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Description d'une méthode expérimentale d'analyse « vectorielle » de la pression rayonnée par une bulle

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HAL Id: jpa-00245353

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00245353

Submitted on 1 Jan 1985

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Description d’une méthode expérimentale d’analyse “ vectorielle ” de la pression rayonnée par une bulle

G. Gimenez, C. Cachard, D. Vray

To cite this version:

G. Gimenez, C. Cachard, D. Vray. Description d’une méthode expérimentale d’analyse “ vectorielle ”

de la pression rayonnée par une bulle. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique /

EDP, 1985, 20 (6), pp.415-420. �10.1051/rphysap:01985002006041500�. �jpa-00245353�

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Description d’une méthode expérimentale d’analyse « vectorielle »

de la pression rayonnée par une bulle

G. Gimenez, C. Cachard et D. Vray

Laboratoire de Traitement du Signal et Ultrasons, INSA 2014 Bâtiment 502, 20, avenue Albert-Einstein,

69621 Villeurbanne Cedex, France

(Reçu le 26 décembre 1984, révisé le 18 mars 1985, accepté le 19 mars 1985)

Résumé. 2014 Des bulles stationnaires, excitées à leur fréquence de résonance par une onde ultrasonore, rayonnent

une onde fortement non linéaire. On décrit ici une méthode expérimentale basée sur le principe de la détection

synchrone qui permet la mesure simultanée de l’amplitude et de la phase de la pression rayonnée par la bulle. Les résultats présentés constituent des vérifications préliminaires comme : la proportionnalité de l’amplitude du premier harmonique de la pression rayonnée à l’amplitude de la pression excitatrice; la proportionnalité de l’am- plitude du second harmonique de la pression rayonnée au carré de la pression excitatrice ; l’évolution de l’amplitude

de ces deux premiers harmoniques en fonction de la distance entre la bulle et le récepteur. Les bulles étudiées ont un

diamètre de l’ordre de 130 03BCm, les fréquences utilisées sont donc de l’ordre de 25 kHz.

Abstract

2014

Stationary bubble driven on its resonant frequency radiates a highly non linear wave. The paper describes an experimental device which includes two lock-in amplifiers. This allows to measure simultaneously

the amplitude and the phase of the pressure radiated by the bubble. The present results are basic checks : propor-

tionality between the amplitude of the first harmonic of the radiated pressure and the exciting amplitude; propor-

tionality between the amplitude of the second harmonic of the radiated pressure and the square of the exciting amplitude ; amplitude of the two first harmonics related to the distance between the bubble and the receiving

transducer. Bubbles under study present a radius about 130 03BCm, consequently the frequency of the exciting wave

is about 25 kHz.

Classification

Physics Abstracts

43.25Y - 43.25Z - 43.30N

1. Introduction et généralités.

La présence de bulles de gaz ou de vapeur dans cer-

taines situations peut être dangereuse. Il en est ainsi des

bulles qui apparaissent dans les organismes des plon-

geurs autonomes lors de la décompression consécutive à une plongée profonde. Ces bulles sont dites « circu- lantes » si elles sont véhiculées par la circulation

sanguine, elles sont dites « stationnaires » quand elles apparaissent dans les tissus entourant les articulations.

Notons que le présent travail traite uniquement du cas

des bulles stationnaires. A propos des bulles circu- lantes disons simplement que leur détection s’effectue d’une manière très satisfaisante à partir de l’effet

Doppler [1].

D’autres domaines sont également concernés par le

problème de la détection des bulles. Par exemple, dans

les installations hydrodynamiques circulent des fluides à grande vitesse, il est souvent important de

déceler les bulles qui accompagnent un début de cavitation. De même, des bulles peuvent être détectées

dans l’huile des gros transformateurs électriques de puissance.

Un autre problème, directement lié au précédent, est

celui de la mesure de la taille d’une bulle ou de la

mesure des tailles d’une population de bulles. C’est par

exemple le cas en mer l’on détermine le rayon des bulles qui apparaissent, principalement près de la surface, et qui modifient la propagation des ondes

ultrasonores. Revenons à la cavitation pour noter qu’il

est important de connaître la distribution des germes

présents dans le liquide d’où, encore, mesure des

tailles des bulles. Citons encore les processus chimiques

où un composant gazeux apparaît comme par exemple

dans l’électrolyse, ou encore les processus de fermen- tation où le contrôle des vitesses de réaction est

important.

Pour détecter, par une méthode acoustique, des

bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide, on peut bien sûr penser à utiliser leur différence importante d’impédance acoustique avec le milieu dans lequel elles

se trouvent. Autrement dit on peut utiliser une techni-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01985002006041500

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416

que d’échographie classique. Cependant, si cela est envisageable pour une expérience de laboratoire

pratiquée dans une cuve aux parois absorbantes, ce n’est plus le cas dans les situations réelles. En effet, les

diverses interfaces acoustiques (autres que les bulles) qui se trouvent dans le milieu renvoient une énergie

bien plus importante, en général, que celle réfléchie par les bulles. En d’autres termes le « signal de bulle » est

noyé dans le « signal de fond ».

Notre laboratoire travaille depuis de nombreuses années sur le problème de la détection des bulles stationnaires. Les recherches conduites ont rapidement

montré que la détection des bulles, pour être efficace,

devait être basée sur un phénomène spécifique aux

bulles et non aux autres interfaces acoustiques du

milieu. C’est ainsi que le comportement non-linéaire des bulles a commencé à être étudié. Au début des recherches on s’est intéressé à la non-linéarité globale

du milieu [2] (liquide et bulles considérés comme un

tout). L’intérêt s’est ensuite porté sur le caractère forte- ment non linéaire des oscillations (mouvement radial)

d’une bulle excitée à sa fréquence de résonance. Cette

étude, qui a fait l’objet de plusieurs travaux [3-5], se poursuit aujourd’hui.

Un problème important est celui de la diversité des rayons dans le cas d’une population de bulles ou de la

modification du rayon dans le cas d’une bulle unique.

La fréquence de résonance étant liée au rayon de la

bulle, il est clair que pour une population de bulles, il

faut utiliser un balayage de la fréquence excitatrice de manière à faire résonner successivement les différentes bulles de la population. Mais ce balayage peut être également nécessaire pour une bulle unique car la

résonance est un phénomène si aigu qu’un écart, même léger, entre la fréquence d’excitation et la fréquence de

résonance entraîne une diminution importante de la

non-linéarité.

Notons que Miller [6] effectue des expériences simi-

laires mais sans balayage de la fréquence excitatrice.

Par ailleurs, plusieurs chercheurs s’intéressent à la

possibilité de conversion de fréquence découlant du caractère non linéaire de leur comportement [7-8-9].

Le dispositif expérimental et les méthodes de mesure

que nous présentons plus loin ont été élaborés après plusieurs années d’expérimentation. Les résultats expérimentaux que nous indiquons constituent des vérifications préliminaires de base, acquises très

récemment. Par la suite, nous appliquerons ces techniques à l’étude de divers problèmes qui seront évoqués dans la conclusion.

2. Montage expérimental

La figure 1 représente l’ensemble du dispositif expéri-

mental. Le générateur (1) délivre un signal sinusoïdal à

une fréquence que nous noterons f. Le signal, après amplification par un amplificateur de puissance (2),

passe à travers un circuit résonnant (3) accordé sur la fréquence f. De cette manière, le rapport entre l’ampli-

Fig. 1.

-

Dispositif expérimental. 1 : Générateur sinusoïdal,

2 : Amplificateur de puissance, 3 : Circuit accordé, 4 :

Transducteur émetteur, 5 : Hydrophone, 6 : Amplificateur

de mesure, 7 : Amplificateur synchrone (détection en phase),

8 : amplificateur synchrone (détection en quadrature), 9 : Oscilloscope, 10 : Doubleur de fréquence.

[Expérimental device. 1 : Sine-wave generator, 2 : Power amplifier, 3 : Tuned electrical circuit, 4 : Emitting trans- ducer, 5 : Hydrophone (receiver), 6 : Measure amplifier, 7 :

In phase lock-in amplifier, 8 : Quadrature lock-in amplifier,

9 : Oscilloscope, 10 : Frequency doubler.]

tude du fondamental du signal et les amplitudes des harmoniques d’ordre supérieur est augmenté. Cela est vrai, en particulier, pour le second harmonique de fréquence 2 f. Ce signal électrique est alors appliqué au

transducteur émetteur (4). Après propagation, le signal ultrasonore est recueilli par un hydrophone (-5- référence LC5 de la firme CELESCO) qui le

convertit à nouveau en un signal électrique. Après amplification (6), le signal est appliqué à deux amplifi-

cateurs synchrones (7 et 8) fonctionnant en quadrature.

Les sorties des amplificateurs synchrones sont reliées à

un oscilloscope cathodique (9) fonctionnant en mode X Y. Le signal de référence appliqué à ces deux appa-

reils est issu du générateur (1). Cependant sa fréquence

est soit égale à f quand il est appliqué directement aux

amplificateurs synchrones, soit égale à 2 f quand il

transite par le doubleur de fréquence (10).

Le fonctionnement de cette instrumentation, qui a

été exposé par ailleurs [10], est sommairement décrit

ci-après. La figure 2 schématise les diverses situations

expérimentales. Supposons qu’il n’y ait pas de bulle dans le liquide. Sans onde incidente le faisceau de

l’oscilloscope (9) aboutit au point 0 de l’écran. Quand

l’onde incidente est appliquée le faisceau se déplace du point 0 au point M. L’angle cp représente la différence

de phase entre la pression, mesurée au centre acous-

tique de l’hydrophone (5), et le signal de référence issu

(4)

Fig. 2.

-

Schéma des vecteurs représentant la pression

incidente (OM), la pression rayonnée par la bulle (MN),

la pression résultante (ON).

[Diagram of vectors representing incidental pressure (OM)

pressure radiated by the bubble (MN) resulting pressure (ON).

du générateur sinusoïdal (1). Ainsi le segment OM est

un vecteur caractérisé par son amplitude et sa phase.

OM,,, fournie par l’amplificateur synchrone (7), est la

composante suivant l’axe des x, en phase avec le signal

de référence. OMy, fournie par l’amplificateur syn- chrone (8), est en quadrature avec le signa.l de référence.

Supposons à présent que le milieu contienne une bulle

unique immobile. Cette bulle, excitée par une onde

d’amplitude et de phase constantes, émet une onde

d’amplitude et de phase constantes. Dans ce cas le

point M de l’oscilloscope se déplace de M en N. Ainsi

le vecteur MN représente la pression rayonnée par la bulle et le vecteur ON la somme de cette pression et de

la pression incidente. Quand l’amplitude et la phase

de la pression rayonnée par la bulle évoluent, le point N

se déplace sur l’écran. Cette méthode de détection que

nous qualifions de « vectorielle » s’applique aussi bien

au premier qu’au second harmonique.

Les bulles utilisées dans la présente expérimentation

sont produites à partir d’un tube capillaire relié à un

réservoir d’air comprimé dont on peut faire varier la

pression. Avec ce système, les bulles ont un diamètre

rigoureusement constant. Cela rend possible une étude expérimentale approfondie. Dans de précédents essais [5], la taille des bulles produites changeait, leur fré-

quence de résonance changeait donc aussi. Cela rendait

l’expérimentation très difficile.

3. Résultats expérimentaux.

Les figures 3 et 4 montrent l’évolution temporelle des amplitudes du premier harmonique (Fig. 3) et du

deuxième harmonique (Fig. 4) de la tension électrique

fournie par l’hydrophone. Il s’agit donc d’une repré-

sentation des amplitudes des deux premiers harmo- niques de la pression rayonnée par les bulles. Ici, les bulles, au cours de leur ascension dans la cuve, défilent

Fig. 3.

-

Amplitude du 1 er harmonique de la pression rayonnée par les bulles. Echelle horizontale : 2 s par gradua-

tion. Fréquence de l’onde excitatrice : 25 785 Hz.

[First harmonic amplitude of the pressure radiated by

bubbles. Horizontal scale : 2 s per graduation. Exciting frequency : 25 785 Hz.]

Fig. 4.

-

Amplitude du 2e harmonique de la pression rayonnée par les bulles en fonction du temps. Echelle horizontale : 2 s par graduation. Fréquence de l’onde excitatrice : 25 785 Hz.

[Second harmonic amplitude of the pressure radiated by

bubbles versus time. Horizontal scale : 2 s per graduation.

Exciting frequency : 25 785 Hz.]

une à une devant l’hydrophone. Il est particulièrement important que la cadence à laquelle elles sont produites

soit faible. De cette manière le signal reprend, entre le

passage de deux bulles successives, la valeur corres- pondant à la seule pression incidente. En d’autres termes la pression rayonnée par les bulles est, à ces moments, négligeable. Si la cadence de production est trop élevée, les bulles se suivent de manière très

rapprochée et les pressions qu’elles rayonnent inter-

fèrent. C’est ce que l’on voit sur la figure 5. Dans ces

conditions, il est difficile d’extraire les informations

concernant le rayonnement d’une bulle unique.

(5)

418

Fig. 5.

-

Amplitude du 2e harmonique de la pression rayonnée par des bulles produites à une cadence élevée.

[Second harmonic amplitude of the pressure radiated by high-rate produced bubbles.]

La figure 6 indique le résultat des mesures concer- nant la détermination de l’amplitude du premier harmonique de la pression rayonnée par les bulles.

Notons que les valeurs des pressions correspondent à

des valeurs efficaces et que l’hydrophone CELESCO

LC5 a été étalonné par comparaison avec un hydro- phone BRUEL et KJAER 6241. Dans cette expérience, l’hydrophone est placé environ à 2 mm de l’extrémité du capillaire les bulles se forment, grossissent puis se

détachent. La fréquence de l’onde excitatrice est exac- tement de 25,4 kHz. Cette fréquence correspond à la

résonance d’une bulle d’une taille légèrement inférieure

à la taille de la bulle qui se détache (environ 130 03BCm).

De cette manière nous sommes sûrs qu’au cours de la

formation de la bulle, son rayon franchit la valeur

Fig. 6.

-

Amplitude du premier harmonique de la pression rayonnée par les bulles en fonction de l’amplitude de la pression excitatrice.

[First harmonic amplitude of the pressure radiated by

bubbles versus the exciting wave amplitude.]

correspondant à la résonance sur une fréquence de 25,4 kHz. On constate sur la figure 6 que l’amplitude du premier harmonique de la pression rayonnée est bien proportionnelle à l’amplitude de la pression d’excita-

tion. Notons que cette proportionnalité, relative, n’existe dans la série d’expériences présentée ici que

jusqu’à un niveau d’excitation d’environ 400 Pa. Cette limitation peut provenir de la chaîne d’émission, du

milieu de propagation ou du comportement de la bulle. Son étude sera reprise dans des expériences ulté-

rieures.

La figure 7 indique le résultat des mesures relatives

au second harmonique. On voit que l’amplitude du

second harmonique est proportionnelle au carré de l’amplitude de la pression d’excitation. Ce type de pro-

portionnalité est prédit par des études théoriques

basées soit sur une linéarisation des équations qui régissent le comportement dynamique des bulles (par exemple [6]), soit sur une résolution numérique directe

de ces équations [5].

Fig. 7.

-

Amplitude du deuxième harmonique de la pres- sion rayonnée par les bulles en fonction du carré de l’ampli-

tude de la pression excitatrice.

[Second harmonic amplitude of the pressure radiated by bubbles versus the square of the exciting wave amplitude.

Les figures 8 et 9 montrent révolution des ampli-

tudes des deux premiers harmoniques en fonction de la distance. Dans cette expérience, l’amplitude de

la pression d’excitation est de 146 Pa, on mesure la pression rayonnée par la bulle alors qu’elle vient de se

détacher du capillaire et qu’elle s’éloigne de l’hydro- phone. L’hyperbole tracée en trait plein permet de

mettre en évidence la proportionnalité à l’inverse de la

distance. Notons que cette mesure est approximative

car il existe dans la cuve un système d’ondes station- naires que la bulle traverse pendant son ascension.

Dans ces conditions l’amplitude de la pression excita-

trice change et, en conséquence, l’amplitude de la pres-

sion rayonnée change également. De plus, les valeurs

(6)

Fig. 8.

-

Mesures de l’amplitude du premier harmonique

de la pression rayonnée par les bulles en fonction de la dis- tance à l’hydrophone récepteur (5). L’hyperbole en trait plein indique la dépendance théorique.

[First harmonic amplitude of the pressure radiated by bubbles versus the distance from the receiving hydro- phone (5). Hyperbola (continuous line) shows the theoreti- cal dependence.]

Fig. 9.

-

Mesures de l’amplitude du deuxième harmonique

de la pression rayonnée par les bulles en fonction de la distance à l’hydrophone récepteur (5). L’hyperbole en trait plein indique la dépendance théorique.

[Second harmonic amplitude of the pressure radiated by

bubbles versus the distance from the receiving hydro- phone (5). Hyperbola (continuous line) shows the theoretical

dependence.]

des pressions rayonnées ne peuvent être comparées

directement aux valeurs indiquées par les figures 6 et 7

car les deux séries de mesure n’ont pas été effectuées au

même moment. Dans ces conditions, même si la fré- quence et l’amplitude de la pression d’excitation sont

identiques, la pression rayonnée par les bulles peut changer car leur rayon a pu évoluer.

4. Conclusions.

Les mesures présentées dans ce travail constituent des vérifications de base d’un système expérimental permettant d’étudier de manière approfondie le com- portement dynamique de bulles soumises à une exci- tation ultrasonore. Les résultats de ces mesures, parfai-

tement reproductibles, sont obtenus, à notre connais-

sance, pour la première fois.

D’une manière quantitative, une simulation numé-

rique [5] a été effectuée pour une fréquence de 24,42 kHz, une amplitude de la pression d’excitation de 10 kPa et une distance de 100 mm. Elle indique des amplitudes de 152 Pa et 130 Pa pour le premier et le

second harmonique de la pression rayonnée par la bulle. Supposons que cette simulation représente bien

nos expériences, et admettons la proportionnalité à

l’inverse de la distance de rayonnement et la propor- tionnalité à l’amplitude de la pression d’excitation

(premier harmonique) ou au carré de cette amplitude (second harmonique). Partons des valeurs expérimen-

tales suivantes : amplitude de la pression d’excitation 282 Pa, amplitude du premier harmonique de la pres- sion rayonnée 200 Pa, amplitude du second harmo-

nique de la pression rayonnée 1,9 Pa. Le calcul de la distance entre la bulle qui rayonne et le centre acous-

tique de l’hydrophone à partir de la valeur du 1 er har-

monique donne alors une valeur de l’ordre de 2 mm, conforme à la réalité. A partir de la valeur du 2e harmo-

nique, on aboutit à une valeur de l’ordre de 5 mm. Cet écart indique que le rayonnement du second harmo-

nique est moins important dans la réalité que dans la simulation numérique et suggère donc de mieux pren- dre en compte les phénomènes d’amortissement. En

particulier, il est probable que des échanges thermiques

mettent en défaut l’hypothèse de comportement adia-

batique du milieu utilisée dans la simulation numé-

rique.

Indiquons pour conclure quelques-unes des utilisa- tions possibles des méthodes et de l’instrumentation décrites ici : détermination du rayon résonnant d’une bulle et influence de la nature du gaz contenu dans la

bulle, détermination de la courbe de réponse fréquen-

tielle d’une bulle, mesure du facteur d’amortissement,

étude de la diffusion gazeuse, analyse d’une population

de bulles.

Une partie de ces travaux a été soutenue contractuel- lement par la Direction des Recherches et Etudes

Techniques que nous tenons à remercier ici.

(7)

420

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à paraître.

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