II.2 Propagation d’ondes en milieux poreux
III.1.1 Interférométrie laser
Projets de recherche financés :
✓ 2013 : ProjetVILA«VIbrométrieLAser pour la caractérisation multi-échelle
expé-141
III.1. Mise en place d’un laboratoire expérimental multi-physique
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rimentale d’un réservoir géologique », appel d’offre « Appel d’offre Défi Instrumentation
aux limites CNRS ».
✓ 2014 : VILA « VIbrométrie LAser pour la caractérisation multi-échelle
expéri-mentale d’un réservoir géologique », appel d’offreISIFoR(Institute for the Sustainable
engineering of fossil resources, Institut Carnot).
Article en préparation :
✓ Brito, D. et coll.. High resolution spatial and temporal seismic laboratory data sets.
Les expériences en laboratoire dans lesquelles se propagent des ondes mécaniques hautes fréquences
se déroulent la plupart du temps avec des transducteurs piezoélectriques : ceux-ci sont en général
« collés » aux milieux étudiés et sont aussi bien utilisés comme source que récepteur sismique.
Ce-pendant, plusieurs difficultés se posent lorsqu’on veut aller vers des expériences « haute-résolution »
parfaitement reproductibles :
✓ les transducteurs, lorsqu’ils jouent le rôle de récepteur, ont une taille finie (typiquement de
quelques mm à quelques cm de diamètres selon la fréquence utilisée) et il est par
consé-quent délicat d’échantillonner dans l’espace avec une maille spatiale inférieure à la taille du
transducteur ;
✓ il est difficile de reproduire très précisément les mêmes expériences en utilisant des
transduc-teurs car la manière dont ils reçoivent (réceptransduc-teurs) ou émettent (sources) les ondes dépend
fortement de comment ils sont couplés au milieu (pression, portion de la surface du
trans-ducteur en contact avec le milieu, . . .)
✓ chaque transducteur possède son propre diagramme de rayonnement (en terme de
propa-gation d’ondes mécaniques) et il est par conséquent extrêmement difficile d’avoir un réseau
de capteurs homogènes ; on peut alors s’en sortir en caractérisant chaque capteur mais cela
devient rapidement lourd. C’est donc très difficile de réaliser des comparaisons quantitatives
(en amplitude) de capteur à capteur lorsqu’on veut analyser le champ d’onde complet.
Ces limitations inhérentes à la technologie des transducteurs piezoélectriques nous ont poussé vers
la technologie laser, plus précisément l’interférométrie laser (Scruby & Drain, 1990).
L’interféro-mètre laser dont nous nous sommes équipés dans le cadre du projet VILA auprès de la société
Polytec (laser hélium-néon, λ = 633 nm, composé d’un contrôleur OFV-5000, d’une tête laser
OFV-505 et d’un décodeur de déplacement DD-300), permet de mesurer en un point d’une surface
vibrante la composante du déplacement ou de la vitesse dans la direction du rayon laser (Nishizawa
et coll.,1998;Bodet et coll.,2005;Bretaudeau et coll.,2011;Lebedev et coll.,2011;De Cacqueray
et coll., 2011; Grzeszkowski & Prager, 2012; Shragge et coll., 2015; Adam et coll., 2015). Pour
cela il faut respecter la distance laser-objet prescrit par Polytec (une dizaine de centimètres ou des
multiples de cette distance) et surtout, il est nécessaire que la surface vers lequel pointe le laser soit
suffisamment réfléchissante pour renvoyer vers l’interféromètre une part substantielle du faisceau
laser incident. Pour cette raison, nous collons dans la plupart de nos applications un « papier
réflé-chissant » (composé de microbilles micrométriques) sur l’objet à étudier afin d’améliorer la qualité
de la mesure (voir FigureIII.1).
Les caractéristiques techniques du vibromètre sont les suivantes :
✓ Les mesures de vitesse (avec le décodeur de vitesse) se font sur une bande de fréquence allant
jusqu’à 2.5 MHz. La vitesse mesurable maximale est de 10 m/s.
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Figure III.1 : Vibromètre laser mesurant la composante radiale du déplacement à la périphérie
d’une carotte carbonatée. Du papier réfléchissant collé à la surface de la carotte augmente la
réflexion du rayon laser. Sur la droite de la carotte, un transducteur piézoélectrique excite les
ondes mécaniques se propageant dans le volume de la carotte.
✓ Les mesures de déplacement (avec le décodeur de déplacement) se font sur une bande de
fréquence de 33 kHz à 24 MHz et la sensibilité est de 25 nm/V. C’est en déplacement que
nous faisons la plupart de nos mesures et nous mesurons donc des déplacements aussi faibles
que l’angstrom Å.
✓ La taille du faisceau laser est infra-millimétrique ce qui permet d’échantillonner très
ponc-tuellement en terme de résolution spatiale.
✓ Les mesures du vibromètre donnent directement des valeurs en unités physiques (déplacement
en nm et vitesse en m/s) ce qui permet des comparaisons quantitatives entre expériences et
simulations.
Afin de tirer pleinement parti de ce vibromètre et de sa capacité à imager les champ d’ondes vibrant
en périphérie des échantillons, nous avons construit deux bâtis mécaniques. L’un des bâtis (Figure
III.2a) est destiné à étudier des objets de type cubique ou parallélépipédique ; l’autre bâti est lui
destiné à étudier des objets cylindriques type carottes prélevées sur le terrain.
Dans le cadre de la thèse en cours de C. Shen (2016-2019), nous avons validé ces deux dispositifs
expérimentaux en utilisant un cube et un cylindre d’aluminium, respectivement, dans les dispositifs
des FiguresIII.2a) et b). L’expérience de validation du dispositif cubique est détaillée sur la Figure
III.3 : un transducteur piézoélectrique de fréquence nominale 1 MHz émet au centre d’un cube
d’aluminium de 28 cm de côté. Nous déplaçons alors le vibromètre autour du cube à l’aide des
moteurs pas-à-pas, sur chaque face, en mesurant la composante normale du déplacement selon un
maillage en grille carré de côté δd = 2.5 mm ≤ λ/2 où λ (≃ 6 mm) est la longueur d’onde des
ondes P à la fréquence nominale du transducteur.
Sur les FiguresIII.3a),b),c) sont indiquées les positions du transducteur source (point jaune) ainsi
que les points (noirs) mesurées par le vibromètre sur chaque face. Sur les Figures III.3 d),e),f), on
voit des instantanées au temps t = 50 µs (t = 0 correspond à l’émission du capteur piézoélectrique)
du champ d’ondes se propageant à la surface du cube reconstitué à partir de la combinaison des
mesures ponctuelles. En visionnant le film complet de la propagation d’ondes, on identifie très bien
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a) b)
Figure III.2 : a) Bâti expérimental destiné à déplacer un vibromètre laser autour d’objets type
type cubique ou parallélépipédique. Les déplacements du vibromètre se font avec des moteurs
pas-à-pas selon trois axes orthogonaux x, y et z. Sur l’illustration, un transducteur émet une onde sur la
face arrière d’un cube d’aluminium et le vibromètre mesure la composante verticale du déplacement
sur la face supérieure. b) Bâti expérimental destiné à déplacer le vibromètre laser autour d’objets
cylindriques. Le déplacement du vibromètre se fait le long d’un bras articulé à rayon constant
autour de la carotte. Sur l’illustration, un transducteur émet une onde à mi-hauteur d’une carotte
et le vibromètre mesure la composante radiale du déplacement à la périphérie de la carotte.
les ondes P, S, ondes de surfaces ainsi que les converties aux interfaces aluminium-air (voir Partie
III.2).
La validation du dispositif cylindrique a été réalisée selon le même principe avec un cylindre
d’alu-minium de hauteur 20 cm et de rayon 8 cm. La source piézoélectrique est de fréquence nominale
500 kHz, les mesures interférométriques sont réalisées sur 10 cm de hauteur avec des mailles entre
points de mesure δθ = 1 degré × δz = 1 mm. Comme pour le cas du cube, on retrouve sur la
Figure III.4 a)b)c) les 3 familles d’ondes principales : les P, les S et les ondes de surface à trois
temps différents de la propagation à la surface du cylindre.
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a)
side face a = 28 cm front face upper faced)
b)
e)
c)
f)
Figure III.3 : a) Cube d’aluminium de 28 cm de côté avec un transducteur piézoélectrique jouant
le rôle de source sismique au centre de la face avant (ou face 1). Densité de points mesurés (points
noirs) sur la face avant, sur une face latérale et sur la face opposée à la source. e), d), f) : Prises
de vue instantanées à t = 50 µs de la propagation d’ondes à la surface du cube réalisées par
interférométrie laser en reconstituant le champ d’onde à partir de mesures ponctuelles indiquées
en a), b) et c).
c) b) a)
Figure III.4 : Mesures du déplacement radial à la périphérie d’un cylindre d’aluminium où la
source sismique (transducteur de fréquence nominale 500 kHz) est placé à mi-hauteur du cylindre
(pastille rouge sur a), b) et c). a), b) et c) sont des prises de vues instantanées à trois temps successifs
du champ de déplacement reconstitué à partir de mesures ponctuelles réalisées par interférométrie
laser.
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Dans le document
Couplages entre les champs de vitesse et électromagnétique : applications au noyau terrestre et à la prospection géophysique
(Page 142-147)