ET THERMIQUES

DESCRIPTION

L'invention concerne le contrôle non destructif (CND) à grande vitesse de balayage à l'aide d'un élément couplant liquide projeté, mettant en œuvre l'élastographie ultrasonore d'échantillons élastiques et viscoélastiques ainsi que l'identification ou la classification de l'état de matériaux via leurs propriétés acoustiques ou thermiques. Elle est notamment applicable à la vélocimétrie directionnelle.

L'invention prévoit un dispositif et un procédé permettant de mesurer les impédances acoustiques caractéristiques longitudinales et transversales dans les matériaux ou les tissus organiques par simple contact, immersion ou projection d'un guide d'impédance connue. Les matériaux peuvent être des solides ou des fluides et en particulier des liquides viscoélastiques en phase de solidification ou de changement de phase haute température.

Le problème à résoudre consiste à accéder localement aux propriétés mécaniques de matériaux ou de tissus hétérogènes élastiques ou viscoélastiques dans l'espace et/ou dans le temps, par une méthode de contact locale, voire quasi-ponctuelle, acceptant éventuellement des températures élevées. Les paramètres que l'on cherche à déterminer de préférence simultanément avec des conditions de couplage contrôlées, sont en particulier les impédances longitudinale et transversale des matériaux. Ces paramètres sont exploités dans de nombreux domaines, notamment dans le domaine des interfaces tactiles acoustiques à apprentissage décrites dans les brevets FR0703651 du 23 mai 2007, FR0955065 du 21 juillet 2009, FR1059657 du 23 novembre 2010, FR1156892 du 28 juillet 2011, FR1258664 du 14 septembre 2012, FR1258664 du 14 septembre 2012, exploitant l'amortissement de modes de résonance ou la diffraction d'ondes ultrasonores basées sur les propriétés acoustiques de la pulpe du doigt qui, lorsqu'elle entre en contact avec la surface tactile, amortit, prélève et diffracte la vibration vectorielle sous-jacente de façon caractéristique de la position du toucher ou du geste à reconnaître. La part de chacun des phénomènes n'est pas encore connue, et c'est un des bénéfices du dispositif proposé ici que de contribuer à résoudre ce problème. Cependant, il existe des disparités d'une personne à l'autre, ainsi que selon l'âge et l'activité des individus, notamment en termes de callosité, de surface de contact et de la nature du derme. Un autre bénéfice de ce dispositif est d'évaluer les propriétés acoustiques de la pulpe du doigt pour une population d'individus, de façon à ce que le procédé de localisation puisse être rendu fonctionnel pour l'ensemble de la population. Par ailleurs, la production industrielle de surfaces tactiles à apprentissage, par exemple sous la forme de tablettes ou pads tactiles, nécessite de disposer de doigts artificiels réalisés en silicone et ayant les mêmes propriétés mécaniques que les doigts humains, notamment du point de vue de l'impédance longitudinale et transversale à reproduire. En effet, on s'est aperçu par exemple qu'un matériau en polymère de silicone pouvait être très proche d'un doigt humain pour ce qui était de l'impédance caractéristique longitudinale, mais très éloigné pour l'impédance caractéristique transversale (ou de cisaillement) de sorte qu'à profil et surface de contact identiques, les signatures acoustiques d'un doigt artificiel et d'un doigt humain pouvaient être assez différentes. Par extension, les impédances longitudinales et transversales de matériaux soumis à des températures élevées et en situation de changement de phase liquide-solide cristalline sont également variables dans le temps et l'espace, en particulier en profondeur, et leur suivi dans le temps (monitoring) peut fournir un moyen de caractériser le processus thermique de fabrication.

Cette même remarque est valable pour le contrôle du vieillissement ou de la dégradation des propriétés mécaniques du derme ou des tissus viscoélastiques sous-jacents par exemple dans le sein, en raison d'une pathologie ou d'un traitement cosmétique visant à améliorer la souplesse mécanique de la peau au moyen de crèmes. Par ailleurs, dans le domaine alimentaire, le mûrissement d'un fruit ou d'un légume se traduit souvent par une variation des propriétés mécaniques de la couche superficielle et des couches plus profondes. Dans ce cas de figure, la connaissance simultanée des impédances longitudinale et transversale ainsi que thermique, combinée à une indexation ou un classement de ces propriétés dans une base de données ordonnée ou associée à une échelle de maturation, voire d'identification de la nature lorsqu'il s'agit par exemple de reconnaître une viande animale, constitue un procédé permettant de diagnostiquer l'état de conservation ou de maturation de ces aliments. Il n'existe par ailleurs que peu d'instruments de mesure élastographique et thermique d'un coût abordable pour l'industrie. La plupart de ceux qui sont développés exploitent des barrettes de transducteurs à nombre élevé d'éléments, typiquement une centaine, associés à des moyens électroniques conséquents en taille mémoire, en conversion analogique-numérique et numérique-analogique rapide, typiquement 50 MégaHertz et en besoin de traitement et transfert rapide de données, rendant ces instruments inabordables pour les petites entreprises : médecins indépendants, agriculteurs, exploitants agricoles ou mêmes restaurateurs.

Pour en revenir aux surfaces tactiles, telles que celles citées dans les brevets ci-dessus, exploitant des matériaux plastiques, métalliques ou en verre, le contact avec un doigt humain implique une interaction avec une vibration mécanique qui comprend une composante longitudinale et une composante de cisaillement. Vis-à-vis du couplage avec la pulpe, il y a une vibration hors plan pénétrant perpendiculairement à la pulpe et une composante de cisaillement (i.e. située dans le plan de l'interface) venant cisailler la pulpe. On rappelle que l'effusivité d'un matériau (en J.m^.k^.s ^"0 ' ⁵ ) est sa capacité à échanger de l'énergie thermique avec son environnement. L'effusivité thermique d'un matériau est donnée par la formule = _A /ï c , où λ est sa conductivité thermique, p sa masse volumique et c sa capacité thermique massique. L'effusivité thermique permet de déterminer la température d'une interface quand deux objets semi-infinis, ayant des températures différentes, sont mis en contact.

Un « bon » doigt artificiel est un doigt qui présente simultanément une bonne similitude avec un doigt humain à la fois sur les impédances longitudinale et transversale ainsi que sur l'amortissement visqueux engendré au niveau de l'interface et rétrodiffusé par la composition de son volume arrière, ainsi que sur les propriétés thermiques notamment l'effusivité que le doigt artificiel doit reproduire de façon comparable à celle du doigt humain qui cède une partie de sa chaleur en situation de non neutralité thermique. De la sorte, la signature acoustique d'un doigt artificiel est la même que la signature acoustique d'un doigt humain et il est alors possible d'étalonner précisément ou d'étudier la fiabilité à l'aide d'un bras robotisé, une surface tactile comprenant plusieurs centaines de coordonnées de références ou des conditions thermodynamiques diverses.

Ainsi, lorsque l'on cherche à développer un doigt artificiel et/ou une surface tactile, on s'intéresse finalement aux mêmes problèmes que ceux de l'élastographie médicale impulsionnelle mettant en œuvre des ondes de cisaillement basses fréquences et une illumination acoustique longitudinale haute fréquence, pour lesquels il est nécessaire de disposer d'informations telles que la densité et le module de Young, le module de cisaillement et le coefficient de Poisson, ou les vitesses de propagation, ou les impédances caractéristiques, afin de prévoir les vitesses des ondes dans le matériau et leur sensibilité par exemple en température. Or ces paramètres sont rarement explicitement fournis par les fabricants des matériaux en particulier pour les plastiques et les matériaux mous tels les élastomères propageant faiblement les ondes de cisaillement. Ce type d'information est encore moins disponible dans les procédés de fabrication impliquant la coexistence de différentes phases cristallines. Il est certes possible de les déterminer à partir d'autres informations telles le module de flexion et de cisaillement ou encore la densité, mais ces informations sont souvent approximatives. De surcroît, le paramètre d'impédance acoustique associe deux valeurs, vitesse et densité, qui, lorsque disponibles, sont souvent entachées d'erreurs ou varient d'un fabricant à l'autre ce qui réduit la précision disponible sur les impédances acoustiques. En outre, beaucoup de matériaux subissent une altération de leurs propriétés physiques en fonction de leur vieillissement ou d'agents extérieurs, telle une altération par un produit chimique ou une usure mécanique. Il peut être nécessaire de venir contrôler périodiquement ou en continu l'évolution de ces propriétés au cours du temps.

Dans la pratique, il est donc souhaitable premièrement de pouvoir mesurer précisément et localement les impédances acoustiques caractéristiques associées aux modes longitudinal et transversal que ce soit lors d'une campagne de mesures sur une population d'individus afin d'étudier la dispersion des propriétés mécaniques de tissus vivants entre les individus ou sur les matériaux tactiles qu'ils soient plastiques ou souples afin de contrôler leur similitude avec la peau humaine, ou encore dans le contrôle des aliments, les cas de processus de fabrication haute-température, en diagnostic médical ou en Contrôle Non-Destructif (CND). On prévoit ici un dispositif simple, une sonde locale à ondes guidées, associée à un procédé apte à pouvoir caractériser rapidement l'impédance acoustique des matériaux sans les détériorer, par simple contact sur une face plane de l'ordre du millimètre au centimètre carré ainsi qu'éventuellement une variation des propriétés viscoélastiques par balayage.

Par extension, ce dispositif trouve des applications dans le domaine de l'imagerie médicale par échographie ultrasonore ou élastographie impulsionnelle exploitant l'utilisation combinée d'ondes longitudinales et transversales au moyen d'un ou plusieurs guides d'ondes ultrasonores, éventuellement chauffés ou refroidis, propageant ces deux ondes et mis en contact avec le milieu d'intérêt afin d'en déterminer ses propriétés mécaniques et thermiques. Dans le cas de élastographie impulsionnelle à onde de cisaillement, l'usage des ondes de cisaillement est limité aux basses fréquences, typiquement comprises entre 50 Hz et 5 kHz en raison du fort amortissement des ondes de cisaillement dans les milieux viscoélastiques diffusants qui se propagent dans les tissus vivants à une vitesse voisine de 3 m/s. Une présentation de ce procédé est par exemple donné dans l'article de S. Catheline et al., "Diffraction Field of a Low Frequency Vibrator in Soft Tissues Using Transient Elastography," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 46, no. 4 (July 1999): 1013-1019.

Des développements de ce procédé sont également publiés par L. Sandrin et al, "Shear Modulus Imaging with 2-D Transient Elastography," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 49, no. 4 (April 2002): 426-435, ou encore par M. Tanter et al., "Ultrafast Compound Imaging for 2-D Motion Vector Estimation: Application to Transient Elastography," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Contrôl é, no. 10 (October 2002): 1363-1374. L'élastographie impulsionnelle à ondes de cisaillement basses fréquences a fait l'objet de nombreuses demandes de brevet. On peut citer le numéro de publication 2 791 136 correspondant à la demande FR9903157 du 15 mars 1999 ou encore le numéro 2 844 178 correspondant à la demande FR0211074 du 6 septembre 2002. Ce type d'élastographie vise à déceler des nodules cancéreux dans les tissus humains, notamment dans le sein et le foie et cherche donc à imager ces tissus sur une profondeur de l'ordre de 5 à 10 centimètres. Le fort amortissement des ondes de cisaillement dans les tissus humains ne permet pas de fonctionner à des fréquences ultrasonores. Néanmoins, si l'on se restreint à des distances courtes de l'ordre du millimètre, il est possible d'exploiter les ondes de cisaillement à des fréquences plus élevées que celles suggérées dans l'état de l'art, qui se situent entre 50 Hz et 5 kHz et atteindre des fréquences ultrasonores. L'objectif n'est pas seulement d'exploiter des ondes longitudinales pour illuminer à une cadence ultrarapide de l'ordre de 10 kHz le tissu en cours de déformation sous l'effet du passage d'une onde impulsionnelle de cisaillement de forte amplitude, de plusieurs dizaines de microns, engendrée par un pot vibrant, mais aussi d'exploiter l'onde de cisaillement comme une onde supplémentaire, de vitesse et de polarisation différente, engendrée par des transducteurs à guide d'ondes effilé et exploitée en échographie traditionnelle pour obtenir une mesure fine. En outre, la présente invention propose un moyen supplémentaire de caractériser le matériau par un processus de transfert thermique engendrant une onde de diffusion thermique dans le matériau. Enfin, la présente invention vise à proposer une sonde permettant d'engendrer les deux types d'onde à distance et sur une étendue latérale très limitée, au moyen d'un couplant liquide collimaté projeté.

Dans l'élastographie impulsionnelle à onde de cisaillement basse fréquence, on cherche à connaître la vitesse des ondes de cisaillement dans le tissu et en particulier les variations de cette vitesse et du front d'ondes en présence d'un nodule cancéreux plus rigide, ce qui a pour effet, d'une part de réduire l'amplitude de la déformation du tissu et, d'autre part, d'accélérer la vitesse de propagation de l'onde de cisaillement. Le diagnostic médical consiste alors à résoudre le problème inverse pour accéder au module de cisaillement en particulier son augmentation et son étendue spatiale dans le tissu. La résolution du procédé dépend de la fréquence d'acquisition des images, c'est-à-dire de la distance parcourue par l'onde de flexion entre deux mesures longitudinales, qui est en pratique de l'ordre du millimètre. On remarquera que le module de compression isostatique dans les tissus humains est de l'ordre de 1 GPa alors que le module de cisaillement est mille fois plus petit, en lien avec les très faibles vitesses d'ondes de cisaillement observées. Le dispositif selon l'invention permet également d'analyser voire d'imager sur une étendue de l'ordre du centimètre carré par déplacement et mesure de la position de la sonde, l'impédance de cisaillement dans le voisinage du derme, ou en général de la surface d'épreuve, au moyen d'un guide conique à ondes de flexion dispersives, de surface de contact quasi ponctuelle et donc de dimension latérale comparable ou inférieure à la longueur d'onde de travail et donc ayant une impédance de rayonnement faible, typiquement 4 à 10 fois plus faible que l'impédance transversale du même matériau volumique et donc plus adaptée à la mesure de faibles valeurs d'impédance de cisaillement ou de rayonnement. A titre d'exemple, si on veut caractériser des matériaux ayant une impédance acoustique transversale faible, par exemple de l'ordre de 50 kRayl, il faudra atteindre une surface de contact inférieure à 0,5mm pour 100kHz, ou encore inférieure à 0,1mm pour 600kHz.

Il est ainsi possible d'imager par technique différentielle de faibles variations d'impédance sur une surface de l'ordre du centimètre carré. En outre le profil effilé de la pointe réduit l'effusivité thermique apparente du guide d'onde, en général métallique, qui se rapproche alors de celle de la peau, permettant de minimiser l'échange thermique entre la sonde et le matériau à caractériser. Le principal bénéfice à ce qu'une pointe ait une effusivité comparable à celle du matériau d'épreuve, c'est que la température d'équilibre du doigt chauffé mis en contact avec le matériau d'épreuve se situe à mi-chemin du différentiel de température des deux objets avant contact. Par exemple, pour une pointe chauffée à 50°C et une température ambiante de 25°C, la température de la pointe chutera fortement, d'au moins 12,5°C, ce qui engendrera une variation de temps de transit de l'écho dans la pointe mesurable avec une plus grande finesse. Au bout du compte, c'est la mesure de l'effusivité du matériau et ses variations relatives par rapport à celle du doigt qui seront perçues avec une plus grande finesse. Par contre, si le doigt imposait son effusivité, si elle est était bien plus élevée que celle des matériaux qu'il touchait, on ne verrait pas de grosse différence de température entre les divers matériaux. Ils seraient tous perçus comme « chauds » et on ne saurait pas les différencier. A l'inverse, si c'était les matériaux qui avaient une effusivité bien plus élevée que celle du doigt, la température d'équilibre resterait au voisinage de l'ambiante et on aurait du mal à distinguer les différents matériaux qui seraient tous perçus comme « froids ». Envariante, le même dispositif pourra accéder par simple contact à la vitesse d'écoulement d'un fluide dans une veine par temps de transit différentiel ultrasonore ou par mesure Doppler continue ou puisée.

D'un point de vue physique, l'impédance acoustique Z est le rapport entre la pression P engendrée et la vitesse de vibration des particules _v du matériau dans lequel se propage l'onde :

Lorsque les dimensions latérales sont suffisantes pour raisonner en ondes planes, ce terme est le produit de la masse volumique p par la vitesse de propagation _c dans le milieu de propagation :

Z = p .c La relation exprimant les transmissions/réflexions des ondes aux interfaces de différents milieux peut s'exprimer par le rapport des impédances acoustiques. Une première approche pour déterminer l'impédance d'un matériau consiste à évaluer séparément les deux paramètres, densité et vitesse de propagation, pour déduire l'impédance acoustique du matériau et prévoir le coefficient de transmission d'une onde se propageant d'un premier matériau vers un second matériau partageant avec le premier une interface d'étendue latérale grande devant la longueur d'onde.

Lorsque la dimension latérale de l'interface devient comparable à la longueur d'onde, on ne parlera plus d'impédance caractéristique, mais d'impédance de rayonnement. L'impédance de rayonnement fait intervenir l'évolution de la section de contact un peu avant et un peu après l'interface, sur une distance au moins égale à la demi-longueur d'onde et qui correspond à la zone volumique de matière venant en réaction à la vibration au niveau de l'interface.

La densité peut être connue par les données techniques du matériau considéré ou évaluée grâce à la méthode d' Archimède, dont existe des procédés normalisés de mesure par immersion, ISO 1 183, DIN 53 479, ASTM D792. La vitesse de propagation peut être mesurée selon le temps de transit de l'onde à travers une dimension connue du matériau. Un tel procédé est par exemple décrit dans l'article de A. R. Selfridge, « Approximate Material Properties in Isotropic Materials », Sonics and Ultrasonics, IEEE Transactions on, vol. 32, no. 3, p. 381 -394, mai 1985. Lorsque l'amortissement est faible, la vitesse peut également être déterminée précisément par la mesure du temps de transit de plusieurs échos sur les faces du matériau. Plusieurs techniques de détermination des vitesses de propagation des deux modes fondamentaux et de caractérisation des propriétés des matériaux à partir de ces données sont ainsi présentées dans le chapitre D. K. Pandey et S. Pandrey, « Acoustic Waves - Chapter 2: Ultrasonics: A technique of material characterization », in Acoustic waves, 2010. Une autre approche pour accéder aux impédances caractéristiques consiste à partir de la relation Z = P/v . On trouve dans la littérature de nombreux procédés de mesure basés sur différentes configurations de microphones et haut-parleurs exploitant des guides d'ondes acoustiques. La technique consiste à émettre une onde, sous forme monochromatique ou large bande spectrale, émise de façon continue ou impulsionnelle qui est réfléchie ou transmise par le matériau d'épreuve. L'onde est caractérisée en amplitude et/ou en phase et le signal peut subir un traitement mathématique pour remonter aux propriétés mécaniques intrinsèques du matériau telle l'impédance caractéristique.

On trouve par exemple une méthode décrite dans la demande de brevet FR2547055B 1 exploitant des ondes sonores dans l'air pour évaluer les propriétés absorbantes de matériaux. Elle exploite un guide d'onde cylindrique, fermé d'un côté par une source sonore émettant une onde en continu et, de l'autre, par le matériau d'épreuve dont on veut déterminer l'impédance. Le guide d'onde est hermétiquement appliqué contre une paroi plane de l'objet à analyser. Deux microphones sont insérés dans le guide d'onde et disposés à des distances connues de l'interface de façon à pouvoir mesurer la répartition acoustique de l'onde stationnaire résultante et d'en déduire l'impédance du matériau, avec pour référence, la répartition d'une onde stationnaire pour un matériau étalon dont on connaît par ailleurs l'impédance mécanique par une autre méthode. Les applications de cette méthode concernent principalement le génie civil pour l'insonorisation de bâtiment.

Une autre méthode décrite dans la demande FR2806162B 1 consiste à émettre un faisceau d'ondes longitudinales à travers un fluide, par exemple de l'eau, jusqu'à une plaque d'un matériau à analyser et pour lequel on souhaite évaluer son homogénéité. Une couche de vernis adaptateur d'impédance entre la plaque et l'eau permet une pénétration maximale de l'onde dans le matériau. Puis, celle-ci est réfléchie sur la face opposée jusqu'au transducteur émetteur qui a basculé, entre temps, en mode récepteur. Il est alors possible par analyse des différents échos d'en déduire l'impédance du matériau ainsi que son homogénéité en particulier lorsque le matériau est une plaque dont on cherche à contrôler l'absence de défauts par un balayage sur l'ensemble de sa superficie. L'utilisation d'un fluide comme médium assure la transmission d'une onde parfaitement longitudinale. Le procédé est appliqué au contrôle non destructif d'aile d'avion et vise à déceler les inhomogénéités et la présence éventuelle de défauts dans le matériau.

La demande US6298726 présente un dispositif de mesure d'impédance acoustique par analyse d'ondes réfléchies sur plusieurs éléments situés en profondeur du matériau. Des paramètres particuliers de la réponse fréquentielle du signal écho sont extraits et comparés à des valeurs étalonnées pour identifier des matériaux particuliers. Un algorithme basé sur une équation polynomiale, étalonnée pour l'ensemble transducteur, retard et échantillon permet d'identifier le matériau. Ce dispositif peut adopter différentes configurations avec un guide d'onde, focalisant ou non l'onde longitudinale sur une petite surface. Le signal d'excitation est une salve de forme trapézoïdale à temps de montée et de descente adaptés pour annuler l'écho dans le matériau. En variante, l'impulsion trapézoïdale peut être constituée de deux impulsions décalées dans le temps, la seconde impulsion étant décalée d'un intervalle créant une onde en opposition de phase avec l'onde issue de la première impulsion et d'une amplitude visant à annuler l'écho provenant du matériau d'épreuve. Les brevets qui viennent d'être cités sont tous destinés à être utilisés selon un seul mode de propagation longitudinal de l'écho.

On trouve également des publications traitant de la mesure d'impédance acoustique dans des matériaux ou des tissus vivants. La publication « A contact method for the assessment of ultrasonic velocity and broadband atténuation in cortical and cancellous bone », Clin Phys Physiol Meas, vol. 11, no. 3, p. 243-249, août 1990, C. M. Langton et al, exploite un principe d'émission d'une onde acoustique dans une partie vivante d'un animal ou d'un humain, ici les pattes de cheval et permet de déterminer les vitesses de propagation dans les différents tissus et types d'os, en analysant les ondes transmises ou les échos d'ondes ultrasonores à travers l'échantillon à analyser. Une représentation temporelle permet de déterminer les vitesses de propagation dans les différents matériaux. L'objectif est de diagnostiquer des risques de fractures. Mais, il n'est pas question de modes de propagation autre que longitudinal, ni d'analyse d'impédance caractéristique.

La publication « Direct measurement of index finger mechanical impédance at low force », in Eurohaptics Conférence, 2005 and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, 2005. World Haptics 2005. First Joint, 2005, p. 657 - 659, C.-Y. Fu et M. Oliver, permet d'évaluer l'impédance mécanique de l'ensemble du doigt à faible fréquence (< 500 Hz) par l'utilisation d'un dispositif électromagnétique d'excitation (pot vibrant) et de mesure des mouvements avec un vibromètre laser pour différentes gammes d'efforts appliqués et mesurés à l'aide d'un capteur d'effort.

La publication « An ultrasound indentation System for biomechanical properties assessment of soft tissues in-vivo », Biomédical Engineering, IEEE Transactions on, vol. 43, no. 9, p. 912 - 918, sept. 1996, Y.-P. Zheng et A. F. T. Mak, montre un dispositif constitué d'un guide d'onde cylindrique couplé à un capteur d'effort. L'objectif de ce système est d'appliquer l'extrémité du guide d'onde sur un tissu biologique sous condition d'une force d'appui. L'indentation de la sonde dans le tissu peut-être mesurée et un système d'émission d'ondes ultrasonores permet de mesurer les épaisseurs des différentes couches de tissus telles que l'épiderme, derme, muscle et os. Une salve d'ondes est envoyée, puis les échos sur les différents tissus sont enregistrés. En connaissant la vitesse de propagation et en mesurant le temps de vol entre les différents échos, il est possible de déterminer l'épaisseur de chaque couche. Connaissant la force d'appui et l'épaisseur de chaque couche de tissu, le dispositif permet de tracer et de déterminer un profil de comportement viscoélastique de l'élément organique et des différentes couches le constituant. Dans cette publication, le dispositif exploite une émission ultrasonore au travers d'un guide d'onde dans des matériaux organiques mais n'a pas pour objectif la mesure de l'impédance caractéristique des matériaux et ne distingue d'ailleurs pas le type d'ondes se propageant dans le tissu (longitudinale ou transversale).

En ce qui concerne les sondes ultrasonores à guide conique à ondes de flexion, l'état de l'art mentionne les travaux de J.P. Nikolovski et D. Royer (1997) « Local and sélective détection of acoustic waves at the surface of a material, 699-703 » IEEE Ultrasonics Symposium proceedings, Toronto, 1997, ainsi que les demandes de brevet de Nikolovski, FR2755225 de 1996 concernant une sonde ultrasonore à pointes conique à ondes de flexion pour contrôle dimensionnel sans contact, ainsi que FR2901612 de 2006 concernant un débitmètre à pointes coniques à ondes ultrasonores pour mesure de débit de gaz, ainsi que le brevet FR0759603 du 6 décembre 2007 concernant la mesure d'effusivité thermique d'un échantillon à température ambiante à l'aide d'une pointe chauffée. Ces demandes mentionnent bien des moyens d'émission/réception d'ondes de flexion dans un solide ou un fluide à partir d'une pointe conique, éventuellement aplanie à son extrémité pour réduire l'impédance de rayonnement. L'utilisation de ce dispositif n'est cependant maîtrisée que dans des situations de couplage particulier ou la section de couplage ne nécessite pas d'être connue. Aucun travaux ne mentionne la mesure de l'impédance transversale du matériau d'épreuve, ni l'angle de réfraction et de détection des ondes dans le matériau d'épreuve lorsque la vitesse des ondes dans le matériau est comparable à la vitesse de phase dans les pointes, ni la méthode d'utilisation des pointes lorsqu'elles sont mises en contact avec des matériaux très chauds, dont la température dépasse de plusieurs centaines de degrés Celsius la température de Curie des céramiques piézoélectriques utilisées pour émettre et recevoir les ondes dans les pointes, ni le couplage de trois pointes ou plus pour la mesure simultanée de vitesses longitudinale et transversale dans l'échantillon, ni l'intégration mécanique des pointes dans une structure porteuse granulaire réalisant simultanément l'amortissement, ultrasonore, l'isolation acoustique et thermique, le chauffage ou encore la mesure de la force d'appui ou la mesure de la pression hydrostatique régnant dans le milieu ou encore la maîtrise de l'impédance de rayonnement par troncature de la pointe conique à une position où la vitesse de phase atteint une valeur donnée.

Dans les brevets FR2547055B 1 et FR2806162B 1, l'utilisation d'un médium fluide (air et eau) n'autorise qu'un mode de propagation longitudinal. Or dans tous les champs d'application d'un dispositif selon l'invention évoqués plus haut que ce soit en métallurgie, cosmétique, dermatologie, alimentation, débitmétrie, ou encore interfaces tactiles, le couplage mécanique met en œuvre des ondes de cisaillement avec le milieu d'épreuve.

Par ailleurs, en contrôle non destructif, ou en échographie médicale, l'usage d'ondes transversales à propagation lente permet d'améliorer la résolution spatiale, et de révéler de faibles variations d'impédances transversales (associées à des tissus malins). La sensibilité aux faibles variations d'impédance transversale est également utile en C D, dans des zones d'apparition de fissures, de délaminages ou de changement de phase cristalline.

De plus, la demanderesse n'a pas trouvé dans l'état de l'art, en particulier dans le domaine de l'élastographie haute fréquence de méthode de mesure d'impédance de cisaillement à l'échelle du millimètre cube. Enfin, la demanderesse n'a pas non plus trouvé dans la littérature d'informations concernant le couplage entre un guide à ondes dispersive et un guide liquide collimaté véhiculant les ultrasons et projeté à grande vitesse sur un échantillon à inspecter, le dit échantillon pouvant être en déplacement relatif très rapide par rapport au guide liquide.

Le dispositif proposé ici est composé de sondes de contact, à ondes volumiques ou guidées solides ou liquides, mises en contact avec les matériaux à caractériser. La surface de contact est une composante essentielle du dispositif car elle définit la limite entre vitesses fondamentales et vitesses de propagation en milieu guidé dispersif. Elle définit aussi l'effusivité thermique apparente de la sonde lorsqu'il y a en outre un processus de transfert de chaleur entre la sonde et l'échantillon. Le procédé consiste à engendrer les ondes longitudinales et transversales, ou encore dispersives, aux fréquences souhaitées, dans un guide d'ondes d'impédance et de profil connus, mis en contact avec le matériau d'épreuve. Le matériau peut avoir une température élevée car les transducteurs piézoélectriques utilisés pour émettre et recevoir les ondes ultrasonores ne sont pas directement en contact avec l'échantillon, un guide d'ondes relativement long jouant le rôle de tampon thermique. Inversement le guide d'ondes peut être chauffé et céder une partie de sa chaleur à l'échantillon, tandis que l'échantillon est à température ambiante avant le contact. Il peut également être refroidi et présenter une température inférieure à l'échantillon pour absorber une partie de sa chaleur. L'objectif est alors une mesure simultanée des propriétés mécaniques et thermiques de l'échantillon. Un traitement des échos permet de déduire les impédances acoustiques caractéristiques et de rayonnement de l'échantillon, dans le cas où il n'est pas plan, ainsi que les vitesses de propagation et les variations spatiales et temporelles des vitesses de propagation dans l'échantillon. Une variante du dispositif permet de déterminer des impédances locales par procédé échographique ou par couplage direct ou différentiel entre plusieurs guides coniques à ondes de flexion.

Dans le domaine des variations temporelles, le dispositif peut déterminer une vitesse d'écoulement d'un fluide par contact avec le solide ou dans le fluide environnant. Il peut aussi servir à caractériser un processus de solidification par refroidissement thermique, avec changement de phase liquide-solide, par exemple dans la gélification d'aliments ou polymérisation de résine ou encore dans le cas d'une plaque métallique de plusieurs centimètres d'épaisseur sortant d'un haut fourneau, le cœur de la plaque étant encore en fusion à 1200°C (mille deux cents degrés Celsius), tandis que la surface externe de la plaque commence à se solidifier. Dans ce cas de figure, en fonction des matières premières utilisées, des proportions de mélange, on cherche à accroître l'expertise sur la vitesse de refroidissement et le profil de température dans l'épaisseur du matériau pour mieux contrôler l'apparition des phases cristallines et in fine les propriétés mécaniques du matériau, par exemple des fontes ou des plaques de verre chargées, ou encore des plaques d'acier, ou autre matériaux issus de procédés de fabrication haute température par laminage ou bain flotté.

L'utilisation simultanée de plusieurs guides d'onde coniques à ondes de flexion intégrés dans un barillet ou d'un guide liquide collimaté en écoulement laminaire et véhiculant des ultrasons selon des modes de réalisation proposés ici, permet d'accroître la dynamique de mesure, la résolution spatiale latérale et en profondeur et d'obtenir un meilleur diagnostic, notamment lors d'un balayage d'une sonde multi-pointe pour l'imagerie bidimensionnelle (curviligne et profondeur) de nodules cancéreux ou de plaque d'athéromes, en combinant plusieurs types de mesures dans un volume minimum, chaque type de mesure fournissant par exemple une image B-Scan dans une couleur donnée.

Des aspects préférés mais non limitatifs du dispositif proposé ici vont maintenant être décrits. La connaissance des impédances caractéristiques ou des vitesses de propagation des ondes des deux modes de propagation, ainsi que la connaissance de l'impédance de rayonnement au point de contact lorsque l'étendue latérale du guide est petite devant la longueur d'onde, donne accès à plusieurs propriétés mécaniques du matériau telles que le module de traction/compression (module de Young), le module de flexion/cisaillement, les coefficients de Lamé, le coefficient de Poisson, l'impédance de rayonnement du matériau mettant en cause une zone de couplage limitée, ainsi qu'à des propriétés thermiques du matériau en contact avec la pointe, lorsque celle-ci est chauffée ou soumise à une température différente de celle de l'échantillon. L'impédance de rayonnement est définie ici comme le produit de la vitesse de phase par la masse volumique du matériau constituant le guide. Un guide de gros diamètre à extrémité plate, par exemple un guide cylindrique de diamètre 13 mm (0,5 pouces), engendre des ondes considérées comme quasi-planes et l'impédance du guide est égale à l'impédance caractéristique du matériau le constituant. Les guides volumiques sont donc adaptés à des matériaux plans, mous et isotropes, tandis que les pointes sont adaptées à des mesures locales sur des interfaces courbes et pour des matériaux à variation spatiale rapide de propriétés mécaniques ou de température de surface élevées.

Le dispositif proposé ici permet d'identifier au même endroit, les impédances caractéristiques longitudinale et transversale et de rayonnement ainsi que les variations locales d'impédance et d'effusivité simultanément par simple contact, sans détérioration du milieu à analyser. Le système exploite les propriétés de réflexions à l'interface des guides d'ondes et du matériau à analyser. Les guides d'ondes ont des dimensions adaptées aux temps de transit propres à chaque type d'onde afin qu'une onde longitudinale, se propageant plus vite qu'une onde transversale, ne perturbe pas l'onde transversale en arrivant plus tôt que cette dernière. Les propriétés mécaniques des matériaux sont directement calculées à partir d'une comparaison entre une mesure de référence, obtenue sans contact ou en un point déterminée de la surface de l'échantillon servant de référence, et une mesure sur l'échantillon, sans approximation par un modèle étalonné au préalable. Dans les cas où le milieu d'épreuve présente des dimensions finies, que ce soit latéralement ou en profondeur (plaque stratifiée, derme, aliment, ... ), le guide d'ondes présente une géométrie effilée et est choisi de façon à propager des ondes de flexion dispersives, la section du guide d'ondes au niveau de l'interface étant choisie de façon à travailler avec une certaine vitesse de phase comprise en 1% et 100% de la vitesse de l'onde transversale se propageant dans le guide et donc une certaine valeur d'impédance de rayonnement comprise entre 1% et 100% de l'impédance transversale du matériau constituant le guide permettant un transfert optimal de l'énergie dans le milieu d'épreuve. En variante, la section du guide effilée diminue jusqu'à ce que la vitesse de phase des ondes dans le guide soit inférieure ou égale à la vitesse des ondes de pression ou longitudinales ou transversales ou guidées engendrées dans le milieu. On rappelle ici que l'impédance caractéristique longitudinale, respectivement transversale, est le produit de la vitesse de propagation de l'onde longitudinale, respectivement transversale, par la masse volumique du matériau. Les guides d'ondes sont préférentiellement réalisés dans des matériaux ayant une impédance caractéristique supérieure ou égale à celle du matériau d'épreuve, par exemple des métaux à faible densité tels l'aluminium ou le titane lorsque l'on veut caractériser le derme, car les guides d'ondes à pointes sont très effilés avec des angles d'ouverture typiques de 5° ce qui fournit d'une part une bande passante suffisante permettant de travailler à une fréquence élevée de l'ordre du Mégahertz et, d'autre part une impédance de rayonnent pouvant être petite, en pratique proche de l'impédance caractéristique longitudinale de la peau, ce qui permet de réaliser des mesures contrastées sur la variation d'impédance locale du derme. En particulier, le profil effilé d'une pointe permet de diminuer sa vitesse de phase du mode de flexion au fur et à mesure qu'elle se rapproche de son extrémité, jusqu'à descendre sous la vitesse de propagation des ondes dans l'eau. Lorsque le diamètre d'une pointe en aluminium atteint typiquement 150 μπι, la vitesse de phase, à 600 kHz, descend au-dessous de 780 m/s (soit 4 fois plus faible que la vitesse transversale dans un gros bloc d'aluminium qui est de 3100 m/s) et deux fois plus faible que dans l'eau. Dans cette configuration, l'onde n'arrive plus à être réfractée dans l'eau car l'angle de réfraction est supérieur à 90°. Il faut alors enfoncer davantage la pointe dans l'eau, jusqu'à atteindre une profondeur où la vitesse de phase dépasse 1500 m/s et que la réfraction soit possible. L'amplitude de l'écho correspondant à l'onde de flexion réfléchie à l'intérieur de la pointe, en son extrémité, décroit alors très vite. A titre d'exemple de valeurs numériques illustrant cette variante, on sait qu'un bloc d'aluminium volumique présente les caractéristiques suivantes :

VT = 3100 m/s (vitesse transversale)

VL = 6400 m/s (vitesse longitudinale) p = 2700 kg/m ³ (masse volumique)

ZL = 17,3 MRayl (impédance longitudinale)

Ζτ = 8,4 MRayl (impédance transversale)

L'eau présente les caractéristiques suivantes :

V _L = 1500 m/s

p = 1000 Kg/m ³

Z _L = 1,5 MRayl

On choisira donc de préférence exemple une pointe en aluminium à guide d'onde conique (angle au sommet = 4,8°), tronquée lorsque le diamètre de section atteint 0, 15 mm, permettant d'obtenir :

V _t (d = 0, 15 mm) = 780 m/s

Zt (d = 0, 15 mm) = 2.1 MRayl

L'usage d'une pointe dispersive dont l'extrémité baigne ou est partiellement immergée dans un fluide et dont la vitesse de phase est comparable à la vitesse de propagation des ondes dans le fluide permet d'obtenir un angle de tir d'ondes de pression, quasi-aligné avec l'axe central de la pointe émettrice avec une inversion de phase de part et d'autre de l'axe de la pointe. Cette propriété peut constituer un inconvénient si l'on souhaite réfracter des ondes à 90° de l'axe principal de la pointe.

On peut palier cette inconvénient par l'usage de pointe dispersive dont l'extrémité est courbée en forme d'hameçon selon une courbure qui compense l'augmentation de l'angle de réfraction au fur et à mesure que l'onde progresse vers l'extrémité de la pointe de sorte que le faisceau ultrasonore diffracte dans le milieu selon un angle constant. Cette forme de pointe dispersive dont l'extrémité est tordue ou courbée en forme d'hameçon permet d'orienter le faisceau acoustique selon un angle de réfraction se rapprochant de la perpendiculaire à l'axe principal de la pointe, voire dépasser la normale et produire un angle de réfraction négatif par rapport à la normale à l'axe principal de la pointe, c'est-à-dire capable d'engendrer une onde dans le milieu, au voisinage de l'extrémité, qui rebrousse chemin. Comme cela sera précisé plus loin en lien avec la description des figures, on prévoit de préférence, pour réfracter le faisceau à 90° de l'axe principal, que la courbure de la pointe soit supérieure à 60° au niveau de la tangente à l'extrémité de la pointe. Le principal intérêt de cette géométrie réside dans la possibilité qu'elle donne de coupler acoustiquement deux pointes avec des bases très proches et des extrémités très éloignées. L'intérêt est évident dans le cas d'une sonde débitmétrique à temps de transit différentiel à deux pointes insérées dans la canalisation par un seul petit trou de perçage (par exemple inférieure à 20 mm), cette configuration, permet d'insérer les pointes de façon à ce qu'elles s'éloignent au maximum l'une de l'autre pour augmenter le pouvoir de résolution débitmétrique tout en imposant que les faisceaux réfractés dans le fluide soient dans la direction de sensibilité maximale. On remarquera que pour émettre au moins une partie du faisceau dans l'axe principal d'une pointe, il suffira de courber la pointe d'environ 30° au niveau de la tangente à l'extrémité.

Dans le cas d'une mesure débitmétrique, on peut prévoir d'utiliser deux paires de sondes insérées de façon à ce que les extrémités des sondes de chaque paire soient à des profondeurs différentes, l'une des paires ayant ses extrémités débouchant au voisinage de la paroi, l'autre au centre de la canalisation, de sorte à réaliser une mesure bi-corde au milieu de la canalisation et au niveau de la paroi. Cela permet d'établir le profil de vitesse du fluide circulant dans la canalisation et ainsi corriger le facteur K du débitmètre et in fine obtenir une mesure plus précise du débit. L'insertion d'une pointe métallique dans sa structure porteuse à paroi simple ou multiple peut être réalisée par insertion en force ou plus commodément par insertion et sertissage de la structure porteuse autour de la base cylindrique du cône au moyen d'une ferrule. L'amortissement ultrasonore peut dans ce cas être optimisé en créant une structure granulaire hétérogène, par exemple un métal ou plastique fritté en forme de tube cylindrique avec encoches profondes mais non traversantes de façon à maintenir l'étanchéité. Pour cela, les encoches peuvent être disposées en quinconce pour faciliter l'écrasement du métal ou du polymère lors de l'opération de sertissage.

On notera également que l'extrémité du fourreau peut avoir différentes géométries. Sa fonction première est de guider la pointe et de la pincer un peu en amont de son extrémité de façon à fermer la cavité remplie d'air isolant la pointe du fourreau et que cette cavité soit étanche. On s'assure ainsi que les ondes acoustiques se propagent bien jusqu'à l'extrémité du guide d'ondes et ne commencent pas à réfracter dans le milieu avant d'avoir atteint l'extrémité de la pointe. On obtient ainsi une source acoustique intense et localisée au voisinage de l'extrémité, même lorsque le fourreau est immergé dans un liquide ou coulé dans un solide. La seconde fonction du fourreau au voisinage de l'extrémité de la pointe consiste à agir sur l'angle de réfraction du faisceau ultrasonore. Pour cela, on peut prévoir que le fourreau enveloppe la pointe conique tronquée dans la région de pincement en présentant une surface qui réfléchit le faisceau diffracté vers l'avant c'est à dire parallèlement à l'axe principal de la pointe conique. Ceci est obtenu dans l'eau lorsque le cône de pincement de la pointe conique fait un angle d'ouverture compris entre 135 et 145°, par exemple d'environ 140°. La surface réfléchissante peut en outre s'étendre jusqu'au niveau de la pointe tronquée de façon à bloquer tout rayonnement latéral et imposer un rayonnement total vers l'avant. Dans le cas contraire, si l'extrémité du fourreau s'arrête très nettement au niveau de la zone de pincement, l'angle de réfraction par rapport à la perpendiculaire à l'axe principal s'étendra de 30° à 90° dans l'eau avec un maximum observé autour de 60°. On remarquera que la fonction d'orientation du faisceau est valable si l'impédance mécanique du fourreau est nettement supérieure à celle du milieu ambiant, par exemple l'air. Sinon, si l'impédance du fourreau est comparable à celle du milieu, par exemple l'eau, alors l'orientation du faisceau peut avantageusement être prise en charge par une pièce séparée en faisant en sorte que l'extrémité du fourreau s'arrête net dans la zone de pincement. La structure peut être complétée alors d'un collier métallique formé autour du fourreau et ayant la courbure réfléchissante adéquate, par exemple parabolique. Le réflecteur peut alors être en matériau métallique d'impédance mécanique bien supérieure à celle de l'eau pour obtenir une réflexion efficace. Lorsque le milieu à analyser est un gaz compressible, la pression du milieu peut être reliée par l'équation d'état du gaz (équation du viriel) à la vitesse des ondes acoustiques se propageant dans le gaz. Cette vitesse est elle-même mesurable par mesure du temps de transit aller-retour d'une onde ultrasonore émise vers l'avant ou latéralement depuis un transducteur à pointe monté dans son fourreau, lui-même muni de son collier réflecteur métallique pour une émission vers l'avant (ou sans collier pour une émission latérale). Le collier réflecteur métallique présente dans ce cas un intérêt supplémentaire, celui de renforcer la résistance mécanique du fourreau et de son l'extrémité. L'ensemble fonctionne alors en émission-réception via un réflecteur disposé dans le milieu, perpendiculairement à l'axe principal du guide d'onde effilé. En connaissant la longueur du chemin acoustique entre la pointe et le réflecteur plan et à partir de la mesure du temps de transit aller-retour de l'écho ou des échos successifs observés dans le temps on remonte classiquement à la vitesse de propagation des ultrasons dans le milieu. Cette même vitesse peut être obtenue en mesurant l'écart de fréquence entre deux harmoniques de la cavité formée par la pointe avec (ou sans) son collier réflecteur et le réflecteur plan disposé perpendiculairement à l'axe principal de la pointe.

L'analyse fréquentielle est réalisée dans l'espace des fréquences par TFD (Transformée de Fourier Discrète). L'avantage du dispositif proposé ici réside dans le fait que l'abaissement de l'impédance de rayonnement de la pointe par exploitation d'ondes de flexion dispersives augmente l'efficacité du couplage solide effilé - gaz et permet de mesurer des pressions faibles, typiquement jusqu'à des pressions inférieures à la pression atmosphérique. Tel n'est pas toujours le cas lorsqu'il faut coupler une onde acoustique à travers une paroi pour mesurer la composition d'un gaz et la pression qui y règne. Le dispositif proposé ici trouve ainsi une application directe dans le domaine nucléaire, notamment pour la mesure du relâchement des gaz sous pression, notamment du Krypton (Kr) et du Xénon (Xe) lors du processus de fission des pastilles d'oxyde d'uranium contenues dans les crayons de combustible nucléaire et tel qu'indiqué dans le brevet n°2 934 409 de Jean- Yves Ferrandis et al du 24 juillet 2008 intitulé « Capteur acoustique pour la mesure d'un gaz dans une enceinte et ensemble comportant une enceinte et un tel gaz ». La pression interne des crayons de combustibles va de quelques dizaines de bars en début d'activité à plus de 300 bars en fin d'activité et la température peut dépasser 300°C. La solution exposée dans le brevet de Ferrandis et al convient bien dans une certaine plage de pression et de température. Néanmoins elle fait face à deux limites : la première concerne les basses pressions où la configuration planaire ou radiale du guide à ondes longitudinales limite l'efficacité du couplage acoustique solide-gaz de sorte que le rapport signal/bruit est inexploitable en dessous de quelques dizaines de bars et ne permet pas de mesurer la vitesse du son ni la pression ou la composition des gaz de relâchement. Mais cette première limitation est peu gênante car elle n'existe qu'en début de vie du combustible. La seconde limitation est plus gênante car elle concerne l'évaluation de la fin de vie du combustible, alors que la pression et la température augmentent et que le diagnostic de fin de vie s'accompagne d'opérations de maintenances coûteuses en changement du combustible. Durant son activité, le milieu peut également atteindre une température de travail dépassant 300°C ce qui est peu compatible avec l'usage des céramiques piézoélectriques ayant les meilleurs coefficients piézoélectriques, limitées à des températures de travail maximales proches de 250°C. Si l'on veut pouvoir travailler à 500°C, il faut des céramiques PZT dont les coefficients piézoélectriques sont 10 à 20 fois plus faibles que celle fonctionnant à 250°C. Dans ce contexte, les signaux sont trop faibles pour réaliser des mesures précises de vitesse du son, de composition du gaz et de pression du milieu.

Or, en exploitant une configuration avec un fourreau métallique serti et soudé à la pointe au niveau de la base du guide d'onde conique et en associant une pointe conique à onde de flexion avec son collier d'émission vers l'avant (ou sans mais dans une cavité cylindrique cf. figure 26) et un réflecteur plan disposé sur l'axe principal, on peut obtenir un capteur étroit de diamètre typiquement inférieur à 10 mm, c'est-à-dire comparable au diamètre d'un crayon de combustible et pouvant donc être monté à l'extrémité d'un crayon améliorant ainsi typiquement par un facteur 30 par rapport à une configuration planaire, l'efficacité du couplage acoustique entre le guide solide et le gaz environnent, ce qui permet in fine de travailler avec des céramiques PZT peu performantes piézoélectriquement mais adaptées à des températures de travail élevées jusqu'à 550°C telles les PZ46 (Ferroperm, Danemark). L'efficacité du couplage guide solide effilé à ondes de flexion-fluide constitue donc un avantage appréciable lorsque la mesure de pression et notamment la résolution sur la pression dépendent de la mesure de l'amplitude de l'écho et donc du rapport signal/bruit. On remarquera que dans un fluide compressible, l'impédance acoustique du fluide augmente avec la pression, ce qui réduit la désadaptation acoustique guide solide - gaz et augmente de facto l'amplitude du signal écho ou transmis dans le milieu. En conclusion, la mesure de l'amplitude de l'écho (ou d'un signal transmis dans le cas d'un système à plusieurs pointes) est directement exploitable pour la mesure d'une pression. Néanmoins, il est judicieux de combiner une mesure de pression par méthode capacitive de la déformation de la structure porteuse ou du fourreau que l'on réservera aux basses pressions typiquement autour de quelques bars, pour disposer d'une résolution élevée, à une mesure de pression à partir de la mesure de l'amplitude du signal réfléchi ou transmis que l'on réservera aux pressions plus élevées, l'étalonnage basse pression par méthode capacitive pouvant d'ailleurs servir à l'étalonnage haute pression exploitant l'amplitude du signal. On remarquera aussi que pour les fortes variations de pression, le signal de mesure doit subir un contrôle automatique de gain.

Lorsque l'échantillon est le derme ou un aliment, la pointe est de préférence en alliage d'aluminium ou en titane. On abaisse l'impédance de rayonnement de la pointe en affinant son extrémité par polissage de façon à ce qu'une onde incidente soit totalement transmise (ou que le coefficient de réflexion soit abaissé à une valeur seuil) dans la peau ou l'aliment lorsque l'extrémité de la pointe est en contact avec le derme ou l'aliment.

La section des pointes étant très petite, autour de 0, 1 mm ² (dixième de millimètre carré), les mesures d'impédance peuvent être réalisées finement et à l'échelle du millimètre carré ce qui présente un intérêt en cosmétique et dermatologie. En particulier, la vitesse des ondes de cisaillement dans les milieux viscoélastiques tel que le derme peut diminuer très fortement pour atteindre des valeurs de l'ordre du mètre par seconde. Dans ce cas de figure, les vitesses mesurées seront celles d'ondes de Rayleigh ou transverses horizontales proches l'une de l'autre à 5% près. Lorsque cela est possible, et que l'impédance de rayonnement de la pointe est comparable à celui du milieu, on peut enfoncer la pointe dans le milieu d'épreuve (silicone, liquides visqueux, végétaux, fruits, etc), afin de déterminer la hauteur nécessaire permettant d'annuler tout écho à l'intérieur de la pointe. Cette hauteur est caractéristique de l'impédance longitudinale du milieu. En pratique, plutôt que d'annuler l'écho, on déterminera une profondeur de pénétration où l'écho est diminué de 50% ou 75%, ce qui est plus facile à mesurer.

Un bipode peut être constitué de deux guides d'ondes à pointes en contact avec la surface d'épreuve. Les axes des pointes sont dans un même plan perpendiculaire au plan tangent à la surface à l'un des points de contact. On réalise un sondage en profondeur, dans le plan osculateur, avec une résolution latérale déterminée notamment par le diamètre de contact des pointes, soit en pratique inférieure au millimètre. L'étendue latérale du faisceau est également conditionnée par un fonctionnement en régime puisé ou continu. En régime puisé, la configuration est adaptée à des mesures par temps de transit différentiel ou bien à la vélocimétrie Doppler puisée. Un bipode à guides coniques métalliques en superalliage, par exemple en Inconel 600 ou 625 peut être utilisé pour sonder des matériaux portés à des températures élevées, de plusieurs centaines de degrés Celsius. La surface de contact entre le matériau d'épreuve et le guide conique est réduite ce qui freine le mécanisme de transfert de chaleur et crée une effusivité thermique apparente bien inférieure à effusivité thermique du même matériau volumique. La hauteur et l'ouverture du guide conique en superalliage, est au minimum de 25 mm et est choisie préférentiellement entre 50 mm et 150 mm, avec un bon compromis entre sensibilité et bande passante obtenu avec une pointe de hauteur 100 mm pour un angle au sommet de 4.8°. Le guide d'ondes a alors une fonction de transfert acoustique entre sa base et son extrémité qui s'apparente à un filtrage passe-bas de fréquence de coupure supérieure à 700 kHz. Ces dimensions permettent de travailler à une fréquence centrale se situant entre 600 et 700 kHz pour un alliage d'aluminium. La hauteur et l'angle au sommet permettent aussi d'abaisser la température entre la zone de contact, qui peut être portée par exemple à une température supérieure à 1000°C et la base du cône où sont collés les éléments piézoélectriques, en général des ferroélectriques, pour lesquels il ne faut pas dépasser la température de Curie. C'est d'ailleurs un avantage notable du dispositif présenté ici que de proposer un dispositif d'insertion d'ondes acoustiques longitudinale et de cisaillement en disposant d'une impédance de rayonnement adaptée au milieu d'épreuve. Enfin, la base du cône où est collé le transducteur PZT, est exposée à une température inférieure à la température de Curie de l'élément piézoélectrique utilisé pour engendrer et recevoir les ondes ultrasonores.

La base peut en outre être activement refroidie via un circuit caloporteur, de sorte que sa température ne dépasse pas 300 à 500°C, alors que l'extrémité est portée à une température dépassant les 1000°C. Le fait de réduire la section du guide d'ondes apporte ici un bénéfice considérable puisque cela revient à abaisser l'effusivité thermique apparente du matériau constituant la pointe. Pour rappel, l'effusivité thermique est la racine carré du produit de la densité du matériau par la chaleur spécifique et sa conductivité thermique. Elle caractérise le processus de transfert de chaleur entre deux matériaux portés à des températures différentes. Elle permet de définir la température d'interface comme le barycentre des températures pondérées par l'effusivité des matériaux. Mais, cette définition n'est valable que dans des conditions où l'interface est plane. Lorsque l'étendue latérale de l'un des matériaux est très petite devant l'autre, comme dans le cas d'une pointe en contact avec un plan, l'effusivité thermique apparente de la pointe est faible et c'est donc le plan qui impose sa température à la pointe. Néanmoins, au fur et à mesure que l'on remonte vers la base de la pointe, l'inertie thermique augmente tout autant que l'effusivité thermique apparente qui se rapproche de celle du matériau volumique, de sorte que c'est la base du cône qui impose la température. Le guide conique fonctionne donc comme un tampon thermique. Cette configuration permet de coupler mécaniquement le guide à un milieu porté à une température bien supérieure à la température de Curie de l'élément piézoélectrique. En outre, l'élément piézoélectrique est en général collé au guide avec une colle époxy. Cette dernière peut difficilement tenir des températures supérieures à 300°C. Au-delà il faut envisager par exemple un couplant solide, telle une couche d'or. En conséquence, pour exploiter une colle époxy avec un échantillon porté à 1000°C, il est souhaitable, d'une part, que la section ou le volume du guide exposé à un échantillon haute température représente une surface ou un volume plus faible, au moins 100 fois plus faible, que la section ou le volume du guide couplée à la source ultrasonore et exposé à la température plus froide du fluide caloporteur, sans pour autant limiter l'amplitude du signal transmis. C'est tout l'intérêt des guides coniques à ondes de flexion qui présentent simultanément une bande passante élevée comprise entre 0,3 et 3 MHz, selon la forme du guide, une effusivité thermique apparente réduite à l'extrémité et une impédance de rayonnement typiquement 4 fois plus faible que l'impédance transversale.

Un bipode selon un mode de réalisation comprend un émetteur et un récepteur distants l'un de l'autre d'une valeur adaptée aux lois de la réfraction dans l'échantillon et fonction de la profondeur sondée. L'extrémité des pointes est soigneusement tronquée de façon à ce que la vitesse de phase aux extrémités soit juste supérieure ou égale à la vitesse des ondes longitudinales engendrées dans le milieu.

Un montage privilégié en transmission dit tripode consiste à disposer deux pointes réceptrices à égale distance d'une pointe émettrice à ondes de flexion, et alignées avec celle-ci. Les pointes réceptrices sont disposées angulairement par rapport à leur axe central de façon à ce que les signaux reçus soient en opposition de phase. L'excitation est impulsionnelle ou continue. La sommation de ces signaux fournit une mesure différentielle spatiale permettant de voir de petites variations des propriétés mécaniques locales entre les pointes réceptrices. Un montage tripode peut avantageusement être exploité en inversant les rôles émetteur- récepteur, avec les émetteurs vibrant en continue en opposition de phase, résultant d'une inversion de phase entre les deux signaux électriques d'excitation, soit du fait de l'orientation angulaire des pointes. Les pointes sont typiquement espacées de 1 mm. De façon plus générale, les transducteurs à pointes peuvent fonctionner en mode de flexion à des fréquences comprises entre 20 kHz et 2 MHz. Mais ils peuvent préférentiellement être excités par une impulsion sinusoïdale à la fréquence centrale de la pointe ou modulée en fréquence en réalisant un balayage fréquentiel numérique par exemple entre 300 kHz et 900 kHz (dénommé « chirp » en anglais). L'étendue fréquentielle est par exemple divisée en 200 fréquences au pas de 3 kHz, uniformément réparties entre 300 kHz et 900 kHz. La rafale est constituée d'une période complète de chacune des 200 fréquences réparties. Dans ce cas, le signal est préférentiellement un signal carré. Il n'y a alors qu'un seul récepteur associé à un seul amplificateur électronique à gain variable, suivi d'un filtre passe-bande entre 300 kHz et 900 kHz, suivi d'un seul convertisseur analogique-numérique, numérisant le signal sur 12 bits, à une cadence préférentielle de 5 à 12 MHz (ou méga échantillons par seconde) et une seule mémoire vive (RAM) de taille typique 2 MégaOctets.

La cadence de tir est de préférence comprise entre 20 et 1000 tirs par seconde. Chaque tir est numérisé sur typiquement 5 000 à 20 000 échantillons, représentant un temps d'acquisition de 1 à 4 ms et 10 à 40 koctets de mémoire. La mémoire vive peut ainsi stoker 50 à 200 tirs successifs. Le signal de réception est numérisé en même temps que le signal d'émission. Cette configuration permet de sonder l'espace sous-jacent au récepteur central en masquant le signal direct entre émetteurs et récepteur central pour mesurer des perturbations rétrodiffusées par le milieu. Le signal reçu peut alors être davantage amplifié sans saturer l'électronique. On calcule les variations relatives du signal reçu en faisant glisser lentement le tripode le long d'une courbe à la surface de l'échantillon, la variation relative est calculée à la fin du balayage ou lorsque la mémoire est pleine en prenant comme référence l'une des acquisitions réalisées durant le contact. En fonction de la cadence des tirs, l'acquisition dure entre 0,05 secondes et 10 secondes. La variation relative du signal par rapport à un signal de référence est réalisée dans le domaine temporel ou dans l'espace des fréquences (en module et en phase) après calcul d'une Transformées de Fourier Rapide (FFT). Les variations relatives du signal sont représentatives de variations des propriétés mécaniques du milieu rétrodiffusant lors du déplacement du tripode. Autrement dit, la configuration à deux transducteurs à pointes engendrant un champ acoustique en opposition de phase à l'endroit du récepteur, permet de réaliser une mesure de perturbation relative multi fréquence. Lorsque l'on travaille dans l'espace des fréquences, on élimine les composantes fréquenti elles dont l'amplitude ne dépasse pas 3% de l'amplitude maximale constatée. Ensuite on calcule la norme euclidienne du vecteur de perturbation relative en module. Ce vecteur est représentatif du pouvoir diffusant du milieu sur un ensemble de composantes fréquentielles. Toute constatation d'une variation significative de la norme de ce signal durant le balayage mécanique manuel ou automatique peut donner lieu à un nouveau balayage en changeant éventuellement la vitesse de balayage ou la cadence de mesure de façon à mieux visualiser une zone de changement de propriété rétrodiffusante.

Le déplacement lent d'un montage tripode à la surface du milieu, dans la direction perpendiculaire au segment reliant les trois pointes, fournit des informations sur les variations spatiales d'impédance. Il renseigne sur des inhomogénéités du milieu. Les variations temporelles d'un tripode immobile renseignent sur des variations de l'environnement du tripode, par exemple lié aux déformations mécaniques engendrées par le passage du sang ou par un gonflement du milieu lié à la respiration ou une contraction musculaire ou par diffusion thermique. Lorsque le point de contact du dispositif est de la peau, la pointe peut être tronquée de façon à éviter de blesser le derme, par exemple en gardant un diamètre d'au moins 0,4 mm. La pointe est mise en contact avec la peau (ou tout autre matériau souple) avec une force constante (par exemple égale à son poids lorsqu'on ne dispose pas de dynamomètre) ou légèrement supérieure de quelques grammes à son poids égal en pratique à 5 à 15 grammes) en ayant recours à une balance numérique de précision (ayant une résolution d'au moins 0, 1 g et en pratique de 0,01 à 0,001 g et une sortie 4-20 mA ou numérique permettant d'asservir la position de la pointe à une force de consigne). En variante, la force exercée sur la pointe est directement mesurée par une méthode capacitive basée sur la déformation de la structure porteuse de la pointe, comme cela sera décrit plus loin (voir figure 22).

La déformation de la structure porteuse sous l'action d'une force ou d'une pression peut engendrer le coulissement d'une paroi par rapport à l'autre (dans le cas d'une sonde à double paroi) ou bien l'affaissement d'une paroi (par exemple dans le cas d'une sonde à fourreau avec cavité interne et maintien de la pointe au niveau de sa base et de son extrémité). Il existe ainsi une cavité d'air autour du cône qui peut s'affaisser ou gonfler sous l'action d'une pression hydrostatique. En supposant que la pointe métallique soit à la masse électrique et constitue une première électrode et que la surface externe du fourreau soit revêtue d'une couche conductrice de révolution (ou partielle par exemple sur un secteur angulaire avec une bande conductrice allant de la base vers l'extrémité du fourreau) formant une autre électrode, on matérialise un condensateur dont la variation d'épaisseur sous l'effet de la pression hydrostatique est représentative de la pression externe exercée par le milieu. Cette configuration se prête bien à la réalisation de sondes débitmétriques avec fonction manométrique avec un encombrement minimum.

Le fourreau avec sa pointe débouchante sont avantageusement recouverts d'un vernis isolant évitant l'oxydation de la pointe métallique et/ou d'une couche protectrice par exemple un vernis à base de Téflon (PTFE ou FEP ou PFA) ou silicone fongicide destinée à éviter l'accumulation de matière organique à sa surface. En cas d'usage d'un réflecteur métallique monté sur l'extrémité du fourreau, la cavité ou pavillon entourant l'extrémité de la pointe est avantageusement remplie d'un silicone mou, transparent pour les ultrasons et empêchant l'accumulation de tartre.

Dans le cas d'une sonde débitmétrique à deux pointes à insertion perpendiculaire à la paroi de la canalisation, on peut prévoir des épaulements soit sur les fourreaux soit sur la structure porteuse, depuis lesquels partent des bras porteurs d'un plateau réflecteur disposé sous les pointes, perpendiculairement à leur axe principal à une distance comparable à la distance interpointe, elles-mêmes alignées avec la direction de l'écoulement, l'ensemble formant un système émission-réception avec des chemins acoustiques direct et réfléchi formant un triangle équilatéral et caractérisant un angle de réfraction dans l'eau proche de 60°. Au moins l'un des fourreaux, en aval, est muni d'un collier d'écrantage du faisceau direct.

L'utilisation de deux tripodes orientés à 90° l'un de l'autre, et partageant la même pointe centrale, constitue un pentapode, c'est-à-dire un système à 5 pointes. Le pentapode constitue la configuration la plus complexe, mais permet la mesure de différents paramètres lors d'une seule mise en contact avec le matériau à caractériser. Dans un tel système, il est avantageux que les pointes périphériques fonctionnent en émetteur de façon à ce qu'il n'y ait qu'un seul amplificateur électronique relié à l'unique récepteur central. Les deux pointes supplémentaires peuvent ainsi fonctionner aux mêmes fréquences ou à des fréquences différentes des deux pointes émettrices du premier tripode. En particulier, elles peuvent vibrer selon une polarisation orientée différemment par rapport aux deux autres.

Chacune des pointes d'un pentapode dispose d'une céramique à quatre quadrants fonctionnant comme une combinaison linéaire de deux dipôles orientés à 90° l'un de l'autre et pouvant être combinés en amplitude et/ou en phase. On obtient ainsi une maîtrise totale de la vibration acoustique dans le plan de contact. Les pointes peuvent en particulier être programmées pour émettre des ondes de cisaillement ou des ondes longitudinales en direction de la pointe centrale selon que leur direction de vibration est colinéaire ou parallèle à l'axe de sensibilité principale de la pointe centrale. Lorsque la pointe centrale fonctionne en réception, le pentapode est en configuration échographique. Dans cette configuration on cherche à rapprocher le plus possible les pointes de façon à pouvoir déceler des variations spatiales rapides et exploiter les ondes de cisaillement haute fréquence, préférentiellement de fréquence supérieure à 20 kHz.

Lorsque la pointe centrale fonctionne en émission et les quatre pointes périphériques en réception, le pentapode est en configuration vélocimétrique directionnelle. Dans ce cas, la pointe centrale fonctionne en mode précession, tandis que les 4 pointes périphériques fonctionnent par paire de récepteurs diamétralement opposés par rapport à l'émetteur et détectent le signal direct émis par l'émetteur central. La mesure est alors une mesure de temps de transit différentiel par paire de récepteurs. Elle renseigne sur les variations temporelles, par exemple un écoulement dans le plan des 5 extrémités. Dans cette configuration on cherche à éloigner les pointes au maximum afin d'augmenter la résolution sur la mesure de vitesse. Cette configuration est plus coûteuse en composants électroniques d'amplification et de numéri sation/mémori sation.

L'invention permet ainsi d'évaluer simultanément plusieurs paramètres d'un milieu, sans le détériorer, notamment : · La vitesse des ondes longitudinales se propageant dans un échantillon (et donc indirectement l'impédance longitudinale par connaissance de la masse volumique). • La vitesse des ondes transverses horizontales ou de Rayleigh se propageant dans un échantillon (et donc indirectement l'impédance transversale par connaissance de la masse volumique).

• Les variations d'homogénéité du milieu par échographie différentielle du milieu interface, et l'imagerie bidimensionnelle associée (B-Scan) dans l'espace temporel ou des fréquences, c'est-à-dire une image en niveaux de gris ou de couleur (position curviligne, amplitude du signal temporel) ou (position curviligne, module ou phase d'une composante fréquentielle obtenue par transformée de Fourier).

• La vitesse et la direction d'un écoulement directionnel dans le plan ou dans un plan sous-jacent au plan des pointes par vélocimétrie directionnelle.

• La mesure simultanée dans un volume inférieur à 1 cm ³ de propriétés caractéristiques d'une effusivité thermique ou d'une force d'appui.

Les guides d'onde sont choisis en fonction de la fréquence de travail souhaitée qui peut varier pour les matériaux élastiques de 300 kHz à 900 kHz et pour les milieux viscoélastiques de 20 kHz à 4 MHz.

Ainsi, un mode de réalisation prévoit un système de caractérisation des propriétés mécaniques et thermiques d'un milieu solide ou fluide, comprenant au moins un transducteur ultrasonore large bande couplé à une première extrémité d'au moins un guide d'onde solide effilé de façon à engendrer dans le guide d'ondes solide effilé au moins une onde de flexion dispersive en régime continu ou impulsionnel qui se propage, le guide d'onde solide effilé étant en contact, du côté d'une deuxième extrémité, de section inférieure à celle de la première extrémité, avec le milieu solide ou fluide, dans lequel : l'onde de flexion dispersive transmise dans le guide d'ondes est réfractée en une onde élastique ultrasonore dans le milieu, l'étendue latérale maximale de la surface de contact entre le guide d'ondes solide effilé et le milieu est inférieure à la longueur d'onde des ondes élastiques ultrasonores générées dans le milieu, le guide d'onde solide effilé est logé dans une structure porteuse dont au moins une paroi permet l'isolation acoustique et le maintien du guide effilé ainsi que l'amortissement des ondes ultrasonores, le guide étant maintenu par la structure porteuse d'une part sur sa périphérie au niveau de sa base du côté du transducteur ultrasonore large bande et, d'autre part, en amont de son extrémité effilée, le système comprenant en outre un dispositif de mesure des variations d'amplitude ou de phase des ondes réfléchies et/ou transmises dans le milieu et un dispositif de calcul de propriétés mécaniques et/ou thermiques du milieu à partir des mesures fournies par le dispositif de mesure.

Selon un mode de réalisation, le guide d'onde solide effilé présente un axe de symétrie cylindrique, possède un profil conique plein ou creux présentant une section qui s'affine jusqu'à ce que la vitesse de phase dans la zone de réfraction soit inférieure ou égale à la vitesse des ondes longitudinales ou transversales ou guidées générées dans le milieu ou que son impédance de rayonnement au niveau du point de contact soit comprise entre 1% et 100% de l'impédance transversale du matériau constituant le guide.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de calcul détermine l'impédance mécanique Z2 du milieu déterminée par la formule : Z-, = Z · ^ ⁺ avec a = · —— , où Z _a i _r est l'impédance mécanique de l'air, A _r2 est le coefficient de réflexion à l'interface guide d'ondes effilé - milieu à caractériser, A _r i est le coefficient de réflexion à l'interface guide d'ondes effilé - air, et est l'impédance de contact du guide d'ondes effilé.

Selon un mode de réalisation, le guide d'ondes est en un matériau ayant une impédance caractéristique supérieure ou égale à celle du milieu, par exemple en un métal à faible densité tels l'aluminium ou le titane, ou en un plastique dur tel que le plexiglas ou le poly carbonate.

Selon un mode de réalisation, le guide d'ondes solide effilé est un cône plein dont l'extrémité est tronquée à l'endroit où la vitesse de phase est égale à la vitesse des ondes acoustiques longitudinales engendrées dans le milieu. Selon un mode de réalisation, le système présente également la ou les caractéristiques suivantes : la première extrémité du guide d'ondes effilé est exposée à une première température inférieure à la température de Curie Te du transducteur ultrasonore ; le guide d'ondes effilé est en un superalliage, par exemple en inconel ; la deuxième extrémité du guide d'ondes effilée est en contact avec un milieu d'une deuxième température supérieure à la première et présente une surface au moins 100 fois plus petite que celle de la première extrémité du guide d'ondes effilé ; le guide d'ondes effilé présente une longueur qui assure le maintien d'un écart de température entre les première et deuxièmes extrémités du guide, l'écart de température résultant d'un phénomène de convection ou conduction libre ou forcée par un système de refroidissement à fluide caloporteur, et régule la température du transducteur à la première température. Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre un deuxième et un troisième guides d'ondes effilé en forme de pointes coniques alignées pour former un tripode différentiel, et deux pointes réceptrices disposées à égales distances d'une pointe émettrice à ondes de flexion, et alignées avec celle-ci, les pointes réceptrices étant disposées angulairement par rapport à leur axe central pour que les signaux reçus soient en opposition de phase.

Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre quatre guides d'ondes effilés en forme de pointes coniques pour former un pentapode ou deux tripodes orientés à 90° l'un par rapport à l'autre et partageant la même pointe centrale, la pointe centrale du système fonctionnant en récepteur et les pointes périphériques en émetteur, le système comprenant en outre un unique amplificateur électronique relié à l'unique récepteur central.

Selon un mode de réalisation, les transducteurs acoustiques associés aux guides d'ondes effilés sont des disques céramiques PZT à quatre quadrants fonctionnant en combinaison linéaire de deux dipôles orientés à 90° l'un de l'autre pour être combinés en amplitude et/ou en phase de façon à imposer une direction de vibration acoustique dans le plan de contact.

Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre un quatrième et un cinquième guides d'ondes effilés pour former un pentapode organisé en deux tripodes orientés à 90° l'un de l'autre, pour la mesure en profondeur des variations de vitesses longitudinales ou transversales.

Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre quatre guides à pointes coniques supplémentaires pour former un pentapode, une pointe centrale fonctionnant en mode émission tandis que les quatre autres pointes périphériques fonctionnent en mode réception, la pointe centrale fonctionnant en mode précession, tandis que les quatre pointes périphériques fonctionnent par paire de récepteurs diamétralement opposés par rapport à l'émetteur, le dispositif de mesure détectant le temps de transit différentiel par paire de récepteurs.

Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre quatre guides à pointes coniques formant un pentapode en mode mesure du temps de transit entre une pointe formant émetteur central et les quatre autres pointes périphériques, la pointe formant émetteur produisant une onde transverse horizontale en vibration de précession impulsionnelle, les deux paires de pointes périphériques étant orientées pour détecter l'onde transverse horizontale, le dispositif de mesure donnant une vitesse de propagation de cette onde selon deux directions perpendiculaires. Selon un mode de réalisation, le système est adapté à un contact avec l'épiderme et les transducteurs à pointes coniques sont tronqués et légèrement pressés contre l'épiderme de façon à ce que toute la section du guide soit en contact avec l'épiderme et que, dans la zone de contact, la section du guide soit telle que la vitesse de phase dans le guide d'ondes solide effilé soit égale à celle des ondes longitudinales du milieu, soit environ 1500 m/s.

Selon un mode de réalisation, le système est adapté à un contact avec un milieu aérien et comprend en outre quatre pointes supplémentaires pour former un pentapode avec une pointe émettrice centrale E vibrant en mode de précession et quatre pointes réceptrices périphériques sensibles à un mode de flexion, la pointe centrale présentant une extrémité ronde, préférentiellement de diamètre de section à son extrémité inférieure à 0,1 mm, et vibrant selon une combinaison de deux modes de flexion orientés à 90° l'un de l'autre.

Selon un mode de réalisation, la structure porteuse est étanche et le guide d'ondes solide effilé est pointu et partiellement immergé dans un milieu fluide jusqu'à l'endroit où sa vitesse de phase est égale à la vitesse de propagation des ondes de pression dans le milieu.

Selon un mode de réalisation, la structure porteuse comprend une double paroi en U assurant : le contrôle d'une température de consigne d'une paroi interne de la structure porteuse, par exemple au moyen d'une bobine résistive destinée à chauffer la pointe conique par effet Joule ; l'amortissement des échos successifs passant dans la zone de couplage mécanique du guide d'onde à la paroi intérieure de la structure porteuse ; l'isolation thermique de la paroi interne par la paroi externe de la structure porteuse, séparée de la paroi interne par un isolant thermique ; le déplacement relatif de la paroi interne de la structure porteuse par rapport à la paroi externe de la structure porteuse sous l'effet d'une force de contact de la pointe sur l'échantillon ou d'une pression déformante exercée par le milieu sur une partie de la structure porteuse ou du fourreau de maintien de la pointe ; la mesure par intermittence de la valeur d'une capacité d'au moins un condensateur rendant compte de la position relative de la paroi interne par rapport à la paroi externe de la structure porteuse ou de la paroi interne de la structure porteuse par rapport au guide d'onde solide effilé, et dont l'une des électrodes est solidaire du guide d'ondes et l'autre électrode est solidaire de la paroi interne ou de la paroi externe, la valeur de la capacité étant déduite d'une fréquence de résonance ou d'oscillations d'un oscillateur à relaxation, ou d'une mesure par pont diviseur d'une capacité de référence et la loi de variation de la capacité étant reliée par une table de correspondance, ou une formule mathématique telle une loi d'interpolation polynomiale, à la force d'appui de la pointe sur l'échantillon, ou à la pression du milieu ; ou une fonction de sécurité pour la pointe et l'échantillon, imposant une limite à la pénétration maximale à force d'appui nulle de la pointe dans l'échantillon par une valeur maximale, comprise entre 0 et 10 mm, et préférentiellement inférieure à 0,5 mm. Selon un mode de réalisation, la structure porteuse est composée d'une partie assurant le positionnement, l'orientation, l'isolation et l'amortissement des guides d'ondes et d'un capotage à baïonnette constitué de parties déformables élastiques assurant une force de maintien des sondes dans la paroi interne ainsi que le verrouillage des éléments flexibles sur l'élément de guidage.

Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre : un conduit d'amenée d'un guide d'ondes liquide sous pression au niveau de l'extrémité du guide d'ondes solide effilé ; une extrémité du guide d'ondes solide immergée partiellement dans le guide d'ondes liquide, dans une chambre de raccordement, sur une étendue limitée, de l'ordre de 1 mm et un volume de l'ordre de 1 mm3 ; une buse d'éjection du guide d'ondes liquide, de forme conique droite ou courbe en forme de crochet permettant l'inspection de surfaces externes, latérales, ou internes d'un échantillon, tel un rail de chemin de fer ; une jupe de protection du guide d'ondes liquide contre les dislocations ou la fragmentation par un courant d'air sur au moins une partie de sa longueur jusqu'à la surface de l'échantillon ou de confinement et d'aspiration des éclaboussures du jet liquide projeté sur la surface de l'échantillon, dans lequel : la pression hydrostatique d'éjection du liquide varient dans le temps pour assurer la génération d'ondes acoustiques de cisaillement basse fréquence ; les ondes acoustiques sont contrôlées en amplitude et/ou en phase, en particulier entre les jets d'une configuration à plusieurs guides d'ondes liquides ; la pression hydrostatique est modulée pour atteindre un régime d'éjection intermittent avec une cadence d'éjection comprise entre 1Hz et 10kHz.

Selon un mode de réalisation, l'extrémité du guide d'onde solide effilé est courbée.

Selon un mode de réalisation, la seconde extrémité du guide d'ondes solide effilé est insérée en force dans un fourreau formé dans la structure porteuse, l'ensemble étant rigidement couplé mécaniquement pour être rendu étanche par sertissage du fourreau ou par brasure métallique entre la base de la pointe et le fourreau si celui-ci est métallique.

Selon un mode de réalisation, le guide d'ondes solide effilé est inséré dans un fourreau formé dans la structure porteuse muni à son extrémité d'un collier réflecteur destiné à orienter le faisceau ultrasonore émis ou à écranter le faisceau ultrasonore reçu depuis une direction prédéfinie. Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre un second guide d'ondes solide effilé pour former un bipode et un réflecteur solidaire de la structure porteuse disposé sous les pointes, perpendiculairement à leur axe principal, à une distance comprise entre 75 et 125 % de la distance inter pointe.

Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre trois guides d'ondes solides effilés supplémentaires pour former deux bipodes insérés perpendiculairement à une canalisation à deux profondeurs différentes, chaque bipode étant aligné avec la direction de l'écoulement à caractériser, l'un des bipodes ayant ses extrémités arrivant dans une première profondeur dans la canalisation de façon à accéder à la vitesse d'écoulement au centre de la canalisation, tandis que l'autre bipode a ses extrémités arrivant dans une deuxième profondeur de la canalisation, distincte de la première profondeur, au voisinage de la paroi interne de la canalisation de façon à accéder à la vitesse d'écoulement près de la paroi.

Selon un mode de réalisation, l'embout d'éjection du liquide est distinct de la structure porteuse et est lié à la structure porteuse dans une position où au moins l'un des faisceaux ultrasonores réfractés dans le liquide depuis l'extrémité de la pointe se réfléchit sur au moins l'une des faces de l'embout et s'aligne après réflexion avec l'axe principal de la canule d'éjection de l'embout. Selon un mode de réalisation, le guide d'ondes effilé est inséré dans un fourreau formé dans la structure porteuse, l'extrémité du fourreau avec son guide d'ondes solide effilé débouchant étant recouverte ou remplie d'un vernis de protection anti adhérant et/ou fongicide, par exemple à base de Téflon (PTFE ou FEP ou PFA) ou de silicone.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de calcul déduit la pression d'un milieu directement de l'amplitude d'un écho ou d'un signal transmis dans le milieu en combinaison avec une mesure capacitive de la déformation de la structure porteuse ou d'un fourreau formé dans la structure porteuse.

Un mode de réalisation prévoit en outre un procédé de caractérisation des propriétés mécaniques et thermiques d'un milieu solide ou fluide à l'aide d'un système tel que proposé ci- dessus, comprenant les étapes suivantes : engendrer dans le guide d'ondes solide effilé au moins une onde de flexion dispersive en régime continu ou impulsionnel qui se propage, l'onde de flexion dispersive transmise dans le guide d'ondes étant réfractée en une onde élastique ultrasonore dans le milieu ; mesurer des variations d'amplitude ou de phase des ondes réfléchies et/ou transmises dans le milieu, et calculer des propriétés mécaniques et/ou thermiques du milieu à partir des mesures fournies par le dispositif de mesure.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprenant en outre les étapes suivantes : générer et détecter un écho de référence dans le milieu par sonde de type bipode (89), tripode ou pentapode (98) mise successivement en contact avec le milieu sur un ensemble de positions de référence le long d'un trajet curviligne de référence ; mémoriser les échos de référence associés à chaque position de la sonde sur le milieu, le long du trajet curviligne de référence ; reconnaître des positions de contact de la sonde sur le milieu par calcul du minimum de distance ou par calcul du maximum d'une fonction d'inter-corrélation entre un échos de mesure obtenu lors d'un second passage sur le trajet curviligne et l'un des échos correspondant aux positions apprises de référence, et fournir des informations d'amplitude et de phase sur les variations spatiales d'impédance le long du trajet curviligne de référence.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape d'enfoncement du guide d'ondes dans le milieu d'une profondeur caractéristique pour laquelle l'amplitude de l'écho interne dans le guide d'ondes est diminuée de 50% à 75% de sa valeur par rapport à des conditions où l'extrémité du guide d'ondes est libre.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre les étapes suivantes : déplacer d'un tripode de pointes différentiel à la surface du milieu, dans la direction perpendiculaire au segment reliant les trois pointes ; mesurer l'amplitude et la phase sur les variations spatiales d'impédance.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre : une étape de constitution d'une base de données de référence caractérisant différents milieux ou les différents états d'un milieu et associant à chaque milieu ou à chaque état de référence la mesure d'au moins une de ses valeurs d'effusivité, d'impédances longitudinale et transversale ainsi que d'anisotropie angulaire des impédances selon au moins deux directions différentes, par exemple orthogonales, à partir de sondes de type bipode, tripode ou pentapode ; une étape de reconnaissance d'un milieu ou de l'état d'un milieu par mesure de ses valeurs d'effusivité, d'impédances longitudinale ZL et transversale ZT ainsi que d'anisotropie angulaire des impédances selon au moins deux directions différentes, à l'aide d'une sonde de type bipode, tripode ou pentapode par recherche d'un élément correspondant le plus proche d'une base de données de référence sur ce milieu ou sur les états de ce milieux.

DESCRIPTION DETAILLE DE MODES DE REALISATION

Dans son expression la plus simple, exploitant des guides à ondes volumiques, donc d'étendue latérale au moins égale à trois longueur d'onde, le procédé de détermination des vitesses proposé ici exploite une mesure comparative entre une mesure de référence, par exemple sans contact et une mesure lors d'un contact sur l'échantillon à analyser. On exploite ensuite les formules donnant les coefficients de réflexion aux interfaces en fonction des impédances des milieux. C'est un procédé déterministe.

• Parmi les applications envisagées figurent les coques tactiles à étalonnage par doigt artificiel. La connaissance au préalable de l'impédance du doigt humain à partir du dispositif décrit ici permet de réaliser ensuite des doigts artificiels pour différents profils d'utilisateurs (enfants, adultes), d'optimiser les épaisseurs et revêtements des coques tactiles en choisissant des matériaux dont les impédances de rayonnement longitudinal et transversal optimisent le transfert énergétique avec le doigt.

• Le dispositif trouve aussi des applications dans l'analyse et le monitoring de la variation de propriétés viscoélastiques des matériaux, en particulier lorsque les transducteurs à pointes sont orientés de façon à transmettre et détecter des ondes de cisaillement horizontales. Un tripode ou un pentapode en mode échographique en configuration de cisaillement permet par ailleurs de vérifier une éventuelle anisotropie angulaire dans la viscosité d'un fluide, ceci grâce à sa capacité à réaliser la même mesure selon deux directions perpendiculaires.

• Le dispositif proposé ici constitue également un moyen performant de mesure de viscosité spatiale et temporelle notamment dans le domaine des fluides ou élastomères magnétorhéologiques, susceptibles de changer rapidement d'état sous l'action d'un champ magnétique avec un temps de réponse inférieur à la milliseconde. En effet, même en régime puisé, les transducteurs à pointes peuvent être excités à une cadence élevée pouvant atteindre 1 à 2 kHz (ou PRF pour Puise Répétition Frequency en anglais) et donc susceptible de visualiser des changements rapides d'état.

• A l'opposé, le dispositif peut trouver des applications dans les processus lents de changement d'état, par exemple dans le contrôle de la maturité des aliments maintenus à température constante en chambre froide, le durcissement du béton, ou des laves, la polymérisation des colles, le frittage des poudres, les changements de phase cristalline, la fabrication des gels.

• Le dispositif peut donner une estimation des variations spatiales d'impédance acoustique longitudinale ou transversale par un balayage mécanique dans le plan de la surface de l'échantillon (C-scan) et ainsi permettre une cartographie d'un tissu humain ou d'un matériau quelconque. • Le dispositif selon la présente invention peut apprendre à reconnaître les positions de contact successives avec le milieu lors d'une phase de balayage mécanique d'un bipode, tripode ou pentapode consistant dans une première étape à mémoriser les échos associés à chaque position de la sonde puis à reconnaître les positions par calcul de distance ou par inter-corrélation lors d'un second passage, suite au premier constituant une phase d'apprentissage.

• Le dispositif proposé ici peut permettre une classification de matériaux par la caractérisation des impédances des deux modes fondamentaux et selon deux directions de propagation, fournissant ainsi une information sur l'anisotropie du matériau ainsi que selon l'efficacité du transfert thermique d'une pointe chauffée ou refroidie dont on mesure l'abaissement ou l'élévation de température après un contact de durée déterminée avec l'échantillon à température ambiante. Conjointement à l'utilisation d'une base de données de références qui pourra être constituée, le dispositif peut ainsi être un « classifieur » de matériaux, applicable aux élastomères, tissus humains, aliments et notamment viandes pour le contrôle de leur état de conservation ou de maturation, ainsi qu'à divers matériaux métaux et plastiques.

• Ce dispositif peut permettre enfin l'inspection de surfaces en mouvement par combinaison d'un guide solide couplé à un guide liquide projeté en direction de l'échantillon. Ce type de sonde trouve des applications dans le contrôle non destructif, à grande vitesse. La sonde est constituée d'une structure porteuse à double paroi éventuellement chauffée pour améliorer l'amortissement des ultrasons et la viscosité du fluide en circulation et comprenant deux guides d'ondes disposés en série, le premier étant solide et constitué d'un guide à pointe dispersive conique permettant d'abaisser l'impédance de rayonnement et optimiser le transfert vers le second guide, liquide, couplé au premier via une chambre de raccordement et débouchant sur une buse d'éjection du couplant liquide sous la forme d'un jet collimaté directionnel haute pression. Le jet liquide est à l'abri des courants d'air par une jupe, par exemple en forme de brosse cylindrique multibrins. Le jet peut être intermittent pour percuter régulièrement la surface de l'échantillon et engendrer des ondes de cisaillement basses- fréquences. Ce dernier point trouve un intérêt en élastographie impulsionnelle et constitue une alternative aux méthodes de percussion par pot vibrant ou autre technique électromagnétique ou de contact statique juxtaposant habituellement le transducteur ultrasonore. Dans le cas de la déformation de la peau lors d'un examen médical, le jet en régime intermittent doit permettre une déflection importante de la peau, typiquement de l'ordre de 1 mm. La viscosité et la tension de surface du fluide projeté permettent de créer un guide d'onde ayant une continuité spatiale et pour lequel on peut imposer un écoulement laminaire si le nombre de Reynolds associé au diamètre du jet, la masse volumique du liquide, sa vitesse d'éjection et sa viscosité, reste inférieur à 2300. Ainsi, le fluide pourra avantageusement être plus visqueux que l'eau afin de maintenir un régime laminaire et donc une projection collimatée sur une distance plus importante ou pour limiter l'étalement du fluide sur la surface d'inspection, par exemple par souci de propreté. A titre d'exemple, un jet d'eau de diamètre 0,8 mm, de viscosité 1 mPa.s, de masse volumique 1000 kg/m ³ , expulsé à une vitesse de 1 m/s est associé à un nombre de Reynolds de valeur 800. Le régime turbulent est alors atteint pour une vitesse d'expulsion d'environ 3 m/s.

DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

• La figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de transduction avec un guide à onde volumique 150, formant une sonde élémentaire pour un mode de propagation longitudinal ou transversal, couplée à un matériau à analyser 100,

• La figure 2 est une vue schématique du dispositif complet 400 selon un mode de réalisation permettant la caractérisation des deux modes fondamentaux de propagation simultanément, grâce à deux sondes distinctes 125 et 225 en contact avec le matériau 100.

• La figure 3 est une vue schématique définissant les ondes incidentes 600, réfléchies 620 et transmises 610 à l'interface avec l'échantillon 100.

• La figure 4 définit les ondes incidentes 600, réfléchies (620, 640 et 650) et transmises 610 et 630 dans le cas où l'échantillon est composé de deux couches 100 et 101.

• La figure 5 montre l'écho d'interface dans le cas d'un guide en plexiglas à onde longitudinale, baignant dans l'air.

• La figure 6 montre l'écho d'interface dans le cas d'un guide en plexiglas à onde transversale, baignant dans l'air.

• La figure 7 montre un exemple de variation d'amplitude crête à crête de l'écho longitudinal d'interface, une atténuation d'environ 50% entre l'air ambiant et un échantillon de peau humaine sur un sujet d'étude, mettant en évidence l'effet d'une forte variation d'impédance longitudinale de charge et permettant de déterminer l'impédance longitudinale de cet échantillon (environ 1 MRayl) qui vaut environ 32% celle du Plexiglas (Z _L =3, 1 MRayl).

La figure 8 montre un exemple de variation d'amplitude crête à crête de l'écho transversal d'interface, soit 9%, entre l'air ambiant (valeur haute) et le même échantillon de peau humaine (valeur basse) mettant en évidence une impédance de charge transversale (0,06 MRayl) beaucoup plus faible que celle du Plexiglas (Z _T =1,26 MRayl).

Les figures 9A et 9B illustrent schématique deux variantes du dispositif selon un mode de réalisation associant des transducteurs 260, 270, 280 et 290 pour les deux modes fondamentaux de propagation sur un unique guide d'onde 150 selon, respectivement, une configuration concentrique.

La figure 10 est un schéma bloc du montage du transducteur 540 selon un mode de réalisation avec l'électronique d'émission et de réception exploitant un écrêteur 510 évitant de saturer les éléments d'amplification 520.

La figure 11 est un schéma bloc du montage du transducteur 540 selon un mode de réalisation avec l'électronique d'émission et de réception utilisant une commutation rapide 515 entre le signal émis et les échos mesurés permettant d'éviter la saturation de l'électronique d'amplification 520.

La figure 12 illustre un guide à ondes de flexion dispersives à extrémité tronquée et polie, ainsi que son fonctionnement.

La figure 13 illustre une modélisation de la propagation dispersive d'une onde de flexion dans un cône.

La figure 14 illustre un calcul de l'angle de réfraction des ondes longitudinales dans l'échantillon en fonction de la vitesse de phase dans la pointe.

La figure 15 illustre un bipode 89 à ondes de flexion, intégré dans une structure porteuse. La figure 16 donne des variantes de sondes pour la mesure d'impédance en fonction de l'application désirée.

La figure 17 illustre un pentapode en mode échographique selon un mode de réalisation. La figure 18 illustre une application d'un mode de réalisation de l'impédancemètre bipode en sonde vélocimétrique 89. • La figure 19 illustre l'usage d'un transducteur à pointes en vélocimétrie Doppler puisée selon un mode de réalisation.

• La figure 20 illustre l'usage d'un pentapode en vélocimètre directionnel selon un autre mode de réalisation.

• La figure 21 est une vue en coupe d'une sonde selon un mode de réalisation.

• La figure 22 est une vue en coupe d'une sonde à pointe conique selon un mode de réalisation.

• La figure 23 présente une sonde à 5 guides d'ondes selon un mode de réalisation.

• La figure 24 est une vue schématique en coupe d'une sonde ultrasonore 99 pour le contrôle non destructif selon un autre mode de réalisation.

• La figure 25 illustre une pointe dispersive dont l'extrémité est courbée en forme d'hameçon selon un mode de réalisation.

• La figure 26 illustre un capteur de pression selon un mode de réalisation.

A. SONDES A ONDES VOLUMIQUES

La figure 1 représente un premier dispositif exploitant des guides d'ondes volumiques permettant de déterminer les impédances caractéristiques de la peau sur un panel d'individus, ainsi que d'identifier les caractéristiques de différents matériaux. Le dispositif permet par simple contact d'évaluer le paramètre d'impédance acoustique d'un matériau homogène, par une méthode non-destructive et pour les deux modes fondamentaux de propagation, transversal et longitudinal. En mettant en contact deux sondes cylindriques pour chaque mode fondamental avec l'échantillon, on détermine les deux impédances caractéristiques longitudinale et transversale.

Le système complet proposé ici se compose d'une structure sur laquelle sont fixées les deux sondes formant des guides d'ondes permettant l'envoi et la réception d'impulsions acoustiques à la surface ou dans le matériau. Le maintien des sondes sur la structure se fait de telle sorte qu'il y ait une isolation acoustique, par une rupture d'impédance, entre la structure et les guides d'ondes. L'isolation est nécessaire pour éviter que l'écho d'interface ne soit perturbé par un court-circuit acoustique via la structure de maintien des guides d'ondes.

Un dispositif de transduction est fixé sur chaque guide d'onde afin d'émettre/recevoir les impulsions acoustiques. Ce système de transduction, qui exploite des éléments pouvant être piézoélectriques, permet d'engendrer des impulsions dans les meilleures conditions. Dans le cas d'un élément actif piézoélectrique, une adaptation d'impédance avec le guide d'onde permet une meilleure insertion des modes à la fréquence désirée par l'adjonction d'une couche dite « lame quart d'onde » dont l'impédance acoustique est de préférence intermédiaire entre celle de l'élément actif z _a et celle du guide d'onde Z _g : jZ _a .Z _g . Enfin, un système d'amortissement des ondes, « backing », disposé sur la face arrière ou sur le côté de l'élément piézoélectrique permet une meilleure résolution temporelle de l'impulsion en limitant les résonances intrinsèques de l'élément piézoélectrique.

Le système est connecté simultanément à un générateur de signaux haute tension pour l'émission et un amplificateur pour la réception. L'électronique de réception tolère la forte tension électrique d'excitation du transducteur. Typiquement, une impulsion de 20 Volts est appliquée au transducteur, puis l'écho d'interface est amplifié par un facteur 200 pour produire un signal de sortie de quelques centaines de millivolts. La contrainte est que le signal d'excitation d'amplitude 20 Volts est également amplifié d'un facteur 200, ce qui sature l'électronique de réception, qui ne peut délivrer un signal d'amplitude supérieure à +/-10 V. Pour pallier à ce cas, on aura recourt à un écrêteur visant à limiter la tension d'entrée de l'amplificateur à un maximum admissible ne provoquant pas de latences trop importantes sur la mesure ou une commutation rapide entre l'émission et la réception sur le même transducteur afin que selon l'action souhaitée sur l'élément actif, le système fonctionne tantôt en émission et tantôt en réception. La sortie de l'amplificateur permet la mesure du ou des échos de l'impulsion acoustique, provenant de l'interface et ayant transité à travers le guide d'ondes.

La figure 1 illustre schématiquement un ensemble de transduction 300 constitué d'une sonde de mesure à guide d'onde plan non-dispersif. Ce dispositif comprend un guide d'onde 150 servant également de sonde, qui est maintenu en contact avec un échantillon 100. Le guide d'onde 150 est constitué d'un matériau dont l'impédance acoustique connue Z _g est proche et supérieure à celle du matériau que l'on cherche à déterminer, de préférence inférieure à 2 fois l'impédance du matériau. Typiquement elle peut être constituée de métaux à faible densité comme l'aluminium ou le titane, ou plus avantageusement de plastiques tels que le poly carbonate ou le plexiglas. Sur le guide d'onde 150, à l'opposé du matériau à analyser, est prévu un composant piézoélectrique 250 disposant d'une bande passante suffisante, par exemple de 100% autour de la fréquence centrale ce qui est équivalent à dire que sa réponse impulsionnelle est courte. Le composant fonctionne aussi bien en émetteur qu'en récepteur. Une lame d'adaptation d'impédance 200 est fixée sur la face active du composant 250, entre ce composant et le guide d'ondes 150, idéalement dimensionnée pour présenter une impédance Z _L = et une

épaisseur dL correspondant à un quart de la longueur d'onde d'intérêt, typiquement de l'ordre du millimètre, et un bloc amortisseur 350 sur la face opposée (référencé selon le terme « backing » en anglais) de sorte à améliorer la résolution temporelle en limitant les réflexions d'ondes sur cette face du transducteur, ce qui limite la réponse impulsionnelle de l'élément actif 250 à une impulsion bipolaire. On rappelle ici que la fréquence de travail sera de préférence comprise entre 300 kHz et 900 kHz pour les matériaux élastiques et entre 20 kHz et 4 MHz pour les milieux viscoélastiques. A titre d'exemple, pour du plexiglas, la vitesse longitudinale est de l'ordre de VL = 2697 m/s et la vitesse transversale est de l'ordre de VT = 1335 m/s, ce qui amène à une longueur d'onde d'intérêt comprise entre 1, 1 mm et 2,2 mm à 300 kHz, entre 0,37 mm et 0,75 mm à 900kHz, entre 0,08 mm et 0, 16 mm à 4 MHz, etc.

L'ensemble de transduction 300 peut consister en un composant du commerce prêt à l'emploi, par exemple le transducteur Panametrics (Waltham, Massachussetts, USA) Ml 10 à onde longitudinale et le transducteur Panametrics VI 53 (Waltham, Massachussetts, USA) à ondes transversales. Ces transducteurs ont une fréquence centrale respective de 5 MHz et 1 MHz. Pour optimiser la transmission acoustique entre la sonde 150 et l'échantillon 100, on peut utiliser une pâte visqueuse servant de couplant.

Un couplant adapté au mode de propagation de l'onde est indispensable dans le cas du mode transversal. Le couplant référencé SWC (shear wave couplant en anglais) de la société Panametrics permet la transmission du mode transversal. Son épaisseur est réduite autant que possible. Son utilisation n'est pas nécessaire avec les transducteurs dispersifs à pointes ou lorsque la nature du matériau étudié permet un couplage satisfaisant, comme par exemple avec des fluides, gels, élastomères.

La figure 2 illustre schématiquement un dispositif complet selon un mode de réalisation 400 à deux sondes non dispersives telles que celle illustrée en figure 1. Une première sonde à ondes longitudinales 125 a son guide d'onde plan non-dispersif présentant une longueur 1 10, l'autre sonde à ondes transversales 225 a son guide d'onde plan non dispersif de longueur 120, distincte de la longueur 1 10. Les guides sont intégrés dans un support, typiquement en plastique fritté, assurant une bonne isolation acoustique entre les guides d'ondes. Les sondes sont en contact avec l'échantillon 100 disposant d'une étendue latérale et d'une profondeur au moins égale à cinq longueurs d'ondes et de préférence au moins égale à dix longueurs d'onde ou plus. Des moyens de régulation de la force d'appui peuvent être envisagés tels des ressorts à l'arrière des sondes. Des fixations permettant d'isoler « acoustiquement » les sondes de la structure. Elles peuvent être en mousse, présentant une très faible impédance acoustique comparativement aux guides d'ondes. Les longueurs des guides 110 et 120 sont dimensionnées de façon à ce que les impulsions n'interfèrent pas entre-elles. Pour cela, il suffit que les impulsions acoustiques parcourant la longueur 110 à la vitesse longitudinale et la longueur 120 à la vitesse transversale atteignent l'échantillon au même instant. En outre, les longueurs sont calculées de façon à ce que l'onde incidente et l'onde réfléchie soient bien séparées temporellement. Concernant la dernière condition, les longueurs 110 et 120 doivent avoir une valeur minimale satisfaisant

2 /

l'équation τ =— <— , dans laquelle T représente la durée de l'impulsion, qui est le rapport

/ ^c

du nombre _n de périodes souhaitées par la fréquence centrale / de l'impulsion. Cette période doit être inférieure à un aller-retour de l'onde, soit 2 fois la distance /, rapportée sur la vitesse de propagation de l'onde _c engendrée par le transducteur. On aura donc la condition dimensionnelle suivante sur la longueur 1 de chaque sonde : / > .

2 - f En ce qui concerne l'arrivée simultanée des deux ondes sur le matériau, il faut vérifier l'égalité

— =— , dans laquelle les longueurs des sondes 110 et 120 (respectivement lno et 1 ₁₂₀ ) c _L c _T

dépendent des vitesses longitudinales _{c L} et transversales c _r . Il est aussi possible d'inclure un retard d'excitation de l'onde la plus rapide égal à la différence des temps de transit pour atteindre l'interface par rapport à l'onde lente, ce qui permet de conserver des longueurs égales de guides d'ondes 110 et 120. En considérant la vitesse de propagation rapide dans le guide 110 et la vitesse de propagation lente dans le guide 120, on obtient l'équation du retard temporel d'arrivée des fronts d'ondes sur l'échantillon dans les deux sondes : retard=——— .

c _T c _L

La figure 3 présente l'évolution des ondes au moment de la mesure. Une onde incidente 600 se propage dans le guide 150 en direction de l'échantillon 100. A l'interface, une partie de l'énergie est réfléchie, ce qui conduit à une onde réfléchie 620 et une autre partie 610 est transmise dans l'échantillon. La connaissance précise du matériau constituant le guide 150 d'impédance Z intervient dans les coefficients de réflexion r et de transmission _t avec l'impédance z _e de l'échantillon 100 selon les formules suivantes : A Z - Z A 2-Z

r ₌ L ₌ ^— __. _e t t = ^ = ^e — (î)

4 _{e +} z _g 4

Dans lesquelles, ^ désigne l'amplitude de l'onde réfléchie 620 et A _t , l'amplitude de l'onde incidente 600, tandis que A _t désigne l'amplitude de l'onde transmise 610.

Les relations (1) constituent un système de deux équations à 2 inconnues reliant le rapport des amplitudes des ondes réfléchies et transmises aux impédances caractéristiques des matériaux. Sa résolution fournit l'impédance de l'échantillon z _e .

Par ailleurs, l'amplitude de l'onde incidente A _t étant susceptible de changer selon les conditions de température et étant donné que l'on ne souhaite pas utiliser de matériel supplémentaire pour étalonner la sonde, une mesure relative à une référence permet de déduire l'impédance z _e en s' affranchissant des variations de propriétés d'atténuation, de température et de dimension des guides d'ondes.

La mesure servant de référence est la mesure à vide, c'est-à-dire sans contact. En effet, pour des conditions de propagation connues dans la sonde dans des conditions de température et d'humidité données, l'impédance de l'air z _air est connue et très faible. Dans ce cas, la sonde fournit une onde réfléchie d'amplitude donnée A _rl . Le guide 150 est ensuite placé en contact avec l'échantillon 100 et une nouvelle mesure est effectuée. On obtient une amplitude A _r2 correspondant à l'onde réfléchie 620 sur le matériau d'impédance inconnue z _e . On obtient les deux équations :

Ce système d'équation conduit à la relation

\ + A ₂ Z _mr Z

avec a =—— (2)

1 - oc A _rl Z„,„ + Z Ainsi connaissant l'impédance Z _g du guide, l'impédance z _air de l'air et à partir des deux mesures successives d'amplitude du signal reçu, on détermine l'impédance caractéristique de contact du matériau à analyser z _e .

Pour que cette méthode fonctionne, il est nécessaire que le matériau soit au moins localement homogène et isotrope. L'utilisation d'un système tel que celui de la figure 2 permet d'effectuer l'acquisition des deux modes fondamentaux simultanément. L'utilisation de ces sondes associée à un balayage mécanique sur la surface, de type C-scan, permet d'effectuer une cartographie de l'impédance et de déterminer son homogénéité. L'isotropie d'un matériau peut être déduite si l'échantillon présente une géométrie adaptée, par exemple cubique et dispose de 3 faces orthogonales et pour chacune d' entre-elle, 3 mesures d'impédances sont réalisées : impédance du mode longitudinal et du mode transversal selon deux directions, typiquement orthogonales.

Si l'on connaît l'impédance de l'air z _atr , l'impédance du guide d'onde Z l'amplitude du premier écho à vide, et de l'écho de contact 620 on en déduit l'impédance de l'échantillon z _e .

Par ailleurs, on peut établir la relation décrivant la art d'onde transmise progressant dans l'échantillon 610 : , ce qui conduit

'expression de la part d'onde transmise sur la part d'onde réfléchie

Dans le cas d'un échantillon stratifié (Cf. figure 4), où il existerait une seconde couche 101 d' impédance _e , , on peut établir la relation de l'onde réfléchie sur la seconde interface la relation de l'onde retransmise de la première couche vers le guide d'onde

On déduit z _e , , l'impédance de la deuxième couche de matériau, à partir des relations établies

As ₀ _ As ₀ Λ40 A _lO _ ^{2 - Z} _e Z< -Z. ² - ^Z e { ^Z e + ^Z _S ) _ 4 · ¾ Z, - Z.

A20 A40 AlO A20 ^Z _R + ^Z e ^Z e! + ^Z e ^Z e + ^Z _R ^Z e + ^Z _R ^Z é + ^Z e A _7n 4 · Ζ ² Ζ , + Ζ

En posant β - , il vient la relation :

50 Z e Ί"Ζ g Z e Z e

La figure 4 définit les ondes incidentes 600, réfléchies (620, 640 et 650) et transmises 610 et 630 dans le cas où l'échantillon est composé de deux couches 100 et 101 empilées, la couche 10 étant en contact avec le guide d'ondes 150. Dans ce cas, en plus des ondes précédemment mentionnées en relation avec la figure 3, une onde 630 est transmise à l'interface entre les couches 100 et 101 dans la couche 101, et une onde 640 est réfléchie à cette interface dans la couche 100. Une deuxième onde réfléchie 650, issue de l'onde 640, est ainsi réfléchie dans le guide d'ondes 150.

La figure 5, montre un exemple de courbe enregistrée pour un mode de propagation longitudinal dans un guide en plexiglas à l'air libre (tension mesurée en fonction du temps). Le signal au voisinage de l'instant t = 15 μβ, correspond à l'écho d'interface guide-air. L'onde incidente 600 transite dans la sonde jusqu'à l'interface où une partie correspondante au ratio des impédances caractéristiques est réfléchie sous l'identité 620 jusqu'au transducteur. L'onde est réfléchie une nouvelle fois dans le guide et effectue un second aller-retour, visible avec une forte atténuation au temps t = 30 μβ.

La figure 6 montre une courbe d'acquisition de l'écho 620 pour le mode de propagation transversal, toujours avec un guide en plexiglas dans l'air (tension mesurée en fonction du temps). Le pic d'amplitude à t = 31 correspondant à l'écho d'interface guide /air du mode transversal. Il est temporellement plus étalé en raison d'une fréquence de travail plus basse, 1 MHz, et arrive en retard par rapport au montage précédent en raison d'une vitesse de propagation plus faible que le mode longitudinal. La courbe montre également le parasitage par le mode longitudinal avec l'arrivée d'une partie de l'énergie de l'onde longitudinale à t = 15 et une conversion longitudinal/cisaillement à l'interface guide/air arrivant à t = 23 μβ.

Les figures 7 et 8 montrent les variations du coefficient de réflexion respectivement longitudinal (48%) et transversal (9%), par rapport à l'air, lorsque l'échantillon (100) est une partie exposée de peau humaine (amplitude en mV référencée par numéro d'échantillon). On observe de légères variations d'amplitude lors de mesures successives libre/contact. Elles peuvent être provoquées par des variations de température lors du contact ou des variations de l'épaisseur de couplant dues à l'écrasement ou des mises en équilibre thermique si les températures ne sont pas exactement identiques. C'est pour ces raisons que le couplant sera de préférence d'épaisseur très faible, typiquement inférieur à 50 μπι, et la température égale entre la sonde et le matériau d'épreuve afin d'éviter tout phénomène de diffusion thermique, ou de perturbation de l'impédance de charge transversale par l'impédance du couplant. En outre, en négligeant la dilatation thermique dans le cas de faibles variations de température, i.e. à densité et dimensions constantes et connues du guide, l'arrivée des premiers échos correspond au trajet aller-retour dans le guide dont la longueur est connue. Dès lors, la connaissance précise de la vitesse de propagation _c pour une masse volumique p connue du guide, permet d'affiner son impédance Z _g = p-c. L'impédance du matériau à analyser sera dès lors caractérisée pour la température ambiante. On trouve ainsi des impédances longitudinale de 1 MRayl et transversale de 0,06 MRayl pour cette mesure sur de la peau humaine. Des variantes de ce procédé sont possibles, comme celui consistant à établir une table de correspondance de l'écho de référence à l'air libre en fonction de la température. Les mesures peuvent également être faites dans une chambre climatique afin d'imposer la température et l'humidité relative, homogène entre la sonde et le matériau à analyser.

Les figures 9A et 9B présentent deux variantes du montage permettant d'utiliser le même guide d'onde 150 et donc la même sonde pour générer les deux modes fondamentaux de propagation.

La figure 9A montre un premier montage concentrique des transducteurs 260 et 270, disposés sur des lames adaptatrices d'impédances 210 et 220, elles-mêmes collées sur le guide d'onde 150. Un backing 350 est disposé sur la face arrière des transducteurs 260 et 270 afin d'améliorer la résolution temporelle de l'impulsion. Les mesures d'impédance selon chaque mode seront effectuées successivement afin de ne pas interférer entre-elles. Compte-tenu des vitesses de propagation élevées comparativement à un déplacement manuel par un utilisateur, les deux acquisitions pourront être considérées comme simultanée. Le transducteur 260 sera de préférence un transducteur à ondes longitudinales et le transducteur 270 à ondes transverses horizontales.

La figure 9B illustre un montage série des transducteurs pour chaque mode fondamental. Le backing 350 est fixé au dos d'un premier transducteur 280 reposant sur une lame d'adaptation d'impédance 230 qui repose sur un second transducteur 290 et sur une seconde lame d'adaptation d'impédance 240 et enfin sur le guide d'onde 150. Les deux impédances des transducteurs étant équivalentes, la lame d'adaptation d'impédance 230 peut être négligée. Pour un transducteur 290 à mode de cisaillement, la couche adaptatrice 240 sera optimale afin de transmettre une onde transversale dans le guide d'onde 150. Le transducteur 280 sera quant à lui en mode d'extension pour émettre une onde longitudinale dans le guide d'onde par l'intermédiaire du transducteur 290 et de la couche adaptatrice 240. Dans le cas de l'onde longitudinale, le transfert ne sera pas optimal, mais le montage permet de disposer d'une sonde pour émettre les deux modes fondamentaux dans l'échantillon 100. La lame d'adaptation d'impédance 240 est prévue pour le transducteur 290 et un mode transversal

Ύ ²⁴⁰ / ^280 ^150

, mais dont 1 impédance du mode longitudinal sera similaire a celle souhaitée ^¾ L L du fait que les transducteurs 280 et 290 présentent des propriétés identiques et si le rapport des impédances transversale sur longitudinale de la couche adaptatrice 240 est équivalent à celui

7240 7150

du guide d'onde— ^≡ · La dimension de l'épaisseur de la lame adaptatrice est ajustée pour correspondre à une épaisseur d'un quart de la longueur d'onde du mode transversal d ²⁴⁰ = λγ/ . Dans les solides la vitesse de propagation du mode longitudinal est supérieure et au minimum /ï fois la vitesse de propagation du mode transversal, ce qui implique une longueur d'onde plus petite. En utilisant une fréquence d'excitation plus élevée pour le transducteur 280 émettant des ondes longitudinales, on peut choisir une fréquence de sorte que λ ⁸⁰ = A^ ⁹⁰ et ainsi la lame d'adaptation d'impédance 240 autorisera une transmission correcte aussi bien des ondes transversales que des ondes longitudinales du transducteur 280.

La figure 10 présente un schéma bloc de la chaîne d'acquisition. Ce dispositif est implémenté pour chaque transducteur, chacun propageant l'un des deux modes fondamentaux. Un générateur de signal 500 envoie une impulsion électrique dans un transducteur 540. Ce signal est également présent en entrée d'un écrêteur 510 dont le rôle est de limiter la tension maximale afin de protéger l'électronique d'amplification qui réalise une mesure sous haute impédance. L'écrêteur 510 le laisse passer vers un amplificateur 520 fournissant un signal dans le domaine temporel, l'extraction des paramètres utiles étant obtenue à l'aide d'un circuit de mesure 530 (par exemple un oscilloscope).

La figure 11 est une configuration alternative de la chaîne de mesure. Dans cette configuration, un commutateur 515 est utilisé pour connecter dans un premier temps le transducteur 540 au générateur d'impulsions 500 et dans un deuxième temps au circuit d'amplification 520. De cette manière, le signal d'excitation d'amplitude élevée ne perturbe pas l'électronique d'amplification et le signal de réception de faible amplitude. De même que précédemment, un circuit de mesure permet d'extraire les paramètres utiles à l'évaluation de l'impédance caractéristique (par exemple un oscilloscope).

Le procédé permet donc de mesurer avec une bonne résolution, en un temps bref, des impédances caractéristiques d'un matériau quelconque, par simple contact sur sa surface plane et sans le dégrader.

B. SONDES A ONDES GUIDEES DISPERSIVES

Le procédé à guide d'ondes volumiques constitue une approche assez simple et intuitive de la mesure des impédances longitudinale et transversale. Mais, il est limité à des surfaces localement homogènes et isotropes offrant un volume de mesure suffisant.

Cependant, il existe en pratique beaucoup de situations où l'impédance à caractériser se prête mal à l'usage d'ondes planes et peut par ailleurs être très faible par rapport à l'impédance du guide d'ondes. C'est déjà le cas avec la peau humaine de la figure 8 qui ne représente que 4,7% de l'impédance transversale du Plexiglas. Comme on peut le voir, la charge acoustique fait chuter le signal autour de 140 mVcc, avec une incertitude de 2 mV. L'impédance de mesure se situe ainsi entre 0,06 MRayl et 0,07 MRayl. L'effet du couplant est difficile à évaluer. Avec un guide en plexiglas de diamètre 12 mm, le même procédé appliqué à la pulpe de l'index sur un panel de 10 personnes fournit une impédance longitudinale moyenne de 767 kRayl avec une dispersion comprise entre 480 à 1100 kRayl et une impédance transversale moyenne de 100 kRayl avec une dispersion comprise entre 52 et 220 kRayl.

Les guides d'ondes à ondes dispersives peuvent être employés pour la mesure d'impédance en particulier de façon à diminuer l'impédance du guide d'onde pour la rapprocher de celle du milieu à analyser. Les guides peuvent êtres en métaux ou en plastiques, par exemple l'aluminium, le titane, le Plexiglass (Poly Méthacrylate de Méthyle) ou en Poly carbonate. En introduisant un effet dispersif, la sonde présente une impédance réduite, plus petite que sa valeur caractéristique d'un facteur 4 à 10. L'impédance du guide est alors déterminée par la vitesse de phase de l'onde dans le voisinage de l'interface.

Pour comprendre les phénomènes enjeu, nous pouvons modéliser la décroissance de la vitesse de phase d'une onde de flexion dans une pointe conique. La figure 12-(a) montre l'usinage tronqué et poli de la pointe 10 au voisinage de son extrémité 11 tandis que la figure 12-(b) donne le champ rayonné par la pointe en champ lointain. En champ lointain, la vibration à l'extrémité du cône constitue une source dipolaire. Le profil conique et le polissage de l'extrémité permettent de réduire l'impédance mécanique de rayonnement d'un facteur 4 à 10 et de la rapprocher de l'impédance longitudinale de la pulpe du doigt, ce qui permet de transférer la majeure partie de l'énergie dans le milieu et donc par la suite d'avoir un meilleur rapport signal/bruit pour l'analyse fine des variations d'impédance du milieu. La figure 12-(c) montre schématiquement une pointe selon une vue en coupe avec un matériau d'amortissement 30 remplissant un réservoir latéral 13. La figure 12-(d) montre schématiquement deux méthodes de connexion électrique permettant d'engendrer des ondes de flexion, l'une exploitant un disque PZT à polarisation uniforme 21 et connexion en série des deux condensateurs piézoélectriques formés par les deux électrodes supérieures en demi-disque et l'électrode inférieure commune, l'autre exploitant une polarisation alternée 20 par demi- disque et une excitation électrique E en parallèle des deux condensateurs piézoélectriques associés.

Près de la base du cône, la vitesse de l'onde est proche de la vitesse VT, des ondes transversales. Puis, au cours de sa propagation, la vitesse décroit en première approximation comme la vitesse du premier mode de Lamb antisymétrique Ao dans une plaque mince isotrope. On utilise l'équation de dispersion de ce mode pour décrire la vitesse de phase d'une onde dispersive A dans une pointe conique : si l'on appelle k le nombre d'onde, f ia fréquence de travail, rd le rayon de la section, VT la vitesse des ondes transversales, VL la vitesse des ondes longitudinales, et σ le coefficient de Poisson, et si kh«l, il vient:

Exemple: Prenons une pointe conique de demi-angle au sommet 2,4° et dont l'extrémité est polie de façon à réduire encore son épaisseur à 0, 1 mm, alors avec f = 600 kHz, VT = 3100 m/s, VL = 6420 m/s, σ = 0,345, nous obtenons, V _p = 5355 m/s, Vd = 763 m/s et λ = 1,27 mm. Cet exemple et notamment la formule (6) est illustrée sur la figure 13 (b).

Ayant précisé la loi de variation de la vitesse de phase au voisinage de l'extrémité d'une pointe conique, il nous faut maintenant préciser son comportement comme antenne acoustique.

1. Champ rayonné par un guide d'onde conique Soit u , une solution de l'équation de propagation en régime sinusoïdal dans le milieu dans lequel est plongé la pointe :

Au + k ² u = 0 (8) où k est fixé et désigne le vecteur d'onde : k = co/V _a .(V _a = vitesse de l'air si le milieu est par exemple un fluide et en l'occurrence de l'air) Soit G la fonction de Green solution de l'équation de propagation dans le cas d'une source ponctuelle localisée en :

AG(r ₀ - r' ) + k ² G(r ₀ - r' ) = -δ (r ₀ - r' ) (9)

Dans un problème à symétrie sphérique, et dans le cas où le point source est confondu avec l'origine des coordonnées, la solution du système d'équations (8) et (9) est :

1 c ^ikr

( _{r) =} J_fl_ (10)

4π r

un traitement mathématique du système d'équation (8) et (9) aboutit à la formulation de Kirchhoff-Sommerfeld du principe de Huyghens-Fresnel stipulant que le champ diffracté en r ₀ = (x ₀ , y ₀ ) est obtenu par sommation d'ondes sphériques G (r ₀ - r') centrées en r' = (x', 0) : u(x ₀ , y ₀ ) = ' u(x,0) ^l^ dx (H)

x= ' 0 or r Pour simplifier, le déplacement mécanique à la base du cône est choisi unitaire u (/, 0) = 1 . On tient compte du caractère progressif de l'onde et donc du fait que les sources ne sont pas synchrones en introduisant un déphasage e ^Vj associé à la source de position ( , 0) .

On tient également compte de la réduction de la section du cône et donc de l'augmentation de l'amplitude de la vibration mécanique par conservation de la quantité de mouvement en écrivant que la vibration subit un gain mécanique g (x, 0) : Où u (x, 0) est la vibration à l'extrémité du cône, u _ref la vibration à la position l^, 5 un facteur décrivant la progression du gain près de l'extrémité ; / est la longueur du cône.

Si en plus, on transforme le problème tridimensionnel en un problème bidimensionnel (en prenant par exemple une tranche du milieu, les pointes étant posées sur le chant de la tranche). Les équations (8) à (11) conduisent alors à l'intégrale de diffraction suivante:

avec _r = J(x - x ₀ ) ² +

En excitation puisée, l'intégrale (12) doit être encore transformée. On écrit tout d'abord que le signal temporel u(t) possède un spectre fréquentiel U (ω ) = Ε (ω )Ηβ (ω ) donné par sa transformée de Fourier. Ε[ω ) est la transformée de Fourier de l'excitation électrique et He(co ) , la transformée de Fourier de la réponse impulsionnelle électroacoustique de l'élément piézoélectrique (supposé plus large bande que Ε[ω ) ). Réciproquement, lorsque l'on connaît U(a>) on peut remonter à la réponse temporelle du signal. On a alors :

En tenant compte de la diffraction, nous obtenons la forme générale spatio-temporelle du champ rayonné :

où Re désigne la partie réelle de l'intégrale double.

En mode rafale, le spectre U(co) est très sélectif autour de la fréquence d'excitation. On

'approxime par une distribution de Dirac centrée à la fréquence d'excitation ω ,

Prise en compte de l'onde réfléchie à l'extrémité du cône émetteur

Un phénomène important dans le procédé de mesure d'impédance est la prise en compte de la réflexion de l'onde incidente à l'extrémité du guide. Lorsque la pointe est libre et baigne dans l'air ambiant le mécanisme est simple car la réflexion s'opère sans changement de phase et vaut pratiquement +1.

Le champ réfracté dans le milieu en prenant en compte l'onde réfléchie dans le cône et la vitesse de phase v dans le cône émetteur en duralumin vaut :

La vitesse de phase de la formule (16) est modifiée par rapport à la formule (6) pour tenir compte du fait que le cône est tronqué et que la vitesse de phase n'est pas nulle lorsque l'on est à l'extrémité du cône (x=0). Par ailleurs, un cône peut être localement aplani à son extrémité par polissage. Son angle d'ouverture est alors localement modifié dans la zone de polissage. Ce traitement n'est intéressant que pour rayonner de l'énergie dans des milieux gazeux caractérisés par une faible vitesse de propagation des ondes. Il faut alors polir la pointe de façon à ce que la vitesse de phase se rapproche de celle du gaz.

Lorsque l'on s'intéresse au derme 64 ou à l'eau 66, il peut arriver que la vitesse de phase dans la pointe soit inférieure à celle des ondes réfractées. L'onde de flexion A ne peut alors plus rayonner dans le milieu et il faut enfoncer la pointe jusqu'à ce que sa vitesse de phase dépasse de nouveau celle du milieu.

La figure 13 illustre une modélisation de la propagation dispersive d'une onde de flexion dans un cône 10 en duralumin à 600 kHz. La modélisation suppose l'émission d'un paquet d'ondes avec réflexion à l'extrémité 11 du cône et interférence entre le paquet d'ondes incident et le paquet d'ondes réfléchi.

Plus particulièrement, cette figure illustre : Fig 13(a) : vitesse de phase expérimentale déduite des distances entre maxima = demi- longueur d'onde ;

- Fig 13(b) : vitesse de phase théorique du mode de Lamb A0 dans une plaque en Duralumin dont la section diminue linéairement selon le même angle Θ que le cône. - Fig 13(c): exemple de réalisation d'un transducteur à ondes de flexion large bande incorporant un guide d'onde conique 10 et construit à partir d'un disque PZT à polarisation alternée 20. La réponse impulsionnelle du disque est amortie via un réservoir annulaire 13 rempli de polymère chargé à saturation de poudre de tungstène 30.

- Fig 13(d) : Signaux temporels des vitesses de vibrations Vibl et Vib2 mesurées perpendiculairement à l'extrémité plate de la pointe 11 et à 4,5 mm en amont de l'extrémité, pour une impulsion électrique de 20 Vcc constituée d'une rafale de 5 périodes carrées à 700 kHz.

- Fig 13(e) : Amplitudes crête à crête des vitesses de vibration par scan à l'aide d'un vibromètre Laser le long de la pointe, perpendiculairement à l'extrémité plate sous les mêmes conditions que précédemment.

- Fig 13(f) : Modélisation du rayonnement dans l'air, très près de la génératrice (à 0, 1 mm), sans onde réfléchie (trait en pointillés) et avec onde réfléchie (trait plein).

Comme le montre le graphe (b) de la figure 13, la vitesse de phase dans la pointe est de 1500 m/s pour un diamètre de section de 0,4 mm ce qui est atteint à 4,8 mm de distance de l'extrémité d'une pointe conique parfaite (d'angle au sommet 4,8°). Il faut donc enfoncer une pointe de plusieurs millimètres dans l'eau pour annuler totalement l'écho à l'intérieur de la pointe.

La prise en compte de l'onde réfléchie est illustrée sur le graphe (f) de la figure 13. Sur ce même graphe, l'absence d'onde réfléchie, donne la courbe en pointillés. En outre, en présence d'ondes réfléchies, il apparaît un phénomène d'interférences bien rendu par la mesure expérimentale (graphe (e) de la figure 13). Selon la formule (17), la distance entre les minima est donnée par la condition : Elle correspond à une demi-longueur d'onde locale dans le

cône.

La figure 14 illustre un calcul de l'angle de réfraction des ondes longitudinales dans l'échantillon en fonction de la vitesse de phase dans la pointe. Le milieu est ici directement l'air 67 c'est-à-dire l'impédance la plus faible. L'angle de réfraction est alors le plus proche de la perpendiculaire à la génératrice Ng du cône, il vaut 14° par rapport à la génératrice du cône pour un cône en duralumin de demi-angle au sommet 2.4° ayant une vitesse de dispersion théorique selon le graphe (b) de la figure 13 qui lui confère une vitesse de phase voisine de 800 m/s à son extrémité 11.

En conclusion, l'angle de réfraction est d'autant plus grand (i.e. dirigé vers l'axe de la pointe) que l'impédance du milieu sera plus élevée ou que la section de la pointe est plus petite (Cf. Fig. l4-(a)). Ainsi, pour de l'eau, l'angle d'émission peut atteindre 90° lorsque la vitesse de phase est inférieure ou égale à de la vitesse de propagation des ondes dans l'eau, tandis qu'il vaut environ 14°, lorsqu'une pointe en duralumin a un angle au sommet de 4,8°, que la fréquence d'excitation est de 600 kHz, que son diamètre à son extrémité tronqué vaut 0,4 mm et qu'elle baigne dans l'air. C'est ce que montre la figure 14-(b) : l'onde progressive dans le cône perd de son énergie du fait du rayonnement.

La figure 15 illustre un bipode 89 à ondes de flexion, intégré dans une structure porteuse en plastique fritté assurant, d'une part, une isolation acoustique entre les guides, d'autre part, permettant de saisir manuellement l'ensemble sans perturber la propagation dans les guides, enfin de manipuler simplement l'ensemble à la façon d'un gros stylo que l'on met en contact avec l'échantillon, ici de l'eau 66. Les guides d'ondes métalliques sont fixés (43, 44) sur la structure porteuse très amortissante pour les ondes de flexion. La structure est réalisée par prototypage rapide en polymère fritté type PolyAmide PA12. Les pointes coniques ont une géométrie en T (10, 12) et sont maintenues sur leur pourtour par insertion en force dans la structure porteuse assurant un double maintien sur la périphérie de la pointe au niveau de la base du cône et typiquement à 20 mm en amont de l'extrémité 11, de façon à ne pas amortir la vibration en tenant les pointes trop près de leur extrémité. Le chemin acoustique dans la structure porteuse nécessite un temps de transit supérieur à celui qui consiste à transiter par les guides coniques et par l'échantillon. La distance e entre les extrémités des pointes est ajustée en fonction du matériau à sonder. Elle est typiquement de 5 mm pour un pentapode en usage mixte (échographe ou vélocimètre) et pour un matériau élastique ayant une vitesse transversale comprise entre 500 m/s et 3000 m/s, mais beaucoup moins, environ 0,5 mm pour les matériaux de faible épaisseur ou viscoélastiques diffusants, dont il faut déceler des petites variations localisées d'impédance. La distance pourra être augmentée à 10 mm, si l'on cherche à analyser des matériaux relativement élastiques, homogènes en surface, mais présentant des variations d'impédance en profondeur ou également si l'on souhaite disposer d'une bonne résolution en mode vélocimètre. La vitesse de phase des ondes de flexion au voisinage de leur extrémité est proche 800 m/s pour l'aluminium, ce qui permet une très bonne insertion des ondes dans le derme et dans les silicones et un rayonnement vers l'avant d'un faisceau longitudinal, proche de 90° (i.e. presque parallèle à l'axe principal de la pointe). L'espacement et l'inclinaison des pointes est donc optimal pour une certaine épaisseur d'échantillon comme illustré sur les figures 15 (a) et (c). Les pointes débouchent de la structure porteuse en ne dépassant que de très peu, environ 0,5 mm, de façon à ce que la structure porteuse serve également d'appui et évite d'endommager ou blesser le milieu sondé, en particulier s'il s'agit du derme. La sonde peut alors être glissée ou déplacée point par point (pixel par pixel) à la surface du matériau d'épreuve. Dans cette configuration, ce dernier doit être sec et propre de façon à ne pas polluer les pointes, en particulier combler les vides entre les pointes et la structure porteuse ce qui engendrerait des erreurs de mesure. Les images ainsi constituées sont des C-Scans, c'est-à-dire qu'il est possible de regarder de plus en plus en profondeur du matériau d'étude selon que l'on regarde la tête ou plus à l'intérieur du paquet d'ondes. Les pointes ont une longueur typique de 85 mm, pour un diamètre de base de 6,6 mm (demi-angle au sommet de 2.4°) ce qui correspond à une fréquence de travail de 600 kHz. Les images peuvent être des images d'amplitude ou de phase (en particulier on fait une cartographie en prenant un passage à zéro particulier du paquet d'ondes et on regarde comment évolue le passage à zéro en fonction du milieu sondé lors d'un déplacement latéral du bipode). Il y a donc tout intérêt à rapprocher les pointes au plus près l'une de l'autre lorsque l'on fait une cartographie de phase.

Une technique de mesure consiste à utiliser une seconde pointe disposée à côté de la première à la distance e comme illustré sur la figure 15 (c). L'échantillon est caractérisé par son épaisseur x et l'onde réfractée par la pointe se réfléchit sur la face arrière de l'échantillon. Plus l'échantillon est épais et plus il faut espacer les pointes pour trouver le signal réfracté maximal comme indiqué sur la figure 15(a). La figure 15-(b) montre la vitesse de phase au voisinage de l'extrémité d'une pointe conique non polie, en duralumin, pour un angle au sommet de 4,8° et une extrémité 14 tronquée lorsque le diamètre vaut 0,4 mm. Lorsque l'on réalise une cartographie d'amplitude, il peut être avantageux d'exploiter un tripode ou sonde à trois pointes coniques, comprenant une pointe émettrice au centre et deux pointes réceptrices alignées avec la pointe émettrice, à égales distances de celle-ci et toutes orientées de façon à ce que leurs axes de vibration soient colinéaires. Cette configuration est dite longitudinale ou de Rayleigh car la pointe émettrice pousse la matière en direction des pointes réceptrices. Si le milieu n'est pas homogène, les variations d'homogénéités peuvent être mesurées via les deux pointes réceptrices qui fournissent normalement des signaux opposés en phase. Il suffit alors d'ajouter ces signaux pour obtenir un signal de réception minimal dont l'amplitude variera substantiellement avec les variations locales d'impédance du milieu. L'écho à l'intérieur de la pointe émettrice renseigne sur l'impédance moyenne de charge, tandis que la mesure différentielle renseigne sur les fluctuations d'impédance longitudinale dans le matériau (car l'onde doit se propager parallèlement à la surface du matériau d'épreuve).

Pour mesurer une vitesse de cisaillement, il suffit de tourner les pointes de 90°. On détecte alors des vibrations transverses horizontales (Fig. 16 (e)). Ces vitesses sont particulièrement basses dans les matériaux viscoélastiques diffusants tels les tissus organiques et les temps de transit entre deux pointes espacées de 1 mm peuvent atteindre 0,3 milliseconde. Les pointes sont donc rapprochées autant que possible, par exemple à 0,5 mm l'une de l'autre, et la fréquence de travail est abaissée au minimum de la bande passante du transducteur, un compromis pouvant être trouvé entre 20 kHz et 600 kHz.

Différentes configurations de transducteurs à pointes sont donc possibles selon que l'on souhaite mesurer une impédance longitudinale ou de cisaillement ou réaliser une cartographie d'impédance de cisaillement en surface ou en profondeur.

La figure 16 donne des variantes de sondes pour la mesure d'impédance en fonction de l'application désirée : a) Pénétration dans un échantillon 63, mou, en fusion, de la pointe ayant une extrémité 16 très fine jusqu'à réduction de l'écho Ar de 75% et éventuellement pour les plaques, réfraction et ajustement de la position de la pointe réceptrice tronquée 14 jusqu'à détection du signal maximum. Puis, déduction de l'angle du maximum de réfraction et/ou de la profondeur de pénétration dans le milieu de l'impédance longitudinale du milieu.

Rayonnement dans le milieu par enfoncement d'une pointe émettrice 16, jusqu'à annulation ou atténuation du coefficient de réflexion A _r à l'intérieur de la pointe émettrice à une valeur de consigne, par exemple A _r = 25%. Les pointes sont munies de transducteurs disques PZT 20 à polarisation alternée par demi-disque, notée (P,-P), collés sur la base. Les faces d'un disque PZT sont recouvertes d'une pâte soudable. La base du cône de hauteur typique 80 mm et d'angle au sommet 4,8° est entourée d'un réservoir 13 usiné dans le cône, à parois minces, typiquement 0,2 à 0,5 mm, rempli d'un amortisseur 30, par exemple de la poudre métallique frittée. Dans le cas où il faudrait travailler à température élevée, la poudre est par exemple un métal réfractaire, par exemple du tungstène, et le cône en Inconel. Pour des usages à température ambiante et au contact des aliments ou du derme, le cône est en alliage d'aluminium ou en inox ou en platine et la poudre est agrégée par un liant polymère chargé à saturation jusqu'à atteindre une densité d'au moins 5. La hauteur de remplissage du réservoir 13 est typiquement de 2 mm. Les céramiques PZT sont typiquement des PZ29 ou PZ27 (références de la société Ferroperm située au Danemark). A température de fonctionnement élevée on choisira des PZ46 pour un fonctionnement jusqu'à 550°C. Le réservoir peut également être parcouru sur sa paroi interne par un enroulement consistant en un conduit dans lequel circule un fluide caloporteur 70 par exemple de l'eau ayant pour effet de maintenir la céramique PZT à une température inférieure à sa température de Curie. L'extrémité 16 d'une pointe en Inconel peut alors être portée à une température avoisinant les 1000°C allant au contact d'une plaque en fonte en cours de refroidissement, tandis que la base des cônes est maintenue à une température inférieure à 550°C. La pointe réceptrice est éloignée de la pointe émettrice, jusqu'à atteindre un espacement e(max) correspondant à un signal d'amplitude maximal, réfracté et réfléchi sur la face arrière du milieu semi-solide multiphase. La courbe d'amplitude du signal reçu en fonction de l'espacement inter pointe correspond à un certain profil de vitesse associée et donc de phase cristalline dans l'épaisseur du matériau. Après refroidissement complet et analyse cristallographique a posteriori du matériau dans son épaisseur, on parvient à des abaques permettant de relier, pour un mélange donné, un profil de phase ou d'impédance à une courbe d'amplitude- espacement inter-pointe. Procédé basé sur la modification des conditions de réflexion à l'extrémité 14 d'une sonde 88 à pointe conique tronquée, non immergée mais en contact et chargée par l'impédance longitudinale de l'échantillon dur 60 et donc sur le déplacement des nœuds d'interférence en fonction de l'impédance de charge Z2. Il peut mettre en œuvre un scan de la génératrice par vibromètre laser pour mesurer la position des nœuds ou une mesure du déplacement du passage à zéro d'un écho à l'intérieure de la pointe émettrice.

A température ambiante, on peut déterminer l'impédance de l'échantillon à partir d'une impédance de rayonnement donnée correspondant à une pointe tronquée 14 et la position des nœuds d'interférence au voisinage de l'extrémité. Lorsque la pointe est libre, l'extrémité vibre selon un ventre de vibration, tandis que lorsque la pointe est bloquée, chargée par une impédance bien supérieure, il y a un nœud de vibrations. Entre ces deux extrêmes, la pointe peut être chargée d'abord par une impédance de référence Zref et produire un premier nœud de vibration à une certaine distance de l'extrémité. Lorsque l'on remplace l'impédance de référence par une impédance inconnue Z ₂ , le nœud se déplace. Ce déplacement peut être physiquement constaté à l'aide d'un vibromètre laser réalisant un scan de la génératrice du cône. Il peut également être déduit du déphasage du signal électrique de l'écho de pointe. On établit alors une correspondance entre l'impédance du milieu et une table de décalage d'un ou plusieurs minima ou déphasage d'un ou plusieurs points de référence du signal électrique écho, par exemple de décalage d'un passage à zéro. c) Sonde 87 à extrémité fine 15 permettant d'obtenir une cartographie basée sur l'analyse d'écho à force d'appui (F) constante sur une surface dure 3D 61.

Lorsqu'un échantillon a un profil courbe très chahuté, on peut lui associer une impédance de rayonnement d'autant plus faible que la surface est plus convexe (pointue). L'utilisation d'une pointe très effilée 15 à faible impédance de rayonnement permet de transférer plus ou moins bien l'énergie dans l'objet en fonction du rayon de courbure local de l'objet (concave ou convexe). Une cartographie d'amplitude du premier écho réalisée à force d'appui F constante fournit une image d'impédance de rayonnement de surface du matériau. Dans un tel cas de figure, les variations d'impédance sont faibles, la maîtrise de la force d'appui est donc critique. d) Procédé de mesure de vitesse longitudinale VL2 ou de Rayleigh (VR) dans un milieu viscolélastique 61 et cartographie basée sur la perturbation du rayonnement longitudinal ou de Rayleigh.

Le montage précédent 87 peut être utilisé pour une analyse en profondeur avec un bipode. Si l'axe de vibration de la pointe émettrice 10 est colinéaire à l'axe de sensibilité de la pointe réceptrice (Fig. 16-d), le dispositif met en œuvre des ondes de Rayleigh ou longitudinales dans le plan des pointes, et en maintenant les deux pointes à une distance constante, par exemple 1 mm, et une force d'appui F constante, par exemple 1 Newton, on réalise un scan de la surface avec une période d'échantillonnage spatiale inférieure ou égale à une demi-longueur d'onde dans le milieu, soit typiquement 1 à 2 mm. Des variations d'impédance du milieu à des profondeurs différentes peuvent ensuite être visualisées par C-Scan (visualisation d'une cartographie montrant l'amplitude du signal à des tranches de temps différents dans le paquet d'ondes). Les pointes sont orientées de façon à ce que les axes de vibration selon leur mode de flexion soient colinéaires. e) Procédé de mesure de vitesse transversale d'un échantillon 62 apte à les propager, à partir de la génération et détection d'ondes transverses horizontales.

Le montage précédent peut être reproduit à une différence près, les pointes sont tournées de 90° par rapport à leur axe principal, de sorte que la direction de vibration/sensibilité maximale est perpendiculaire au segment qui relie les extrémités 14. Le montage est alors apte à engendrer et détecter des ondes transverses horizontales si le milieu 62 le permet. Le couplage entre les pointes donne accès à une vitesse de propagation transverse horizontale dans le milieu. L'espacement entre les pointes est constant ainsi que les forces d'appui F. Un tel montage est aussi intéressant pour déceler des fissures jointives. Cette configuration peut en outre être utilisée pour caractériser des milieux viscoélastiques diffusants tels les tissus organiques vivants. La mesure consiste à partir de pointes jointives et de les éloigner par petits pas, typiquement de 10 μπι. On mesure alors le déphasage et la constante d'amortissement de l'onde de cisaillement que l'on peut comparer à la courbe de décroissance d'une onde de cisaillement dans un solide élastique. Lorsque l'on part de pointes jointives, la vitesse des ondes de cisaillement peut être calculée par mesure de déphasage sur une très courte distance de l'ordre de 100 μπι. Dans un tel cas de figure, le rapprochement ou l'éloignement calibré des pointes peut être réalisé simplement par une vis de serrage traversant la structure porteuse illustrée à la figure 15 réalisant un quart de tour.

La figure 17 illustre un pentapode en mode échographique selon un mode de réalisation. Selon le milieu sondé, la distance entre la pointe centrale et les pointes périphériques varie de 0,5 mm à 5 mm. Cette configuration est particulièrement intéressante en pratique car, le fait d'exciter les pointes émettrices (Ex-, Ex+, Ey-,Ey+) sont excitées de façon à annuler le signal au centre pour les configurations longitudinale 1 et transversale 2, ou à doubler le signal au centre pour les configurations longitudinale 3 et transversale 4. Un pentapode peut être fermé et rendu étanche par une membrane épaisse en silicone d'épaisseur 0,5 mm à 1 mm avec transfert total des ondes des pointes vers la membrane puis de la membrane vers l'échantillon (non représenté). Les pointes émettrices immergées dans la membrane siliconée réfractent dans le milieu selon un angle très pénétrant. Dans cette configuration, le pentapode ne risque pas d'être souillé et peut être mis au contact de la peau, recouverte d'un gel assurant le glissement et un bon couplage acoustique de la sonde. Les quatre sondes émettrices exploitent toutes un disque piézoélectrique à quatre quadrants 22 ; elles peuvent basculer électroniquement d'une configuration de cisaillement à une configuration longitudinale. Une configuration mixte (a) peut également être envisagée combinant des émissions longitudinales 3 et de cisaillement 4 en simultanée.

La Figure 17 donne la configuration d'un dispositif à 5 pointes combinant une pointe centrale fonctionnant en mode réception R et dont la directivité est programmable au moyen du disque PZT 22 à quatre quadrants équipant sa base. Deux autres paires de pointes sont alignées avec la pointe centrale et sont disposées en quadrature de façon à occuper les sommets d'un carré. Ces pointes fonctionnent en émetteurs et sont également équipées de disques PZT 22 à quatre quadrants aptes à faire vibrer les pointes selon une direction principale programmable électroniquement. On relève trois configurations particulières. Dans la configuration (e), les vibrations des pointes émettrices sont tangentes au cercle passant par les sommets du carré et orientées toutes dans le sens direct (ou indirect). Les signaux (Ex-,Ex+) sont déphasés de 90° par rapport aux signaux (Ey-,Ey+). Cette configuration est optimisée pour l'émission / réception d'ondes de cisaillements. La pointe centrale exploite ses quatre électrodes pour constituer deux signaux RI et R2 correspondant à des axes de sensibilité en quadrature. Dans la configuration (b), les vibrations des pointes émettrices sont perpendiculaires au cercle et antisymétriques par rapport au centre du cercle. Les signaux longitudinaux ou de Rayleigh sont émis en direction du centre et s'annulent au centre s'ils sont émis en opposition de phase 3. Sinon ils s'ajoutent s'ils sont en phase 1. Les paires sont là aussi excitées en quadrature (une paire par rapport à l'autre). Le récepteur central reste dans la même configuration avec ses signaux RI et R2 que l'on somme. La configuration (a) est dite mixte. Deux émetteurs d'une paire vibrent dans des directions tangentes au cercle de façon symétrique 4 par rapport au point central et engendrent une onde de cisaillement, tandis que les deux autres émetteurs d'une autre paire vibrent dans une direction perpendiculaire au cercle, de façon antisymétrique 3 par rapport au point central. Cette configuration se rapproche dans son esprit de l'élastographie impulsionnelle à onde de flexion basse fréquence (50 à 200 Hz) se propageant dans un tissu viscoélastique, révélée par des ondes ultrasonore longitudinales haute fréquence (3 à 5 MHz) illuminant le milieu dans lequel se propage l'onde de cisaillement. Néanmoins, dans le cas de la présente invention, les deux pointes responsables de la génération de l'onde de cisaillement fonctionnent à une fréquence ultrasonore comprise entre 20 kHz et 600 kHz. La configuration (a) permet ainsi d'accéder aux vitesses et impédances longitudinale et transversale ainsi que d'illuminer l'échantillon de différentes façons. Ce processus peut être suivi dans le temps, alors que les pointes sont préalablement chauffées, par exemple à une température de 50°C et qu'elles sont mises en contact avec le milieu. La diffusion de la chaleur dans le milieu change alors l'élasticité du milieu d'une façon qui diffère selon l'onde fondamentale considérée.

C. SONDE VÉLOCIMÉTRIQUE LOCALE. 1. Temps de transit différentiel

Un bipode 89 peut fonctionner également en sonde vélocimétrique locale comme indiqué sur la figure 18.

Cette figure 18 illustre une application de l'impédancemètre bipode en sonde vélocimétrique 89 à mesure alternée : les deux guides d'onde 10 fonctionnent alternativement en émetteur puis en récepteur. Le temps de transit pour remonter le flux sanguin est supérieur au temps de transit pour descendre le flux sanguin. Le temps de transit différentiel est proportionnel à la vitesse du sang. La mesure par contact nécessite une mesure de temps très précise, avec une résolution inférieure au dixième de nanoseconde. L'usage de sondes ponctuelles haute fréquence (2 à 3 MHz) constituées de pointes coniques de diamètre de base 2 mm et hauteur 25 mm en combinaison avec des composants temps-numérique (ou TDC : Time to Digital Converter, en anglais) est ici avantageux pour réaliser des contrôles locaux, en particulier sur le réseau veineux. Par ailleurs, la cadence de mesure doit être élevée autour de 1000 mesures par seconde afin de pouvoir moyenner les mesures et aussi d'éviter que les dimensions changent entre une mesure amont et une mesure aval. Il peut être avantageux alors d'exploiter un tripode, les trois sondes étant alignées avec la veine et la sonde émettrice disposée au centre. Les axes de vibration sont colinéaires et alignés avec la direction de la veine. La mesure différentielle amont - aval est ainsi simultanée, ce qui permet d'éviter les erreurs liées aux variations dimensionnelles générées par les variations locales de pression et gonflement de la veine.

Les deux transducteurs mettent en œuvre le principe de mesure par temps de transit différentiel. Ils fonctionnent alternativement en émetteur et en récepteur. Une onde acoustique longitudinale réfracte dans le derme, pénètre dans une veine et descend ou remonte le flux sanguin. Elle subit un déphasage positif ou négatif selon le trajet emprunté dont l'amplitude dépendra du chemin parcouru et de la vitesse du sang.

Application : Soit Vf la vitesse du flux sanguin et Ve=la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans le sang (que l'on prend égal à celle de l'eau).

Espacement des pointes et longueur du trajet parcouru dans la veine : e = 5 mm Temps de transit amont : Il est constitué du temps de transit dans le derme pour atteindre la veine Tderme, cumulé du temps de transit dans la veine T™ _P dans le sens amont, cumulé du temps de transit dans le derme Tderme pour remonter à la pointe réceptrice.

Temps de transit aval : Il est constitué du temps de transit dans le derme Tderme et dans la veine T _v down dans le sens aval.

Le temps de transit amont dans la veine intervient dans la relation : e = (V-Vf)Tvu _P

Le temps de transit aval dans la veine intervient dans la relation : e = (V+Vf)T _v down. En combinant les deux temps on obtient :

ΔΤ = T.,

(V _e - V _f ) (V _{e +} V _f ) v _f ^■ At (17)

2e

Application numérique : Ve = 1500 m/s; e = 5 mm, Δΐ = 0, 1 ns ; Vf = 2 cm/s

A titre de comparaison, la vitesse moyenne du sang dans les artères est de :

Aorte : 40 cm/s

Artères : 10 - 40 cm/s

Artérioles : 0, 1 - 10 cm/s

Capillaires : < 0, 1 cm/s

Veinules : < 0,3 cm/s

Veines : 0,3 - 5 cm/s

Veine cave : 5 - 20 cm/s

Comme on peut le voir, la vélocimétrie par temps de transit différentiel ne permet pas d'atteindre une résolution suffisante pour détecter le flux sanguin dans les veinules. En outre, les variations dimensionnelles du fait de la déformation de la peau peuvent entacher la mesure d'erreurs, surtout lorsqu'elle est réalisée par alternance amont-aval et que la cadence de mesure est trop faible par rapport aux variations dimensionnelles (une variation dimensionnelle de 1 mm par seconde engendre une variation de temps de transit de l'ordre de 0,6 ns entre un tir amont et un tir aval (pour une cadence de 1000 tirs /s). Il est alors avantageux de recourir à un tripode, soit trois sondes alignées avec la veine, la sonde émettnce étant au centre et à égale distance des sondes réceptrices. Les axes de vibration sont colinéaires et alignés avec la direction de la veine. La mesure amont est ainsi réalisée simultanément de la mesure aval, ce qui permet d'éviter les erreurs liées aux variations dimensionnelles liées aux variations locales de pression. Par ailleurs, avec une sonde fonctionnant en permanence en mode émetteur et deux sondes fonctionnant en permanence en mode récepteur, il n'y a plus de bruit de commutation lié à l'électronique de commande. Enfin, si le milieu est diffusant, ce qui est le cas des hématies contenues dans le sang, le signal temporel peut rendre compte d'un profil de vitesse selon le passage à zéro considéré (vitesse près de la surface pour la tête du paquet d'ondes et de plus en plus en profondeur pour la queue du paquet d'ondes). La figure 18 donne en outre un exemple de réalisation selon une vue en coupe, du support des pointes coniques. Ce support est préférentiellement réalisé en métal ou plastique firitté. L'intérêt est un amortissement partiel des ondes dans la structure frittée ne nécessitant plus de recourir à un réservoir 13 latéral d'amortissement de la résonance des céramiques. Cette structure est également conçue pour éviter un court-circuit acoustique entre la pointe émettrice et la pointe réceptrice. En effet, le chemin acoustique pour aller de la base du cône émetteur à la base du cône récepteur nécessite un temps de transit beaucoup plus long en passant par la structure que par les pointes et l'échantillon. Une telle structure est réalisable par prototypage rapide 3D, par stéréo lithographie de poudre, par exemple en matériau polyamide PA12 ("DuraForm ® PA Plastic," 2013, "Ensinger," 2013) présentant une taille de grain moyen de 58 μπι avec une dispersion 25 μπι-92 μπι représentant 90% des particules. Les pointes sont en forme de T et sont maintenues latéralement en deux endroits, l'un 43 sur une étendue zl situé au niveau de la base sur une longueur de 5 à 50 mm et l'autre 44 environ 20 mm avant l'extrémité sur une longueur très courte de l'ordre du millimètre. Elles sont insérées en force dans la structure porteuse. Dans la zone de contact avec le derme 64, la structure porteuse sert de contre appui et normalise le contact entre les pointes et le derme. La structure porteuse séparant les deux pointes présente un retrait de 1 à 2 mm permettant d'éviter tout contact avec le derme. Les pointes dépassent ainsi d'une courte extrémité, environ 0,5 mm que l'on nomme la profondeur d'appui PA et sont distantes d'environ 5 mm. Le diamètre de base des pointes est de 6,6 mm et leur hauteur de 85 mm. Les collerettes 12 au niveau de la base ont une épaisseur faible, voisine de 0,5 mm. La collerette a un diamètre externe d'environ 10 mm. Sa face externe ne vient pas à fleur de la base du cône, mais présente un retrait d'environ 1 mm, ce qui permet à la céramique PZT à polarisation alternée 20 de construire une résonance principale radialement à la fréquence de 600 kHz. Une fois les pointes coniques insérées en force, les faces externes des céramiques sont connectées à la partie centrale des connecteurs coaxiaux 46 et 47 de type subvis ou subclic montés sur un capuchon 45, tandis que la tresse des câbles coaxiaux est connectée via ces connecteurs aux collerettes 12 et constitue la masse électrique. La face interne du capuchon et de la structure porteuse peuvent éventuellement être métallisées pour constituer un blindage électrique.

Vélocimètre à pointe à effet Doppler puisé

Les sondes à guide d'ondes conique 10 peuvent également être utilisées en vélocimétrie Doppler continue ou puisée.

La figure 19 illustre l'usage d'un transducteur à pointes en vélocimétrie Doppler puisée. L'extrémité 14 de la pointe conique en Duralumin est tronquée au diamètre 0.4 mm et légèrement pressée contre le derme 65 de façon à ce que le derme entoure la pointe sur une profondeur d'au moins 1 millimètre. L'onde dispersive réfracte les champs 6 et 7 dans le derme avec une amplitude maximale selon les angles al et a2 par rapport à l'axe de la pointe qui disperse l'angle Doppler entre les extrêmes Θ 1 et Θ2. En choisissant une vitesse de phase égale à celle des ondes longitudinales du milieu, on diminue la dispersion de l'angle Doppler.

La formule donnant la vitesse Vf du liquide est :

Pour la même fréquence Doppler fd, il apparaît une légère dispersion des vitesses mesurées comprises entre deux extrêmes Vn et \¾. La dispersion est d'autant plus grande que les angles de réfraction i et a ₂ des champs acoustiques 6 et 7 sont plus élevés. En principe, les angles ai et a ₂ devraient être identiques, mais la réflexion à l'interface épiderme/air augmente ai (et donc diminue θι). Il est donc approprié de choisir une pointe dont la vitesse de phase Vd à l'extrémité est légèrement supérieure et très voisine de la vitesse de propagation dans le derme et en général dans le fluide diffusant inspecté. Les angles ai et a ₂ sont alors proches et faibles, ce qui réduit la dispersion de l'angle Doppler. On utilise une pointe unique 10 avec son réservoir périphérique 13 et une céramique PZT (PZ27 ou PZ29) 20 ou 21 à polarisation uniforme, mais dont l'électrode externe est divisée en deux demi-disques portés respectivement à une phase électrique Burst(t) et sont opposée logique. La rafale Burst est constituée d'une rafale de 5 créneaux d'amplitude 0 à 100 V. L'excitation E(t) à deux phases opposées engendre ainsi l'onde de flexion. Après émission de la rafale, le transducteur est commuté en mode récepteur R(t). L'une des électrodes externes en forme de demi-disque est alors mise à la masse tandis que l'autre vient en entrée d'un amplificateur transimpédance.

Le reste est conforme à une mesure Doppler classique (à transducteur plan sans guide d'onde dispersif). En particulier, en Vélocimétrie Doppler, la Durée d'une rafale « Burst » est plutôt longue, en particulier quand il s'agit de mesurer les faibles vitesses, ce qui va bien avec la longueur du guide d'onde et sa réponse large bande. Une cadence de mesure (ou PRF = Puise Répétition Frequency) de 1 kHz est un bon compromis entre résolution et étendue de mesure. La résolution latérale est très bonne et comparable à la dimension de la pointe, ce qui est le principal avantage du dispositif avec sa capacité à fonctionner à température d'interface élevée.

3. Sonde Anémométrique angulaire

La structure porteuse 89 en plastique granulaire de la figure 18, peut être modifiée pour constituer un pentapode à barillet de 5 pointes.

La figure 20 illustre cet exemple d'usage d'un pentapode en vélocimètre directionnel selon une configuration avec une pointe 16 émettrice centrale E vibrant en mode de précession et 4 pointes 11 réceptrices Rx-, Rx+, Ry-, Ry+ périphériques sensibles aux modes de flexion. La pointe à précession a une extrémité 16 ronde, la plus fine possible (diamètre voisin de 0.1 mm affiné par polissage) et propage une combinaison de deux modes de flexion à 90°. La vibration est obtenue à l'aide d'une céramique PZT polarisée uniformément 22, divisée sur sa face supérieure en 4 électrodes couvrant chacune 1 quadrant et une électrode formant un disque plein sur sa face inférieure. Les électrodes supérieures fonctionnent par paires opposées par le centre. Chaque électrode d'une paire reçoit une phase électrique consistant en une rafale appelée Burst (cot) pour une électrode et son inverse logique pour l'autre. L'autre paire est déphasée de π/2 et comprend une électrode portée à la tension Burst(cot-7t/2) ou ω est la pulsion angulaire et une autre électrode portée à son inverse logique. La fonction Burst est une rafale un certain nombre de créneaux, 5 de façon privilégiée. Les Burst commutent entre deux tensions 0-100 Vcc et sont caractérisés par un temps de montée et de descente extrêmement stables et courts de l'ordre de quelques nanosecondes. La céramique a typiquement un diamètre de 6.6 mm, une épaisseur de 0,2 mm, une fréquence centrale de 600 kHz et est réalisée par exemple en PZ27 ou PZ29 (Ferroperm, Danemark). Les pointes sont réalisées dans un matériau métallique à faible densité (par exemple en alliage d'aluminium). La pointe centrale a une longueur de 85 mm, un diamètre de base de 6,6 mm, un anneau réservoir 13 à parois minces, d'épaisseur 0,4 mm, de hauteur 5 mm et de diamètre 20 mm, rempli de résine époxy chargée à saturation en poudre de tungstène 13 jusqu'à atteindre une densité d'au moins 5 g/cm3. Les extrémités 11 des pointes périphériques sont aplanies par polissage, la normale au plan de polissage étant dirigée vers la pointe centrale. Ceci a pour effet d'augmenter le couplage aérien entre la pointe émettrice et les pointes réceptrices et la directionalité des pointes réceptrices. Les pointes réceptrices n'ont pas besoin d'être amorties comme la pointe émettrice, elles sont simplement insérées en force dans la structure porteuse en plastique fritté 40 qui amortit déjà partiellement leur résonance et ceci d'autant plus qu'elle est réalisée par frittage de poudre plastique et qu'elle est chauffée par exemple à une température de 50°C. Elles ont une simple géométrie conique en T. Leur céramique 21, de type PZT, présente une électrode supérieure divisée en deux demi-disques et une amplification différentielle de 90 dB est effectuée entre ces deux demi-électrodes, autour de la fréquence centrale de 600 kHz. L'électrode inférieure est pleine et constitue une masse virtuelle. En variante, avec une céramique 20, les électrodes supérieures sont à polarisation alternée puis connectées électriquement, tandis que l'électrode inférieure constitue la masse électrique. Ceci augmente les charges électriques disponibles et donc le rapport signal/bruit dans le cas d'une amplification transimpédance. Une détection de passage à zéro à l'aide d'un comparateur ultrarapide (le temps de commutation 10%-90% est de l'ordre de la nanoseconde) est réalisée sur le signal électrique amplifié. Pour la mesure temporelle la plus stable, on choisit le passage à zéro correspondant à l'amplitude maximale. Cette configuration permet d'atteindre une cadence de mesure de 1000 tirs par seconde et une résolution temporelle de l'ordre de la nanoseconde (dans l'air) ce qui fixe le seuil de détection à environ 1 cm/s par axe dans l'air à 340 m/s (25°C). La vitesse maximale dépasse plusieurs dizaines de mètres/seconde. Les 5 pointes comprennent une pointe centrale 16 vibrant selon un mode de précession et 4 pointes périphériques 11 dipolaires chargées de mesurer une composante du vecteur vitesse de l'air, dans le plan des extrémités. Les pointes sont insérées dans la structure porteuse en plastique fritté 40 en double paroi en U et la mesure s'apparente à celle du « doigt mouillé » dans laquelle le doigt est levé en direction du ciel, et l'on ressent une sensation de froid en raison des calories absorbées par la partie séchée par le vent pour en déterminer sa direction.

Ici, les cinq pointes débouchent légèrement (de 2 mm environ) de la structure porteuse arrondie, pour faciliter l'écoulement du vent 67 sur la génératrice de la structure porteuse. Les pointes sortent suffisamment pour atteindre le couplage maximal entre elles dans l'air, obtenu pour une étendue en regard voisine de 2 mm.

D. SONDES MIXTE A ONDES VOLUMIQUES ET ONDES GUIDEES DISPERSIVES La figure 21 présente une configuration mixte des dispositifs détaillés dans les parties A, « sondes à ondes volumiques » et B, « sondes à ondes guidées dispersives ».

Plus particulièrement, elle illustre une vue en coupe d'une sonde 9 à guide 18 d'onde longitudinale et 17 de cisaillement comprenant une guide cylindrique plein 18 propageant les ondes longitudinales et un tube concentrique 17 propageant les ondes de flexion. La figure illustre l'emplacement et le mode de résonance des transducteurs ainsi que l'emplacement envisagé pour les amortisseurs 31 et 32

Sur cette figure, un guide d'onde cylindrique 18 au centre permet d'acheminer des ondes longitudinales d'un transducteur à ondes longitudinales 25 amortie par un « backing » 31 et disposant d'un connecteur coaxial 48. Les ondes longitudinales sont acheminées vers le matériau à analyser avec un retard suffisant. La connaissance de l'impédance du guide d'onde permet de déduire l'impédance caractéristique longitudinale de l'échantillon 61. Un tube 17 à section effilée vers l'échantillon permet de guider une onde dispersive. Cette onde est générée par un transducteur annulaire fonctionnement en mode radial et concentrique à la tige 18. Le tube est solidaire de la tige via la structure poreuse 49, mais les deux guides sont considérés comme étant isolés acoustiquement. Là aussi, le transducteur annulaire peut être divisé en deux demi-anneaux vibrant en opposition de phase pour changer le diagramme de rayonnement des ondes transverses à l'aplomb du guide central 18. De la même manière que la propagation dans les pointes à la partie B, l'onde se propageant vers l'échantillon 61 présente une diminution de sa vitesse de phase Vd. En ajustant l'épaisseur du guide d'onde conique creux au contact de l'échantillon, il est possible d'abaisser son impédance de rayonnement dans l'échantillon à une valeur proche de l'impédance caractéristique transversale de ce dernier. On optimise ainsi le coefficient de réflexion sur l'échantillon pour le transducteur annulaire. L'onde atteint l'échantillon en provoquant un cisaillement de la matière vers l'extérieur du tube du guide d'onde et engendre une onde de cisaillement dans l'échantillon 7. De même que dans la partie A, l'analyse des différences d'échos reçus pour une mesure de référence, par exemple dans l'air, et lorsque la sonde est au contact de l'échantillon, permet de déterminer les impédances caractéristiques longitudinale et transversale du matériau étudié. E. SONDE A ONDE GUIDEE CHAUFFEE A DOUBLE PAROI EN U

La figure 22 est une vue en coupe d'une sonde 97 à pointe conique chauffée par effet joule, intégrée dans une structure porteuse isolante acoustiquement et thermiquement avec mesure intégrée de la force d'appui. La double paroi en U de la structure porteuse réalise simultanément la diffusion de la chaleur dans la paroi interne au contact du guide d'onde, l'isolation thermique du cône vis-à-vis des courants d'air au moyen de la paroi externe, séparée de la paroi interne par un isolant thermique, par exemple une couche d'air. La paroi externe réalise également l'isolation acoustique du cône vis-à-vis des manipulations, tandis que la paroi interne réalise le maintien et également l'amortissement ultrasonore du mode de flexion impulsionnel, partiellement dissipé dans la structure granulaire frittée.

En l'absence de chauffage, l'intérêt de la double paroi réside d'abord dans la possibilité d'éviter les perturbations thermiques sur la mesure du temps de transit en isolant thermiquement le guide d'onde. Le chauffage permet en sus d'imposer un profil de température au moyen d'un dispositif de chauffage 72 appliqué à la paroi interne ainsi que d'augmenter l'amortissement des ondes acoustiques. Le chauffage permet en outre de réaliser simultanément une mesure d'effusivité par exemple selon la méthode par temps de transit explicitée dans le brevet français FR0759603 du 6 décembre 2007 de Nikolovski et al. La double paroi en U, 41 et 42 peut assurer ainsi plusieurs fonctionnalités :

- Le chauffage de la paroi interne par exemple par effet joule au moyen d'un courant électrique circulant dans un fil 82 enroulé autour de la paroi interne.

- l'amortissement des ultrasons lorsque les échos successifs passent dans la zone de couplage mécanique du guide d'onde à la paroi intérieure frittée de sorte qu'en l'espace de quatre à cinq échos successifs dans le guide, l'onde soit amortie d'au moins 99% par rapport à son amplitude initiale, ce qui permet de disposer d'une cadence de mesure élevée. - L'isolation thermique de la paroi interne par la paroi externe, séparée de la paroi interne par un isolant thermique 73, par exemple une couche d'air.

- Le déplacement relatif de la paroi interne par rapport à la paroi externe sous l'effet d'une force de contact de la pointe sur l'échantillon ou d'une pression sur une partie de la structure engendrant une déformation de la structure porteuse dans sa partie inférieure 50. - la mesure par intermittence de la valeur d'une capacité d'au moins un condensateur 81 rendant compte de la position relative de la paroi interne par rapport à la paroi externe et dont l'une des électrodes est solidaire de la paroi interne et l'autre électrode est solidaire de la paroi externe, la valeur de la capacité étant par exemple déduite d'une fréquence de résonance ou d'oscillations d'un oscillateur à relaxation, ou d'une technique de mesure de capacité par pont diviseur à partir d'un condensateur de référence et la loi de variation de la capacité étant reliée par une table de correspondance, ou une formule mathématique telle une loi d'interpolation polynomiale, à la force d'appui de la pointe sur l'échantillon. Trois condensateurs peuvent être utilisés (mais non représentés), l'un pour rendre compte du coulissement des deux parois interne et externe l'une par rapport à l'autre sous l'effet d'une composante de force située dans l'axe de la pointe, tandis que deux autres condensateurs disposés entre les parois internes et externes rendent compte des composantes de force perpendiculaires à l'axe principal du guide conique et selon deux directions perpendiculaires ayant pour effet de faire fléchir au moins l'une des parois sous l'effet d'une force oblique,

- Enfin, la double paroi assure une fonction de sécurité pour la pointe et/ou l'échantillon, imposant une limite à la pénétration maximale à force d'appui nulle de la pointe dans l'échantillon par une valeur maximale correspondant à la profondeur d'appui PA comprise entre 0 et 10 mm, et préférentiellement comprise entre 0 et 1 mm. Ainsi, lorsque la pointe est appuyée sur une surface dure, le coulissement relatif de la paroi intérieure par rapport à la paroi extérieure permet à la pointe de rentrer totalement dans la paroi extérieure. Pour cela, l'extrémité de la double paroi en U est mince et déformable dans la région 50 du repliement, sous l'action d'une force d'appui.

Par ailleurs, la paroi interne est chauffée par effet joule obtenu en faisant circuler un fort courant, de l'ordre de 0.3 à 1 ampère sous 3 à 10 V, dans un fil fin recouvert d'un vernis isolant, enroulé autour de la paroi interne 41 sur une hauteur correspondant à la zone de contact entre la paroi interne et le guide d'onde. Ce dernier est cylindrique sur une hauteur typique de 5 à 10 mm au niveau de sa base. La longueur d'enroulement produit une résistance totale voisine de 5 à 10 Ohms. La paroi interne est isolée thermiquement des courants d'air extérieurs au moyen de la paroi externe 42, séparée de la précédente par une couche d'air 73 d'épaisseur 0,5 à 5 mm. L'enroulement ohmique est logé entre les deux parois. L'espacement est suffisant pour que l'enroulement ne touche pas la paroi externe. Les parois externe et interne sont en matériaux plastiques frittés et recouvertes d'électrodes sur au moins une partie de leur surface et sont à la masse électrique sur au moins une autre partie de leur surface. On peut par ailleurs imaginer une variante ou la paroi interne est en métal fritté et la paroi externe en plastique fritté. La paroi interne assure ainsi la conduction thermique, tandis que la paroi externe assure l'isolation thermique. Le circuit de chauffage est également raccordé à une électrode annulaire fixée sur un circuit imprimé 80, le dit circuit imprimé étant mécaniquement solidaire de la base de la paroi externe et réalisant avec la partie supérieure de la paroi interne un condensateur 81 dont la capacité dépend de la force d'appui sur la pointe dans la direction de l'axe principal de la pointe. La distance entre le haut de la paroi interne et l'anneau solidaire de la paroi externe peut ainsi varier en fonction de la force exercée sur la pointe. Pour cela on fait en sorte que la double paroi soit déformable par amincissement de la paroi dans la zone 50 de repliement du U. Ainsi le connecteur coaxial relié au circuit de chauffage par le fil 82 peut également servir à mesurer une fréquence de résonance ou d'oscillations d'un oscillateur à relaxation, déterminée par la distance moyenne entre l'anneau et le haut de la paroi interne via le fil 83. L'enroulement du circuit ohmique de chauffage est aussi caractérisé par une inductance propre L et l'ensemble circuit de chauffage et paroi externe constitue un circuit LC dont on peut mesurer la fréquence de résonance que l'on pourra corréler à la force d'appui. Par ailleurs, la paroi externe assure l'isolation acoustique du cône vis-à-vis des manipulations, tandis que la paroi interne assure le maintien de la pointe conique en deux zones, l'une située près de la base, l'autre 44 située plus près de l'extrémité. La première zone sert à l'amortissement ultrasonore du mode de flexion impulsionnel, partiellement dissipé dans la structure granulaire frittée, tandis que la seconde zone s'étend sur une portion très limitée et sert uniquement au guidage de la pointe pour son maintien mécanique. Le fond de la double paroi en U est en appui sur l'échantillon. Il permet de normaliser la profondeur d'appui PA et d'éviter d'endommager l'échantillon ou la pointe. Le fond 50 de la double paroi est déformable sur sa périphérie permettant ainsi à la pointe de rentrer dans son logement sous l'effet de la force d'appui F. Le déplacement relatif de la pointe par rapport à l'anneau fixé à la base de la paroi externe est ainsi mesurable à partir de la mesure d'une capacité. Cette loi de variation est aisément reliée par une table de correspondance ou une formule mathématique traduisant l'élasticité de la paroi sous la forme par exemple d'une loi d'interpolation polynomiale, à la force d'appui. On suppose bien sûr que la course d'enfoncement de la pointe est limitée, et au maximum égale à la profondeur d'appui PA, soit préférentiellement moins de 0,5 mm et dans tous les cas au maximum compris entre 0 et 10 mm. La valeur nominale de la capacité de mesure de la position relative des deux parois est de l'ordre de 1 pF et la résolution de l'ordre de 1 fF (femtoFarad).

A titre de variante, lors de la réalisation de la sonde chauffée à double paroi, le chauffage peut être réalisé par enroulement d'un fil émaillé en cuivre d'épaisseur 150 μπι autour d'un tronçon de tube en métal. Cette pièce est insérée en force sur la partie cylindrique de la base du fourreau. Au besoin pour faciliter l'insertion, le chauffage est mis en route jusqu'à atteindre le ramollissement ou la fusion de la surface externe du fourreau thermoplastique. Ensuite, une électrode de référence consistant en un demi-anneau conducteur est créée sur une pièce venant en appui sur un épaulement de la paroi externe. On peut prévoir trois câbles de connexion coaxiaux, l'un pour la mesure capacitive (C), l'autre pour envoyer/recevoir les ultrasons (U), le dernier pour le chauffage résistif (R). Le déplacement relatif de la paroi externe par rapport à la paroi interne (fourreau) est rendu possible par un nombre limité de poutres de maintien du fourreau à la paroi externe. On dispose ainsi 4 poutres au voisinage de l'extrémité de la sonde et 4 poutres juste au-dessous du cylindre chauffant. Les 8 poutres sont espacées angulairement de 45°. La pointe métallique est à la masse électrique. La mesure capacitive est obtenue en émettant une rafale électrique sinusoïdale ou carrée centrée sur 1 MHz (ou dans la plage 0.5-2MHz) sur l'électrode supérieure du disque PZT collé au niveau de la base du cône. Cette impulsion engendre simultanément une onde ultrasonore de flexion dans le cône tandis qu'elle est transmise par couplage capacitif vers l'électrode de référence. Cette configuration présente l'avantage de simplifier le processus de mesure car le même signal d'excitation ultrasonore est exploité pour la mesure capacitive. L'électrode de référence, fixe par rapport à la paroi externe, est suspendue au-dessus de l'électrode supérieure de la céramique PZT. La mesure de force ou de pression consiste donc à mesurer la capacité du condensateur constitué par l'électrode de référence et l'électrode supérieure de la céramique PZT. Lorsque l'on appuie sur la pointe, le fourreau dans lequel est insérée la sonde remonte et la distance inter électrode diminue de sorte que la valeur de la capacité augmente. La distance nominale entre les deux électrodes du condensateur de mesure de la force ou de la pression au repos est de 1 à 2 mm. La mesure de force consiste alors à détecter l'amplitude crête ou efficace du signal d'excitation transmis par couplage capacitif. Pour cela le signal capacitif vient par exemple en entrée d'un ampli opérationnel à impédance d'entrée élevée et très faible capacité d'entrée qui constituera avec le blindage du câble coaxial une capacité de référence par rapport à laquelle la capacité de mesure est mesurée. Le signal de mesure Vcap est amplifié puis filtré par un filtre passe-bande avant de subir une détection d'amplitude crête. Une fois la mesure de l'amplitude crête réalisée avec conversion en valeur numérique à l'aide d'un convertisseur analogique numérique (CAN), le condensateur réservoir alimenté par le détecteur de crête est vidé de ses charges au moyen d'un transistor MOS à canal N commandé par un microcontrôleur et court-circuitant le condensateur réservoir. Ce montage peut être exploité pour mesurer la force ou la pression d'un fluide sous réserve de fermer la double paroi, autrement dit de déployer une membrane reliant toutes les poutres ou en déployant une cloison étanche reliant le fourreau et la paroi extérieure. On notera que pour augmenter la déformabilité de la cloison on a intérêt à ce que son diamètre soit aussi grand que possible. Il n'est donc pas forcément judicieux de fermer l'extrémité de la sonde au niveau des poutres, mais de le faire plus en amont, là où la section disponible est plus grande. Ensuite, pour mesurer une pression, il suffit d'insérer une sonde dans une canalisation en fixant de façon rigide sa paroi externe à la canalisation dont on veut mesurer la pression interne et en mesurant le déplacement relatif de la paroi interne (fourreau) par rapport à la paroi externe. La figure 23 illustre une variante de réalisation d'une sonde 98 comprenant 5 guides d'ondes 10 à pointes coniques, et en particulier un capot 55 de verrouillage à baïonnette, déformable élastiquement, et servant à maintenir les guides dans leur logement. La structure de maintien 55 est réalisée en matière poreuse ou polymère chargée par exemple d'alumine et permet d'amortir également les échos afin d'éviter les résonances dans les guides d'ondes. Le capot est ainsi verrouillé par un système d'ergots 53 sur la structure porteuse. Des lamelles 54 élastiques en outre sont créées dans le capot déformable afin d'imposer une force d'appui perpendiculairement à la base des guides. Les chemins acoustiques 56 entre la zone d'appui sur la base des guides et la périphérie du capotage sont complexes, par exemple en forme de S ou en zigzag et maximisés en longueur afin de réduire les diaphonies ou courts-circuits acoustiques entre les guides (appelés aussi « cross-talk » en anglais).

F. SONDE A GUIDES D'ONDES SOLIDE DISPERSIF ET JET LIQUIDE

La figure 24 est une vue schématique en coupe d'une sonde ultrasonore 99 pour le contrôle non destructif dans une situation où l'échantillon et la sonde sont en mouvement relatif (Mov). La structure porteuse comprend deux guides 10 et 93 en série, le premier guide 10 est solide et constitué d'un guide à pointe dispersive conique tronquée 14, permettant d'abaisser l'impédance de rayonnement et optimiser le transfert vers le second guide 93, liquide, couplé au premier via une chambre de raccordement 92 et débouchant sur une buse d'éjection du couplant liquide sous la forme d'un jet collimaté 93 directionnel et haute pression. Le jet liquide est mis à l'abri des courants d'air par une jupe 95 en forme de brosse cylindrique multibrins. En référence à la figure 24, on a représenté une sonde 99 à guide d'ondes dispersif 10, couplé à un guide liquide 93 constitué d'un couplant liquide plus ou moins visqueux, réalisant une continuité du milieu liquide entre l'extrémité 14 du guide d'ondes dispersif et la surface de l'échantillon (60, 61, 62, 63, 64). On rappelle qu'un échantillon peut avoir une surface 3D dure 60, constituer la surface d'un milieu viscoél asti que 61, pouvoir propager des ondes de cisaillement(62, être très chaud et constituer un magma en fusion 63, constituer le derme 64 de la peau, la paroi d'une veine 65, ou encore la surface d'un liquide 66. On prévoit donc un conduit 91 d'amenée du couplant liquide sous pression hydrostatique constante au niveau de l'extrémité 14 du guide d'ondes dispersifs. Ce conduit est par exemple réalisé dans la paroi externe 42 du support à double paroi en U 40. Le conduit débouche dans une chambre 92 dans laquelle débouche également l'extrémité 14 de la pointe conique. Celle-ci est de préférence tronquée et s'étend dans la chambre sur une longueur de l'ordre du millimètre. L'onde ultrasonore réfracte alors depuis la pointe vers le liquide selon deux directions principales non alignées de façon analogue aux directions 6 et 7 de la figure 19, mais plus proches, de l'axe de la pointe, avec un taux d'insertion aller-retour élevé compte tenu de l'abaissement de l'impédance de rayonnement de la pointe. Le liquide véhiculant les ultrasons sort ensuite par une buse dont l'entrée est orientée pour recevoir les ondes réfractées dans le liquide selon l'un des angles principaux et dont la sortie est de forme conique droite ou courbe et est projeté par un jet sous pression 93 en direction de la surface de l'échantillon. Le conduit d'amenée du liquide débouche dans la chambre de raccordement 92 de préférence selon un angle permettant de recevoir l'autre partie du faisceau réfracté dans le liquide et destiné à être amorti au fur et à mesure qu'il remonte dans le conduit d'amenée vers l'entrée 90. La partie extérieure de la buse d'éjection peut présenter un filetage 94 permettant d'y visser une pièce d'adaptation du diamètre du jet de sortie. La variante de forme courbe de la buse n'est pas représentée à la figure 24, mais son intérêt est évident et ce rôle peut être assuré par un adaptateur lorsque l'on souhaite inspecter le dessous de pièces de forme complexe, par exemple pour la détection de fissures sous le champignon d'un rail de chemin de fer. La sonde comprend donc au moins un transducteur 20 large bande, à ondes transversales comme décrit précédemment, couplé au guide d'ondes dispersif 10. Le guide d'ondes dispersif a donc pour fonction d'abaisser l'impédance de rayonnement de la pointe et d'optimiser le transfert ultrasonore dans le liquide. Le couplage avec le liquide est réalisé dans la chambre de raccordement 92 du conduit et de la pointe et se produit sur une étendue de l'ordre de 1 mm et un volume caractéristique de l'ordre de 1 mm ³ .

La pointe est tronquée à l'endroit où sa vitesse de phase est juste supérieure ou égale à la vitesse des ondes de compression dans le liquide de couplage, en général de l'eau avec un antigel ou une huile. Le procédé permet ainsi de transférer la majeure partie de l'énergie ultrasonore depuis le guide dispersif 10 vers le guide liquide et inversement lors du chemin retour. Le guide liquide est un jet collimaté. Le liquide est amené par une durite raccordée à la sonde par exemple au niveau de la paroi externe via un raccord pour tuyau flexible 90. Pour une pointe en Duralumin, le diamètre de la section tronquée est voisin de 0,4 mm lorsque l'angle au sommet Θ est de 4,8°. L'angle au sommet peut être encore plus petit ou la pointe plus courte si l'on souhaite disposer d'une fréquence de travail supérieure à 1 MHz. La pointe est elle-même guidée au niveau de sa base et de son extrémité et insérée en force dans la chambre de raccordement 92 et de transfert des ultrasons. La chambre débouche à l'air libre par une buse de sortie. La buse de sortie peut être une pièce mécanique à part entière fixée sur le support ou une pièce coulée ou frittée par prototypage 3D et constituant avec le support à double paroi en U 40 une pièce monolithique. La paroi du conduit, lorsqu'il est fabriqué par frittage, peut subir préalablement un traitement au moyen d'un solvant, par exemple de l'acétone pour lisser son état de surface. Le liquide injecté sous pression sert ainsi de véhicule aux ondes ultrasonores transmises par la pointe conique. Il conduit les ondes jusqu'à la surface de l'échantillon, sur une distance typique de quelques millimètres à quelques centimètres. La largeur du jet liquide est typiquement de 0,5 mm à 2 mm. Dans la figure 24, la buse de sortie est dirigée vers le bas et son axe principal et n'est pas tout à fait aligné avec celui de la pointe conique du fait de l'angle de réfraction dans le liquide. Par ailleurs, il peut être utile de sonder l'échantillon par le dessous et la buse de sortie peut avoir une forme en crochet pour projeter le liquide par le côté ou par le dessous. Ces formes de buse trouvent des applications dans le contrôle non destructif de rails de chemin de fer, alors que le train est en mouvement, ou encore l'inspection de pièces complexes, par exemple dans l'aéronautique ou l'éolien. Comme on l'imagine, l'inspection d'une pièce est moins coûteuse si elle peut être réalisée à grande vitesse. Dans le cas d'une voie ferrée, on cherche à ce que l'inspection puisse être faite alors que le train se déplace à sa vitesse nominale de 300 km/h. Mais ce serait déjà intéressant si l'inspection pouvait être réalisée sur des trains express régionaux se déplaçant à des vitesses maximales proches de 120 km/h. Dans ce contexte, le déplacement rapide du train et le mouvement d'air associé peuvent engendrer une dislocation du jet d'inspection. Il serait alors utile, d'une part, d'augmenter l'énergie de surface du liquide de façon à rendre plus difficile sa fragmentation ou sa nébulisation, mais l'énergie de surface de l'eau, environ 72 mN/m est déjà typiquement trois fois supérieure à celle de la plupart des liquides courants, il est donc difficile de faire mieux à faible coût et sans incidence pour l'environnement. Néanmoins, on peut jouer sur la viscosité du liquide qui peut être plus facilement augmentée par un facteur 10 à 100 en ayant recours à des huiles, de façon à disposer d'un régime laminaire à des vitesses d'éjection plus élevées, typiquement supérieure à 10 m/s et pouvant aller jusqu'à plusieurs dizaines de mètres par seconde. A titre d'exemple, une huile de friture usagée à une viscosité dynamique typique de 35 mPa.s, soit 35 fois plus visqueuse que l'eau. Le liquide visqueux peut lui-même être chauffé et donc d'abord fluidifié en circulant dans un conduit chauffé. Il est alors expulsé avec un plus petit diamètre et se refroidit très rapidement au contact de l'air. Ce traitement a pour effet d'améliorer la cohésion du jet lors de son parcours dans l'air. Pour éviter une trop forte courbure du jet, l'augmentation de la vitesse d'éjection du liquide doit être d'autant plus grande que la vitesse de déplacement relative de la buse par rapport à la surface de l'échantillon est plus importante et donc que les forces de freinage responsables de la courbure et de la dislocation du jet deviennent plus importantes. En cela, il est judicieux de mettre le jet à l'abri des forces de freinage sur la plus grande portion de son trajet, jusqu'à la surface de l'échantillon, au moyen d'une jupe de protection 95, réalisée par exemple dans un matériau souple de type caoutchouc ou constituée de brins métalliques formant une brosse annulaire et cylindrique vissée 98 sur la paroi externe de la sonde 99. La jupe de protection comprend un grand nombre de brins de sorte que si un certain nombre de brins casse sous l'effet du frottement sur le rail, la fonction de protection soit toujours assurée par d'autres brins sur tout le trajet du train. Les jupes abîmées peuvent ensuite être aisément remplacées lors d'une opération de maintenance de la sonde.

Cette configuration de sonde à couplant liquide présente l'avantage de ne consommer que peu de couplant liquide, de l'ordre de 0, 1 à 10 millilitre par seconde soit 0,36 à 36 litres par heure et par pointe conique et de disposer d'une bonne sensibilité compte tenu du transfert efficace des ultrasons à l'interface solide-liquide 92. Le couplant est projeté à une distance allant de quelques millimètres à quelques dizaines de centimètres de la surface de l'échantillon. A titre d'exemple, une pression de l'ordre de 2 à 3 bars permet de créer un jet d'eau de diamètre 0,8 mm à une vitesse d'environ 10 m/s avec une continuité physique du jet atteignant quelques dizaines de centimètres dans une pièce calme. Cette vitesse d'expulsion est déjà dans un régime turbulent et il serait déjà préférable de recourir à des huiles pour rester en régime lamellaire. En effet, la turbulence est caractérisée par le fait que des couches concentriques de liquide changent de place à l'intérieur du jet ce qui est générateur de distorsions dans le signal acoustique. Une vitesse de 10 m/s est suffisante pour faire fléchir sans danger la peau sur une profondeur de l'ordre du millimètre. La figure 24 illustre une sonde ne présentant qu'un seul système de guidage solide-liquide. Néanmoins, il est évident que cette configuration peut être étendue à un bipode, tripode ou pentapode. Dans ces derniers cas, la jupe de protection 95 entoure bien sûr l'ensemble des pointes. On remarquera que le couplant sous pression est expulsé par la buse en direction de l'échantillon, mais on comprendra que le fait qu'il soit sous pression lui permette également de remplir complètement la chambre de raccordement 92.

En variante, la sonde à jet liquide peut être constituée de plusieurs pièces éventuellement réalisées dans des matériaux différents. L'embout d'éjection avec sa buse est une pièce critique pouvant être endommagée et devant pouvoir être remplacée sans pour autant changer toute la sonde. On peut donc prévoir la possibilité de la visser dans la chambre de couplage.

En outre l'insertion de la pointe métallique dans la chambre de couplage nécessite une insertion en force et un centrage parfait de la pointe. Celle-ci étant fragile, on prévoit une ouverture dans le fourreau permettant de voir l'opération d'insertion. Par ailleurs, le fait de visser l'embout dans la chambre de couplage ne facilite pas son positionnement fin par rapport à l'extrémité de la pointe. Le positionnement de la canule de sortie n'est correct que pour un nombre entier de tours de vis.

A titre de variante, le filetage de l'embout peut être supprimé pour permettre à l'embout de coulisser le long des parois de la chambre de couplage. Une fois la position optimale trouvée correspondant au maximum de transmission du faisceau ultrasonore dans la canule de sortie, celle-ci est gelée par collage ou vis latérale de blocage (non représentée). L'embout doit ainsi satisfaire plusieurs contraintes : La première concerne l'alignement de l'axe principal de la pointe avec la paroi de la canule de sortie, la seconde le positionnement d'une surface réfléchissante couvrant un secteur angulaire de 180° et dont la génératrice fait un angle avec l'axe principal compris entre 17° et 25°. Cette variation angulaire corrige de façon continue et progressive l'angle de réfraction qui va en augmentant vers l'extrémité de la pointe. Cela place l'un des deux faisceaux ultrasonores réfractés par la pointe dans l'axe de la canule. L'autre faisceau se réfléchit sur une autre surface occupant le secteur angulaire restant et destinée soit à renvoyer le faisceau vers la canule, soit à dévier le faisceau dans la direction du conduit d'amenée du liquide pour qu'il soit progressivement amorti dans le conduit. La dernière contrainte est que l'embout ne touche pas la pointe. Il doit s'en rapprocher au niveau du bec de la première surface réfléchissante sans pour autant toucher le cône.

Par ailleurs, dans un autre champ d'applications concernant le diagnostic médical par élastographie impulsionnelle et donc correspondant à un cas où la surface est déformable, comme cela est le cas des tissus organiques, la pression hydrostatique d'éjection peut être variable et modulée dans le temps en amplitude et/ou en phase. L'amplitude de modulation peut atteindre un régime d'éjection intermittent avec discontinuité physique du jet et une cadence d'éjection pouvant varier entre 1 Hz et 10 kHz. Sachant que le temps de transit aller-retour de l'onde ultrasonore se propageant dans le guide jusqu'à l'échantillon est de de l'ordre de 100 pour un jet de quelques centimètres, il suffit que la continuité spatiale du jet entre l'extrémité du guide solide et l'échantillon perdure sur une durée d'au moins 100 pour qu'une mesure échographique soit possible. Néanmoins, la durée d'un jet pourra plus avantageusement être comprise entre 5 ms et 50 ms pour permettre aux ondes ultrasonores de pénétrer en profondeur dans l'échantillon. Ce mode de fonctionnement engendre une percussion cadencée de la surface de l'échantillon et se rapproche, dans son principe, de l'élastographie impulsionnelle basse fréquence avec ici une différence majeure, c'est que l'onde de cisaillement basse fréquence n'est pas engendrée par un pot vibrant ou un dispositif encombrant de percussion électromagnétique juxtaposée à la source ultrasonore, mais résulte directement de la modulation de la vitesse d'éjection ou de l'impact intermittent du jet liquide véhiculant l'onde ultrasonore. Et, compte tenu de la vitesse de propagation des ondes de cisaillement dans les tissus humains, de l'ordre de quelques mètres par seconde, il est donc nécessaire pour visualiser le déplacement du front d'onde de cisaillement engendré par l'impact que la continuité spatiale du jet soit assurée sur une période d'au moins 10 à 100 ms. Par ailleurs, tandis que le ou les jets percutent régulièrement la surface de l'échantillon à une cadence par exemple de 50 Hz (avec un rapport cyclique de 50%), les impulsions ultrasonores sont engendrées à une cadence beaucoup plus élevée de l'ordre de 0,5 à 10 kHz et la fréquence centrale des ultrasons est comprise préférentiellement entre 300 kHz et 3 MHz. Le diamètre du jet collimaté 93 est typiquement de 0,5 mm à 2 mm. Le jet constitue ainsi une quantité de mouvement déplaçant la surface de la peau sur une profondeur qui dépend directement de sa vitesse d'éjection et de sa durée d'impact. L'amplitude de la déformation est typiquement de 1 mm. Si l'on utilise de l'eau comme couplant, sa viscosité étant de l'ordre de 1 mPa.s, on obtient un nombre de Reynolds proche de 500 pour une vitesse de sortie de buse de 1 m/s et un diamètre de buse de 0,5 mm. Le flux est alors laminaire. Il le reste jusqu'à un nombre de Reynolds de 2300, ce qui correspond environ à une vitesse de sortie de buse de 4,6 m/s. Pour que l'écoulement reste laminaire à une vitesse d'éjection supérieure, il suffit d'augmenter la viscosité du couplant liquide et la pression d'éjection appliquée au liquide. Ce type de sonde et ce mode de fonctionnement présente ainsi l'avantage de pouvoir être déplacé aisément lors d'un examen médical par élastographie impulsionnelle. En outre, et c'est l'intérêt de la présente invention, la structure porteuse peut être conçue pour que les jets soient colinéaires ou en éventail afin de pouvoir jouer sur l'encombrement latéral du faisceau ultrasonore en jouant sur la distance à l'échantillon. Le jet associé à chaque pointe peut également être associé à une loi de modulation d'amplitude et de phase différente du jet voisin. Il est alors possible par exemple dans le cas d'un pentapode à 5 jets, ou plus généralement d'un système multi jet, de contrôler le diagramme de rayonnement de l'onde de cisaillement engendrée dans le tissu biologique, selon l'amplitude et la phase de la pression appliquée à chaque jet. Enfin, dans le cas d'un contrôle médical, il est souhaitable de récupérer le couplant liquide projeté sur la peau du patient, même si c'est en faible quantité. La jupe de protection aura ici pour fonction non pas d'éviter une dislocation du jet, qui ne risque pas ici de se produire, mais de confiner les éclaboussures provoquées par l'impact du jet. En outre, étant donné que le déplacement de la sonde lors d'un examen est plutôt lent, de l'ordre de quelques millimètres par seconde, la jupe pourra être réalisée dans un matériau moins agressif qu'une brosse métallique, par exemple dans le même matériau plastique fritté ou injecté que celui du support des guides ou encore dans un autre matériau lisse ayant des propriétés non allergisantes. Une fonction supplémentaire d'aspiration du liquide projeté pourra être intégrée sur la périphérie de la sonde par exemple par souci de propreté et de confort de l'examen médical. Pour cela, la jupe pourra être constituée d'une paroi double, le flux d'aspiration étant réalisé dans l'espace annulaire compris entre les deux parois de la jupe. Le flux d'aspiration étant lui-même turbulent et générateur d'ondes basse-fréquence pouvant perturber les ondes de cisaillement basse-fréquence engendrées par les jets, l'aspiration n'est pas réalisée en continu, mais uniquement lorsque la quantité de couplant liquide est trop importante et nécessite un nettoyage par aspiration. Dans cette application, la viscosité du couplant liquide peut être avantageusement supérieure à celle de l'eau pour se rapprocher de celle d'une huile afin d'éviter que le couplant ne coule trop facilement sur la peau du patient.

Par ailleurs, comme indiqué précédemment, afin de maintenir le jet collimaté, et donc en régime laminaire, il est essentiel de contrôler la valeur du nombre de Reynolds, défini selon la formule : μ dans laquelle p désigne la masse volumique du liquide, _v la vitesse d'écoulement du liquide à la sortie de la buse d'éjection, d le diamètre de sortie de la buse d'éjection et μ la viscosité dynamique du liquide. Comme le nombre de Reynolds ne doit pas dépasser une valeur définie selon des abaques adaptées à la forme du conduit d'écoulement de préférence conique pour conserver l'aspect collimaté du jet, il apparaît qu'augmenter la viscosité constitue une solution efficace pour des vitesses d'éjection plus élevées et pour atteindre des zones d'inspection plus éloignées, ou encore éviter une dislocation du jet par exemple par un fort vent latéral, ou encore pour faciliter l'utilisation d'un liquide présentant une masse volumique plus grande que celle de l'eau et pouvoir ainsi engendrer une onde de choc plus intense en régime intermittent tout en conservant l'aspect collimaté du jet.

La figure 25 illustre une pointe dispersive 10 maintenue dans une structure porteuse 40 dont l'extrémité est courbée en forme d'hameçon selon un mode de réalisation. De préférence, la courbure compense l'augmentation de l'angle de réfraction au fur et à mesure que l'onde progresse vers l'extrémité de la pointe de sorte que le faisceau ultrasonore diffracte dans le milieu selon un angle constant. De préférence, pour réfracter au moins une moitié du faisceau à 90° de l'axe principal comme cela est représenté par une flèche dans cette figure, on prévoit que la courbure de la pointe soit supérieure à 60° au niveau de la tangente à l'extrémité de la pointe.

Le principal intérêt de cette géométrie réside dans la possibilité qu'elle donne de coupler acoustiquement deux pointes avec des bases très proches et des extrémités très éloignées. L'intérêt est évident dans le cas d'une sonde débitmétrique à temps de transit différentiel à deux pointes insérées dans la canalisation par un seul petit trou de perçage (par exemple inférieure à 20 mm). On remarquera que pour réfracter une moitié du faisceau selon l'axe principal de la pointe, il suffit que la courbure de la pointe soit voisine de 30° au niveau de la tangente à l'extrémité de la pointe.

La figure 26 montre une application de mesure de pression d'un dispositif selon un mode de réalisation. Dans cette figure, le capteur de pression comprend un fourreau 454 et une pointe métallique couplée au fourreau par sertissage et brasure. Le capteur est monté sur la paroi d'une enceinte sous pression 450. La pointe, maintenue en partie haute par un guide 455 débouche dans une cavité cylindrique 451 fermée par le réflecteur. Ce dernier présente au moins un trou 453 ou une ouverture pour la mise en pression avec le milieu. Le fourreau 454 se termine par un filetage permettant de le monter sur la paroi de l'enceinte sous pression. L'extrémité de la pointe rayonne radialement en se réfléchissant une ou plusieurs fois sur les parois latérales avant de se réfléchir sur le réflecteur plan puis de rebrousser chemin vers l'extrémité. Le réflecteur plan est logé et serti dans un épaulement à l'extrémité du fourreau.

Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

En outre, on a proposé ici différents modes de réalisation de l'invention, appliqués à différents domaines d'application. Ces différents modes de réalisation peuvent bien entendu être combinés entre eux pour en tirer de nouveaux avantages en termes de précision et de performance de mesure. Notamment, on pourra prévoir d'utiliser des pointes présentant des extrémités courbées en forme d'hameçon dans l'ensemble des modes de réalisation proposés ci-dessus, ainsi que dans l'ensemble des applications également mentionnées ci-dessus, pour compenser l'augmentation de l'angle de réfraction au fur et à mesure que l'onde progresse vers l'extrémité de la pointe de sorte que le faisceau ultrasonore diffracte dans le milieu selon un angle constant.