DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention est relative aux procédés et dispositifs acoustiques pour détecter des mouvements de surface .

Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé pour détecter des mouvements d'une surface, comprenant une étape de mesure au cours de laquelle on émet au moins une onde ultrasonore incidente dans l'air vers la surface avec un dispositif d'émission d'ondes ultrasonores et on capte des signaux réfléchis représentatifs d'au moins une onde ultrasonore réfléchie dans l'air par ladite surface à partir de ladite au moins une onde ultrasonore incidente.

Le document US4122427 décrit un exemple d'un tel procédé, dans lequel on mesure les mouvements d'une surface sur une voie de mesure, en faisant émettre vers la surface, des ultrasons à fréquence de l'ordre de 40 Hz. Les ultrasons sont émis par un transducteur unique.

RESUME DE L'INVENTION

La présente invention a notamment pour but de perfectionner encore ce type de procédé, notamment afin de permettre une meilleure efficacité de détection des mouvements de la surface.

A cet effet, selon l'invention, un procédé du genre en question est caractérisé en ce qu'au cours de chaque de mesure :

on mesure les mouvements d'une pluralité de points de mesure appartenant au moins à ladite surface en illuminant chaque point de mesure par ladite au moins une onde ultrasonore incidente sous une multiplicité d'angles d' incidence, - on capte les signaux réfléchis avec un réseau de transducteurs de réception comprenant une pluralité de transducteurs ultrasonores de réception et on détermine un signal de formation de voie pour chaque point de mesure, par formation de voie au moins en réception à partir desdits signaux réfléchis,

et en ce qu'il comporte en outre au moins une étape de détermination de mouvement au cours de laquelle on détermine lesdits mouvements de la surface au point de mesure considéré en déterminant au moins un retard ou un déphasage entre deux signaux de formation de voie pour ce point de mesure.

Grâce à ces dispositions, on peut mesurer les mouvements d'une grande variété de surfaces liquides ou solides, lisses ou rugueuses, planes ou non, et ce indépendamment de leur transparence à la lumière. On peut imager les mouvements de la surface sur une aire importante, par exemple plusieurs dizaines de cm ² , à une cadence pouvant atteindre le kilohertz voire plus. La sensibilité du procédé de mesure de l'invention atteint le micromètre pour une vitesse minimale détectable de l'ordre de la fraction du millimètre par seconde. Enfin la puissance acoustique mise en œuvre peut être faible, par exemple avec un niveau de l'ordre de 60-70 dB SPL (niveau de pression acoustique) .

Dans des modes de réalisation préférés du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :

au cours de chaque étape de mesure, on illumine chaque point de mesure de la surface avec ladite au moins une onde incidente sous des angles d'incidence s 'étendant sur une plage d'angles d'incidence d'au moins à 20 degrés ;

au cours de chaque étape de mesure, on mesure les mouvements en sensiblement tout point de la surface sur une aire supérieure à 10 cm ² ;

le dispositif d'émission d'ondes ultrasonores et le réseau de transducteurs de réception sont bidimensionnels ;

le réseau de transducteurs d'émission (2) présente une ouverture au moins égale à une ouverture du dispositif de réception d'ondes ultrasonores selon deux directions sensiblement perpendiculaires ;

- l'ouverture du réseau de transducteurs d'émission est au moins égale à trois fois l'ouverture du dispositif de réception d'ondes ultrasonores, selon au moins une des directions ;

l'ouverture du dispositif d'émission d'ondes ultrasonores est au moins égale à 20 cm dans chaque direction ;

le dispositif d'émission d'ondes ultrasonores comprend un réseau de transducteurs d'émission comprenant une pluralité de transducteurs ultrasonores d'émission ;

- les transducteurs ultrasonores d'émission sont répartis en plusieurs groupes et au cours de ladite étape de mesure, on fait émettre simultanément un même signal par les transducteurs ultrasonores d'émission appartenant à un même groupe ;

- le dispositif d'émission d'ondes ultrasonores comprend au moins un transducteur ultrasonore d'émission disposé pour émettre dans une cavité mélangeuse adaptée pour provoquer des réflexions multiples de ladite au moins une onde ultrasonore incidente avant envoi vers la surface ;

- les ondes ultrasonores ont une fréquence inférieure à 100 kHz ;

les ondes ultrasonores sont émises à une cadence supérieure à 500 tirs par seconde ;

- au cours de chaque étape de mesure d'indice k, on calcule au moins en différents points de la surface un signal de formation de voie S _k en réception audit point, et au cours de chaque étape de détermination de mouvement, on détermine le mouvement de chaque point de la surface en déterminant un retard ou un déphasage entre les signaux formation de voie S _k en réception audit point, pour deux valeurs de k différentes.

- au cours de chaque étape de mesure d'indice k, le dispositif d'émission d'ondes ultrasonores émet une onde ultrasonore incidente non focalisée vers la surface ;

- au cours de chaque étape de mesure d'indice k, le dispositif d'émission d'ondes ultrasonores émet successivement des ondes ultrasonore incidente focalisées vers les différents points de la surface et le signal de formation de voie S _k en réception audit point est déterminé à partir des signaux réfléchis correspondant à l'onde ultrasonore incidente focalisée audit point ;

- le signal de formation de voie en réception S _k est déterminé par la formul :

où :

- r est le signal capté par le transducteur ultrasonore de réception (3a) d'indice ,

- t est le temps,

- d est une distance entre le point P et le transducteur ultrasonore de réception (3a) d'indice ,

- c est la célérité de l'onde ultrasonore dans l'air.

le dispositif d'émission d'ondes ultrasonores comprend un réseau de transducteurs d'émission comprenant une pluralité de transducteurs ultrasonores d'émission, au cours de chaque étape de mesure d'indice k, on mesure des réponses impulsionnelles respectives entre chaque transducteur ultrasonore d'émission et chaque transducteur ultrasonore de réception, puis on calcule au moins en différents points de la surface un signal de formation de voie S' _k en émission et réception audit point,

et au cours de chaque étape de détermination de mouvement, on détermine un mouvement de chaque point de la surface en déterminant un retard ou un déphasage entre les signaux de voie S' _k en émission et réception audit point, pour deux valeurs de k différentes ;

chaque signal de formation de voie en émission et réception audit point est déterminé par la formule :

- i est un indice compris entre 1 et M désignant un transducteur ultrasonore d'émission,

j est un indice compris entre 1 et N désignant un transducteur ultrasonore de réception,

hi _{j k} est la réponse impulsionnelle entre le transducteur ultrasonore d'émission d'indice i et le transducteur ultrasonore de réception d'indice ,

t est le temps,

- d± est une distance parcourue par une onde ultrasonore depuis le transducteur ultrasonore d'émission d'indice i jusqu'au transducteur ultrasonore de réception d'indice j en se réfléchissant au point (P) considéré de la surface,

c est la célérité des ondes ultrasonores dans l'air ;

- au cours d'au moins certaines étapes de mesure, on détermine un signal de formation de voie pour chaque point de mesure dans une zone d'observation prédéterminée et on détermine les points de mesure appartenant à la surface comme étant ceux qui maximisent le signal de formation de voie ;

au cours de l'étape de détermination de mouvement, on détermine un retard dt entre des signaux de formation de voie correspondant à deux étapes de mesures au même point de mesure et on détermine :

un déplacement δ au point de mesure comme étant proportionnel dt . c

- et / ou une vitesse au point de mesure comme étant proportionnelle à dt.c/At,

où c est la célérité des ondes ultrasonores dans l'air et At est un intervalle de temps entre lesdites deux étapes de mesure ;

- au cours de l'étape de détermination de mouvement, on détermine un déphasage φ entre des signaux de formation de voie correspondant à deux étapes de mesures au même point de mesure et on détermine :

un déplacement δ au point de mesure comme étant proportionnel c.cp/(2.n.f)

et / ou une vitesse au point de mesure comme étant proportionnelle à c . φ/ ( 2. n . f ) /At ,

où c est la célérité des ondes ultrasonores dans l'air, f la fréquence des ondes ultrasonores et At est un intervalle de temps entre lesdites deux étapes de mesure.

Par ailleurs, l'invention a également pour objet un dispositif pour détecter des mouvements d'une surface réfléchissant les ondes ultrasonores, comprenant un dispositif d'émission d'ondes ultrasonores, un dispositif de réception d'ondes ultrasonores un dispositif de commande commandant le dispositif d'émission d'ondes ultrasonores et recevant des signaux captés par le dispositif de réception d'ondes ultrasonores, le dispositif de commande étant adapté pour réaliser plusieurs étapes de mesure successives au cours de chacune desquelles le dispositif d'émission d'ondes ultrasonores émet au moins une onde ultrasonore incidente dans l'air vers la surface et le dispositif de réception d'ondes ultrasonores capte des signaux réfléchis représentatifs d'au moins une onde ultrasonore réfléchie dans l'air par ladite surface à partir de ladite au moins une onde ultrasonore incidente,

caractérisé en ce que dispositif d'émission d'ondes ultrasonores est adapté pour illuminer une pluralité de point de mesure (P) appartenant au moins à ladite surface (21) par ladite au moins une onde ultrasonore incidente sous une multiplicité d'angles d'incidence,

en ce que le dispositif de réception d'ondes ultrasonores est un réseau de transducteurs de réception comprenant une pluralité de transducteurs ultrasonores de réception, en ce que le dispositif de commande est adapté pour, au cours de chaque étape de mesure, déterminer un signal de formation de voie pour chaque point de mesure, par formation de voie au moins en réception à partir desdits signaux réfléchis,

et en ce que le dispositif de commande est adapté pour déterminer lesdits mouvements de la surface au point de mesure considéré en déterminant au moins un retard ou un déphasage entre deux signaux de formation de voie pour ce point de mesure.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints.

Sur les dessins :

la figure 1 est une vue d'ensemble schématique d'un exemple de dispositif de génération d'ondes ultrasonores mettant en œuvre l'invention,

la figure 2 montre un exemple de réseau de transducteurs d'émission utilisable dans la présente invention,

- la figure 3 est une vue schématique en coupe illustrant un exemple de cavité mélangeuse pour un ou plusieurs transducteurs ultrasonores,

- la figure 4 est une vue en perspective de la partie interne de la cavité mélangeuse de la figure 3,

- la figure 5 est une vue schématique en perspective montrant le réseau de transducteurs d'émission et le réseau de transducteurs de réception assemblés sur un support ,

- la figure 6 est un exemple de cartographie des vitesses de déplacement d'une surface mesurée par le dispositif des figures 1 à 5,

la figure 7 est un exemple de cartographie des déplacements d'une surface mesurée par le dispositif des figures 1 à 5,

la figure 8 est un exemple de courbe des vitesses de déplacement d'un point de la surface au cours du temps, mesurée par le dispositif des figures 1 à 5, et la figure 9 est un exemple de courbe des déplacements d'un point de la surface au cours du temps, mesurée par le dispositif des figures 1 à 5.

Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.

La figure 1 représente un dispositif ultrasonore 1 pour mesurer les mouvements d'une surface 21, qui peut être de toute nature, solide ou liquide. La surface 21 peut par exemple être la peau d'un être humain ou animal.

Le dispositif ultrasonore 1 comporte un réseau de transducteurs d'émission 2, qui peut comprendre un ou plusieurs transducteurs ultrasonores d'émission 2a au nombre de M ( TE1 , TE2, ... TEM) , et un réseau de transducteurs de réception 3, qui comprend plusieurs transducteurs ultrasonores de réception 3a au nombre de N (TRI, TR2, ... TRN) .

Les deux réseaux de transducteurs 2, 3 peuvent avantageusement être des réseaux bidimensionnels .

Les deux réseaux 2, 3 peuvent éventuellement être disposés sur un même support et, auquel cas les transducteurs 2a, 3a peuvent être intercalés les uns entre les autres.

Les transducteurs 2a, 3a peuvent être de tout type connu. Dans un mode de réalisation, les transducteurs ultrasonores d'émission 2a peuvent être des haut-parleurs de bande passante élevée et les transducteurs ultrasonores de réception 3a peuvent être des microphones de bande passante élevée.

Le ou les transducteurs ultrasonores d'émission 2a peuvent éventuellement être disposés pour émettre des ondes ultrasonores dans une cavité mélangeuse 4 avant envoi vers la surface 21, comme il sera décrit plus loin.

Le réseau de transducteurs d'émission 2 et le réseau de transducteurs de réception 3 sont prévus pour mesurer les mouvements d'une pluralité de points de mesure P appartenant à la surface 21, par exemple pour mesurer les mouvements en sensiblement tout point de la surface 21 sur une aire supérieure a 10 cm et pouvant être de plusieurs dizaines de cm ² .

A cet effet, Le réseau de transducteurs d'émission

2 et le réseau de transducteurs de réception 3 sont prévus pour avoir chacun une relativement grande ouverture, de façon que chaque point de mesure P de la surface 21 soit illuminé sous un grand nombre d'angles d'incidence par les ondes ultrasonores incidentes venant du réseau de transducteurs d'émission 2, et de façon que chaque point P de la surface 21 soit vu par les transducteurs de réception 3a sous un grand nombre d'angles de vue.

L'ouverture du réseau de transducteurs d'émission 2 peut être définie comme les dimensions transversales OE _Y , OE _z du réseau, par exemple selon un axe vertical Z et un axe horizontal transversal Y (voir les figures 1, 2, 5) . Cette ouverture correspond à un angle d'ouverture en émission a sous lequel est vu le réseau de transducteurs d'émission 2 depuis chaque point de mesure P. Chaque point de mesure P est ainsi illuminé par les ondes ultrasonores incidentes sous une multiplicité d'angles d'incidence formant une plage d'angles d'incidence de largeur a. L'angle d'ouverture a peut être par exemple au moins égal à 20 degrés.

L'ouverture du réseau de transducteurs de réception 3 peut être définie comme les dimensions transversales ORy, OR _z du réseau, par exemple selon un axe vertical Z et un axe horizontal transversal Y' (voir les figures 1, 5) . Cette ouverture correspond à un angle d'ouverture en réception β sous lequel est vu le réseau de transducteurs de réception 3 depuis chaque point de mesure P. Chaque point de mesure P est ainsi vu par les transducteurs ultrasonores de réception 3a sous une multiplicité d'angles de vue formant une plage d'angles de vue de largeur β. L'angle d'ouverture en réception β peut être par exemple au moins égal à 20 degrés.

L'angle d'ouverture en émission a peut avantageusement être supérieur à l'angle d'ouverture en réception β.

Plus particulièrement, l'ouverture du réseau de transducteurs d'émission 2 selon au moins un axe Y, Z, ou les deux, est avantageusement supérieure à l'ouverture du réseau de transducteurs de réception selon les axes correspondant Y', Z. Cette disposition permet de s'assurer qu'au moins une partie des ondes ultrasonores réfléchies revient toujours vers le réseau de transducteurs de réception 3.

Eventuellement, l'ouverture du réseau de transducteurs d'émission 2 selon au moins un axe Y, Z, ou les deux, peut être supérieure à 3 fois (voire 5 fois, ou même 7 fois) l'ouverture du réseau de transducteurs de réception selon les axes correspondant Y', Z.

Le dispositif ultrasonore 1 peut être commandé par un circuit électronique 11 lui-même éventuellement relié à un ordinateur 12 ou similaire.

Le circuit électronique 11 peut comprendre : un convertisseur digital-analogique 6 (D/Al- D/AM) relié à chaque transducteur d'émission 2a (El-EM) et associé le cas échéant respectivement à une mémoire tampon 9 (Bl-BN) ,

une unité centrale électronique 5 (CPU) commandée par l'ordinateur 12 et commandant chaque convertisseur analogique-digital 6,

au moins une mémoire centrale 7 (MEM) reliée à l'unité centrale électronique 5,

- éventuellement, un circuit spécifique de traitement de signal 8 (DSP)

un convertisseur analogique-digital 10 (A/Dl- A/DN) relié à chaque transducteur de réception 3a (TR1- TRN) ) , et associé respectivement à une mémoire tampon 9 (B'1-B'N) .

Les transducteurs ultrasonores d'émission 2a peuvent être commandés pour émettre les ondes ultrasonores incidentes à une fréquence inférieure à 100 kHz, par exemple comprise entre 40 et 70 kHz.

Avantageusement, l'unité centrale électronique 5 est adaptée pour faire émettre les ondes ultrasonores incidentes à une cadence supérieure à 500 tirs par seconde, de façon à pouvoir suivre les mouvements de la surface 21 au cours du temps.

Comme représenté sur la figure 2 dans un exemple particulier de réalisation, le réseau de transducteurs d'émission 2 peut être un réseau bidimensionnel de transducteurs ultrasonores d'émission 2a portés par une plaque rigide 13.

Ces transducteurs ultrasonores d'émission 2a peuvent être commandés pour émettre les ondes ultrasonores incidentes soit en même temps, soit séquentiellement.

Eventuellement, les transducteurs ultrasonores d'émission 2a peuvent être répartis en plusieurs groupes et tous les transducteurs ultrasonores d'émission 2a d'un même groupe sont commandés pour émettre simultanément le même signal. On obtient ainsi un réseau démultiplié, ce qui augmente artificiellement l'ouverture en émission du réseau de transducteurs d'émission 2.

En variante ou en complément, le réseau de transducteurs d'émission 2 peut être couplé à une cavité mélangeuse 4, comme expliqué ci-dessus et comme représenté sur les figures 1 et 3. Le réseau de transducteurs d'émission 2 peut être éventuellement dans ce cas réduit à un seul transducteur ultrasonore d'émission 2a, puisque l'ouverture OE' _Y , OE' _z du réseau de transducteurs d'émission 2 est alors définie non par la répartition spatiale des transducteurs mais par les dimensions de la face émettrice de la cavité mélangeuse, par où les ondes ultrasonores incidentes sortent dans l'air vers la surface 21.

La cavité mélangeuse 4 peut être un objet solide tel qu'une plaque ou autre, ou bien il peut s'agir d'un boîtier dans lequel est monté le réseau de transducteurs d'émission 2, tel que représenté sur la figure 3. Dans ce cas, la cavité mélangeuse 4 peut comporter un fond 14, des parois latérales 15 et une paroi d'émission parallèle au fond 14 et maintenue écartée dudit fond 14 par les parois latérales 15. Le réseau de transducteurs d'émission 2 peut être monté sur le fond 14, dans la cavité mélangeuse 4. La paroi d'émission 16 peut comporter des trous 17 permettant la sortie des ondes ultrasonores incidentes vers la surface 21. Ces trous 17 constituent autant de sources d'ultrasons qui définissent l'ouverture du réseau de transducteurs d 'émission 2.

Comme représenté sur la figure 4, à l'intérieur de la cavité mélangeuse peuvent être prévues des parois réfléchissantes 18, solidaires par exemple de la paroi d'émission 16 et avantageusement sensiblement perpendiculaires au fond 14. Les parois réfléchissantes 18 sont orientées de façons diverses pour favoriser les réflexions multiples des ondes ultrasonores dans la cavité mélangeuse 4.

Le dispositif qui vient d'être décrit permet de mesurer les mouvements de la surface 21, notamment le déplacement et la vitesse de déplacement en tout point.

Cette mesure est effectuée en traitant les signaux réfléchis captés par les transducteurs ultrasonores de réception 3a, par une méthode de traitement de signal qui peut par exemple être l'une des trois méthodes décrites ci- après . Méthode 1

Dans cette première méthode de traitement de signal, l'illumination de la surface 21 par les ondes ultrasonores incidentes (le tir des ondes ultrasonores incidentes) est réalisée en excitant simultanément les M transducteurs ultrasonores d'émission 2a.

A chaque étape de mesure k, correspondant à un tir d'onde incidente, les signaux captés par les transducteurs ultrasonores de réception 3a sont traités par formation de voie en réception, de façon classique.

Ainsi, pour chaque point P de la zone d'observation (c'est-à-dire la zone susceptible d'être occupée par la surface 21), on calcule un signal de formation de voie en réception S _k (t) comme suit :

Où :

- r est le signal capté par le transducteur Rj du réseau de réception 3,

- t est le temps,

d est la distance entre le point P et le transducteur R ,

- c est la célérité de l'onde ultrasonore dans l'air. Ce signal est maximum pour les points P appartenant à la surface réfléchissante 21.

On peut ainsi déterminer une topographie de la surface 21, et donc une image de la surface 21, qui est cependant le plus souvent approximative.

En revanche, on peut déterminer de façon très précise les déplacements δ en chaque point P de la surface entre deux tirs k et k+1, par comparaison entre les signaux S _k (t) correspondants aux différents tirs successifs.

Pour un point P donné de la surface 21, on compare les signaux successifs S _k (t) et S _k+ i(t) lors d'au moins une étape de détermination de mouvement, ce qui fait apparaître un déphasage φ qui est relié au déplacement δ subi par le point P entre les tirs k et k+ 1 perpendiculairement à la surface 21, par la relation :

φ 25cos0

— 2nf =—- c— (1 , ou :

- c est la célérité de l'onde ultrasonore dans l'air,

- f est la fréquence de l'onde ultrasonore

- Θ est l'angle d'incidence et de réflexion moyen de l'onde ultrasonore au point P, c'est-à-dire l'angle moyen entre la normale à la surface et le faisceau réfléchi (déterminé en fonction de la topographie de la surface 21) .

Compte tenu que la surface 21 est réfléchissante pour les ondes ultrasonores, le déplacement d de la surface 21 est vu comme un déplacement 2d.cos9 d'une source virtuelle située derrière la surface 21, d'où la formule (1) ci- dessus .

Le déplacement δ du point P entre les tirs k et k+ 1 est donc calculé par la formule :

^ = 4nfc ^L os- _a v (2) ·

De façon équivalente, on peut mesurer non pas le déphasage φ, mais le retard dt=cp/(2nf) du signal S _k +i(t) par rapport à S _k (t) (t est compté à chaque fois à partir du tir de l'onde onde incidente), le calcul du déplacement δ entre les tirs k et k+1 étant alors effectué par la formule :

_§ = -^L ( ₂ ').

ï.cosQ

Dans les deux cas, on peut aisément remonter à la vitesse normale de la surface 21 : V = δ /At, où At est l'intervalle de temps entre les tirs k et k+1.

Cette première méthode est très rapide et particulièrement efficace notamment si la surface 21 est illuminée sous une large plage angulaire et donc si le réseau de transducteurs d'émission 2 présente une ouverture d'émission large.

L'usage d'un réseau démultiplié ou d'une cavité mélangeuse est donc particulièrement souhaitable dans ce cas pour le réseau de transducteurs d'émission 2.

Méthode 2

Dans cette deuxième méthode de traitement de signal, on n'utilise préfèrentiellement pas de cavité mélangeuse pour le réseau de transducteurs d'émission 2.

On fait émettre successivement une onde impulsionnelle successivement par chaque transducteur ultrasonore d'émission 2a, que l'on considérera comme ponctuel et émettant une onde sphérique. Chaque série de tirs successifs par l'ensemble des transducteurs ultrasonores d'émission 2a, constitue une étape de mesure k, puis on réitère les tirs dans une série suivante k+1 de tirs successifs par tous les transducteurs ultrasonores d'émission 2a.

A chaque série k de tirs, on détermine ainsi la réponse impulsionnelle hi _k (t) entre chaque transducteur ultrasonore d'émission Ei et chaque transducteur ultrasonore de réception TR .

Pour un point P donné de la zone à observer, on connaît la distance à parcourir par l'onde ultrasonore de l'émetteur Ei au récepteur R , notée d± . Cette distance est connue pour tous les couples (Ei,Rj).

On calcule alors un signal de formation de voie (« beamforming ») en émission et réception au point P pour le transducteur ultrasonore de réception TRj. Ce signal rj _k (t) est obtenu en sommant toutes les réponses impulsionnelles retardées de manière à compenser les temps de trajet dij /c. Ce signal s'exprime comme suit :

Le signal S' _k (t) correspondant au point P et à la série k de tirs, pour l'ensemble des transducteurs ultrasonores de réception 3a, est la sommation des signaux de formation de voie de tous les récepteurs :

S' _k t) =∑7 ₌₁ r _jk {t) (4)

Si P est un point matériel de la surface 21, alors le signal S sera une impulsion brève et d'amplitude maximum car toutes les impulsions calculées pour tous les récepteurs auront le même retard. Sinon le signal sera plus étalé en temps et d'amplitude plus faible.

Ce procédé permet dans une première approche de déterminer la topographie de la surface 21, donc une image (généralement peu précise) de la surface 21.

Pour un même point P de la surface, les signaux successifs S' _k (t) correspondant aux différentes étapes de mesure k permettent de déterminer, avec une grande précision, le déplacement δ du point P entre deux séries successives de tirs k et k+1, au cours d'au moins une étape de détermination de mouvement .

Dans toutes les formes de réalisation de l'invention, les étapes de détermination de mouvement peuvent être réalisées au fur et a mesure des étapes de mesure. Bien entendu, ce calcul peut aussi être fait de façon différée.

Si le point P a bougé entre t et t+dt d'une distance δ normale à la surface 21, alors le nouveau signal S' _k+ i(t) sera une impulsion décalée en temps (compté par rapport au tir des ondes incidentes) par rapport à S' _k (t) de dt=2ô cosG, avec les notations déjà définies ci-dessus.

Le décalage temporel dt donne le déplacement de la surface 21 au point P : δ = dt .c / (2 cosG) (5) .

On peut aisément remonter à la vitesse normale de la surface : V = δ /At, où At est l'intervalle de temps entre les séries de tirs k et k+1.

Comme dans la méthode 1, on peut déterminer de façon équivalente le déplacement et la vitesse de la surface 21 en utilisant le déphasage φ entre les signaux S' _k (t) et S ' k+i (t ) .

La méthode 2 est très précise et peut permettre des mesures de mouvement de surface d'amplitude largement inférieure à la longueur d'onde. Une interpolation parabolique ou d'ordre supérieur pourra alors être mise en œuvre pour calculer le décalage temporel à la fraction près de la période d'échantillonnage des signaux acoustiques. Méthode 3

Dans cette troisième méthode, le réseau de transducteurs d'émission 2 peut être de type ouverture démultipliée ou comporter une cavité mélangeuse 4.

Les ondes émises réfléchissent sur la surface 21 et sont collectées par les N transducteurs ultrasonores de réception 3a. On considérera le trajet des ondes de la surface 21 vers les récepteurs comme étant direct sans aucune réflexion.

Cette méthode 3 comporte au moins une étape de calibrage (préliminaire, et pouvant être répétée à intervalle régulier pour recalibrer) où on détermine les réponses impulsionnelles hi _j (t) entre les transducteurs ultrasonores d'émission TEi et les transducteurs ultrasonores de réception TRj . Après une transformée de Fourier, ces réponses impulsionnelles sont notées Hi (on omet la pulsation angulaire ω pour simplifier les calculs) . Cette étape préliminaire peut éventuellement être réalisée en faisant émettre une impulsion successivement par chaque transducteur ultrasonore d'émission TEi, comme dans la méthode 2 ci-dessus.

Cette étape préliminaire est suivie de plusieurs étapes de mesure successives, indexées par un indexe k. Pendant chaque étape de mesure k, on fait focaliser l'onde incidente successivement sur les différents points P de la surface 21, lesquels points P ont par exemple été déterminés au cours de l'étape préliminaire.

Ces focalisations successives sont réalisées comme suit .

Suivant le procédé de retournement temporel et en usant du principe de réciprocité, en faisant émettre par l'émetteur i la réponse impulsionnelle temporellement inversée (donc dans le domaine fréquentiel, Hi ^* , ou l'exposant * désigne le complexe conjugué) on devrait obtenir la réponse suivante : Ri = Hi Hi _j ^* = | Hi | ² . La réponse Ri est réelle et correspond à une impulsion centrée sur l'origine des temps. Suivant ce constat il est donc possible d'envoyer une impulsion à n'importe lesquels des récepteurs j avec un certain retard en émettant simplement la réponse impulsionnelle retournée temporellement et retardée.

De fait, il est possible d'émettre n'importe quel front d'onde vers tous les récepteurs à partir d'un seul émetteur i. Ce front d'onde étant décrit simplement par un retard d'arrivée noté T au récepteur j. Pour cela il suffit de combiner les signaux avant de les faire réémettre par le transducteur ultrasonore d'émission TEi :

où Ei est le signal émis par le transducteur ultrasonore d'émission TEi, dans le domaine fréquentiel.

On peut donc notamment synthétiser un front d'onde sphérique arrivant au niveau des transducteurs ultrasonores de réception TR , issu d'un centre de divergence constitué par un point P sur la surface 21. Autrement dit, on peut focaliser l'onde ultrasonore incidente au point P sur la surface 21.

Cette synthèse de front d'onde est par ailleurs renforcée lorsque tous les transducteurs ultrasonores d'émission TEi émettent les signaux nécessaires à la synthèse du même front d'onde. En notation matricielle les signaux émis par tous les transducteurs ultrasonores d'émission TEi peuvent s'écrire sous la forme suivante :

Au niveau des transducteurs ultrasonores de réception

TRj les signaux reçus sont :

R _j -∑i=iEiH _l IJ (8)

Sous forme matricielle cela se résume à

On peut combiner tous les signaux reçus par les différents transducteurs ultrasonores de réception TRj après focalisation au point P de la surface 21, en réalisant une formation de voie en réception (beamforming) grâce à la compensation des retards des signaux reçus avant leur sommation :

S _{k e} +j«>T _{2 e} +j«>T _N ]R = TR (10)

L'indice k désigne l'étape de mesure, c'est-à-dire une succession de tirs d'ondes incidentes successivement focalisées sur les différents points P considérés de la surface 21. En notation matricielle, la focalisation au point P en émission et la formation de voie en réception se résume à l'unique signal suivant :

S _k = T R = T H E = T H H ^T* T ^T* (11) L'exposant T* indique que la matrice est transposée con uguée .

Le signal S _k représente principalement les informations collectées au point P.

Lorsque ce point bouge entre l'étape de mesure k et l'étape de mesure k+ 1, il en résulte un déphasage φ entre S _k et S _k+ i .

Ce déphasage φ permet de remonter au déplacement δ de la surface 21 au point P par la formule (2) susmentionnée, ou à la vitesse de déplacement V comme expliqué dans la méthode 1, au cours d'au moins une étape de détermination de mouvement .

On notera que les calculs ci-dessus de la troisième méthode pourraient être faits de même dans le domaine temporel plutôt que dans le domaine fréquentiel. Inversement, les calculs des méthodes 1 et 2 pourraient également éventuellement être faits dans le domaine fréquentiel .

Dans les différentes méthodes envisagées, selon les applications, les valeurs de δ et V pourraient être des valeurs proportionnelles aux formules susmentionnées.

Variante

La formation de voie en réception peut être éventuellement réalisée avec un mélangeur, comme explicité dans les documents suivants :

- Nicolas Quieffin, Stefan Catheline, Ros Kiri Ing and Mathias Fink, "Acoustic source localization model using in-skull réverbération and time reversai", Applied Physics Letters vol. 90, 063902 (2007) ;

N. Etaix, M . Fink and R. K. Ing, "Acoustic imaging device with one transducer", J. Acoust . Soc. Am. 131 (5), pp. EL395-EL399, 2012 ;

N. Etaix, J. Dubois, M. Fink and R. K. Ing,

"Increasing the modal density in plates for mono-element focusing in air", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 134 (2), pp. 1049-1054, 2013.

Les figures 6 et 7 montrent un exemple de cartographie des vitesses de déplacement et des déplacements mesurés par le procédé selon l'invention sur la surface 21 du bas du sternum du corps humain, mise en vibration par les battements cardiaques. Les figures 8 et 9 montrent l'évolution dans le temps des vitesses de déplacement et des déplacements mesurés par le procédé selon l'invention sur la même surface solide 21.

L'invention est donc particulièrement utile pour l'analyse des mouvements de surface du corps humain, notamment pour l'étude des mouvements respiratoires ou du système cardiovasculaire .

L'invention est particulièrement avantageuse notamment dans l'étude de la ventilation pulmonaire, puisqu'elle permet de remonter aux variations de volume des poumons et donc aux débits d'air inspiré / expiré sans perturber le sujet, contrairement aux procédés impliquant par exemple un embout buccal ou un masque facial.

L'invention permet également de surveiller de façon automatique la respiration d'un patient, par exemple en réanimation, en réveil d ' anesthésie, en salle d'attente aux urgences, ou encore pour les nourrissons à risque, etc.

En dehors du domaine médical, l'invention peut également permettre par exemple de détecter précocement un endormissement d'une personne, de détecter une situation de stress d'une personne, etc.

Enfin en dehors du domaine médical, l'invention peut également permettre de détecter des objets fixés sur la peau et cachés par un tissus. En excitant le sujet et plus particulièrement la zone observée le mouvement de surface de la peau sera perturbé par le ou les objets cachés et sera observable par le dispositif revendiqué dans ce document .