Vitesse du son par matériau pour une mesure d'épaisseur ultrasonique

Une jauge ultrasonique ne mesure pas directement une distance. Elle chronomètre l'aller-retour d'une impulsion entre la sonde et la face opposée de la pièce, puis convertit ce temps en épaisseur. Pour faire ce calcul, elle a besoin de la vitesse du son dans le matériau. Si cette valeur est fausse, l'épaisseur le sera aussi, même avec un écho parfaitement stable.

La table ci-dessous donne de bons points de départ. Elle ne remplace pas l'étalonnage sur un échantillon du matériau contrôlé, d'épaisseur connue et, si possible, à une température proche de celle de la pièce.

Vitesses longitudinales indicatives des matériaux courants

Une jauge d'épaisseur travaille en général avec la vitesse de l'onde longitudinale. Ne saisissez pas une vitesse d'onde transversale trouvée dans une table de contrôle ultrasonore : elle est nettement plus faible et fausserait le résultat.

Ces chiffres sont tirés de tables techniques publiées par Evident et Elcometer. Il est courant de trouver une autre valeur dans la notice d'une jauge. Selon les cas, le fabricant parle d'un alliage précis ou d'une famille entière de matériaux. La structure et la température de l'échantillon expliquent aussi une partie des écarts.

Le principe de la mesure d'épaisseur par ultrasons explique le trajet de l'impulsion et les limites de cette méthode.

Convertir les unités de vitesse

Les appareils n'emploient pas tous la même unité :

• vitesse en mm/µs = vitesse en m/s ÷ 1 000 ;
• vitesse en m/s = vitesse en mm/µs × 1 000.

Ainsi, 5 920 m/s correspondent à 5,920 mm/µs. Si la notice donne des pouces par microseconde, utilisez de préférence le mode d'unité prévu par la jauge afin d'éviter un arrondi intermédiaire.

L'effet d'un mauvais réglage sur l'épaisseur

En mode pulse-écho, la jauge applique cette relation :

épaisseur = vitesse × temps d'aller-retour ÷ 2

L'appareil mesure le temps. La vitesse vient d'un profil matériau, d'une saisie manuelle ou d'une calibration sur une épaisseur connue. Si la vitesse réglée est trop haute, l'épaisseur affichée l'est aussi. Le même lien vaut dans l'autre sens.

L'erreur suit directement le rapport entre les deux vitesses. Sur du cuivre à 4 660 m/s, une jauge restée sur 5 920 m/s, valeur courante pour l'acier doux, indiquera environ 27 % de trop. Une paroi réelle de 10 mm apparaîtra proche de 12,7 mm. Le centième de millimètre affiché à l'écran ne rend pas cette lecture plus juste.

Une lecture déjà relevée peut être corrigée si vous connaissez les deux vitesses :

épaisseur corrigée = épaisseur affichée × vitesse réelle ÷ vitesse réglée

Une lecture de 12 mm prise avec un réglage de 5 920 m/s sur ce même cuivre se corrige ainsi à environ 9,45 mm. La formule peut sauver quelques relevés déjà faits, mais mieux vaut recalibrer avant de poursuivre.

L'alliage et la fabrication font varier la vitesse

Deux pièces désignées comme « acier » ou « aluminium » ne transmettent pas forcément les ultrasons à la même vitesse. L'alliage et le traitement thermique comptent, tout comme l'écrouissage et la structure laissée par la fabrication. Cygnus donne 5 920 m/s comme valeur typique de l'acier doux, mais indique une plage de 5 860 à 5 980 m/s suivant les échantillons. L'écart possible sur l'épaisseur tourne déjà autour de 1 %.

Avec la fonte, la différence saute aux yeux : les valeurs publiées vont de 3 500 à 5 600 m/s selon la dureté et la structure. La forme du graphite, la taille des grains et la porosité changent la propagation. Le seul mot « fonte » ne permet donc pas de régler sérieusement une jauge pour une pièce moulée inconnue.

Les composites, la fibre de verre et certains plastiques varient eux aussi. Le rapport entre résine et fibres, les charges, les vides et le procédé de fabrication modifient la vitesse locale. L'atténuation peut également limiter la profondeur mesurable alors que le réglage de vitesse est correct. Le guide des jauges pour plastique, verre et matériaux non métalliques revient sur ces difficultés.

Orientation des fibres et anisotropie

Une table suppose généralement un matériau homogène et isotrope, autrement dit une vitesse identique dans toutes les directions. L'approximation fonctionne assez bien avec de nombreux métaux corroyés à grains fins. Ailleurs, il faut se méfier.

Dans un composite stratifié, la vitesse dépend du trajet des ultrasons par rapport aux fibres et à l'empilement des plis. Une texture cristallographique marquée, de gros grains ou certaines structures de solidification peuvent produire un effet comparable dans un métal. Une calibration réalisée dans une direction doit donc être vérifiée avant de mesurer dans une autre.

Pour une pièce anisotrope, choisissez un échantillon ayant le même matériau, le même procédé et la même orientation. Gardez aussi la sonde orientée de la même façon si sa rotation modifie la stabilité ou l'amplitude de l'écho.

Température : rapprocher la calibration des conditions réelles

La vitesse acoustique varie avec la température, et pas de la même façon dans tous les matériaux. Les polymères et les caoutchoucs y sont particulièrement sensibles. Dans un métal, l'effet finit lui aussi par compter lorsque la pièce est très chaude ou que la tolérance de mesure est serrée.

La chaleur agit aussi sur la sonde, sa ligne à retard et le couplant. Sur une pièce chaude, utilisez du matériel compatible avec la température de surface, limitez le temps de contact selon la notice et laissez refroidir la sonde comme le demande son fabricant.

L'idéal est de porter la référence à une température proche de celle de la pièce. Un réglage fait dans l'atelier à 20 °C ne se transfère pas tel quel à une canalisation chaude. Si la température évolue pendant l'inspection, revenez régulièrement sur la référence.

Déterminer la vitesse sur le matériau réel

Partez d'une zone ou d'une éprouvette dont l'épaisseur a été mesurée par une méthode indépendante. Un micromètre convient lorsque les deux faces sont accessibles. La référence doit correspondre à la nuance, au traitement et à la direction de mesure de la pièce.

1. Nettoyez la surface. Retirez localement le revêtement si le mode de mesure ou la calibration l'impose.
2. Mesurez l'épaisseur de référence avec un instrument adapté et notez-la.
3. Montez la sonde prévue pour la pièce et prenez le couplant adapté à la mesure ultrasonique.
4. Effectuez le zéro de la sonde si l'appareil le demande.
5. Posez la sonde avec une quantité régulière de couplant et attendez une lecture stable.
6. Lancez la calibration sur épaisseur connue. Sur une large plage, deux points permettent de régler le zéro et la vitesse plus solidement qu'un seul.
7. Vérifiez la mesure sur une autre épaisseur connue, proche si possible des valeurs recherchées.

Les menus changent selon les appareils. Le guide comment calibrer une jauge d'épaisseur ultrasonique décrit les méthodes à un et deux points.

Bien utiliser une valeur tabulée

Une valeur de table suffit pour vérifier qu'un écho revient ou pour commencer un réglage sans échantillon. Elle ne garantit pas l'exactitude. Si les relevés doivent être comparés plus tard, notez la vitesse utilisée, la sonde, le mode de mesure, la température et la référence de calibration.

Une jauge d'épaisseur pour l'acier et les métaux peut mémoriser plusieurs profils, ce qui évite de ressaisir la vitesse à chaque série. Elle doit aussi permettre de l'ajuster sur le matériau réel. Dès que la précision compte, c'est la référence connue qui tranche, pas la valeur générique de la table.