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Calcul de la pression de radiation acoustique s’exer¸cant sur l’obstacle 42

Dans le document The DART-Europe E-theses Portal (Page 42-45)

2.3 La pression de radiation

2.3.2 Calcul de la pression de radiation acoustique s’exer¸cant sur l’obstacle 42

L’onde consid´er´ee ´etant ultrasonore, sa fr´equence est de l’ordre du MHz. Soient A la section du faisceau et Π la pression de radiation acoustique exerc´ee par l’onde sur l’obstacle. L’onde acoustique exerce sur l’obstacle une force ΠA~x. Pour maintenir l’obstacle en ´equilibre, l’op´erateur doit donc exercer dessus une force f~op=−ΠA~x.

Soit pE la pression eul´erienne au sein du fluide. En-dehors du faisceau, pE = p0, p0

´etant la pression du fluide non perturb´e par le faisceau acoustique. La force pressante totale s’exer¸cant sur l’obstacle vaut alors :

f~press = ZZ

pE~nda= (pEac1−pEac2)A~x (2.77) pEac1 etpEac2 ´etant les pressions acoustiques eul´eriennes respectivement en amont et en aval de l’obstacle, et ~n le vecteur unitaire orthogonal `a la surface de l’obstacle, dirig´e vers l’int´erieur de l’obstacle.

SoitS une surface stationnaire proche de la surface de l’obstacle, mais enti`erement dans le fluide `a tout instant. Le flux de quantit´e de mouvement entrant dans S par unit´e de temps vaut

Φ =~ ZZ

S

(ρ~u)(~u.~n)da = (ρ1u21−ρ2u22)A~x (2.78)

~n´etant le vecteur normal `aS, dirig´e vers l’obstacle. La variation de quantit´e de mouvement de l’obstacle en fonction du temps s’´ecrit donc, d’apr`es le th´eor`eme d’Euler :

d dt

ZZZ

V

ρ~udV =~Φ +F~ (2.79)

F~ d´esignant la somme de toutes les forces agissant sur l’obstacle. On s’int´eresse ici aux effets de l’onde acoustique ne d´ependant pas du temps, donc `a la valeur moyenne des diff´erentes grandeurs, d´efinie pour une grandeur q par hqi= T1 RT

0 q(t)dt,T ´etant la p´eriode de l’onde

acoustique. ¿

Or, d’apr`es la d´efinition de la valeur moyenne, pour une quantit´eq(t) quelconque, p´eriodique

de p´eriode T, ¿ On aurait pu r´ealiser le mˆeme calcul en utilisant non pas les coordonn´ees eul´eriennes mais les coordonn´ees lagrangiennes : l’obstacle est soumis aux forces pressantesf~pressque le fluide exerce dessus et `a la force f~op appliqu´ee par l’op´erateur pour le maintenir immobile.

Le respect des conditions aux limites impose que les parois de l’obstacle se d´eplacent `a la mˆeme vitesse que les particules fluides qui sont en contact avec elles. La pression que le fluide exerce sur l’obstacle est par cons´equent la pression lagrangienne pL des particules en contact avec ses parois. Les forces pressantes totales exerc´ees par le fluide sur l’obstacle valent donc

f~= ZZ

pL~nda (2.85)

A l’ext´erieur du faisceau acoustique,` pL vaut p0, la pression hydrostatique au repos. `A l’int´erieur du faisceau acoustique,pLvautp0+pLac1sur la face avant de l’obstacle etp0+pLac2 sur sa face arri`ere. Par cons´equent,

f~= (pLac1−pLac2)A~x (2.86)

L’op´erateur exerce sur l’obstacle une force constante qui ´equilibre la valeur moyenne des forces acoustiques :

F~ =−­

pLac1−pLac2®

A~x (2.87)

La pression de radiation vaut alors Π =­

pLac1®

−­ pLac2®

(2.88) Le but des paragraphes 2.3.3 et 2.3.4, qui reprennent une ´etude r´ealis´ee en 1993 par Lee et Wang [3], est de calculer l’expression des valeurs moyennes des pressions eul´erienne et lagrangienne, et d’en d´eduire l’expression de la pression de radiation acoustique. Ils permettront de v´erifier, entre autres r´esultats, que les r´esultats 2.84 et 2.88 sont ´equivalents.

2.3.3 Pression acoustique eul´ erienne moyenne

Nous allons ´etablir une expression pour la surpression moyenne ­

pE −p0

® induite par l’onde acoustique en coordonn´ees eul´eriennes pour un fluide parfait.

Une onde acoustique induit un ´ecoulement irrotationnel du fluide. On peut donc ´ecrire

~u = ∇~φ (~u ´etant ici la vitesse eul´erienne u~E et φ le potentiel des vitesses associ´e `a cette onde). L’´ecoulement est r´egi par l’´equation d’Euler

ρ∂~u

∂t +ρ³

~u.~∇´

~u=−∇~p (2.89)

qui peut s’´ecrire sous la forme ρ~∇

Soit T la temp´erature du fluide. On note dS la variation de son entropie massique, dH la variation de son enthalpie massique et dp la variation de sa pression associ´ees au passage de l’onde acoustique. D’apr`es le premier principe de la thermodynamique,

dH =T dS+ dp

ρ (2.92)

La pression de radiation

Dans un fluide parfait (o`u il n’y a pas de ph´enom`enes dissipatifs associ´es `a la diffusion de quantit´e de mouvement par viscosit´e et de chaleur par conduction thermique), la propa-gation d’une onde acoustique correspond `a des cycles de compression-d´etente adiabatiques et r´eversibles donc isentropiques. dS est donc nul et

∇~H = ∇~p

ρ (2.93)

En introduisant cette ´equation dans 2.91, on obtient

∇~

ce qui donne apr`es int´egration suivant les variables d’espace : H =−∂φ

∂t − 1

2|∇~φ|2+C(t) (2.95)

C(t) est une fonction du temps t mais ne d´epend pas des variables d’espace.

On peut d´evelopper la pression p en s´erie de H de la fa¸con suivante : p=p0+pac1 =p0+ Or, lors de la propagation d’une onde acoustique (cf. ´equation 2.12),

µdρ

c ´etant la vitesse de propagation de l’onde, donc µ d2p

En introduisant ces r´esultats dans 2.96, on obtient finalement p=p00H+1 ce qui donne, moyenn´e sur le temps et calcul´e `a l’ordre 2 env/c :

hp−p0i=−1

en notant Q=ρ0hC(t)i+ 12ρc02 hC2(t)i.

D’apr`es l’´equation 2.92,H =p10, ce qui est ´egal `a−∂φ/∂td’apr`es l’´equation d’Euler lin´earis´ee. Par cons´equent, C est une quantit´e d’ordre au moins 2 d’apr`es l’´equation 2.95, donc dans un calcul `a l’ordre 2, Q=ρ0hC(t)iet l’´equation pr´ec´edente devient :

hp−p0i=−1

hKi ethVi´etant respectivement l’´energie cin´etique volumique moyenne et l’´energie poten-tielle volumique moyenne de l’onde.

Ce calcul a ´et´e fait en coordonn´ees eul´eriennes : ce qui vient d’ˆetre calcul´e est donc la surpression acoustique moyenne en coordonn´ees eul´eriennes :

­pE −p0

®=­ pEac®

=− hKi+hVi+Q (2.109)

Cette ´equation, publi´ee par Biquard [4], a ´et´e appel´ee « deuxi`eme relation de Lange-vin » par Beissner [5].

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