Dispositif de g´ en´ eration et de traitement des signaux

Concernant la g´en´eration des signaux et l’acquisition des donn´ees, l’ensemble du dispositif est pilot´e par un syst`eme FPGA (Field-Programmable Gate Array ; PXIe-7965R card ; National

Instrument, Austin, TX, USA)) avec une interface Labview, permettant de configurer les pa-

ram`etres acoustiques du signal : mode continu ou puls´e, dur´ee du pulse, rapport cyclique et temps total de tir. L’op´erateur peut changer le mode de sonification entre boucle ouverte et boucle ferm´ee. Dans le cas de la boucle ouverte, la sonification s’effectue avec un signal `a ampli- tude constante alors que dans le cas de la boucle ferm´ee, la tension en entr´ee est modul´ee grˆace `a une boucle de r´etroaction `a un gain (op´eration d´etaill´ee en partie 3). Ensuite, le syst`eme FPGA permet l’acquisition des signaux issus de l’hydrophone et d’effectuer leur transform´ee de Fourier avec une fr´equence d’´echantillonnage (fe = 10 MHz) et un nombre de points (N = 2048) assez grand pour assurer une bonne pr´ecision fr´equentielle (fe/2 = 5 MHz). L’interface permet une acquisition des indices de cavitation stable (´emission de sous-harmonique f₀/2) et de cavitation

inertielle (niveau de bruit large bande) toutes les 250 μs environ pendant toute la dur´ee du tir ultrasonore. Comme pr´esent´e en figure 3.2, toute la programmation est bas´ee sur des groupes de blocs logiques dans la carte, synchronis´es sur une horloge `a 100 MHz, et toutes les op´erations s’ex´ecutent en continu jusqu’`a la fin du tir ultrasonore. Toutes les 226 μs, un signal de 2048 points est acquis avec une fr´equence d’´echantillonnage de 10 MHz. L’acquisition des points dure environ 200 μs, ce qui correspond `a approximativement 110 p´eriodes acoustiques d’une bulle oscillant `a 550kHz. La deuxi`eme phase consiste en l’acquisition du spectre de puissance du signal. Pour cela, le signal est fenˆetr´e avec Hanning, son spectre calcul´e avec l’algorithme de FFT et son module converti en d´ecibels (toutes ces op´erations prennent 45 μs soit 20 p´eriodes acoustiques). La troisi`eme ´etape consiste dans le calcul des indicateurs spectraux. Pour calculer le plus rapidement possible le niveau de bruit large bande, la moyenne arithm´etique des niveaux de dB de toutes les composantes du spectre dans la gamme fr´equentielle [100 kHz - 5 MHz] est effectu´ee. Le niveau de sous-harmonique est relev´e sous la forme d’un vecteur de 20 points autour de la fr´equence f₀/2 : 275 KHz (de 224 kHz jusqu’`a 332 KHz, avec un pas de 4.88 kHz). Le vecteur de 20 points et l’indice CI (CI pour Cavitation Inertielle, indice correspondant `a la quantification du bruit large bande) sont sauvegard´es dans un fichier .txt sur le PC hˆote.

absorbeur

Φ

T x

L = Φ

T x

∼ 3L

nuage de bulles transducteur hydrophone pre-ampli (10dB) anti-repliement amplification (69 dB) carte d’acquisition NI CAD CDA FlexRIO FPGA FFT CS CI g´en´erateur fe = 0.55 MHz PC hˆote sauvegarde Boucle Ferm´ee consigne CS_cible Boucle Ouverte consigne U_out , , = Uout

±

Acquisition - ´Ecriture dans la m´emoire

Lecture de la M´emoire

Fenˆetrage, FFT et calcul du module

Moyenne - Calcul du niveau de bruit

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Temps (ms)

Figure 3.2 – Sch´ema de principe du dispositif exp´erimental et des op´erations de traitement sur la carte FPGA (haut) et d´etail du cadencement des op´erations de traitement des indicateurs

Temps (s) (a) Temps (s) (b) Composante sous-harmonique f₀/2 Composante sous-harmonique f₀/2 Fr ´equence n ormalis ´ee : f/ f0 Fr ´equence n ormalis ´ee : f/ f0

Figure 3.3 – Exemples de spectrogramme centr´e sur la composante sous-harmonique f₀/2 du

spectre de bruit de cavitation dans des configurations (a) sans ou (b) avec cavitation inertielle initi´ee.

La figure 3.3 pr´esente le spectre autour de la composante sous-harmonique f₀/2 en fonction

du temps sur 4 salves successives (dur´ee du cycle : 250 ms - rapport cyclique : 0.2), repr´esent´e grˆace aux donn´ees sauvegard´ees en temps r´eel. La fenˆetre fr´equentielle est normalis´ee pour la repr´esentation par rapport `a la fr´equence d’excitation f<sub>0</sub>, soit [0.4 0.6]f<sub>0</sub>, et la fr´equence centrale observ´ee correspond `a la sous-harmonique f₀/2. La dynamique d’amplitude est comprise entre

40 dB et 80 dB, 40 dB correspondant au niveau moyen du bruit ´electronique mesur´e par l’hydrophone. L’avantage de cette repr´esentation est qu’elle permet de montrer sur un mˆeme graphe la pr´esence du sous-harmonique (indice CS) et de son facteur de qualit´e (largeur du pic) mais aussi la pr´esence du bruit large bande (indice CI). Pour la figure 3.3a, le bruit large bande est absent hors et `a l’int´erieur des salves ultrasonores et un pic uniquement centr´e sur la valeur du sous-harmonique apparait. Notons qu’au d´ebut du troisi`eme pulse et `a la fin du dernier pulse, un pic plus large et tr`es bref d’activit´e fr´equentielle est visible `a cause d’un effet de bord dˆu `a la discontinuit´e entre p´eriode d’excitation et p´eriode de repos. Le bruit est ici dˆu au calcul des composantes spectrales d’un signal transitoire. Par cons´equent, ces points sont exclus du calcul des indicateurs. Dans le cas pr´esent´e en figure 3.3a, la cavitation est purement stable et il semble pertinent de consid´erer la valeur maximale de cette fenˆetre fr´equentielle comme un bon indicateur pour quantifier l’activit´e de cavitation stable. La figure 3.3b montre une autre portion du spectre pendant un tir `a intensit´e plus ´elev´ee pour laquelle la cavitation inertielle se d´eclenche toujours. Dans ce cas de figure, un bruit large bande est visible au sein de chaque pulse et la plus grande amplitude est toujours centr´ee sur le sous-harmonique. Sur cet exemple, il semble que l’activit´e de cavitation inertielle caract´eris´ee par une augmentation du niveau de bruit large bande s’accompagne aussi d’un niveau important de cavitation stable. Pour la suite, une ´etude sur l’inter-corr´elation des indicateurs de cavitation nous permettra de valider cette affirmation.

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