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Submitted on 1 Jan 1972
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IMAGES ACOUSTIQUES VISUALISÉES PAR UNE CAMÉRA ULTRASONORE. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS PAR RAPPORT AUX AUTRES
MÉTHODES DE VISUALISATION
J. Marini, B. Rivenez, B. Delannoy, M. Moriamez
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J. Marini, B. Rivenez, B. Delannoy, M. Moriamez. IMAGES ACOUSTIQUES VISUALISÉES PAR UNE CAMÉRA ULTRASONORE. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS PAR RAPPORT AUX AUTRES MÉTHODES DE VISUALISATION. Journal de Physique Colloques, 1972, 33 (C6), pp.C6- 53-C6-58. �10.1051/jphyscol:1972612�. �jpa-00215130�
IMAGES ACOUSTIQUES VISUALISEE s PAR UNE CAMERA ULTRASONORE.
AVANTAGE S ET INCONVENIENT s
PAR RAPPORT AUX AUTRES METHODES DE VISUALISATION
J. MARINI, B. RIVENEZ, B. DELANNOY et M. MORIAMEZ Centre Universitaire de Valenciennes, Le Mont-Houy, 59-Valenciennes, France
Rbsurnb. - Les diverses methodes permettant de produire des images ultrasonores sont passees en revue. Chaque principe de base utilis6 est souligne et on insiste tout particulibrement sur le seuil de sensibilite de chaque methode, ainsi que sur le temps necessaire a la production d'une image.
Ce rapide passage en revue comprend quelques discussions sur quatre categories de methodes de detection, les proc6des thermiques, les proc6des photographiques et chirniques, optiques et mecaniques, et les procedb 6lectroniques. Pour ces categories le seuil de sensibilite varie d'environ 1 W/cm2 pour les procedes photographiques et pour les procCd6s chimiques, a des valeurs de I'ordre de 10-11 W/cmZ pour les procedes Blectroniques.
Parmi ces derniers, la visualisation par camera a ultrasons pr6sente I'avantage de d6livrer une image de manibre pratiquement instantanee. Malheureusement, la dimension de I'image est limitee par le fait que la face sensible de la camera doit supporter la pression atmosphkrique. L'obligation d'utiliser trbs souvent une onde ultrasonore continue apporte egalement par I'influence d'inter- fkrences et d'ondes stationnaires de serieuses difficult&. Des essais effectues sur des cameras fonctionnant avec des impulsions ultrasonores ont apporte des amkliorations sensibles. Les per- fectionnements de ce type de tube de prise d'images ultrasonores devraient aboutir B un tube travaillant suivant deux sequences : la premibre prenant l'image acoustique en mkmoire au moment ou arrive I'impulsion d'ultrasons, la seconde effectuant la lecture par le faisceau dY6lectrons.
Une autre solution consisterait a realiser une superposition de couches piezo6lectriques semi- conductrices et electroluminescentes transformant directement un relief de pression en image lumineuse.
Abstract. - The various methods which enable to produce ultrasonic images are listed. Each basic princip is outlined with emphasis on the intensity level which is possible to detect and on the time required to produce an image.
This brief survey includes some discussions about four types of methods using thermal, photo- graphical, chemical and electronic devices. The intensity level varies from 1 W / m z for the three former to 10-1 1 W/cmz for the latter. Within the latter, we are chiefly concerned with the camera, which offers the advantage of giving quasi-instantaneous images. Unfortunately, the size of the image is limited by considerations about pressure acting upon the piezoelectric plate. The use of continuous waves, as it is generally the case, introduces some other limitations coming from diffraction effects.
Camera issuing from future improvements would work in two stages : First, acoustic images should be stored when the ultrasonic pulse impinges on the piezoelectric target, and in the second stage the charge pattern should be read by an electron beam.
Another solution consist in superposing piezoelectric, semi-conductor, and electrominescent layers, converting directly a relief of pressure into a visible image.
1. Introduction. - L'utilisation des ondes acous- tiques et la visualisation d'images ultrasonores, en particulier, se rCv6lent tr&s inttressantes dans un grand nombre de domaines de la physique.
I1 est souvent tr&s facile de faire le parallele entre ondes acoustiques et ondes ClectromagnCtiques, sur- tout avec la lumiere visible et I'optique classique.
L'holographie acoustique par exemple peut apporter des informations du plus grand intCr&t, qu'il s'agisse de reprksenter un sous-marin dans I'octan, la struc- ture interne d'un matCriau ou mbme du corps humain.
Malheureusement, dans le domaine acoustique, il n'y a pas pour l'instant, d'kquivalent de la plaque
photographique, et a l'heure actuelle se poursuivent de nombreuses recherches dans des voies assez diffk- rentes pour tenter de rksoudre ce probl8me.
Apr6s un bref rappel des diverses methodes essayCes B ce jour, o n insistera tout particuli3- rement sur les procCdks Clectroniques tels que les camCras 2i ultrasons qui font partie des plus sensibles.
2. Proc6dks chimiques, photographiques, thermiques.
- La majorit6 des mCthodes et des procCdCs de visualisation ultrasonore permet de visualiser un phknomene dans un plan perpendiculaire & I'axe de propagation d u faisceau d'ultrasons.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1972612
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Comme le montre la figure 1 diffkrents arrangements digagement d'iode apparait comme inhibiteur dans gtomttriques sont susceptibles d'&tre utilisCs pour les rtactions de fixation d'une plaque photogra-
former des images. phique [2].
Les procCdCs photographiques se rattachent en fait aux mCthodes chimiques. Le fait que les ultrasons impressionnent une plaque photographique n'est pas rtcent puisque Marinesco le rapportait en 1933 [3].
Depuis lors, de nombreuses Ctudes ont Ctt entreprises
A sur le sujet ; Bennett prtcise qu'il est nCcessaire d'exposer pendant 1 a 4 h un film photographique a des intensitts sonores de 1 B 5 W/cm2 pour obtenir un rtsultat [4].
Une autre f a ~ o n de proctder consiste B acctltrer les reactions chimiques intervenant dans le processus de rtvtlation : un papier prtalablement expos6 a la
6 lumi6re est rkvt1C dans un bain que traversent les ultrasons. La zone d'action des ultrasons peut noircir 2 ri 10 fois plus vite que le reste de la plaque. Arkhan- gelskii et Afanasev indiquent que cette mtthode est sensible a des intensitts de 0,5 a 1 W/cm2 et est susceptible d'une bonne dCfinition. Elle demande par contre de 1 a 2 mn.
La figure 2 montre le principe d'une petite cellule dtcrite par ces deux auteurs. Le rkvklateur se trouve
C autour de la plaque dans un rCcipient comportant deux fenetres acoustiquement transparentes [5].
FIG. 1. - Differents arrangements geom6triques pour obtenir des images ultrasonores : A : ombre directe ; B : image de transmission avec optique acoustique ; C : image par reflexion ; G : generateur ; 0 : objet ; L : optique acoustique ; D : detecteur.
Les divers proctdts mettent en oeuvre les pro- priCtCs tltmentaires des ultrasons ou leurs effets secondaires. Dans un champ ultrasonore, on peut distinguer :
- des variations de pression,
- des variations de densitt,
- des variations de polarisation de la lumiire traversant le champ,
- des phCnom6nes de cavitation,
- des effets thermiques.
Ces proprietts permettent de dttecter un phtno- m6ne ultrasonore en employant des mCthodes chi- miques, photographiques, thermiques, optiques, mCca- niques et Clectroniques.
Les mtthodes chimiques demandent gtntralement des intensitts acoustiques importantes, de l'ordre de celles qui sont nCcessaires A la production des phtnomenes de cavitation. Une mtthode bien connue consiste a faire tchapper de l'iode d'une solution d'iodure de potassium. Bennett a bien Ctudit ces phCnom6nes et place une plaque recouverte d'amidon dans une solution d'iodure de potassium oh se pro- pagent les ultrasons. L'iode degagke agit sur I'amidon et donne des composts colorts [I], [2]. Une autre Ctude de H. Berger et I. R. Kraska prCcise que le
FIG. 2. - Cellule d'Arkhangelskii et Afanasev. Principe : 1 : emetteur d'ultrasons ; 2 : objet ; 3 : papier photographique presensibilisk ; 4 : rtvelateur ; 5 : eau ; 6 : absorbant.
En ce qui concerne les procCd6s thermiques, l'in- fluence des ultrasons sur des substances luminescentes a 6tC expliqute par leurs effets thermiques. Un Ccran de ZnS, Cu excitC par des ultraviolets montre une augmentation de luminescence sous l'action des ultrasons. Un Ccran de ZnS, Ag prtsente au contraire une diminution [6], [7]. Les puissances ultrasonores mises en jeu sont de l'ordre de plusieurs W/cm2.
Dunn et Fry aux Etats-Unis ont proposC une mCthode utilisant des thermocouples. Une intensitt de 1 W/cm2 est aussi nCcessaire [8].
Q'uelques dttecteurs de ce type ont Ctt construits en URSS pour des usages mCdicaux. I1 semble que la sensibilitt maximale atteinte soit de 0,l W/cm2.
En definitive, la sensibilitt de toutes ces mtthodes est de l'ordre de 1 B plusieurs W/cm2. Le temps
d'exposition au dttecteur est toujours de I'ordre de quelques minutes. Elles peuvent Ctre employtes pour visualiser un faisceau d'ultrasons intense, mais semblent difficiles B appliquer dans le cas de la visualisation d'objets par transmission.
3. Procbdbs mbcaniques et optiques. - Parmi les mtthodes optiques, que l'on peut classer aussi dans les mtthodes mtcaniques, la mtthode du relief de surface est B l'heure actuelle tr6s souvent utiliste dans les applications concernant l'holographie acous- tique. Wood et Loomis ont montr6 que lorsque des ondes ultrasonores sont incidentes a la surface de stparation de deux fluides, il apparait une dtfor- mation de cette surface due a la pression de radia- tion [lo], [ll].
L'intensiti acoustique dttectable est de l'ordre de 3 x W/cm2. D'autres auteurs indiquent W/cm2. Son avantage est qu'elle est instantante et fournit une image en temps rtel. La figure 3 donne le schtma d'un dispositif utilist par Gericke et Gru- binskas qui ne ntcessite pas l'emploi d'une cuve de grandes dimensions.
Diformalion dr face Liquidr
Ddfau 1 U y c i r i n r E m t t t r u ~
FIG. 3 . - M6thode du relief de surface d'aprks Gericke et Grubinskas.
Des travaux assez rtcents montrent qu'il n'est pas obligatoire d'utiliserzun liquide pour observer la dtformation de surface due 8. la pression de radiation.
Korpel 1121 a indiquC la possibilitt d'utiliser la lumi6re d'un laser pour dttecter la deformation de la surface d'un mttal. D'apr6s cet auteur, avec une frtquence de 2 MHz, la sensibilitt de la technique
approche W/cm2.
La cellule de Pohlmann peut tgalement se rattacher
B ces mtthodes optiques et mtcaniques. Une cellule remplie de xyl6ne dans laquelle se trouvent en sus- pension de fines particules d'aluminium sert de dttecteur. En prtsence d'ultrasons, les particules d'aluminium tendent s'aligner et r6fltchissent la lumi6re. Cette technique a permis d'obtenir des images ultrasonores d'un grand nombre d'objets et un appareil industriel rtalise sur ce principe posdde une sensibilitt de 2t W/cm2, alors que le calcul thtorique prtdit 2,& x W/cm2.
Le principal inconvtnient de cette mCthode est que l'alignement des particules demande environ une minute, et il n'est donc pas possible avec la cellule de Pohlmann de visualiser des phtnom6nes qui varient dans le temps.
4. Procbdbs 6lectroniques. - Les mithodes gtn6- ralement employtes dans les proctdCs tlectroniques utilisent des transducteurs piezotlectriques qui per- mettent d'obtenir la meilleure sensibilitt par rapport a toutes les mCthodes prtctdentes. Chaque mattriau pitzotlectrique poss6de ses propres caracttristiques et l'on a avantage a prendre l'un ou l'autre suivant les applications et suivant qu'on doit l'utiliser en simple dttecteur ou en tmetteur-rtcepteur. On peut noter toutefois que le sulfate de lithium est un matt- riau ayant une constante de rtception BlevCe et prtsente donc en constquence beaucoup dYinttr&t comme rtcepteur.
L'analyse de l'image peut s'effectuer par balayage mtcanique ou par balayage tlectronique.
- Dans le premier cas, le transducteur de dimen- sions judicieusement choisies balaie mtcaniquement la zone a analyser. A l'aide d'un enregistreur de fac-simile, CquipC d'un papier tlectrosensible par exemple, et en traitant convenablement le signal requ par le transducteur, il est possible d'obtenir une cartographie, c'est-&dire en dtfinitive la repre- sentation de l'image acoustique analyste.
Cette technique est d'ailleurs appliqute depuis de nombreuses anntes dans le domaine industriel et mtdical. La sensibilitt de la mtthode est tr6s tlevte puisque l'on peut dCtecter facilement lo-'
B lo-' W/cm2. Malheureusement, la nkcessitt de balayer mtcaniquement demande toujours un cer- tain temps pour former une image (plusieurs minutes et mCme plusieurs dizaines de minutes lorsque la surface est un peu grande) [13], [14].
- Le balayage tlectronique par contre permet d'obtenir une image de f a ~ o n quasi instantante avec une sensibilitt aussi bonne et mCme meilleure que par le balayage mtcanique.
On peut distinguer deux proctdCs : le premier, dans lequel le rtcepteur est constitut par une mosa'ique pitzotlectrique, chaque tltrnent rtagissant ind6pen- damment est couplt par l'intermtdiaire d'une tlec- tronique approprite qui relie en stquence les divers ricepteurs a l'unitt de visualisation. On emploie ce proctdt dans les syst6mes de dttection sous- marine en vue de localiser et d'ttudier I'tvolution des poissons dans la mer. Le pouvoir de rtsolution est limit6 par les dimensions des Cltments constituant la mosafque.
- Le second systkme de balayage Clectronique s'obtient au moyen d'un faisceau d'tlectrons, d'apr6s le principe de Sokolov [15], Comme 1p montre la figure 4, l'objet a examiner est placj5 dans le faisceau d'ultrasons, qui traasporte, apr6s passage au &avers de l'objet, une.image latent& La camtra a ultrasons
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du canon a electrons
FIG. 4. - Schkma de principe de la visualisation ultrasonore : @ traducteur piezoklectrique ; @ objet ; @ lentille acoustique ; Q faisceau d'6lectrons ; @ multiplicateur dY8ectrons ; @ pas tille piezoklectrique ; canon tt klectrons.
traduit cette image acoustique en image lumineuse de la maniere suivante : La face avant de la camCra est constituee par une pastille pitzotlectrique dont la face exterieure est mCtallisCe et mise B la masse.
Aux differences de pression formant l'image acous- tique correspondent sur la face interne de la pastille, des potentiels difftrents. Ce relief de potentiel est analysC par un faisceau d'klectrons d'une maniere similaire B ce qui se passe dans un tube de prise d'image en tC16vision. La figure 4 reprtsente ici un tube B Cmission secondaire dans lequel le signal vidCo est constituC par SCmission Clectronique secondaire.
Diverses camtras a ultrasons ont dCjB kt6 rtalistes aux Etats-Unis [16] B [19], en Grande-Bretagne [20]- [21], en URSS [22], [23], [24] et en France [25], [26].
Certains auteurs ont indiquC que la sensibilitt qu'il est possible d'atteindre se situe suivant les types de camera vers 3 x lo-' W/cm2 et m&me 2 x lo-'' W/
cm2 [19].
Les cameras B ultrasons sont constituCes la plupart du temps d'une installation comprenant une pompe B vide, bien que des tubes scellts aient aussi CtC rCalisCs. Les figures 5 et 6 donnent un exemple d'ima- ges obtenues avec notre installation dont le principe est indique sur la figure 4. La figure 5 reprtsente une lame de rasoir visualisCe B 4 MHz, la figure 6, l'extrCmitt d'un doigt oh Son arrive a distinguer Sos.
Le principal inconvenient de ce type de visualisation est que la dimension de l'image reste limitCe. Comme la pastille piCzotlectrique doit pouvoir supporter la pression atmosphtrique, et que son tpaisseur diminue lorsque la frCquence de travail augmente, on doit rechercher un compromis entre frCquence et diam6tre utile, Ctant entendu que lorsque la frC- quence auamente la definition des images est meil-
cure. ~ e s - tubes de 1 MHz avec des- pastilles de FIG. 6.
10 cm de diametre ont dtC construits aux Etats-Unis,
ainsi que des tubes de 5 cm de diam6tre avec une un diam6tre utile de 30 mm. Si I'on supporte la pastille frdquence de 2 MHz. Dans notre installation la par une grille par exemple, il est possible d'obtenir camera fonctionne le plus souvent a 4 MHz avec une face sensible plus &endue. Malheureusement
cette grille apparait sur I'tcran de l'unitt de visua- lisation [27]. I1 est aussi envisageable de coller la pastille sur une lame de phase, mais dans ce cas le pouvoir de rtsolution diminue.
Ce dernier, d'aprbs les calculs de Jacobs [28], dans le cas d'une pastille rtceptrice nue, est donnC par la distance entre deux points qu'il est encore possible de distinguer :
d (en mm) = 2,861Frtquence (en MHz).
Une autre difficult6 est que lorsque les ultrasons arrivent sur le tube avec une incidence suptrieure h 50, l'tnergie acoustique se transforme en ondes de cisaillement, et on n'observe alors plus d'image sur YCcran.
I1 est Cgalement difficile de prCsenter sur l'tcran d'un tube cathodique plus de 5 B 10 teintes de gris.
Dans un systbme rtcent prtsentk par Jacobs [28], l'utilisation d'un tube couleur permet d'apporter certains avantages : la difftrence d'intensitt ultra- sonore apparait toujours comme une diffCrence de brillance, mais les difftrences de phases des ondes incidentes sur le tube apparaissent comme des diffC- rences de couleurs.
Le fait d'utiliser une onde continue d'ultrasons apporte tgalement des perturbations importantes, par les effets d'interftrences et par les ondes sta- tionnaires qui peuvent prendre naissance. Lorsque l'on travaille avec un train d'ondes de durte rela- tivement courte, comme c'est le cas par exemple dans le proctd6 de balayage mtcanique, il est facile de voir que les ondes stationnaires ne peuvent dans ce cas exister et que les phtnombnes d7interfCrences sont aussi considtrablement atttnuCs.
Exciter un tmetteur d'ultrasons pendant un court instant ne pose pas de grandes difficultks, et pour diminuer au maximum les effets d'interftrences mentionnts plus haut, on peut engendrer des trains d'ondes ne prtsentant qu'une ou deux ptriodes.
Ceci correspond, aux frtquences de travail habi- tuelles, A une durte inftrieure ou de l'ordre de la microseconde, et l'image acoustique n'existe donc sur la face sensible de la camera que pendant ce bref instant. Pour obtenir une image avec une Cmis- sion pulste d'ultrasons, il convient alors de garder en memoire, par un moyen quelconque, le relief de potentiel qui apparait sur la face interne de la pastille pitzotlectrique, et d'effectuer la lecture de relief de potentiel dans une sequence suivante. Plusieurs solutions sont Ctt propostes, I'une d'entre elles, qui semble intkressante, consiste a faire parvenir sur la face interne de la pastille une <( bouffte )) d'tlectrons lents en synchronisme avec l'arrivte du train d'ondes ultrasonores. Au cours des alternances positives, les tlectrons se dtposent, et lorsque l'oscil- lation ultrasonore est terminte, il reste sur la face interne du tube un relief de charges qui est ensuite lu par un balayage classique. I1 faut avouer que si quelques tentatives ont t t t effectuCes dans cette voie
[29], [30], il n'y a pas encore, ii notre connaissance, de tube fonctionnant sur ce principe qui ait donnt des rtsultats particuli6rement brillants. Nkanmoins, il semble bien que cette voie de recherche sur les camtras 9 ultrasons, avec Cmission pulste, puisse apporter une solution valable au probl2me de la visualisation des images ultrasonores.
Une autre possibilitt digne d'inttrCt consiste tgalement B convertir directement les ondes ultra- sonores en ondes lumineuses. Un dttecteur constitut par une superposition de couches pitzotlectriques, semi-conductrices et tlectroluminescentes peut arriver, suivant Fowler et Keyes [31], a transformer direc- tement un relief de pression en image lumineuse.
Le principe d'un tel dispositif peut s'analyser B partir du schtma de la figure 7. L'onde ultrasonore incidente
C w c h e 6Ie,clto\uminescmtc
C w r h c miconductrice
C che p i r r o s e c Irique
FIG. 7. - Conversion directe des ondes ultrasonores en ondes lumineuses. Principe A. B. Fowler et R. W. Keyes.
provoque un champ tlectrique dans la couche pitzoelec- trique, qui par effet de champ change la conductivitk du semi-conducteur. Le changement de conductivitt du semi-conducteur se traduit par une variation de l'intensitt lumineuse produite dans la couche lumi- nescente. Fowler et Keyes indiquent que l'on peut utiliser CdS ou CdSe pour semi-conducteur et CdS en tant que mattriau pitzotlectrique.
5. Conclusion. - En dtfinitive, parmi les diverses mtthodes qui ont tt6 passtes en revue, et qui sont loin de reprksenter une classification exhaustive des proctdts de visualisation ultrasonores, seules celles qui sont sensibles 21 des intensitks de W/cmZ sont inttressantes pour une utilisation dans les domai- nes de contr6les industriels et mtdicaux. Les dis- positifs les plus sensibles ne sont malheureusement pas exempts d'inconvtnients ; le proctde tlectro- nique avec balayage mtcanique demande gtntrale- ment des temps trbs importants pour former une image, et les camtras B ultrasons ne permettent pas de visualiser de grandes surfaces. La mise au point de camtras fonctionnant en rtgime pulst devrait toutefois amener quelques amtliorations. Ntanmoins de nombreuses recherches restent ii entreprendre pour atteindre ces perfectionnements.
I1 n'est pas non plus impossible, dans l'avenir, que d'autres proctdts tels que celui qui a t t t citt, transformant directement une image acoustique en image lumineuse, puissent apporter la vtritable solution B la visualisation ultrasonore.
