

 

Remerciements

Merci à Allan Rienstra de SDT Amérique du Nord pour m’avoir fourni certains signaux de temps reproduits dans cet article, et plus particulièrement pour son travail d’édition.

Tom Murphy est diplômé en Acoustique de l’Université de Salford. Il bénéficie de plus de 25 ans d’expérience dans le monde de l’ultrason industriel et de la mesure des vibrations, dont 15 passés à l’utilisation de techniques de l’Operating Deflection Shape dans les industrie du papier, de l’impression, de la pétrochimie, de la génération électrique, de la pharmacie et de l’alimentation. Tom est Directeur général de Adash 3TP Limited, une entreprise basée à Manchester, en Angleterre, et spécialisée dans l’application des technologies vibratoire, infrarouge et ultrasonique pour améliorer la maintenance.

SYNERGYS TECHNOLOGIES est le partenaire exclusif en France de SDT International. www.synergys-technologies.com tél 03.89.08.32.72

Jean Marc SINGER