HAL Id: tel-00626417
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Méthodes acoustiques auto-calibrées en
émission-réception pour l’étude et le suivi des propriétés
non linéaires des matériaux et l’imagerie
Robin Guillaume
To cite this version:
Robin Guillaume. Méthodes acoustiques auto-calibrées en émission-réception pour l’étude et le suivi
des propriétés non linéaires des matériaux et l’imagerie. Acoustique [physics.class-ph]. Université
François Rabelais - Tours, 2011. Français. �tel-00626417�
FRANÇOIS RABELAIS
DE TOURS
É ole Do toraleSST
Équipe 6du laboratoire: Imagerie et erveau
THÈSE présenté par :
Guillaume ROBIN
soutenue le :31 mai2011
pour obtenir legradede : Do teur del'université François- Rabelais
Dis ipline/ Spé ialité : S ien esde l'Ingénieur /Ultrasons
Méthodes a oustiques auto- alibrées en émission-ré eption pour
l'étude et le suivi des propriétés non linéaires des matériaux
et l'imagerie
Dire teur de Thèse : FEUILLARD Guy
Co-en adrant :VANDER MEULEN François
RAPPORTEURS :
DUQUENNOY Mar Professeur,Université deValen iennes
EL GUERJOUMA Ra hid Professeur,Université duMaine
JURY :
DUQUENNOY Mar Professeur,Universitéde Valen iennes
EL GUERJOUMA Ra hid Professeur,Universitédu Maine
FEUILLARDGuy Professeur,ENIValde Loire
VANDERMEULEN François Maître de onféren es, Université deTours
WILKIE-CHANCELLIER Ni olas Maître de onféren es, Université de
àses erreurs.
Ce travail de thèse s'est déroulé au sein de l'équipe Cara térisation Ultrasonore et
Piezoéle tri ité dulaboratoire Imagerieet Cerveau.
Je tiens à exprimermes sin ères remer iements à messieurs Guy Feuillard et François
Vander Meulen pour avoir dirigé onjointement e travail. Un grand et haleureux mer i
pour es moments de partageami aux et s ientiques.
Je remer ie vivement monsieur Ra hid El Guerjouma pour m'avoir fait l'honneur de
présiderlejuryainsiquemonsieurMar Duquennoypourleursremarquespertinentessur e
mémoire.Jeremer ieégalementmonsieurNi olasWilkie-Chan ellierpoursaparti ipation
à la soutenan e de thèse et à la ollaboration sur le travail portant sur le thème des
matériauxSol-Gel.
Je voudrais remer ier les membres de l'équipe TIM du laboratoire SATIE pour leur
ollaborationsurleprojetsol-gel.Mer ipourleura ueilpon tuelauseindeleurslo aux,
les olis despré ieux mélanges,et leurs ritiquesautour dutravail présenté.
Mer i à l'ensemble des ollègues de l'équipe pour nos é lats de rire, nos dis ussions
s ientiquesou politiques...
Mer i àl'ensembledes ollègues del'é ole d'ingénieurspourlesoutienet nosé hanges
autourde l'enseignement et desquestionspédagogiques.
Enn, mer i à mes parents et mon frère pour le soutien, à mes amis pour avoir été
ompréhensifsetpourlesbonsmomentspassésensemble,à euxquimesupportentparfois
Introdu tion 21
1 Équations de l'a oustique linéaire et non linéaire 27
1.1 Cara téristiques desondesultrasonores . . . 28
1.2 Appli ationsau suivides propriétés par ultrasons . . . 29
1.2.1 Vitesse desondesultrasonores. . . 29
1.2.2 Atténuation desondesultrasonores . . . 31
1.2.3 Paramètre non linéaire . . . 32
1.3 Équationsde lapropagation d'ondea oustiqueau deuxième ordre. . . 34
1.4 Dénitionet interprétation duparamètre non linéaire. . . 37
1.4.1 Dénitiondu paramètre nonlinéaire
𝐵/𝐴
. . . 371.4.2 Interprétation physique du oe ient nonlinéaire . . . 38
1.5 ÉquationKZK et sesapproximations . . . 40
1.5.1 Approximationparabolique . . . 40
1.5.2 Approximationquasi-linéaire . . . 41
1.6 Dé ompositionen sommede gaussiennes . . . 42
1.6.1 Distribution radialede lavitesse . . . 42
1.6.2 Pressionà lafréquen efondamentale . . . 45
1.6.3 Pressionà lafréquen eharmonique
2
. . . 492.1 Méthodeauto- alibréedemesureduparamètrenonlinéaire
𝐵/𝐴
enémission-ré eption. . . 54
2.1.1 Prin ipe . . . 54
2.1.2 Sensibilitésdu transdu teur en onta t . . . 55
2.1.3 Fon tionsde transfert enémission et enré eption . . . 57
2.2 Détermination desparamètres linéaires . . . 60
2.2.1 Expressionde lapressionreçue . . . 60
2.2.2 Céléritédesondes ultrasonores . . . 61
2.2.3 Atténuation desondesultrasonores . . . 61
2.3 Détermination du oe ient non linéaire . . . 64
2.3.1 Expressionde lapressionà lafréquen eharmonique
2
reçue . . . 642.3.2 Inuen edu rée teur . . . 66
2.3.3 Expressiondu oe ient nonlinéaire
𝛽
. . . 673 Présentation du dispositif expérimental et de sa validation 71 3.1 Montage expérimental . . . 72
3.1.1 Dimensionnement de la ellule demesure . . . 73
3.1.1.1 Matériau onstituant la ellule . . . 73
3.1.1.2 Géométriede la ellule . . . 73
3.1.1.3 Dimensionnement de laparois dela ellule . . . 75
3.1.2 Génération dessignauxultrasonores . . . 76
3.1.2.1 Génération éle triqueharmonique . . . 76
3.1.2.2 Transdu teur et sesfréquen es d'utilisations. . . 78
3.1.3 A quisitiondes signauxultrasonores . . . 80
3.1.3.1 Sondesde mesures . . . 80
3.1.3.2 Systèmed'a quisition . . . 80
3.2 Traitement dessignauxultrasonores . . . 82
3.3 Validationdu dispositif expérimental . . . 85
3.3.1 Mesuresdesparamètres ultrasonores duméthanol . . . 86
3.3.2 Mesuresdesparamètres ultrasonoresde l'eau enfon tion de la tem-pérature . . . 90
4 Appli ation aux milieux en évolution : les matériaux sol-gel 95 4.1 Cara téristiques dumatériau sol-gel . . . 96
4.1.1 Historiquedu pro èdesol-gel . . . 96
4.1.2 Des riptiondu pro édésol-gel . . . 97
4.1.3 Évolution de latempérature lorsdu pro édésol-gel . . . 99
4.1.4 Cinétiquesdumatériau sol-gel . . . 100
4.2 Mesuresdesparamètresvis o-élastiquesdanslesmatériauxsol-gel:Étatde l'art . . . 102
4.3 Mesuresdesparamètres a oustiques :Résultats expérimentaux . . . 106
4.3.1 Proto ole expérimental. . . 106
4.3.2 Eetde la alibration . . . 109
4.3.3 Céléritédes ondesultrasonores . . . 111
4.3.4 Atténuation desondesultrasonores . . . 115
4.3.5 Paramètre non linéaire . . . 119
4.3.6 Temps ara téristiquesextraits desparamètres a oustiques . . . 124
5 Imagerie du paramètre B/A 129 5.1 Étude préliminaire: faisabilité de l'imagerie duparamètre non linéaire . . . 130
5.1.1 Prin ipe delaméthode d'imagerie . . . 130
5.1.2 Fantmesultrasonores . . . 131
5.1.3 Expressiondu hampde pression àlafréquen e harmonique
2
reçu . 132 5.1.4 Mesurespréliminaires ave un transdu teur plan . . . 1345.1.5 Modi ation des expressions pour le al ul des hamps de pression
d'un transdu teur fo alisé . . . 137
5.2 Dispositifexpérimentalmodié . . . 140
5.2.1 Choixde lafréquen e . . . 140
5.2.2 Champsde pression àlafréquen efondamentale et harmonique
2
. . 1415.2.3 Validation expérimentale dudispositifmodié . . . 143
5.3 Imagerieduparamètre nonlinéaire
𝐵/𝐴
d'un fantme ontenant deuxuides1455.3.1 Sensibilité àl'épaisseur de lalame d'eau . . . 147
5.3.2 Sensibilité àl'épaisseur du fantme . . . 149
1.1 Les oe ients
𝐴
𝑛
et𝐵
𝑛
de la dé omposition en somme de gaussiennesal ulés àl'ordre
15
. . . 443.1 Comparaisondesdiérentes ritèresdeperforman esdesfenêtresd'analyses
pour latransformé de Fourrierrapide. . . 83
3.2 Céléritéetatténuationdesondesultrasonoresdansl'eauetdansleméthanol
issuesdanslalittérature pourune température de
25
𝑜
C. . . 85
3.3 Céléritéet atténuation desondesultrasonoresdansleméthanolissuesde la
littérature et mesurées par laméthode auto- alibrée pour une température
de
25
𝑜
Cet une fréquen e entrale de l'impulsionde
2, 05
MHz. . . 873.4 Comparatifdesparamètres et oe ientsnon linéaire extraitsdela
littéra-ture [Coppensetal., 1965 , Beyer,1974, Saito et al.,2006 ℄ ave eux
mesu-réspar laméthode auto- alibréedansdu méthanolà
25
𝑜
C. . . 89
3.5 Atténuation des ondes ultrasonores en Np/m dans l'eau pour trois
tempé-raturesmesuréeet elle issuedelalittérature [Selfridge, 1985 ℄. . . 91
4.1 Temps ara téristiquesissus de nosmesures ultrasonoresdansun matériau
sol-gel ave un taux d'hydrolyse (
ℎ = 4
) pour diérentes températures de1.1 Distorsionnonlinéairedel'ondeultrasonoreau oursdelapropagationdans
ledomaine temporelet sonimpa t dansle domaine fréquentiel. . . 39
1.2 Amplitude normalisée du hamp de pression al ulée à l'aide de la
dé om-position en somme de gaussiennes : (a) suivant l'ensemble des dimensions
spatiales, (b)suivant l'axede propagation, ( )à lasurfa e du transdu teur
et (d) surl'axe transversale à ladistan e de la limite du hamp pro he du
transdu teur. . . 46
1.3 Comparaisonde la fon tion dedira tion al uléesur l'axede propagation
par l'expression exa te de Lommel (vert) et elle par la dé omposition en
sommede gaussiennes(bleu). . . 48
1.4 Amplitudenormaliséedu hampdepressiondelafréquen eharmoniquereçu
paruntransdu teur(traitplein)etpar unré epteurpon tuel(pointillé)sur
l'ensembledelapropagation al uléeàl'aidedeladé ompositionensomme
degaussiennes. . . 49
2.1 S héma éle trique du transdu teur a oustique dénissant sasour e de
ten-sion et son impédan e éle trique et dé rivant le prin ipe de la méthode
auto- alibrée ainsi que les ourants et tensions de l'entrée et de sortie aux
bornes dutransdu teur. . . 55
2.2 Mesuredel'atténuationdansunmatériausol-gelave (noir) etsans(rouge)
2.3 Propagationdelapressionàlafréquen eharmonique
2
généréeàl'intérieurdans un mélange eau/méthanol simulant l'état initial du matériau d'étude
al uléegrâ e à ladé omposition en sommes degaussiennesave un
rée -teur(aluminium) dont l'impédan ea oustique estplus grandeque elledu
matériaud'étude. . . 65
2.4 Propagationdelapressionàlafréquen eharmonique
2
généréeàl'intérieurdu matériau d'étude al ulé grâ e à la dé omposition en sommes de
gaus-siennes ave un rée teur (air) dont l'impédan e a oustique est plus faible
que elledu matériaud'étude. . . 67
3.1 S héma dudispositifexpérimental assurantlamesuredesparamètres
ultra-sonoreslinéaires et non-linéairedu matériau pla é àl'intérieur de la ellule
de mesure. . . 72
3.2 Cal ul des hamps de pression à la fréquen e fondamentale normalisé se
propageant dansdeuxmatériauxd'étude ayant une vitessedesondes
ultra-sonores diérentes re ueillis à la surfa e d'un ré epteur pon tuel (a) et de
dimension nie(b). . . 74
3.3 Vueenperspe tivedela elluledemesureparlaméthodeauto- alibréeave
sesdimensions géométriquesen millimètres. . . 75
3.4 Amplitudesduspe tredu ourantd'ex itationendBémissentparle
généra-teurdefon tionsarbitraires oupléave l'ampli ateurdepuissan e(rouge)
et leSNAP (bleu). . . 77
3.5 Réponsesfréquentiellesnormaliséesdutransdu teur(Te hnisoni ,
ISL-0303-VHR)d'uneimpulsionpropagée dans
40
mm d'épaisseurd'eau. . . 793.6 Spe tre d'un signal arbitraire ayant une omposante harmonique d'ordre
deux par latransformé de Fourrierrapide utilisant une porte re tangulaire
( ourbe enbleu), lafenêtrede Hann( ourbeenrouge) et lafenêtre at-top
3.7 Signauxtemporelsémisetreçusauxbornesdutransdu teurdansle
métha-nolà
25
𝑜
𝐶
pourunerampeentensionallantde
30
à90
Volts:(a)le ourantd'entrée, (b)latensiond'entrée, ( )le ourant desortieet (d)latensionde
sortie. . . 88
3.8 Pression à l'harmonique d'ordre deux reçue en fon tion de la pression à la
fréquen efondamentale émise au arré dansdu méthanol àla température
de
25
𝑜
C. . . 89
3.9 Mesures de la élérité des ondes ultrasonores dans l'eau en fon tion de la
température dansleuide (en point bleu) et la modélisation du
omporte-ment de la élérité par Lubbers [Lubberset Graa, 1998 ℄ (en point noir).. . 91
3.10 Mesuresdel'atténuationdesondesultrasonoresdansl'eauenfon tionde la
température. . . 92
3.11 Mesuresultrasonoresduparamètre nonlinéairedansl'eau enfon tionde la
température parlaméthodeauto- alibrée (enpointbleu)etpar laméthode
thermodynamiqueproposépar Yoshizumi (en trait pointillé noir). . . 93
4.1 Pro essusde géli ation. . . 98
4.2 Évolution delatempérature au ours delaformation d'un gel(type
ℎ = 4
)pour une température de onsignede
30
𝑜
C. . . 99
4.3 Cinétiquederéa tionenfon tiondelatempératurepourunmatériausol-gel
àbasede sili eave autaux d'hydrolyseégale à
4
[Ould Ehsseinetal., 2006℄.1004.4 Comparaisondestemps degéli ation
𝑡
𝑔
(rhéologie de ouette)et𝑡
𝑣𝑠
(réso-nateuràquartz)enfon tiondutauxd'hydrolysepourdesmatériauxsol-gel
typeTMOSpourunetempératurede onsignede
25
𝑜
C[OuldEhsseinet al.,2006℄.101
4.5 Diagramme du proto ole d'a quisition des signaux éle triques d'entrées et
desortiesauxbornesdutransdu teurainsiquedelatempérature dumilieu
d'étude. . . 107
4.6 Module de la fon tion de transfert du transdu teur en émission pour un
4.7 Céléritédesondesultrasonoresetsonajustementmesurésdansunmatériau
sol-gel typeTMOS ave un tauxd'hydrolysede
4
pour une température deonsignede
23
𝑜
C. . . 111
4.8 Variations de la élérité ompenséesen température dans unmatériau
sol-gel type TMOS ave un taux d'hydrolyse égale à
4
pour une températurede onsignede
23
𝑜
C. . . 112
4.9 Deuxmesuresde la élérité desondesultrasonoresdansunmatériausol-gel
typeTMOS ave untaux d'hydrolysede
4
pour des onditionsdetempéra-turede onsigneidentique. . . 113
4.10 Mesuresde la élérité desondesultrasonores dansunmatériau sol-gel type
TMOS ave un taux d'hydrolyse de
4
pour diérentes températures deonsigne.. . . 114
4.11 Variations de la élérité ompenséesen température dans unmatériau
sol-geltypeTMOSave untauxd'hydrolysede
4
pourdiérentestempératuresde onsigne. . . 115
4.12 Mesurede l'atténuation dansun matériausol-gel type TMOSave untaux
d'hydrolyse égal à
4
au ours de sa formation pour une température deonsignede
25
𝑜
C. . . 117
4.13 Mesuresde l'atténuation au ours du temps dansun matériau sol-gel type
TMOS ave un tauxd'hydrolyseégale à
4
pour diérentes températuresdeonsigne.. . . 119
4.14 Mesureduparamètrenonlinéairedansunmatériausol-geltypeTMOSave
untauxd'hydrolyseégalà
4
au oursdesaformationpourunetempératurede onsignede
23
𝑜
C. . . 120
4.15 Mesures du paramètre non linéaire dans un matériau sol-gel type TMOS
ave untauxd'hydrolyseégalà
4
danslesmêmes onditionsdetempératurede onsignesoit
23
𝑜
C. . . 122
4.16 Mesuresdu paramètre non linéaire
𝛽
un matériau sol-gel type TMOS ave4.17 Temps ara téristiques issus des paramètres ultrasoniques omparés ave
eux issusde lalittérature pour desmatériaux sol-gel à basede sili e ave
untaux d'hydrolysede
4
pour diérentes températures de onsigne.. . . 1254.18 Temps ara téristiques issus de la mesure de élérité omparés ave eux
issus de la littérature pour des matériaux sol-gel à base de sili e ave un
tauxd'hydrolyse de
4
en fon tion del'inverse de latempérature de onsigne. 1264.19 Temps ara téristiques issus de la mesure de l'atténuation omparés ave
eux issusde lalittérature pour desmatériaux sol-gel à basede sili e ave
untauxd'hydrolysede
4
enfon tiondel'inversedelatempératurede onsigne.1274.20 Temps ara téristiquesissusdelamesureduparamètrenonlinéaire
ompa-résave euxissusdelalittératurepourdesmatériauxsol-gelàbasedesili e
ave un tauxd'hydrolyse de
4
enfon tion de l'inverse delatempérature deonsigne.. . . 128
5.1 S héma de prin ipe permettant l'imagerie du paramètre non linéaire d'un
fantme ayantdespropriétés vis o-élastiquesdiérentes suivantladire tion
𝑦
. . . 1305.2 Pressionà lafréquen eharmonique
2
reçue enfon tion du arré de lapres-sionémise àla fréquen efondamentale dans unfantme d'eau(bleu) et un
fantme de méthanol (rouge) al ulée par la dé omposition en somme de
gaussiennes (trait plein) et mesurée par un transdu teur plan (plus) ave
unetempérature de
20
𝑜
C. . . 135
5.3 Simulation des hamps de pression normalisés à la fréquen e harmonique
2
générés dansla lame d'eau (rouge) et dans le fantme (noir) dans le asd'un transdu teurplan(pointillé) etd'un transdu teur fo alisé(traitplein)
suivant ladistan ede propagation
𝑧
. . . 1365.4 Fon tion de dira tion al ulée sur l'axe de propagation à partir de la
dé- omposition en sommede gaussiennesen bleu et par lemodèle de S hmerr
en rouge pour un transdu teur faiblement fo alisé ave une distan efo ale
5.5 S héma dudispositifexpérimentalpermettant l'imagerie duparamètre non
linéaire
𝐵/𝐴
d'un fantme. . . 1405.6 Amplitudesnormalisées du hamp de pression àla fréquen efondamentale
(bleu) etharmonique àl'ordre deux(rouge) dutransdu teur fo aliséà
1, 2
dansl'eau suivant l'axe
𝑧
mesuréspar l'hydrophone (traitplein) et al uléspar ladé omposition en sommede gaussiennes(tirets). . . 141
5.7 Cartographiedu hampdepressionàlafréquen efondamentale émis(a)et
àlafréquen eharmonique
2
généré (b)dansl'eau suivant l'axetransversal,𝑦
, du transdu teur fo alisé à1, 2
al ulée par ladé omposition en sommede gaussiennes. . . 142
5.8 Pressionà lafréquen eharmonique
2
reçue en fon tiondu arréde lapres-sionàlafréquen efondamentaleémisemesuréedansunfantmed'eau(plus
bleu) et dans le fantme de méthanol (plus rouge); et al ulée par
ajuste-ment de
𝛽
𝑓
à partir de la dé omposition en somme de gaussiennes pourdéterminer leparamètre non linéaire (traitplein). . . 144
5.9 Mesureduparamètrenonlinéaire
𝐵/𝐴
lorsdubalayageverti aldufantmeontenant deuxuides. . . 145
5.10 Photographiedu fantme entrée surl'interfa e en lesdeux uides. . . 146
5.11 Champs de pression à lafréquen e harmonique
2
générés à travers la lamed'eauprès-fantme(rouge),danslefantmedeméthanol(noir),àtraversla
lamed'eaupost-fantme(magenta)ettotale(bleu)enfon tiondel'épaisseur
de lalamed'eau. . . 147
5.12 Amplitudesnormalisées du hamp de pression àla fréquen efondamentale
(bleu) et harmonique d'ordre deux (rouge) dans l'eau sur l'axe
𝑧
al uléespar la dé omposition en somme de gaussiennes pour un transdu teur en
5.13 Champs de pression à lafréquen e harmonique
2
générés à travers la lamed'eauprès-fantme (rouge),danslefantmedeméthanol(noir),àtravers la
lamed'eaupost-fantme(magenta)ettotale(bleu)enfon tiondel'épaisseur
Le Contrle Non Destru tif (CND) regroupe un ensemble de te hniques et pro édés
aptes à fournir des informations sur la santé, le dimensionnement et la mesure des
para-mètresphysiquesd'unestru ture.Ilassureunesurveillan edespropriétéssansaltérer
l'in-tégritédelastru tureoudumatériau.Con ernantlesappli ationsindustrielles,le ontrle
s'ee tue généralement sur des piè es en fon tionnement et dans leur environnement ou
bien dans le suivi du pro essus de fabri ation. Il permet ainsi de surveiller la stru ture
avantqu'ellen'atteigneunniveaudedégradation ritique.Parmi lesdiérenteste hniques
de CND, les ultrasons o upent une pla e importante en raison de leurs ara téristiques.
En eet, les ultrasons ne sont pas ionisant, ils ne présentent don au un risque pour les
utilisateurs. Deplusleur oûtest relativement modeste par rapportà d'autreste hniques
deCND omme lesrayonsX.Enn, lesultrasons sontfa iles àmettreen oeuvre etne
né- essitentpasdelourdeinfrastru ture.Certainsdispositifsregroupentseulementun apteur
oupléave un appareilde mesureportatifassurant unemobilité et unusagerapide.
An de mettre en oeuvre un ontrle non destru tif, il faut répondre, quelque soit la
te hniqueutilisée,auxobje tifsdeabilitéet dereprodu tibilitéassurantlesperforman es
du ontrle. Le CND peut aussi permettre de lo aliser, d'identier ou de ara tériser les
défauts. Une démar he universelle en quatre étapes est à employer quand une te hnique
CND est utilisée. Elle se dénie par la mise en oeuvre du pro édé physique permettant
le ontrle (ex itation du milieu),l'altération despropriétés physiques par lesdéfauts par
exemple (réponse du milieu), la déte tion de es modi ations par un apteur asso ié
(ré eption et a quisition de la réponse) et enn le traitement des signaux et leurs
inter-prétations(interprétationde laréponse).Lespropriétés physiquesà ontrlersontdénies
Le développement des te hniques ultrasonores doit dans une large mesure son essor
dans les années 60 à l'imagerie médi ale répondant aux besoins d'images pour mieux
as-surerle bienêtredespatients. Lesultrasons onstituent une bonne alternative auxrayons
X du fait qu'ils sont non invasifs. L'é hographie est la méthode la plus utilisée assurant
la mise en image des é hos su essifs des interfa es. Le ontraste informe sur les
ara -téristiques des milieux sondés. L'eet Doppler ouplé à l'é hographie permet d'explorer
les ux sanguins. Ainsi ladire tion et le débit des uxsont déduits des mesures Doppler
ultrasonores. Les te hniques s'avèrent être également performantes pour des appli ations
industrielles(matériauxdégradés,déte tiondemi rostru tures).Apartirdel'é hogramme
d'unestru turesesdimensionspeuventêtredéterminées,seséventuelsdéfautsdestru ture
oudefatigue êtreidentiés.Desmesurestemporellesrendent possibleslesuividesdéfauts
dansletemps.
La métrologie ultrasonore reposesur la mise en oeuvre d'outils permettant la mesure
desgrandeurs : vitesse, atténuation et paramètre nonlinéaire. Destransdu teursassurent
l'émissionetlaré eptiondusignala oustiquesondantlemilieud'étude.Dans etteétude,
l'instrumentation ultrasonore hoisie est di tée par la volonté d'a éder aux grandeurs
absoluesduparamètre non linéaire.La alibrationdutransdu teur,permettant lamesure
du hampde pression absolu,estdon né essaire.
Deux grands prin ipes de méthode peuvent assurer lamesure absolue des paramètres
a oustiques : laméthode à deuxépaisseurs et elled'insertion-substitution. Une première
méthode onsiste à mesurer le niveau de la génération harmonique sur des é hantillons
d'épaisseurs diérentes. La variablede l'étudedans e asest ladistan eentrel'émetteur
etleré epteur.Lase ondeméthodereposesurlamesureultrasonoreàépaisseur onstante
ave un milieu de référen e. La distan e entre émetteur et le ré epteur est déterminé et
xé pour l'ensemble des mesures. Le milieu de référen e est onnu. Cependant, sa harge
a oustiquedoitêtre trèspro hede elleétudiée pour s'assurerqueles ara téristiquesdes
transdu teurssoient in hangées [Bou Mataretal., 2001 ℄.Ces deuxprin ipespeuvent être
sontpla és departetd'autre dumilieud'étude pour émettreetre evoirles ondes
ultraso-nores.Dansledeuxième,untransdu teurgarantit lesdeuxfon tionsémissionet ré eption
après rée tiondesondessur unrée teur a oustique.
Laméthoded'insertionsubstitutionave auto- alibrationdutransdu teuren
émission-ré eption est privilégiée dans notre étude [VanderMeulen etHaumesser, 2008 ℄. Ce hoix
s'ee tuesuivant les appli ationsvisés.En eet, ette méthode a pour but de suivre
tem-porellement les propriétésa oustiques dematériauxen évolution. Leprin ipe de mesureà
deuxdistan es s'avèredi ile à mettreen oeuvre dans e asparti ulier. La ombinaison
duprin ipe d'insertion-substitution et del'émission-ré eption permet de diviserlevolume
demesuresansrédu tiondeladistan edepropagationdesondes.Dansnotreétude,le
mi-lieuderéféren eestlemilieud'étudeàsoninstantinitial(
𝑡 = 0
).Ilestdénietbien onnupar une étude préliminaire. Ainsi, l'évolution de la hargea oustique dutransdu teur est
pris en ompte.
An dedéterminerles hampsde pressionsàlafréquen efondamentaleet harmonique
deux, une pro édure de alibration du transdu teur est réalisée aux deux fréquen es. La
réponsed'un transdu teurdépend delataillede l'élément a tif,delafréquen eutiliséeet
de la harge a oustique en surfa e. La pro édure de alibration assure la ara térisation
desfon tionsdetransfertsdu transdu teurémetteur etré epteurauxdeuxdiérentes
fré-quen es. Le niveau absolu de la pression émis dans le milieu et reçu par le transdu teur
après propagation sont déduits. Lespro essus de formation dumatériau en question
pro-duitobligatoirement uneévolutiondela hargea oustiquedon desfon tionsdetransferts
dutransdu teur. Ilest don important de prendreen ompte lesfon tionsde transfert du
transdu teur à haque instant ar lemilieuest en formation.
Dans ette étude,lesultrasonssont hoisispoursuivrel'évolutiondespropriétés
vis o-élastiquesdematériau. Suivreau oursdutempsdespropriétésmé aniquesaideàla
om-préhension de la formation du matériau ainsi que sonvieillissement. La onnaissan e des
mé anismesdeformationdumatériaupermetdurantlafabri ationd'agirsurlespro essus
justiéean de onsidérer lesdiérents ontraintes lié à unsuivi desparamètres linéaires
et nonlinéaired'un milieudontlespropriétés vis o-élastiquesévoluent au ours dutemps.
Un dispositif expérimental a été onçu an de répondre à l'ensemble des ontraintes
liéàl'instrumentationultrasonore utilisée.Leshypothèsesthéoriques, omme parexemple
l'hypothèsed'ondeplane,de générationee tuéedanslerégimequadratique, ontétéprise
en ompte dans etteétude. Ceshypothèsesimposent un ertainnombre de ontrainteset
de pré autions expérimentales seréper utant sur les hoix te hnologiques de la ellule de
mesure, les dimensions doivent permettre la génération umulative de la pression
harmo-nique deux après unaller et retour dansle milieu d'étude. Pour ela, lefond de la ellule
de mesure onstitue d'un rée teur dont l'impédan e a oustique est plus élevé que elle
que le matériau d'étude [Breazeale et Lester, 1961℄. La dimension des parois de la ellule
de mesure permet de dé oupler temporellement les signaux a oustiques s'étant propagés
uniquement dans le matériau d'étude, de eux propagés dans le matériau d'étude et le
rée teur. L'étude se fo alise sur la mesure du paramètre non linéaire d'un matériau en
évolution. Le niveau de nonlinéarité parasite doit être très faible devant la nonlinéarité
provenant du milieu d'étude qu'elle provienne de la génération éle trique. An d'évaluer
leniveau d'harmoniqueparasite,ilestdémontré ommeplusfaible quel'harmonique deux
généré dansle milieu.Le hoix te hnologique de lasour e de tension impliqueune sour e
faiblement nonlinéaire onçuepour egenred'étude.Untraitementdesdonnéesapproprié
permet deréduire le rapportsignalà bruit.
La première appli ation onsiste à suivre l'évolution de matériaux sol-gel à base de
sili e. Le pro édé sol-gel ara térise les matériaux entre les solutions et les solides. Ces
matériauxseformentpardespro essus himiquespermettantleurpassagedel'étatliquide
àl'étatsolide.Ensebasantsurl'étatdel'artdusuividespropriétés desmatériauxsol-gel,
les ara téristiquesdu matériaupeuvent êtreextrait an de respe ter les onditionsde sa
formation.Enprenanten ompteleseetsdela alibrationdutransdu teur,lesparamètres
ultrasonores linéaires( éléritéet atténuation) et non linéaire peuvent être déterminés. De
esparamètressont extraitslestemps ara téristiquesàlaformationdumatériau. Ilssont
omparésles temps de ara téristique lié àlaformation ave elle delalittérature.
pa-ramètre non linéaire à partir de la méthode auto- alibré pré édemment mise en oeuvre.
Lespropriétés du milieu d'étude nevarient plusdans letemps maissuivant ses dire tions
géométriques.Ce hoix estmotivépour mettreenoeuvreune imageriedu paramètre
𝐵/𝐴
pro he des onditions présentées dans la première appli ation. Bien que le prin ipe reste
identique,desévolutionsdudispositifexpérimentalsontné essaires.Lematériaun'estplus
dire tementen onta tave letransdu teur:unelamed'eauestinter aléentrele
transdu -teuretlefantmepermettantundépla ementdutransdu teurdansleplanperpendi ulaire
à lapropagation (en mode C-s an).Ce dépla ement assurela formation de l'image.Pour
avoiruneimagelo aleduparamètrenonlinéaireetminimiserl'impa tdelalamed'eausur
ladétermination duparamètre, untransdu teur fo aliséest utilisé.Une étudede latâ he
fo aledutransdu teurassuresesdimensionsainsiquele hoixdeladistan ed'exploration.
Un fantme formé de deux milieux homogènes est exploré. Une image du paramètre non
Équations de l'a oustique linéaire et
non linéaire
Ce premier hapitre permet, après un état de l'art des appli ations au sui i des
pro-priétés par ultrasons, d'exposer les équations de la propagation d'une onde a oustique à
l'ordre deux dans un milieu uide. A partir de l'équation de propagation non linéaire, le
paramètre non linéaire est déni. L'équation KZK déni par Zabolotskaya, Khokhlov et
Kuznetsovpermetdeprendreen omptelesdiérentseetsliésàlapropagationd'uneonde
a oustiquedansunuide. Ces eetssont ladira tion, l'atténuation et lanonlinéarité du
milieu.Lasolutionestdé ritedanslabasedesgaussiennes.Ladé ompositionde ettebase
1.1 Cara téristiques des ondes ultrasonores
Les ultrasons sont des ondes mé aniques qui se propagent ave des vitesses
dépen-dantesdes ara téristiquesdumilieu.Ces ondesmé aniquessontgénéréespar unesurfa e
vibrante, typiquement untransdu teur éle tro-a oustique [Royer et Dieulesaint, 1999 ℄ qui
assurent l'émission et la ré eption des ondes a oustiques. Le CND ultrasonore utilise le
plus souvent des transdu teurs onstituésde éramiques piézoéle triques. Cet eet
piézo-éle trique,dé ouverten
1880
, estlapropriétépour ertainsmatériauxdesedéformersousl'a tion d'un hampéle triqueet inversement.
Lesondesultrasonoresgénéréesonttypiquementdesfréquen esallantdela entainesde
kilohertzàladizainedemégahertz. Ensepropageant,l'ondemé anique ainsiengendréese
modieenfon tiondelanaturedumilieuren ontré.Envolumedeuxtypesdepolarisation
existent:lesondeslongitudinalessepropageantdanslamêmedire tionqueledépla ement
desparti ules;etlesondestransversalesave unedire tiondevibrationperpendi ulaireàla
propagation.Les ara téristiquesde esondesdépendentdutypedeliaisonsexistantentre
lesmolé ules. Ainsi,dansun solidelesdeuxondessontprésentesquelquesoit lanaturede
l'ex itation mais dans un uide, seule la vibration longitudinale prédomine. Con ernant,
l'onde transversale, la propagation est assimilable à un isaillement de pro he en pro he.
Lapropagationde l'ondelongitudinale est omparableàdesdépla ementsde ompression
et de dé ompressionde lamatière.
La propagationdel'onde a oustiquedépenddelanature dumilieu.L'ondea oustique
se propage à une vitesse dépendante les propriétés intrinsèques du matériau : ladensité,
le oe ient depoisonet lemoduled'élasti ité(solide) ou le oe ient de ompressibilité
(uide).Dans unemajorité desétudes, ladensitédumatériauest onsidérée onstante. A
densité onstante, le Module de Young s'évalue à partir de la onnaissan e de la vitesse
desondesultrasonores danslematériau.
Lesvibrationsdel'ondea oustiques'amortissentau oursdelapropagationdansle
ma-tériau.Cettediminutiond'amplitudeetd'intensitéa oustiqueestplusgénéralement onnue
sousle termed'atténuation desondes a oustiques.Pour une milieuhomogène, elle résulte
la relaxationmolé ulaire. Un autre phénomène à prendre en ompte dans la propagation
a oustique est la dira tion setraduisant par une répartition spatiale de l'énergie
a ous-tiquenonuniforme.La générationdesondesa oustiquess'ee tuepar untransdu teurde
dimensionnie. Letransdu teurestsouvent onsidéré omme assimilableàunpiston plan
quirayonne danslemilieu suivant une dire tivitéliée à es ara téristiques dedira tion.
L'investigation non linéaire regroupe de nombreuses méthodes qui ont montré leurs
apa ités notamment à la déte tion de phénomènes pré o es liés au vieillissement des
matériaux.Cesméthodesreposentsurlagénérationetl'analyseharmonique.Biensouvent,
l'hypothèse des faibles perturbations est faite en a oustiquenon linéaire. La déformation
del'onde ultrasonore estfaible nevapasjusqu'àl'apparition d'unedis ontinuité(ondede
ho ).
Les ultrasons sont lairement sensibles aux propriétés vis o-élastiques des matériaux.
L'investigation des paramètres a oustiques linéaires et non linéaire permet d'obtenir des
informationssur l'évolution stru turelle au oursdu temps,du milieu ontrlé.
1.2 Appli ations au suivi des propriétés par ultrasons
Lesuiviultrasonoredespropriétésvis o-élastiquesd'unmatériau onsisteenle ontrle
spatialettemporeldesgrandeursphysiques(vitesse,atténuationetparamètrenonlinéaire).
Dans e paragraphe, un état de l'art des mesures ultrasonores assurant la détermination
de grandeurs physiques estee tué.
1.2.1 Vitesse des ondes ultrasonores
La vitesse des ultrasons est l'un des paramètres les plus utilisés dans le domaine de
l'a oustique ar fa ilement mesurable. Généralement, elle se détermine par une simple
mesure de temps de vol en émission-ré eption ou en transmission. Citons Slefridge qui a
mesurélesvitessesdesondesultrasonoresdansungrand nombre dematériauxà partirde
trainsd'ondes ultrasonoresen émission-ré eption [Selfridge,1985 ℄.
L'analyse des é hos su essifs permet de déterminer la vitesse des ondes ultrasonores
leurvitesse. Eneet,lavitesseétant l'image dela ompressibilitédumilieu,le lassement
s'ee tuesurl'image du moduled'élasti ité.
Le hangement de propriété de liquide à solide peut-être déterminé par des mesures
ultrasonores.Unemesuredetempsdevolgrâ eàuneméthodeenmodeémission-ré eption
est utilisée dans le suivi de l'évolution de la ongélation [Sigfusson etal., 2004℄. L'onde
ultrasonoresepropageenpar ourant lesdiérentes ou hesdelamatière ongeléeounon.
Ainsi, une interfa e née d'une ou he dont le milieu est ongelé et elle dont l'état est
liquide.A etteinterfa e,lesondesultrasonoresseréé hissentproduisantdiérentsé hos
d'aller-retour. L'analyse de es é hos su essifs détermine l'évolution de la ongélation de
lastru ture.Ce suivide la ongélation trouve uneappli ation dansl'hygiènealimentaire.
Denombreusesappli ationsissuesdel'industrieassurentlesuividespropriétésau ours
delaformationd'unmatériau.Lafabri ationdematériauné essitela onnaissan edel'état
du pro essus à tout moment. Les résines epoxy sont un exemple du suivi de la
polymé-risation par des mesuresde vitesses ultrasonores [Rokhlin etal., 1986℄[Sidebottom, 1993℄
[Nguyen etal., 1996 ℄.L'analysede la vitesseau ours de la polymérisation permet de
dé- rire le omportement de larésine. Le systèmeest ex itéà diérentes fréquen es,
l'ampli-tudedelavitesseapparaîtdépendantedelafréquen epourun omportement omparable.
La détermination de la vitesse ultrasonore permet de revenir aux propriétés rhéologique
dansle iment [Labouret et al.,1998 ,Reinhardt et al., 2000 ℄.
De la vitesse et de l'atténuation, le module omplexe de isaillement est déterminé
assurantlelienentrelastru tureetlesmé anismesdeformation.L'étudedela inétiquede
la oagulation dulait estun exemple d'appli ation dire t [O henduszko et Bu kin,2010℄.
Lemodulede isaillement omplexeestextraitdusuividel'impédan emé aniquemesurée
par unrésonateurà quartz[Ould-Ehsseinet al.,2006 ℄.Lemodulevis o-élastiqueassurent
lesuivi par exemplede laformation duyaourt.
Leste hniquesDopplerultrasonoressontutilisées pour mesurerlesgrandeurs dansdes
systèmesdeprodu tionsenux.Grâ eàdessériesd'émetteurset deré epteurspla éesde
partetd'autreduuideen ir ulation,lavitesseduuideestdéduiteainsiqueladire tion
duux[Luque de Castro et Capote, 2007 ℄.Dela onnaissan edelavitessedesuides,une
Des mesures devitesse permettent non seulement de omprendre l'évolution du
maté-riau mais aussi d'appréhender l'apparition de ssures dégradant es performan es. Il est
possible defatiguer unmatériau pardesban sde solli itation mé anique reproduisant un
vieillissementa éléré.Dansle asd'uneplaqued'aluminium,la roissan edessuresaété
suivi par desondes de surfa e [Rokhlinet Kim,2003 ℄. Lassure estsurveillée à partir de
laréexiona oustique.Lesuividelavitessedanslebétonassurele ontrle del'altération
de lastru tureau oursdu temps [Breysse et Abraham,2005 ℄.
1.2.2 Atténuation des ondes ultrasonores
Lesmesuresdel'atténuationdesondesultrasonoressontgénéralement oupléesà elles
delavitesse.Cependant,l'atténuation faitl'objetdemoinsd'appli ations.Eneet,
l'atté-nuationdesondesultrasonoresestparfoisdi ileàmesureretàrelieràlanaturephysique
des phénomènes en jeu. La di ulté de mesure s'explique par deux raisons. La première
est lafaible atténuation desondes ultrasonores dansles milieux ontrlés. La se onde est
ladépendan edel'atténuationàlafréquen ed'observation.Eneet,l'atténuation
ultraso-noredesuideshomogènesestsouventproportionnelleau arrédelafréquen ed'ex itation
quand elle des solides est à la fréquen e et elle des matériaux diusants au ube de la
fréquen e [Selfridge,1985 ℄. Ladi ulté de lamesure réside àla fois pour lesfaibles
atté-nuations maisaussipour les fortes atténuations. Pour lesfaibles atténuations, les signaux
ultrasonoresvarientpeupouvantintroduireunbiaisdansladéte tiondesamplitudes.Dans
le as des atténuations fortes, la di ulté n'est plus de mesurer la variation d'amplitude
entredeux signaux mais ladéte tion du signal lui-même. Un ompromissur la fréquen e
d'utilisation doit être réalisé pour assurer une atténuation déte table et une propagation
ultrasonore.
Le suivi des variations de l'atténuation ultrasonore lors de la formation de gels
a ry-liques a été mise en oeuvre par Ba ri [Ba ri et al.,1980 ℄. Dans ette étude, la fréquen e
d'ex itationestdel'ordredela entainedemégahertzassurantuneréponsediérenteentre
laphasesolet laphasegel.Ainsi,un hangement d'état delatransitionsol-gelestétablie.
Dansle asderésineépoxy,lesuividelapolymérisations'ee tueaussipardesmesures
L'étude de hangement de propriétés vis o-élastiques intéresse aussi le domaine
mé-di al dans le adre de l'imagerie. Le suivi s'ee tue par exemple sur la oagulation du
sang[Calor-Filho et Ma hado,2006 ℄. Lesauteurs sefo alisent surla mesurel'atténuation
du plasma sanguin durant la oagulation. Le système expérimental est basé surdes
te h-niquesdemesuresenémission-ré eption.D'autreste hniques ommel'élastographiepermet
de omprendre les eets de la variation d'hémato rite ou de l'addition d'héparine sur la
oagulation dusang[Gennisson et al.,2006℄.
1.2.3 Paramètre non linéaire
L'investigationnonlinéairesedé linesousplusieurs formes.L'objetdel'étudeseporte
sur les phénomènes harmoniques umulatifs suivant la distan e de propagation de l'onde
ultrasonore. Une onde ultrasonore mono hromatique estpropagée dans unmilieu d'étude
étant non linéaire.Il perturbe l'onde àsonpassage produisant une génération des
ompo-santes harmoniquesdanslespe tre de l'onde ultrasonore.
Dans les uides, le paramètre non linéaire
𝐵/𝐴
est le rapport entre les oe ientsquadratique et linéaire des termes de la série de Taylor utilisé dans l'équation d'état du
milieu onsidéré. Ainsi, lesondesultrasonorestraversant lemilieu subissent unedistortion
produisantunegénérationd'harmoniquessepropageantauseindumilieu.Cettegénération
se umule au ours dela distan ede propagation.
Les premières mesures du paramètre non linéaire par des méthodes d'amplitudes
-nies ont été ee tuées dansdesmilieux biologiques[Law et al.,1981 ℄.A lamême époque,
desméthodes alternatives, omme par exemple desméthodes thermodynamiques,ont été
mises en ÷uvre [Zhu etal., 1983 ℄. Ces prin ipes ont montrés que la pression est
dépen-dante de la vitesse ultrasonore e qui permet une investigation du matériau et assure sa
ara térisation.Leparamètrenonlinéaireaétémesurédansdesuidespard'uneméthode
en émission-ré eption[Saito etal., 2006 ℄.Ladétermination du paramètre nonlinéaire
im-poseune onnaissan e delavitesseet del'atténuation dumilieu d'étudedire tement lié à
l'expressiondes équationsde propagationau se ond ordre.
L'investigation non linéaire ultrasonore a montré qu'il était possible de déte ter de
stru turelle dutype vieillissement oussure.
Cette évolution du paramètre non linéaire en fon tion de la stru ture du milieu a été
miseenéviden epar exemple danslasédimentation [Hovem, 1979 ,Kimet Yoon,2009 ℄.Il
a été estimé dans l'eau saturée en sédiment montrant que l'évolution du paramètre non
linéaire est orrélée àla densitédesédiment présent dans l'eau.
Le suividupro essusdel'hydratation dubétonaétéee tuépardesméthodelinéaire
et non linéaire [Van DenAbeele etal., 2009 ℄. Ils montrent que l'évolution du paramètre
nonlinéaire peut êtrelogiquement orréléeà l'évolution de lastru turemé anique lié aux
réa tions himiques et auxpro essusmé aniques.
Au sein de l'équipe, des études non linéaire ont été menées sur la reprise d'hydrique
derésinesphénoliques[Fortineau etal., 2006 ,Fortineau et al.,2008 ℄.Lamesurefait
appa-raîtreune sensibilitédu paramètrenon linéaire à l'évolution de laquantité d'eau.
Leparamètrenonlinéaireaétéestimédansdestissusbiologiques(foiedepor )en
fon -tionde l'évolution de latempérature [Liu etal., 2008 ℄.Lesauteurs montrent lapossibilité
defaireuneimageenmodeC-s anduparamètrenonlinéaireparuneméthode
DEUXIÈMEORDRE
1.3 Équationsdela propagationd'ondea oustiqueaudeuxième
ordre
Dans un milieu homogène et ompressible, les ondes a oustiques exer ent une
défor-mation d'un volume élémentaire autour deson point d'équilibre qui sepropage de pro he
en pro he. Cette déformation est onsidérée innitésimale. L'équation de propagation du
hamps a oustique dans un milieu uide thermo-visqueux est dé rite en exprimant les
quatre équations : onservation de la masse, onservation de la quantité de mouvement,
onservationdel'énergie et l'équationd'état.Undéveloppement de eséquations àl'ordre
deuxpermet de dé rirelagénération d'harmoniquedansl'équation depropagation.
Conservation de lamasse:
𝐷𝜌
𝐷𝑡
+ 𝜌∇ ⋅ 𝜐 = 0,
(1.1)où
𝜐
est le ve teur vitesse du uide,𝜌
la densité du uide et𝐷𝜌
𝐷𝑡
=
∂𝑡
∂
+ 𝜐 ⋅ ∇
la dérivéetemporellematérielle.
Conservation de laquantité demouvement :
𝜌
𝐷𝜐
𝐷𝑡
= ∇ ⋅
T.
(1.2)T estletenseur de ontraintes et s'exprime par:
∇ ⋅
T= −∇𝑃 +
(
1
3
𝜂 + 𝜉
) ∇ (∇ ⋅ 𝜐) +
𝜂∇
2
𝜐
où
𝜂
et𝜉
sont les oe ientsde vis osité de isaillement et devolume.Conservation de l'énergie :
𝜌𝑇
𝐷𝑠
𝐷𝑡
= 𝜅∇
2
𝑇 + 𝜉 (∇ ⋅ 𝜐)
2
+
1
2
𝜂
( ∂𝜐
𝑖
∂𝑥
𝑗
+
∂𝜐
𝑗
∂𝑥
𝑖
−
2
3
𝛿
𝑖𝑗
∂𝜐
𝑘
∂𝑥
𝑘
)
2
,
(1.3)où
𝑠
estl'entropie,𝑇
latempérature et𝜅
la ondu tivité thermique.Équationd'état :
Dans le as général, la u tuation de pression n'intervient pas dans les é hanges
ther-miques.Dansle asdespro essusultrasonores,latransformationestsupposéeadiabatique
et l'équationd'état s'é rit :
DEUXIÈMEORDRE
L'équation depropagationdé rivantles hamps a oustiquesd'amplitudenieà l'ordre
deux peut-être al ulée en onsidérant l'onde ultrasonore omme une petite perturbation
autour des valeurs au repos (notée ave un indi e 0) des grandeurs ara téristiques du
milieu,
𝑃 = 𝑃
0
+ 𝑝
,𝜌 = 𝜌
0
+ 𝜌
′
,𝑇 = 𝑇
0
+ 𝑇
′
,𝑠 = 𝑠
0
+ 𝑠
′
,𝜐 = 𝜐 + 𝜐
′
, où les variables
𝑝
,𝜌
′
,𝑇
′
,𝑠
′
et𝜐
′
représentent respe tivement les u tuations de pression, de densité, de
température, d'entropie et de vitesse. En substituant es relations dans les équations de
onservationde lamasseet delaquantité demouvement,nousobtenons respe tivementà
l'ordredeux :
∂𝜌
′
∂𝑡
+ 𝜌
0
∇ ⋅ 𝜐
′
= −𝜌∇ ⋅ 𝜐
′
− 𝜐
′
⋅ ∇𝜌
′
,
(1.5)𝜌
0
∂𝜐
′
∂𝑡
+∇𝑝 =
( 4
3
𝜂 + 𝜉
)
∇
2
𝜐
′
+
( 1
3
𝜂 + 𝜉
)
∇×∇×𝜐
′
−
1
2
𝜌
0
∇
2
𝜐
′
−𝜌
′
∂𝜐
′
∂𝑡
+𝜌
0
𝜐
′
×∇×𝜐
′
.
(1.6) Enabsen edetourbillons∇×𝜐
′
= 0
.Ainsi,lapropagationestsupposéeirrotationnelle.La deuxièmeéquation sesimplie:
𝜌
0
∂𝜐
′
∂𝑡
+ ∇𝑝 =
( 4
3
𝜂 + 𝜉
)
∇
2
𝜐
′
−
1
2
𝜌
0
∇
2
𝜐
′
− 𝜌
′
∂𝜐
′
∂𝑡
.
(1.7)Loindessurfa essolides,l'équationde onservationdel'énergie devientàl'ordredeux:
𝜌
0
𝑇
0
∂𝑠
∂𝑡
= 𝜅∇
2
𝑇
′
.
(1.8)Enn, l'équation d'état du uide autour de son état d'équilibre (
𝜌
0
,𝑠
0
) devient pardéveloppement de lasériede Taylorennégligeant lestermes d'ordre trois:
𝑝 = 𝑐
2
0
𝜌
′
+
𝑐
2
0
𝜌
0
𝐵
2𝐴
𝜌
′
2
+
( ∂𝑃
∂𝑠
)
𝜌,0
𝑠
′
.
(1.9)Le paramètrenonlinéaire,
𝐵/𝐴
,représenteleterme quadratiquedudéveloppementdelasériede Taylor.Ce terme seradis uté dansleparagraphe suivant.
Ces équations développées à l'ordre deuxsont introduites dansles membres de droite
deséquations (1.5) et (1.6).
∂𝜌
′
∂𝑡
+ 𝜌
0
∇ ⋅ 𝜐
′
=
1
𝜌
0
𝑐
4
0
∂𝑝
2
∂𝑡
+
1
𝑐
2
0
∂𝐿
∂𝑡
,
(1.10)DEUXIÈMEORDRE
𝜌
0
∂𝜐
′
∂𝑡
+ ∇𝑝 = −
1
𝜌
0
𝑐
2
0
( 4
3
𝜂 + 𝜉
)
∇
∂𝑝
∂𝑡
− ∇𝐿,
(1.11)ave
𝐿
, ladensitéLagrangienne, dénie par :𝐿 =
1
2
𝜌
0
𝜐
′
2
−
𝑝
2
2𝜌
0
𝑐
2
0
.
(1.12)En soustrayant legradient de l'équation(1.10) de ladérivée par rapport au temps de
l'équation(1.11), nousobtenons l'expressionsuivante :
∂
2
𝜌
′
∂𝑡
2
− ∇
2
𝑝 =
1
𝜌
0
𝑐
4
0
∂
2
𝑝
2
∂𝑡
2
+
(
∇
2
+
1
𝑐
2
0
∂
2
∂𝑡
2
)
𝐿 +
1
𝜌
0
𝑐
4
0
( 4
3
𝜂 + 𝜉
) ∂
3
𝑝
∂𝑡
3
.
(1.13)D'autre part, en ombinant les équations d'état (1.9) et de onservation de l'énergie
(1.8),nouspouvonsen déduire l'expressionreliant lavariationde densité
𝜌
′
à lavariation de pression𝑝
.𝜌
′
=
𝑝
𝑐
2
0
−
1
𝜌
0
𝑐
4
0
𝐵
2𝐴
𝑝
2
−
𝜅
𝜌
0
𝑐
4
0
(
1
𝐶
𝜐
−
1
𝐶
𝑝
) ∂𝑝
∂𝑡
,
(1.14)ave
𝐶
𝜐
et𝐶
𝑝
sontrespe tivementles apa ités aloriquesàvolumeetpression onstante.En substituant ettedernièreexpressiondansl'équationpré édente,l'équationde
pro-pagationnonlinéaires'exprimesouslaformedéterminéeparAanonsen[Aanonsenet al.,1984 ℄.
∇
2
𝑝 −
𝑐
1
2
0
∂
2
𝑝
∂𝑡
2
+
𝛿
𝑐
4
0
∂
3
𝑝
∂𝑡
3
= −
𝛽
𝜌
0
𝑐
4
0
∂
2
𝑝
2
∂𝑡
2
−
(
∇
2
+
1
𝑐
2
0
∂
2
∂𝑡
2
)
𝐿,
(1.15)où
𝛿
estladiusivité duson:𝛿 =
1
𝜌
0
( 4
3
𝜂 + 𝜉
)
+
𝜅
𝜌
0
(
1
𝐶
𝜐
−
1
𝐶
𝑝
)
.
(1.16)L'évolution tridimensionnelle du hamp de pression dans un uide est dé rite par
l'équation (1.15). Les termes de ette équation représentent respe tivement
l'atténua-tion (
𝛿/𝑐
4
0
⋅ ∂
3
𝑝/∂𝑡
3
), les eets non linéaires umulatifs (−𝛽/𝜌
0
𝑐
4
0
⋅ ∂
2
𝑝
2
/∂𝑡
2
) ou lo aux ((
∇
2
+
𝑐
1
2
0
∂
2
∂𝑡
2
)
1.4 Dénition et interprétation du paramètre non linéaire
1.4.1 Dénition du paramètre non linéaire
𝐵/𝐴
Le paramètre non linéaire a oustique
𝐵/𝐴
est le rapport des termes quadratiques etdestermeslinéairesdansledéveloppementensériesdeTaylordel'équationd'état liant les
variationsde pressionauxvariations demassevolumique orrespondant àlaréponsedela
solli itation dumilieu par une onde a oustique.
Le pro essusde propagationd'uneonde hautefréquen e(pression
𝑝
, massevolumique𝜌
ou vitesse parti ulaire𝑣
) est onsidéré omme un phénomène isentropique. Ledévelop-pement en série de Taylor de l'équation d'état
𝑃 = 𝑃 (𝜌, 𝑠)
, à entropie𝑠
et à densitéonstantes, s'é rit :
𝑝 = 𝑃 − 𝑃
0
=
( ∂𝑝
∂𝜌
)
𝜌
0
,𝑠
0
(𝜌 − 𝜌
0
) +
1
2!
( ∂
2
𝑝
∂𝜌
2
)
𝜌
0
,𝑠
0
(𝜌 − 𝜌
0
)
2
+ ... ,
(1.17)𝑃
0
et𝜌
0
sont respe tivement les valeurs de la pression et de la densité à l'équilibre. Lesdérivéespartiellesdel'équation(1.17)sontévaluéespourl'étatnonperturbé(
𝜌
0
, 𝑠
0
).Cetteéquationdevient :
𝑝 = 𝑃 − 𝑃
0
= 𝐴
( 𝜌
′
𝜌
0
)
+
𝐵
2!
( 𝜌
′
𝜌
0
)
2
+ ... ,
(1.18) où𝜌
′
= 𝜌 − 𝜌
0
est lavariationde massevolumique et𝐴 = 𝜌
0
( ∂𝑝
∂𝜌
)
𝑠,0
= 𝜌
0
𝑐
2
0
,
(1.19) et𝐵 = 𝜌
2
0
( ∂
2
𝑝
∂𝜌
2
)
𝑠,0
.
(1.20)Ainsi, leparamètre nonlinéaire
𝐵/𝐴
s'é rit souslaforme :𝐵
𝐴
=
𝜌
0
𝑐
2
0
( ∂
2
𝑝
∂𝜌
2
)
𝑠,0
.
(1.21)Le élérité de l'onde
𝑐
sedénie par :𝑐
2
=
( ∂𝑝
∂𝜌
)
𝑠
,
(1.22)nouspouvonsé rire:
( ∂
2
𝑝
∂𝜌
2
)
𝑠
=
( ∂𝑐
2
∂𝜌
)
𝑠
=
( ∂𝑐
2
∂𝑝
)
𝑠
( ∂𝑝
∂𝜌
)
𝑠
= 𝑐
2
( ∂𝑐
2
∂𝑝
)
𝑠
= 2𝑐
3
( ∂𝑐
∂𝑝
)
𝑠
.
(1.23)En introduisant ette équation 1.23, la dénitiondu paramètre non linéaire (équation 1.21) devient :
𝐵
𝐴
= 2𝜌
0
𝑐
0
( ∂𝑐
∂𝑝
)
𝑠,0
.
(1.24)Ainsi, la dérivée partielle de lavitesse par rapport à la pression à entropie onstante
s'exprime en fon tion des variations isothermes de lavitesse par rapport à la pression et
en fon tion delatempérature à pression onstante.
1.4.2 Interprétation physique du oe ient non linéaire
Le paramètre non linéaire
𝐵/𝐴
est déni par les équations (1.24) et (1.18) relatif audéveloppement en sériede Taylorde l'équationd'état.Ainsi, nouspouvonsé rire:
𝑐
2
𝑐
2
0
= 1 +
𝐵
𝐴
( 𝜌
′
𝜌
0
)
+ ... .
(1.25)En ee tuant undéveloppement limité pour
𝑐
2
𝑐
2
0
≈ 1
, le rapport𝑐
𝑐
0
devient :𝑐
𝑐
0
= 1 +
𝐵
2𝐴
( 𝜌
′
𝜌
0
)
+ ... .
(1.26)Pouruneondeplaneprogressiveoù
𝑣 =
𝑝
𝜌
0
𝑐
0
estlavitesseparti ulaire,larelation
𝜌
′
/𝜌
0
estégale à
𝑣/𝑐
0
.Ainsi, lavitessedu sons'é rit :𝑐 = 𝑐
0
+
𝐵
2𝐴
𝑣.
(1.27)La variation de élérité
Δ𝑐 = 𝑐 − 𝑐
0
peut être reliée à la variation de pressionΔ𝑝
(équation 1.24)par :
Δ𝑐 =
1
2𝜌
0
𝑐
0
𝐵
𝐴
Δ𝑝,
(1.28) soit :𝑐 = 𝑐
0
+
1
2𝜌
0
𝑐
0
𝐵
𝐴
Δ𝑝.
(1.29)L'expression (1.29) montre que la élérité du son
𝑐
dière de𝑐
0
par un terme quiest proportionnel à l'ex ès lo al de pression et au paramètre non linéaire
𝐵/𝐴
du milieu.Par exemple, dans une phase de ompression,
𝛿𝑝
est positif don𝑐 > 𝑐
0
, inversement,𝛿𝑝
est négatif et don
𝑐 < 𝑐
0
. Ainsi, ertaines parties de l'onde se propagent plus ou moinsFigure1.1Distorsionnonlinéairedel'ondeultrasonoreau oursdelapropagationdans
ledomaine temporelet sonimpa t dansledomaine fréquentiel.
d'onde.Nous onstatonsalorsàunraidissementdufrontd'onde(gure1.1).Ladéformation
d'une onde de forme sinusoïdale dansle domaine temporel se traduit dire tement dans le
domainefréquentielparl'apparitionde omposantesharmoniquesmultiplesdelafréquen e
fondamentale de l'onde émise.
Le oe ient non linéaire est dénie omme
𝛽 = 1 + 𝐵/(2𝐴)
ara térisant la1.5 Équation KZK et ses approximations
Les équations dé rivant la propagation non linéaire d'ondes a oustiquedans un uide
dans le as d'un transdu teur faiblement fo alisé sont exprimée par l'équation dénie
parZabolotskayaetKhokhlov[Zabolotskaya et Khokholov, 1969 ℄.L'équationKZprenden
omptelafaibledira tionetleseetsnonlinéaireduuide.Kuznetsov[Kuznetsov, 1971℄
prend en ompte les eets d'atténuation en dé rivant l'équation de la propagation non
linéaire KZK.
1.5.1 Approximation parabolique
Considéronsunfais eauultrasonorerelativementdire tif,sepropageantdansunuide
suivant la dire tion
𝑂
𝑧
. L'approximation parabolique onsidère l'onde omme quasimentplane sur des distan es de l'ordre de sa longueur d'onde et que son prol ne se modie
pas suivant sa dire tion de propagation. Deplus, les variations transversales (suivant
𝑂
𝑥
et
𝑂
𝑦
)sont plusrapidesque elles intervenant dansladire tionaxiale.Pour traduire ela,un hangement devariablesestee tuésurl'équation(1.15):
𝑥
′
=
√
𝜖𝑥
,𝑦
′
=
√
𝜖𝑦
,𝑧
′
= 𝜖𝑧
et𝜏 = 𝑡 − 𝑧
′
/𝑐
0
.L'équation de propagationultrasonore non linéaire d'ordre deux dansun milieu uide
s'exprime :
∂
2
𝑝
∂𝑧
′
∂𝜏
=
𝑐
0
2
∇
2
⊥
𝑝 +
𝛿
2𝑐
3
0
∂
3
𝑝
∂𝜏
3
+
𝛽
2𝜌
0
𝑐
3
0
∂
2
𝑝
2
∂𝜏
2
,
(1.30) ave∇
2
⊥
=
(∂
2
/∂𝑥
′
2
) + (∂
2
/∂𝑦
′
2
)
l'opérateur Lapla ien transverse bidire tionnel. Les
pa-ramètres qui dénissent le milieu sont la diusivité
𝛿
, la élérité𝑐
0
, la densité𝜌
0
et leoe ient non linéaire
𝛽
.Cette équation est nommée l'équation KZK en l'honneur de es auteurs Kuznetsov
[Kuznetsov, 1971℄,ZabolotskayaetKhokhlov[Zabolotskayaet Khokholov, 1969 ℄.Leseets
deladira tion, deladissipationet delanon-linéarité surlapropagation a oustiquesont
dé ritsdansl'équationdepropagationultrasonorenonlinéaireàl'ordre
2
.L'équation KZK1.5.2 Approximation quasi-linéaire
Les hamps depressionutilisésdansl'étude sontde faiblesamplitudes.Dans e adre,
l'approximationquasi-linéairepermetlarésolutiondel'équationKZK.Larésolution
s'ee -tueen ombinantl'approximationetladé ompositionensommedefais eauxgaussiens
ex-pli itéedansleparagraphesuivant.CetteméthodeintroduiteparBurvingt[Burvingt, 1976 ℄
présente l'avantagede fournir desexpressions analytiques des hamps de pression à
l'har-monique
2
, rayonnéspar une sour e axisymétrique.Dansle adredelaméthodedesapproximations su essives,lapression,restant faible,
s'exprime sous la forme
𝑝 = 𝑝
1
+ 𝑝
2
où𝑝
1
est la solution de l'équation KZK linéaire et𝑝
2
la solution de l'équation à l'ordre2
. L'hypothèse de régime quasi-linéaire indique que∣𝑝
2
∣ << ∣𝑝
1
∣
.L'approximationde l'équation KZKau premier et se ondordre donne :
∂𝑝
1
∂𝑧
+
𝑗
2𝑘
∇
2
⊥
𝑝
1
+ 𝛼
1
𝑝
1
= 0,
(1.31) et∂𝑝
2
∂𝑧
+
𝑗
4𝑘
∇
2
⊥
𝑝
2
+ 𝛼
2
𝑝
2
= 𝑗
𝛽𝑘
𝜌
0
𝑐
2
0
𝑝
2
1
,
(1.32) où𝛼
𝑛
= 𝛿𝑛
2
𝜔
2
/2𝑐
3
0
estl'atténuationàlafréquen e𝑛𝜔
,et kestlenombre d'onde. Lamiseenéquationimpliquequ'au unepressionharmonique n'existeàlasurfa edutransdu teur
(
𝑧 = 0
)setraduisant par𝑝
2
(𝑟, 0, 𝑡) = 0
.Lasolutionde eséquations estdonnéeà partirdelafon tiondeGreen parles
expres-sionssuivantes :
𝑝
1
(𝑟, 𝑧) = 2𝜋
∫
∞
0
𝑝
1
(𝑟
′
, 0
)
𝐺
1
(𝑟, 𝑧∣𝑟
′
, 0) 𝑟
′
𝑑𝑟
′
,
(1.33) et𝑝
2
(𝑟, 𝑧) = 𝑗
2𝜋𝑘𝛽
𝜌
0
𝑐
2
0
∫
𝑧
0
∫
∞
0
𝑝
2
1
(𝑟
′
, 𝑧
′
) 𝐺
2
(𝑟, 𝑧∣𝑟
′
, 𝑧
′
) 𝑟
′
𝑑𝑟
′
𝑑𝑧
′
.
(1.34)Lafon tion deGreen asso iéeauxéquationsdu hampsde pressionàl'ordre
𝑛
s'é rit :𝐺
𝑛
(𝑟, 𝑧∣𝑟
′
, 𝑧
′
) =
𝑗𝑛𝑘
2𝜋(𝑧 − 𝑧
′
)
𝐽
0
( 𝑛𝑘𝑟𝑟
′
𝑧 − 𝑧
′
)
𝑒
−
𝛼
𝑛
(𝑧−𝑧
′
)−
𝑗𝑛𝑘
(
𝑟2+𝑟′2
)
2
(
𝑧−𝑧′
)
.
(1.35)Les hampsdepressionàlafréquen edufondamentalet dudeuxièmeharmoniquesont
L'approxi-mation paraboliquedelafon tiondeGreenestgaussienne(équation1.35).L'ensembledes
al uls des hamps de pressions'ee tuedans labasede fais eauxgaussiens.
1.6 Dé omposition en somme de gaussiennes
Wenet Breazealesont àl'originedelades riptiondu hamprayonné par un
transdu -teur axisymétrique en une somme de fais eaux Gaussiens.Ee tuer une telle
dé omposi-tion permet de onserver les avantages des fais eaux gaussiens pour le al ul du fais eau
ultrasonore et de la génération du se ond harmonique. Après détermination de la
distri-bution radiale de la vitesse grâ e aux oe ients omplexes
𝐴
𝑛
et𝐵
𝑛
, les expressionsanalytiques sont obtenues pour les hamps de pression émis et reçus par un ré epteur
pon tuel ou de dimension nie. Ces expressions ont déjà été obtenues dans lalittérature
[Coulouvrat,1991 , Ding,2000℄.
1.6.1 Distribution radiale de la vitesse
Considérons un transdu teur ultrasonore omme un piston ir ulaire rigide
axisymé-trique derayon
𝑎
,le potentiel de vitesses'exprime :𝜙 = 𝑢 (𝑟, 𝑧) 𝑒
(𝑗𝑘𝑧)
,
(1.36)où
𝑧
est ladire tion de propagation dutransdu teur et𝑟
est l'axe orthogonal àlapropa-gation.
L'équation d'ondeen régimeharmonique, dansundomaine qui n'est passoumisà des
for es extérieures,estdénie par l'équation d'Helmotzhomogène.
∇
2
𝜙 + 𝑘
2
𝜙 = 0.
(1.37)Le transdu teur étant axisymétrique,
∇
2
𝜙
devient1
𝑟
∂𝑟
∂
(
𝑟
∂𝜙
∂𝑟
)
+
∂
∂𝑧
2
𝜙
2
. Les termes del'équation(1.36)sontintroduitsdansl'équationd'Helmotzhomogène(1.37).Ainsi,
l'équa-tiondevient :