WO2016087719A1 - Method and system for characterizing mechanical and thermal properties - Google Patents

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WO2016087719A1
WO2016087719A1 PCT/FR2014/053175 FR2014053175W WO2016087719A1 WO 2016087719 A1 WO2016087719 A1 WO 2016087719A1 FR 2014053175 W FR2014053175 W FR 2014053175W WO 2016087719 A1 WO2016087719 A1 WO 2016087719A1
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waveguide
tip
medium
tapered
impedance
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PCT/FR2014/053175
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French (fr)
Inventor
Jean-Pierre Nikolovski
Guillaume TRANNOY
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2462Probes with waveguides, e.g. SAW devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/221Arrangements for directing or focusing the acoustical waves

Definitions

  • the present invention relates to high speed scanning non-destructive (NDT) control using a projected liquid coupling element, employing ultrasound elastography of elastic and viscoelastic samples and the identification or classification of the state of materials via their acoustic or thermal properties. It is particularly applicable to directional velocimetry.
  • the invention provides a device and method for measuring longitudinal and transverse characteristic acoustic impedances in organic materials or fabrics by simple contact, immersion or projection of a known impedance guide.
  • the materials may be solids or fluids and in particular viscoelastic liquids in solidification phase or high temperature phase change.
  • the problem to be solved is to locally access the mechanical properties of elastic or viscoelastic heterogeneous materials or fabrics in space and / or time, by a local contact method, or even quasi-point, possibly accepting high temperatures.
  • the parameters that are to be determined preferably simultaneously with controlled coupling conditions are in particular the longitudinal and transverse impedances of the materials.
  • a silicone polymer material could be very close to a human finger with respect to the longitudinal characteristic impedance, but far away for the transverse characteristic impedance (or shear) so that with the same profile and contact area, the acoustic signatures of an artificial finger and a human finger could be quite different.
  • the longitudinal and transversal impedances of materials subjected to high temperatures and in crystalline liquid-solid phase change situations are also variable in time and space, in particular in depth, and their monitoring over time (monitoring ) can provide a means of characterizing the thermal manufacturing process.
  • the contact with a human finger involves an interaction with a mechanical vibration that includes a longitudinal component and a shear component.
  • a mechanical vibration that includes a longitudinal component and a shear component.
  • a shearing component ie located in the plane of the interface
  • the thermal effusivity makes it possible to determine the temperature of an interface when two semi-infinite objects, having different temperatures, are put in contact.
  • a "good” artificial finger is a finger that simultaneously has good similarity with a human finger on both the longitudinal and transverse impedances as well as on the viscous damping generated at the interface and backscattered by the composition of its volume. back, as well as on the thermal properties including the effusiveness that the artificial finger must reproduce in a manner comparable to that of the human finger which gives up part of its heat in a situation of non-thermal neutrality.
  • the acoustic signature of an artificial finger is the same as the acoustic signature of a human finger and it is then possible to precisely calibrate or study the reliability using a robotic arm, a tactile surface comprising several hundred reference coordinates or various thermodynamic conditions.
  • the acoustic impedance parameter combines two values, velocity and density, which, when available, are often flawed or vary from one manufacturer to another, which reduces the accuracy available on the acoustic impedances.
  • many materials undergo alteration of their physical properties depending on their aging or external agents, such as alteration by a chemical or mechanical wear. It may be necessary to check periodically or continuously the evolution of these properties over time.
  • a simple device a local guided wave probe, associated with a process capable of rapidly characterizing the acoustic impedance of the materials without damaging them, by simple contact on a plane face of the order of one millimeter to one square centimeter and that possibly a variation of viscoelastic properties by scanning.
  • this device finds applications in the field of medical imaging by ultrasonic ultrasound or pulse elastography exploiting the combined use of longitudinal and transverse waves by means of one or more ultrasonic waveguides, possibly heated or cooled , propagating these two waves and brought into contact with the medium of interest in order to determine its mechanical and thermal properties.
  • shear wave impulse elastography the use of shear waves is limited to low frequencies, typically between 50 Hz and 5 kHz due to the strong damping of shear waves in diffusing viscoelastic media which propagate in the living tissues at a speed close to 3 m / s.
  • a presentation of this method is for example given in the article by S.
  • the objective is not only to exploit longitudinal waves to illuminate at an ultrafast rate of the order of 10 kHz the tissue being deformed under the effect of the passage of a pulse wave shear of high amplitude, tens of microns, generated by a vibratory pot, but also to exploit the shear wave as an additional wave, of different speed and polarization, generated by tapered waveguide transducers and exploited in traditional sonography for get a fine measurement.
  • the present invention provides an additional means of characterizing the material by a thermal transfer process generating a thermal diffusion wave in the material.
  • the present invention aims to propose a probe making it possible to generate the two types of waves at a distance and over a very limited lateral extent, by means of a projected collimated liquid coupler.
  • the shear wave velocity in the tissue in particular the variations of this velocity and the wavefront in the presence of a more rigid cancer nodule, which has the effect, on the one hand, of reducing the amplitude of the deformation of the fabric and, on the other hand, of accelerating the speed of propagation of the shear wave.
  • the medical diagnosis then consists in solving the inverse problem to access the shear modulus, in particular its increase and its spatial extent in the tissue.
  • the resolution of the process depends on the image acquisition frequency, ie the distance traveled by the bending wave between two longitudinal measurements, which is in practice of the order of a millimeter.
  • the isostatic compression modulus in human tissues is of the order of 1 GPa while the shear modulus is a thousand times smaller, in connection with the very low shear wave speeds observed.
  • the device according to the invention also makes it possible to analyze or even image over a range of about one square centimeter by displacement and measurement of the position of the probe, the shear impedance in the vicinity of the dermis, or in general of the test surface, by means of a conical guide with dispersive bending waves, of quasi-point contact surface and therefore of lateral dimension comparable to or less than the working wavelength and therefore having a low radiation impedance typically 4 to 10 times smaller than the transverse impedance of the same volume material and thus more suitable for measuring small values of shear impedance or radiation.
  • the tapered profile of the tip reduces the apparent thermal effusivity of the waveguide, generally metallic, which then approaches that of the skin, making it possible to minimize the heat exchange between the probe and the material to be characterized.
  • the main benefit of a tip having an effusivity comparable to that of the test material is that the equilibrium temperature of the heated finger brought into contact with the test material is halfway to the differential temperature of the two objects before contact.
  • the temperature of the tip will fall sharply, by at least 12.5 ° C, which will cause a change in transit time of the echo in the measurable tip with greater finesse.
  • it is the measure of the effusivity of the material and its relative variations with respect to that of the finger that will be perceived with greater finesse.
  • the finger imposed its effusivity, if it was much higher than that of the materials which it touched, one would not see a big difference of temperature between the various materials. They would all be perceived as "hot” and can not be differentiated.
  • the same device will be able access by simple contact to the flow velocity of a fluid in a vein by ultrasonic differential transit time or by continuous or pulsed Doppler measurement.
  • the acoustic impedance Z is the ratio between the generated pressure P and the vibration velocity of the particles v of the material in which the wave propagates:
  • a first approach to determine the impedance of a material is to evaluate separately the two parameters, density and propagation speed, to deduce the acoustic impedance of the material and to predict the transmission coefficient of a wave propagating from a first material to a second material sharing with the first a large lateral extent interface in front of the wavelength.
  • the radiation impedance involves the evolution of the contact section a little before and a little after the interface, over a distance at least equal to the half-wavelength and which corresponds to the volume zone of material coming from in response to the vibration at the interface.
  • the density can be known from the technical data of the material under consideration or evaluated by Archimedes' method, of which there are standard methods of immersion measurement, ISO 1183, DIN 53 479, ASTM D792.
  • the propagation velocity can be measured according to the transit time of the wave through a known dimension of the material. Such a method is for example described in the article by AR Selfridge, "Approximate Material Properties in Isotropic Materials", Sonics and Ultrasonics, IEEE Transactions on, Vol. 32, no. 3, p. 381 -394, May 1985.
  • the speed can also be determined precisely by measuring the transit time of several echoes on the faces of the material.
  • FR2547055B 1 exploiting sound waves in the air to evaluate the absorbent properties of materials. It operates a cylindrical waveguide, closed on one side by a sound source emitting a continuous wave and, on the other, by the test material whose impedance is to be determined.
  • the waveguide is hermetically applied against a flat wall of the object to be analyzed.
  • Two microphones are inserted into the waveguide and disposed at known distances from the interface so that the acoustic distribution of the resulting stationary wave can be measured and the impedance of the material can be deduced, with reference to the distribution of a standing wave for a standard material, the mechanical impedance of which is also known by another method.
  • the applications of this method mainly concern civil engineering for building soundproofing.
  • FR2806162B 1 Another method described in FR2806162B 1 is to emit a longitudinal wave beam through a fluid, for example water, to a plate of a material to be analyzed and for which it is desired to evaluate its homogeneity.
  • a layer of impedance adapter varnish between the plate and the water allows maximum penetration of the wave into the material. Then, it is reflected on the opposite side until the transmitting transducer that has switched, meanwhile, in receiver mode. It is then possible by analysis of the different echoes to deduce the impedance of the material as well as its homogeneity, in particular when the material is a plate which one seeks to control the absence of defects by scanning over its entire area. .
  • the use of a fluid as a medium ensures the transmission of a perfectly longitudinal wave. The process is applied to non destructive wing control of aircraft and aims to detect inhomogeneities and the possible presence of defects in the material.
  • US6298726 discloses an acoustic impedance measuring device by analyzing reflected waves on several elements located at depth of the material. Particular parameters of the frequency response of the echo signal are extracted and compared with calibrated values to identify particular materials. An algorithm based on a polynomial equation, calibrated for the transducer, delay and sample set, enables the identification of the material. This device can adopt different configurations with a waveguide, focusing or not the longitudinal wave on a small surface.
  • the excitation signal is a trapezoidal burst with rise and fall times adapted to cancel the echo in the material.
  • the trapezoidal pulse may consist of two pulses shifted in time, the second pulse being shifted by an interval creating a wave in phase opposition with the wave from the first pulse and an amplitude to cancel the echo from the test material.
  • the patents just cited are all intended to be used in a single mode of longitudinal propagation of the echo.
  • the device By knowing the speed of propagation and by measuring the flight time between the different echoes, it is possible to determine the thickness of each layer. Knowing the support force and the thickness of each layer of tissue, the device makes it possible to trace and determine a viscoelastic behavior profile of the organic element and the various layers constituting it. In this publication, the device exploits an ultrasonic emission through a waveguide in organic materials but does not aim to measure the characteristic impedance of the materials and does not distinguish between the type of waves propagating in the tissue (longitudinal or transverse).
  • FR2547055B 1 and FR2806162B 1 the use of a fluid medium (air and water) allows only a longitudinal propagation mode.
  • the mechanical coupling implements shear waves with the test environment.
  • the use of slow-spreading transverse waves can improve spatial resolution, and reveal small variations in transverse impedances (associated with malignant tissue).
  • the sensitivity to small transverse impedance variations is also useful in C D, in zones of appearance of cracks, delamination or crystalline phase change.
  • the device proposed here is composed of contact probes, solid or liquid wave or guided, contacted with the materials to be characterized.
  • the contact surface is an essential component of the device because it defines the limit between fundamental speeds and propagation speeds in dispersive guided medium. It also defines the apparent thermal effusivity of the probe when there is also a heat transfer process between the probe and the sample.
  • the method comprises generating longitudinal and transverse waves, or dispersive waves, at the desired frequencies, in a known impedance waveguide and profile, contacted with the test material.
  • the material can have a high temperature because the piezoelectric transducers used to transmit and receive the ultrasonic waves are not directly in contact with the sample, a relatively long waveguide acting as a thermal buffer.
  • the waveguide may be heated and yield some of its heat to the sample, while the sample is at room temperature prior to contact. It can also be cooled and have a lower temperature than the sample to absorb some of its heat.
  • the objective is then a simultaneous measurement of the mechanical and thermal properties of the sample.
  • An echo processing makes it possible to deduce the characteristic and radiation acoustic impedances of the sample, in the case where it is not plane, as well as the propagation velocities and the spatial and temporal variations of the propagation velocities in the sample. .
  • a variant of the device makes it possible to determine local impedances by echographic method or by direct or differential coupling between several conical flexural waveguides.
  • the device can determine a flow rate of a fluid by contact with the solid or in the surrounding fluid. It can also be used to characterize a process of solidification by thermal cooling, with change of liquid-solid phase, for example in the gelation of food or polymerization of resin or in the case of a metal plate several centimeters thick coming out of a blast furnace, the core of the plate still being melted at 1200 ° C (one thousand two hundred degrees Celsius), while the outer surface of the plate begins to solidify.
  • the radiation impedance is defined here as the product of the phase velocity by the density of the material constituting the guide.
  • a large-diameter guide with a flat end for example a cylindrical guide with a diameter of 13 mm (0.5 inches), generates waves considered quasi-planar and the impedance of the guide is equal to the characteristic impedance of the material constituting it. .
  • the volume guides are thus adapted to flat, soft and isotropic materials, while the tips are adapted to local measurements on curved interfaces and for materials with rapid spatial variation of mechanical properties or high surface temperatures.
  • the device proposed here makes it possible to identify in the same place, the longitudinal and transverse characteristic impedances and of radiation as well as the local variations of impedance and effusiveness simultaneously by simple contact, without deterioration of the medium to be analyzed.
  • the system exploits the reflective properties at the interface of the waveguides and the material to be analyzed.
  • the waveguides have dimensions adapted to the transit time specific to each type of wave so that a longitudinal wave, propagating faster than a transverse wave, does not disturb the transverse wave arriving earlier than this. last.
  • the mechanical properties of the materials are directly calculated from a comparison between a reference measurement, obtained without contact or at a given point of the reference surface of the sample, and a measurement on the sample, without approximation by a calibrated model beforehand.
  • the guide waveform has a tapered geometry and is selected to propagate dispersive bending waves, the waveguide section at the interface being selected to work with a certain phase velocity of 1% and 100% of the speed of the transverse wave propagating in the guide and therefore a certain value of radiation impedance of between 1% and 100% of the transverse impedance of the material constituting the guide allowing an optimal transfer of the energy in the test environment.
  • the tapered guide section decreases until the wave phase velocity in the guide is less than or equal to the velocity of pressure or longitudinal or transverse or guided waves generated in the medium.
  • the characteristic longitudinal longitudinal impedance, respectively transverse is the product of the propagation velocity of the longitudinal wave, respectively transversal, by the density of the material.
  • the waveguides are preferably made of materials having a characteristic impedance greater than or equal to that of the test material, for example low density metals such as aluminum or titanium when we want to characterize the dermis because the spike waveguides are very sharp with typical opening angles of 5 ° which provides on the one hand a sufficient bandwidth to work at a high frequency of the order of Megahertz and secondly a radiating impedance may be small, in practice close to the longitudinal characteristic impedance of the skin, which allows for contrasting measurements on the local impedance variation of the dermis.
  • the tapered profile of a tip makes it possible to reduce its phase speed of the bending mode as it approaches its end, down to below the speed of propagation of the waves in the water .
  • the diameter of an aluminum tip typically reaches 150 ⁇
  • the phase velocity at 600 kHz falls below 780 m / s (4 times lower than the transverse speed in a large aluminum block which is 3100 m / s) and twice as low as in water.
  • the wave can no longer be refracted in water because the refraction angle is greater than 90 °.
  • the tip must then be pushed deeper into the water until it reaches a depth where the phase velocity exceeds 1500 m / s and refraction is possible.
  • the amplitude of the echo corresponding to the bending wave reflected inside the tip, at its end then decreases very quickly.
  • an aluminum block with volume has the following characteristics:
  • VL 6400 m / s (longitudinal speed)
  • p 2700 kg / m 3 (density)
  • V L 1500 m / s
  • a dispersive tip whose end is immersed or partially immersed in a fluid and whose phase velocity is comparable to the speed of propagation of the waves in the fluid makes it possible to obtain a waveform angle of pressure, substantially aligned with the central axis of the emitting tip with a phase inversion on either side of the axis of the tip.
  • This property may be a disadvantage if it is desired to refract waves at 90 ° from the main axis of the tip.
  • This dispersive tip shape makes it possible to orient the acoustic beam at a refraction angle close to the perpendicular to the main axis of the tip, or even exceed the normal and produce a negative angle of refraction relative to the normal to the main axis of the tip, that is to say able to generate a wave in the middle, near the end, which turns back.
  • it is preferably provided, for refracting the beam at 90 ° from the main axis, that the curvature of the tip is greater than 60 ° at the tangent to the tip of the tip.
  • a flow measurement it is possible to use two pairs of probes inserted so that the ends of the probes of each pair are at different depths, one of the pairs having its ends opening in the vicinity of the wall, the other in the center of the pipe, so as to perform a bi-cord measurement in the middle of the pipe and at the wall.
  • This makes it possible to establish the velocity profile of the fluid flowing in the pipe and thus correct the K factor of the flow meter and ultimately obtain a more precise measurement of the flow rate.
  • the insertion of a metal tip into its single-walled or multiple-walled carrier structure can be accomplished by force insertion or more conveniently by inserting and crimping the carrier structure around the cylindrical base of the cone by means of a ferrule.
  • the ultrasonic damping can be optimized by creating a heterogeneous granular structure, for example a sintered metal or plastic in the form of a cylindrical tube with deep but non-through notches so as to maintain the seal.
  • the notches can be staggered to facilitate the crushing of the metal or the polymer during the crimping operation.
  • the end of the sleeve may have different geometries. Its primary function is to guide the tip and pinch a little upstream of its end so as to close the cavity filled with insulating air the tip of the sleeve and that cavity is sealed. This ensures that the acoustic waves propagate well to the end of the waveguide and do not begin to refract in the medium before reaching the end of the tip. This results in an intense acoustic source localized near the end, even when the sheath is immersed in a liquid or cast in a solid.
  • the second function of the sheath near the end of the tip is to act on the refraction angle of the ultrasonic beam.
  • the sleeve to envelope the truncated conical tip in the nip region by presenting a surface that reflects the beam diffracted towards the front, ie parallel to the main axis of the conical tip. This is obtained in water when the pinch cone of the conical tip makes an opening angle between 135 and 145 °, for example about 140 °.
  • the reflective surface can further extend to the level of the truncated tip so as to block any lateral radiation and impose a total radiation forward.
  • the angle of refraction with respect to the perpendicular to the main axis will extend from 30 ° to 90 ° in the water with a maximum observed around 60 °.
  • the beam orientation function is valid if the mechanical impedance of the sheath is significantly greater than that of the ambient medium, for example air. Otherwise, if the impedance of the sleeve is comparable to that of the medium, for example water, then the orientation of the beam can advantageously be supported by a separate part by ensuring that the end of the sleeve stops net in the pinching area.
  • the structure can then be completed with a metal collar formed around the sheath and having the appropriate reflective curvature, for example parabolic.
  • the reflector can then be made of metallic material of mechanical impedance much greater than that of water to obtain an effective reflection.
  • the pressure of the medium can be connected by the equation of state of the gas (virial equation) to the speed of the acoustic waves propagating in the gas. This speed is itself measurable by measuring the round-trip transit time of an ultrasound wave emitted forwards or laterally from a tip-mounted transducer in its sheath, itself provided with its metallic reflector collar for a transmission forward (or without collar for side emission).
  • the metal reflector collar has in this case an additional interest, that of reinforcing the mechanical strength of the sheath and its end.
  • the assembly then operates in transmission-reception via a reflector disposed in the middle, perpendicular to the main axis of the tapered waveguide.
  • Frequency analysis is performed in the frequency space by DFT (Discrete Fourier Transform).
  • DFT Discrete Fourier Transform
  • the advantage of the device proposed here lies in the fact that the lowering of the radiation impedance of the tip by exploitation of dispersive bending waves increases the efficiency of the solid tapered-gas coupling and makes it possible to measure low pressures, typically to pressures below atmospheric pressure. This is not always the case when it is necessary to couple an acoustic wave through a wall to measure the composition of a gas and the pressure that prevails therein.
  • the device proposed here thus finds a direct application in the nuclear field, in particular for the measurement of the release of gases under pressure, in particular Krypton (Kr) and Xenon (Xe) during the fission process of uranium oxide pellets.
  • the first relates to low pressures where the planar or radial configuration of the longitudinal waveguide limits the effectiveness of the acoustic-gas solid coupling so that the signal / noise ratio is unusable below a few tens of bars and does not measure the speed of sound nor the pressure or the composition of the release gas.
  • this first limitation is not a problem because it only exists at the beginning of the fuel life.
  • the second limitation is more troublesome because it concerns the evaluation of the end of life of the fuel, while the pressure and the temperature increase and that the end-of-life diagnosis is accompanied by costly maintenance operations in fuel change.
  • the medium can also reach a working temperature exceeding 300 ° C which is not compatible with the use of piezoelectric ceramics having the best piezoelectric coefficients, limited to maximum working temperatures close to 250 ° C. If one wants to be able to work at 500 ° C, it is necessary ceramics PZT whose piezoelectric coefficients are 10 to 20 times weaker than that operating at 250 ° C. In this context, the signals are too weak to make accurate measurements of sound velocity, gas composition and media pressure.
  • the low-pressure calibration by capacitive method can also be used for high-pressure calibration using the amplitude of the signal . It should also be noted that for large pressure variations, the measurement signal must undergo an automatic gain control.
  • the tip is preferably aluminum alloy or titanium.
  • the radiation impedance of the tip is lowered by refining its end by polishing so that an incident wave is fully transmitted (or the reflection coefficient is lowered to a threshold value) in the skin or food when the end of the tip is in contact with the dermis or food.
  • the impedance measurements can be carried out finely and on the scale of the square millimeter which is of interest in cosmetics and dermatology.
  • the speed of shear waves in the viscoelastic media such as the dermis can decrease very strongly to reach values of the order of one meter per second.
  • the velocities measured will be those of Rayleigh waves or horizontal transversals close to each other within 5%.
  • the tip can be driven into the test medium (silicone, viscous liquids, vegetables, fruits, etc.) to determine the height necessary to cancel any echo inside the tip. This height is characteristic of the longitudinal impedance of the medium.
  • a depth of penetration will be determined where the echo is decreased by 50% or 75%, which is easier to measure.
  • a bipod may consist of two pointed waveguides in contact with the test surface.
  • the axes of the points are in the same plane perpendicular to the plane tangent to the surface at one of the points of contact.
  • Deep drilling is carried out in the osculating plane with a lateral resolution determined in particular by the contact diameter of the tips, which is in practice less than one millimeter.
  • the lateral extent of the beam is also conditioned by pulsed or continuous operation. In pulsed mode, the configuration is adapted to measurements by differential transit time or pulsed Doppler velocimetry.
  • a bipod with superalloy metal conical guides, for example Inconel 600 or 625 can be used to probe materials carried at high temperatures of several hundred degrees Celsius.
  • the contact surface between the test material and the conical guide is reduced, which slows down the heat transfer mechanism and creates an apparent thermal effusivity well below the thermal effusivity of the same volume material.
  • the height and the opening of the conical guide in superalloy is at least 25 mm and is preferably chosen between 50 mm and 150 mm, with a good compromise between sensitivity and bandwidth obtained with a tip height of 100 mm for an angle at top of 4.8 °.
  • the waveguide then has an acoustic transfer function between its base and its end which is similar to a low-pass filtering of cutoff frequency greater than 700 kHz. These dimensions make it possible to work at a center frequency between 600 and 700 kHz for an aluminum alloy.
  • the height and the angle at the apex also make it possible to lower the temperature between the zone of contact, which can be carried for example at a temperature greater than 1000 ° C. and the base of the cone where the piezoelectric elements are bonded, generally ferroelectric, for which it is not necessary to exceed the temperature of Curie. It is also a significant advantage of the device presented here to provide a device for insertion of longitudinal acoustic waves and shear by having a radiation impedance adapted to the test medium. Finally, the base of the cone where the transducer is glued PZT is exposed to a temperature below the Curie temperature of the piezoelectric element used to generate and receive the ultrasonic waves.
  • the base can also be actively cooled via a heat transfer circuit, so that its temperature does not exceed 300 to 500 ° C, while the end is heated to a temperature exceeding 1000 ° C.
  • Reducing the section of the waveguide here brings a considerable benefit since it amounts to lowering the apparent thermal effusivity of the material constituting the tip.
  • the thermal effusivity is the square root of the product of the density of the material by the specific heat and its thermal conductivity. It characterizes the process of heat transfer between two materials brought to different temperatures. It makes it possible to define the interface temperature as the centroid of temperatures weighted by the effusivity of the materials. But this definition is valid only under conditions where the interface is flat.
  • the conical guide therefore functions as a thermal buffer. This configuration makes it possible to mechanically couple the guide to a medium heated to a temperature well above the Curie temperature of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is generally bonded to the guide with an epoxy adhesive.
  • the section or volume of the guide exposed to a high temperature sample represents a smaller surface area or volume, less than 100 times smaller, than the section or the volume of the guide coupled to the ultrasonic source and exposed to the colder temperature of the heat transfer fluid, without limiting the amplitude of the transmitted signal.
  • a bipode comprises a transmitter and a receiver distant from each other by a value adapted to the laws of refraction in the sample and depending on the depth probed.
  • the ends of the tips are carefully truncated so that the phase velocity at the ends is just greater than or equal to the velocity of the longitudinal waves generated in the medium.
  • a preferred arrangement in so-called tripod transmission consists in arranging two receiving points at equal distance from and in alignment with a bending wave emitter tip.
  • the receiving tips are arranged angularly with respect to their central axis so that the received signals are in phase opposition.
  • the excitation is impulse or continuous.
  • the summation of these signals provides a spatial differential measurement allowing small variations in the local mechanical properties to be observed between the receiving points.
  • a tripod arrangement can advantageously be exploited by reversing the transceiver roles, with the transmitters continuously vibrating in phase opposition, resulting from a phase inversion between the two electrical excitation signals, either because of the angular orientation points.
  • the tips are typically spaced 1 mm apart.
  • spike transducers can operate in bending mode at frequencies between 20 kHz and 2 MHz. But they may preferentially be excited by a sinusoidal pulse at the center frequency of the tip or modulated in frequency by performing a digital frequency scan for example between 300 kHz and 900 kHz (called "chirp" in English).
  • the frequency range is for example divided into 200 frequencies in the 3 kHz step, uniformly distributed between 300 kHz and 900 kHz.
  • the burst consists of a complete period of each of the 200 frequencies distributed.
  • the signal is preferably a square signal.
  • the rate of fire is preferably between 20 and 1000 shots per second. Each shot is digitized over typically 5,000 to 20,000 samples, representing an acquisition time of 1 to 4 ms and 10 to 40 kbytes of memory. RAM can store 50 to 200 successive shots.
  • the reception signal is digitized at the same time as the transmission signal. This configuration makes it possible to probe the space underlying the central receiver by masking the direct signal between transmitters and central receiver to measure disturbances backscattered by the medium. The received signal can then be further amplified without saturating the electronics.
  • the relative variations of the received signal are calculated by slowly sliding the tripod along a curve on the surface of the sample, the relative variation is calculated at the end of the sweep or when the memory is full by taking as reference one of the acquisitions made during the contact.
  • the relative variation of the signal with respect to a reference signal is performed in the time domain or in the frequency space (in module and in phase) after calculation of a Fast Fourier Transform (FFT).
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the relative variations of the signal are representative of variations in the mechanical properties of the backscattering medium during displacement of the tripod.
  • the configuration with two spike transducers generating a phase-opposite acoustic field at the receiver makes it possible to perform a measurement of relative multi-frequency perturbation.
  • the frequency components whose amplitude does not exceed 3% of the maximum amplitude observed are eliminated.
  • the Euclidean norm of the relative perturbation vector in modulus is calculated.
  • This vector is representative of the diffusing power of the medium over a set of frequency components. Any finding of a significant variation in the standard of this signal during manual or automatic mechanical scanning may result in a new scan possibly changing the scan rate or measurement rate to better visualize a change of ownership zone. backscattering.
  • the slow displacement of a tripod assembly on the surface of the medium, in the direction perpendicular to the segment connecting the three points, provides information on the spatial variations of impedance. It gives information on inhomogeneities of the environment.
  • the temporal variations of a motionless tripod provide information on variations in the environment of the tripod, for example linked to mechanical deformations caused by the passage of blood or by swelling of the medium associated with breathing or muscle contraction or by thermal diffusion.
  • the tip may be truncated so as to avoid damaging the dermis, for example by keeping a diameter of at least 0.4 mm.
  • the tip is brought into contact with the skin (or any other flexible material) with a constant force (for example equal to its weight when no dynamometer is available) or slightly greater by a few grams than its practical weight. at 15 grams) using a precision digital balance (having a resolution of at least 0.1 g and in practice 0.01 to 0.001 g and a 4-20 mA or digital output for controlling the position from the peak to a target force).
  • a precision digital balance having a resolution of at least 0.1 g and in practice 0.01 to 0.001 g and a 4-20 mA or digital output for controlling the position from the peak to a target force.
  • the force exerted on the tip is directly measured by a capacitive method based on the deformation of the bearing structure of the tip, as will be described later (see Figure 22).
  • Deformation of the supporting structure under the action of a force or pressure can cause the sliding of one wall relative to the other (in the case of a double-walled probe) or the slump of a wall (for example in the case of a tube probe with internal cavity and maintaining the tip at its base and its end). There is thus an air cavity around the cone that can sag or swell under the action of a hydrostatic pressure.
  • the metal tip is at the electrical ground and constitutes a first electrode and that the outer surface of the sleeve is coated with a conductive layer of revolution (or partial for example on an angular sector with a conductive strip from the base towards the end of the sheath) forming another electrode, materializes a capacitor whose variation in thickness under the effect of the hydrostatic pressure is representative of the external pressure exerted by the medium.
  • This configuration lends itself well to the realization of flowmeter probes with manometric function with minimum bulk.
  • the sheath with its tip tip is advantageously covered with an insulating varnish avoiding oxidation of the metal tip and / or a protective layer for example a Teflon-based varnish (PTFE or FEP or PFA) or silicone fungicide for avoid the accumulation of organic matter on its surface.
  • a protective layer for example a Teflon-based varnish (PTFE or FEP or PFA) or silicone fungicide for avoid the accumulation of organic matter on its surface.
  • PTFE or FEP or PFA Teflon-based varnish
  • silicone fungicide for avoid the accumulation of organic matter on its surface.
  • the cavity or flag surrounding the end of the tip is preferably filled with a soft silicone, transparent for ultrasound and preventing scale buildup.
  • the pentapode is the configuration the most complex, but allows the measurement of different parameters during a single contact with the material to be characterized.
  • the two additional points can thus operate at the same frequencies or at different frequencies of the two transmitting points of the first tripod. In particular, they can vibrate in polarization oriented differently from the other two.
  • Each of the tips of a pentapode has a four quadrant ceramic functioning as a linear combination of two dipoles oriented at 90 ° to each other and can be combined in amplitude and / or phase. This gives a total control of the acoustic vibration in the contact plane.
  • the tips may in particular be programmed to emit shear waves or longitudinal waves towards the central tip depending on whether their direction of vibration is collinear or parallel to the main sensitivity axis of the central tip.
  • the pentapode is in echographic configuration. In this configuration, it is sought to bring the points as close as possible so as to be able to detect rapid spatial variations and to exploit high frequency shear waves, preferably with a frequency greater than 20 kHz.
  • the pentapode When the central tip is transmitting and the four peripheral points are receiving, the pentapode is in directional velocimetric configuration.
  • the central tip operates in precession mode, while the 4 peripheral points operate in pairs of receivers diametrically opposed to the transmitter and detect the direct signal emitted by the central transmitter.
  • the measurement is then a measure of differential transit time per pair of receivers. It provides information on temporal variations, for example a flow in the plane of the ends. In this configuration we try to move the peaks as far as possible in order to increase the resolution on the speed measurement. This configuration is more expensive in electronic amplification and digitization / memory components.
  • the invention thus makes it possible to simultaneously evaluate several parameters of a medium without damaging it, in particular: ⁇
  • The speed of the longitudinal waves propagating in a sample (and thus indirectly the longitudinal impedance by knowledge of the density).
  • The velocity of transverse horizontal or Rayleigh waves propagating in a sample (and thus indirectly the transverse impedance by knowledge of the density).
  • the waveguides are chosen according to the desired working frequency which can vary for elastic materials from 300 kHz to 900 kHz and for viscoelastic media from 20 kHz to 4 MHz.
  • an embodiment provides a system for characterizing the mechanical and thermal properties of a solid or fluid medium, comprising at least one broadband ultrasonic transducer coupled to a first end of at least one solid tapered waveguide. to generate in the solid tapered waveguide at least one continuous or pulsed dispersive bending wave which propagates, the tapered solid waveguide being in contact, on the side of a second end, of section smaller than that from the first end, with the solid or fluid medium, wherein: the dispersive bending wave transmitted in the waveguide is refracted into an ultrasonic elastic wave in the medium, the maximum lateral extent of the contact surface between the tapered solid waveguide and the medium is less than the wavelength of the ultrasonic elastic waves generated in the medium, the tapered solid waveguide is t housed in a supporting structure of which at least one wall allows the acoustic insulation and the maintenance of the tapered guide as well as the damping of the ultrasonic waves, the guide being maintained by the supporting structure on the one hand on its periphery at its base of the broadband
  • the tapered solid waveguide has a cylindrical axis of symmetry, has a solid or hollow conical profile having a section that is refined until the phase velocity in the refraction zone is lower than or equal to the speed of the longitudinal or transverse or guided waves generated in the medium or that its radiation impedance at the point of contact is between 1% and 100% of the transverse impedance of the material constituting the guide.
  • the waveguide is made of a material having a characteristic impedance greater than or equal to that of the medium, for example a low density metal such as aluminum or titanium, or a hard plastic such as plexiglass or polycarbonate.
  • the tapered solid waveguide is a solid cone whose end is truncated at the point where the phase velocity is equal to the speed of the longitudinal acoustic waves generated in the medium.
  • the system also has the following one or more features: the first end of the tapered waveguide is exposed at a first temperature below the Curie temperature Te of the ultrasonic transducer; the tapered waveguide is a superalloy, for example in inconel; the second end of the tapered waveguide is in contact with a medium of a second temperature greater than the first and has an area at least 100 times smaller than that of the first end of the tapered waveguide; the tapered waveguide has a length which ensures the maintenance of a temperature difference between the first and second ends of the guide, the temperature difference resulting from a phenomenon of convection or free or forced conduction by a cooling system heat transfer fluid, and regulates the temperature of the transducer at the first temperature.
  • the system further comprises second and third tapered waveguides shaped conical points aligned to form a differential tripod, and two receiving points arranged at equal distances from a bending wave emitter tip, and aligned therewith, the receiving tips being angularly disposed with respect to their central axis so that the received signals are in phase opposition.
  • the system further comprises four tapered tapered waveguides to form a pentapode or two tripods oriented at 90 ° to each other and sharing the same central tip, the central point of the system operating as a receiver and peripheral points transmitter, the system further comprising a single electronic amplifier connected to the single central receiver.
  • the acoustic transducers associated with the tapered waveguides are four-quadrant PZT ceramic discs operating in a linear combination of two dipoles oriented at 90 ° to each other to be combined in amplitude and / or in phase so as to impose an acoustic vibration direction in the contact plane.
  • the system further comprises a fourth and a fifth tapered waveguides to form a pentapode organized in two tripodes oriented at 90 ° to each other, for the depth measurement of the speed variations. longitudinal or transverse.
  • the system further comprises four additional taper-shaped guides to form a pentapode, a central tip operating in transmission mode while the other four peripheral peaks operate in reception mode, the central tip operating in precession mode, while that the four peripheral peaks operate by pair of receivers diametrically opposite to the transmitter, the measuring device detecting the differential transit time per pair of receivers.
  • the system further comprises four conical-point guides forming a pentapode in the transit time measurement mode between a central emitter tip and the other four peripheral tips, the emitter tip producing a horizontal transverse wave in vibration. impulse precession, the two pairs of peripheral tips being oriented to detect the horizontal transverse wave, the measuring device giving a speed of propagation of this wave in two perpendicular directions.
  • the system is adapted to contact with the epidermis and the conical tip transducers are truncated and slightly pressed against the epidermis so that the entire section of the guide is in contact with the epidermis and that in the contact zone, the section of the guide is such that the phase velocity in the tapered solid waveguide is equal to that of the longitudinal waves of the medium, ie about 1500 m / s.
  • the system is adapted to contact with an air environment and further comprises four additional tips for forming a pentapode with a central emitting tip E vibrating in precession mode and four peripheral receiving points responsive to a flexion mode , the central tip having a round end, preferably of section diameter at its end less than 0.1 mm, and vibrating in a combination of two bending modes oriented at 90 ° to each other.
  • the carrier structure is sealed and the tapered solid waveguide is pointed and partially immersed in a fluid medium to where its phase velocity is equal to the speed of propagation of the pressure waves. in the middle.
  • the carrier structure comprises a U-shaped double wall ensuring: the control of a set temperature of an internal wall of the supporting structure, for example by means of a resistive coil for heating the conical tip by Joule effect; damping successive echoes passing through the mechanical coupling zone of the waveguide to the inner wall of the carrier structure; the thermal insulation of the inner wall by the outer wall of the supporting structure, separated from the inner wall by a thermal insulator; the relative displacement of the inner wall of the supporting structure relative to the outer wall of the supporting structure under the effect of a contact force of the tip on the sample or a deforming pressure exerted by the medium on a part of the supporting structure or the holding sleeve of the point; intermittently measuring the value of a capacitance of at least one capacitor that accounts for the relative position of the inner wall relative to the outer wall of the supporting structure or the inner wall of the supporting structure relative to the guide tapered solid wave, and one of the electrodes is integral with the waveguide and the other electrode is integral with the inner wall or the outer
  • the support structure is composed of a part ensuring the positioning, the orientation, the insulation and the damping of the waveguides and a bayonet cowling consisting of elastic deformable parts ensuring a force holding the probes in the inner wall and locking the flexible elements on the guide element.
  • the system further comprises: a conduit for feeding a pressurized liquid waveguide at the end of the tapered solid waveguide; an end of the solid waveguide immersed partially in the liquid waveguide, in a connection chamber, on a limited extent, of the order of 1 mm and a volume of the order of 1 mm 3; a liquid waveguide ejection nozzle of straight conical or curved hook shape for inspecting external, lateral, or internal surfaces of a sample, such as a railroad rail; a protector skirt of the liquid waveguide against dislocations or fragmentation by a stream of air over at least a part of its length to the surface of the sample or containment and suction splashing of the jet liquid sprayed onto the surface of the sample, wherein: the hydrostatic fluid ejection pressure varies over time to provide low frequency shear acoustic wave generation; the acoustic waves are controlled in amplitude and / or in phase, in particular between the jets of a configuration with several liquid waveguides; the hydrostatic pressure is modul
  • the end of the tapered solid waveguide is curved.
  • the second end of the solid tapered waveguide is forcefully inserted into a sheath formed in the supporting structure, the assembly being rigidly mechanically coupled to be sealed by crimping the sleeve or by metal brazing between the base of the tip and the sheath if it is metallic.
  • the tapered solid waveguide is inserted into a sheath formed in the supporting structure provided at its end with a reflective collar intended to orient the emitted ultrasonic beam or to shield the received ultrasonic beam from a predefined direction .
  • the system further comprises a second solid waveguide tapered to form a bipode and a reflector integral with the support structure disposed under the points, perpendicular to their main axis, at a distance between 75 and 125% of the inter-point distance.
  • the system further comprises three additional tapered solid waveguides to form two bipodes inserted perpendicular to a pipe at two different depths, each bipode being aligned with the direction of the flow to be characterized, one bipods having their ends arriving at a first depth in the pipeline so as to access the flow velocity at the center of the pipeline, while the other bipod has its ends arriving at a second depth of the pipeline, distinct from the first depth, in the vicinity of the inner wall of the pipe so as to access the flow rate near the wall.
  • the liquid ejection tip is separate from the carrier structure and is bonded to the carrier structure in a position where at least one of the ultrasonic beams refracted into the liquid from the end of the tip is reflected on at least one of the faces of the tip and aligns after reflection with the main axis of the nozzle ejection cannula.
  • the tapered waveguide is inserted into a sheath formed in the supporting structure, the end of the sheath with its open tapered solid waveguide being covered or filled with a protective anti-adherence varnish and or fungicide, for example based on Teflon (PTFE or FEP or PFA) or silicone.
  • the computing device deduces the pressure of a medium directly from the amplitude of an echo or a signal transmitted in the medium in combination with a capacitive measurement of the deformation of the carrier structure or a sheath formed in the supporting structure.
  • An embodiment further provides a method of characterizing the mechanical and thermal properties of a solid or fluid medium using a system as proposed above, comprising the following steps: generating in the waveguide solid tapered at least one dispersive bending wave in continuous or pulsed regime that propagates, the dispersive bending wave transmitted in the waveguide being refracted into an ultrasonic elastic wave in the medium; measuring amplitude or phase variations of the reflected and / or transmitted waves in the medium, and calculating mechanical and / or thermal properties of the medium from measurements provided by the measuring device.
  • the method further comprises the following steps: generating and detecting a reference echo in the medium by bipode (89), tripod or pentapode type probe (98) successively contacting the medium at a set of reference positions along a curvilinear reference path; storing the reference echoes associated with each position of the probe on the medium, along the curvilinear reference path; recognizing contact positions of the probe on the medium by calculating the minimum distance or by calculating the maximum of an inter-correlation function between a measurement echo obtained during a second passage on the curvilinear path and the one of the echoes corresponding to the learned reference positions, and to provide amplitude and phase information on the spatial variations of impedance along the curvilinear reference path.
  • the method further comprises a step of embedding the waveguide in the middle of a characteristic depth for which the amplitude of the internal echo in the waveguide is decreased by 50% at 75% of its value with respect to conditions where the end of the waveguide is free.
  • the method further comprises the following steps: moving a differential tip tripod to the surface of the medium, in the direction perpendicular to the segment connecting the three points; measure amplitude and phase on spatial variations of impedance.
  • the method further comprises: a step of constituting a reference database characterizing different media or the different states of a medium and associating with each medium or with each reference state the measurement of at least one of its effusivity, longitudinal and transverse impedance as well as angular anisotropy impedance values in at least two different directions, for example orthogonal directions, from bipod, tripod or pentapode type probes; a step of recognizing a medium or the state of a medium by measuring its effusivity values, longitudinal ZL and transverse ZT impedances as well as angular anisotropy of the impedances in at least two different directions, using a bipod, tripod or pentapode type probe by searching for a corresponding element closest to a reference database on this medium or on the states of this medium.
  • the velocity determination method proposed here exploits a comparative measurement between a reference measurement, for example without contact and a measurement during a contact on the sample to be analyzed. Then we use formulas giving the reflection coefficients at the interfaces as a function of the impedances of the media. It is a deterministic process.
  • the device also finds applications in the analysis and monitoring of the viscoelastic property variation of materials, especially when the tip transducers are oriented to transmit and detect horizontal shear waves.
  • a tripod or a pentapode in echographic mode in shear configuration also makes it possible to check a possible angular anisotropy in the viscosity of a fluid, this thanks to its ability to perform the same measurement in two perpendicular directions.
  • the device proposed here is also a powerful means for measuring spatial and temporal viscosity, particularly in the field of magnetorheological fluids or elastomers, which can rapidly change state under the action of a magnetic field with a response time of less than the millisecond. Indeed, even in pulsed mode, the tip transducers can be excited at a high rate of up to 1 to 2 kHz (or PRF for Pulse Repetition Frequency in English) and therefore likely to display rapid changes in state.
  • the device can find applications in slow processes of change of state, for example in the control of the maturity of food held at constant temperature in a cold room, the hardening of concrete, or lava, the polymerization of glues, sintering of powders, changes of crystalline phase, manufacture of gels.
  • the device can give an estimate of the spatial variations of longitudinal or transverse acoustic impedance by a mechanical scanning in the plane of the surface of the sample (C-scan) and thus allow a mapping of a human tissue or a any material.
  • the device according to the present invention can learn to recognize the successive contact positions with the medium during a mechanical scanning phase of a bipod, tripod or pentapode consisting in a first step to memorize the echoes associated with each position of the probe then to recognize the positions by distance calculation or inter-correlation during a second pass, following the first constituting a learning phase.
  • the device proposed here can allow a classification of materials by the characterization of the impedances of the two fundamental modes and according to two directions of propagation, thus providing information on the anisotropy of the material as well as on the efficiency of the thermal transfer of a tip heated or cooled, the lowering or elevation of temperature after a contact of determined duration with the sample at room temperature being measured.
  • the device can be a "classifier" of materials, applicable to elastomers, human tissues, food and meat in particular for the control of their state of conservation or ripening, as well as various metal and plastic materials.
  • This device can finally allow the inspection of moving surfaces by combining a solid guide coupled to a liquid guide projected towards the sample.
  • This type of probe finds applications in nondestructive, high speed control.
  • the probe is constituted by a double wall bearing structure possibly heated to improve the ultrasonic damping and the viscosity of the fluid in circulation and comprising two waveguides arranged in series, the first being solid and consisting of a guide to conical dispersive tip for lowering the radiation impedance and optimizing the transfer to the second liquid guide, coupled to the first via a connection chamber and opening onto an ejection nozzle of the liquid coupling in the form of a collimated jet directional high pressure.
  • the liquid jet is protected from drafts by a skirt, for example in the form of a cylindrical multi-strand brush.
  • the jet may be intermittent to strike the surface of the sample regularly and generate low frequency shear waves.
  • the latter point is of interest in pulse elastography and is an alternative to percussion methods vibrating pot or other electromagnetic or static contact usually juxtaposing the ultrasound transducer.
  • the jet in intermittent mode must allow a significant deflection of the skin, typically of the order of 1 mm.
  • the viscosity and the surface tension of the projected fluid make it possible to create a waveguide having a spatial continuity and for which a laminar flow can be imposed if the Reynolds number associated with the diameter of the jet, the density of the liquid, its speed ejection and its viscosity, remains below 2300.
  • the fluid may advantageously be more viscous than water in order to maintain a laminar regime and therefore a collimated projection over a greater distance or to limit the spread of fluid on the inspection surface, for example for the sake of cleanliness.
  • a jet of water with a diameter of 0.8 mm, with a viscosity of 1 mPa.s and a density of 1000 kg / m 3 , expelled at a speed of 1 m / s is associated with a Reynolds number. value 800.
  • the turbulent regime is then reached for an expulsion speed of about 3 m / s.
  • FIG. 1 is a schematic view of a transduction assembly with a waveguide 150 forming an elementary probe for a longitudinal or transverse propagation mode, coupled to a material to be analyzed 100,
  • FIG. 2 is a schematic view of the complete device 400 according to one embodiment allowing the characterization of the two basic modes of propagation simultaneously, thanks to two separate probes 125 and 225 in contact with the material 100.
  • FIG. 3 is a schematic view defining the incident waves 600, reflected 620 and transmitted 610 at the interface with the sample 100.
  • Figure 4 defines the incident waves 600, reflected (620, 640 and 650) and transmitted 610 and 630 in the case where the sample is composed of two layers 100 and 101.
  • Figure 5 shows the interface echo in the case of a plexiglass guide with longitudinal wave, bathed in the air.
  • Figure 6 shows the interface echo in the case of a transverse wave plexiglass guide, bathed in the air.
  • FIGS. 9A and 9B schematically illustrate two variants of the device according to an embodiment associating transducers 260, 270, 280 and 290 for the two fundamental modes of propagation on a single waveguide 150 according to, respectively, a concentric configuration.
  • FIG. 10 is a block diagram of the mounting of the transducer 540 according to one embodiment with the transmission and reception electronics using a limiter 510 avoiding to saturate the amplification elements 520.
  • FIG. 11 is a block diagram of the mounting of the transducer 540 according to one embodiment with the transmission and reception electronics using a fast switching 515 between the transmitted signal and the measured echoes making it possible to avoid saturation of the electronics amplification 520.
  • Fig. 12 illustrates a polished and truncated end dispersive flexural waveguide and its operation.
  • Figure 13 illustrates a modeling of the dispersive propagation of a bending wave in a cone.
  • Figure 14 illustrates a calculation of the refraction angle of the longitudinal waves in the sample as a function of the phase velocity in the tip.
  • FIG. 15 illustrates a bending wave bipod 89 integrated in a supporting structure.
  • Figure 16 shows probe variants for impedance measurement depending on the desired application.
  • FIG. 17 illustrates a pentapode in ultrasound mode according to one embodiment.
  • FIG. 18 illustrates an application of an embodiment of the bipod impedance meter in a velocimetric probe 89.
  • Figure 19 illustrates the use of a pulse transducer Doppler velocimetry pulsed according to one embodiment.
  • Figure 20 illustrates the use of a directional velocimeter pentapode according to another embodiment.
  • Figure 21 is a sectional view of a probe according to one embodiment.
  • Fig. 22 is a sectional view of a conical tip probe according to one embodiment.
  • Fig. 23 shows a waveguide probe according to one embodiment.
  • FIG. 24 is a schematic sectional view of an ultrasonic probe 99 for non-destructive testing according to another embodiment.
  • Figure 25 illustrates a dispersive tip whose end is bent hook-shaped according to one embodiment.
  • Figure 26 illustrates a pressure sensor according to one embodiment.
  • FIG. 1 represents a first device using volume waveguides making it possible to determine the characteristic impedances of the skin on a panel of individuals, as well as to identify the characteristics of different materials.
  • the device allows by simple contact to evaluate the acoustic impedance parameter of a homogeneous material, by a non-destructive method and for the two fundamental modes of propagation, transverse and longitudinal. By contacting two cylindrical probes for each fundamental mode with the sample, the two longitudinal and transverse characteristic impedances are determined.
  • the complete system proposed here consists of a structure on which are fixed the two probes forming waveguides for sending and receiving acoustic pulses on the surface or in the material.
  • the maintenance of the probes on the structure is done in such a way that there is an acoustic insulation, by an impedance break, between the structure and the waveguides. Insulation is necessary to prevent the interface echo from being disturbed by an acoustic short circuit via the waveguide holding structure.
  • a transducer is attached to each waveguide to transmit / receive the acoustic pulses.
  • This transduction system which exploits elements that can be piezoelectric, can generate pulses under the best conditions.
  • an impedance matching with the waveguide allows a better insertion of the modes at the desired frequency by the addition of a so-called "quarter-wave plate" whose acoustic impedance is preferably intermediate between that of the active element z a and that of the waveguide Z g : jZ a .Z g .
  • a "backing" wave damping system arranged on the rear face or on the side of the piezoelectric element allows a better temporal resolution of the pulse by limiting the intrinsic resonances of the piezoelectric element.
  • the system is simultaneously connected to a high voltage signal generator for transmission and an amplifier for reception.
  • the receiving electronics tolerate the high excitation voltage of the transducer.
  • a 20 volt pulse is applied to the transducer, and then the interface echo is magnified by a factor of 200 to produce an output signal of a few hundred millivolts.
  • the constraint is that the amplitude excitation signal 20 Volts is also amplified by a factor of 200, which saturates the reception electronics, which can not deliver a signal of amplitude greater than +/- 10 V.
  • FIG. 1 schematically illustrates a transducer assembly 300 consisting of a non-dispersive planar waveguide measurement probe.
  • This device comprises a waveguide 150 also serving as a probe, which is kept in contact with a sample 100.
  • the waveguide 150 is made of a material whose known acoustic impedance Z g is close to and greater than that of of the material that is to be determined, preferably less than 2 times the impedance of the material.
  • it may consist of low density metals such as aluminum or titanium, or more preferably plastics such as polycarbonate or plexiglass.
  • a piezoelectric component 250 having a sufficient bandwidth, for example 100% around the central frequency, which is equivalent to saying that its response impulse is short.
  • the component works both as a transmitter and a receiver.
  • the working frequency will preferably be between 300 kHz and 900 kHz for elastic materials and between 20 kHz and 4 MHz for viscoelastic media.
  • the transducer assembly 300 may be a ready-to-use commercial component, for example the Paneameter transducers (Waltham, Massachussetts, USA) Ml 10 longitudinal wave and the transducer Panametrics VI 53 (Waltham, Massachussetts, USA) to transverse waves. These transducers have a respective center frequency of 5 MHz and 1 MHz. To optimize the acoustic transmission between the probe 150 and the sample 100, a viscous paste can be used as couplant.
  • a coupling adapted to the propagation mode of the wave is essential in the case of the transverse mode.
  • Coupling referenced SWC sin wave coupling in English
  • Panametrics company allows the transmission of the transverse mode. Its thickness is reduced as much as possible. Its use is not necessary with dispersive transducers spikes or when the nature of the material studied allows a satisfactory coupling, such as with fluids, gels, elastomers.
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates a complete device according to an embodiment 400 with two non-dispersive probes such as that illustrated in FIG. 1.
  • a first longitudinal wave probe 125 has its non-dispersive plane waveguide having a length 1 10
  • the other transverse wave probe 225 has its non-dispersive planar waveguide of length 120, distinct from the length 110.
  • the guides are integrated in a support, typically made of sintered plastic, providing good acoustic insulation between the waveguides. wave.
  • the probes are in contact with the sample 100 having a lateral extent and a depth of at least five wavelengths and preferably at least ten wavelengths or longer. Means for regulating the bearing force may be envisaged such as springs at the rear of the probes.
  • Fasteners to isolate "acoustically" probes from the structure can be foam, having a very low acoustic impedance compared to waveguides.
  • the lengths of the guides 110 and 120 are dimensioned so that the pulses do not interfere with each other. For this, it suffices that the acoustic pulses traveling along the length 110 at the longitudinal speed and the length 120 at the transversal speed reach the sample at the same time. In addition, the lengths are calculated so that the incident wave and the reflected wave are well separated temporally. Concerning the last condition, the lengths 110 and 120 must have a minimum satisfactory value
  • Figure 3 shows the wave evolution at the time of measurement.
  • An incident wave 600 propagates in the guide 150 towards the sample 100.
  • a part of the energy is reflected, which leads to a reflected wave 620 and another part 610 is transmitted in the sample.
  • the precise knowledge of the material constituting the impedance guide 150 Z intervenes in the reflection coefficients r and transmission t with the impedance z e of the sample 100 according to the following formulas: AZ - ZA 2-Z
  • denotes the amplitude of the reflected wave 620 and A t , the amplitude of the incident wave 600, while A t denotes the amplitude of the transmitted wave 610.
  • the relations (1) constitute a system of two equations with 2 unknowns connecting the ratio of the amplitudes of the reflected and transmitted waves to the characteristic impedances of the materials. Its resolution provides the impedance of the sample z e .
  • the amplitude of the incident wave A t being capable of changing according to the temperature conditions and since it is not desired to use additional equipment for calibrating the probe, a measurement relating to a reference makes it possible to deduce the impedance z e by avoiding the variations of attenuation properties, temperature and size of the waveguides.
  • the measurement used as a reference is the empty measurement, that is to say without contact. Indeed, for known propagation conditions in the probe under given temperature and humidity conditions, the air impedance z air is known and very low. In this case, the probe provides a reflected wave of given amplitude A rl . The guide 150 is then placed in contact with the sample 100 and a new measurement is made. An amplitude A r2 corresponding to the reflected wave 620 is obtained on the unknown impedance material z e . We obtain the two equations:
  • the material is at least locally homogeneous and isotropic.
  • the use of a system such as that of Figure 2 makes it possible to perform the acquisition of the two fundamental modes simultaneously.
  • the use of these probes associated with a mechanical scanning on the surface, of the C-scan type makes it possible to map the impedance and determine its homogeneity.
  • the isotropy of a material can be deduced if the sample has a suitable geometry, for example cubic and has 3 orthogonal faces and for each of them, 3 measurements of impedances are realized: impedance of the longitudinal mode and transversal mode in two directions, typically orthogonal.
  • FIG. 4 defines the incident waves 600, reflected (620, 640 and 650) and transmitted 610 and 630 in the case where the sample is composed of two layers 100 and 101 stacked, the layer 10 being in contact with the guide of
  • a wave 630 is transmitted to the interface between the layers 100 and 101 in the layer 101, and a wave 640 is reflected at this interface in FIG. the layer 100.
  • a second reflected wave 650, resulting from the wave 640, is thus reflected in the waveguide 150.
  • Figure 5 shows an example of a curve recorded for a longitudinal propagation mode in a plexiglass guide in the open air (voltage measured as a function of time).
  • the signal near the instant t 15 ⁇ , corresponds to the guide-air interface echo.
  • the incident wave 600 passes through the probe to the interface where a portion corresponding to the characteristic impedance ratio is reflected under the identity 620 to the transducer.
  • FIG. 6 shows an echo acquisition curve 620 for the transverse propagation mode, always with a Plexiglas guide in the air (voltage measured as a function of time).
  • Figures 7 and 8 show the variations of the respectively longitudinal (48%) and transverse (9%) reflection coefficient, with respect to air, when the sample (100) is an exposed part of human skin (amplitude in mV referenced by sample number). Slight amplitude variations are observed during successive free / contact measurements. They can be caused by temperature variations during contact or variations in couplant thickness due to crushing or thermal equilibrium if temperatures are not not exactly identical. It is for these reasons that the coupler will preferably have a very small thickness, typically less than 50 ⁇ , and the temperature equals between the probe and the test material in order to avoid any phenomenon of thermal diffusion or disturbance. the transverse load impedance by the impedance of the couplant.
  • the impedance of the material to be analyzed will therefore be characterized for the ambient temperature. We thus find longitudinal impedances of 1 MRayl and transverse impedances of 0.06 MRayl for this measurement on human skin. Variations of this method are possible, such as that of establishing a reference table of the reference echo in the open air as a function of the temperature.
  • the measurements can also be made in a climatic chamber in order to impose the temperature and relative humidity, homogeneous between the probe and the material to be analyzed.
  • FIGS. 9A and 9B show two variants of the arrangement making it possible to use the same waveguide 150 and therefore the same probe to generate the two fundamental modes of propagation.
  • FIG. 9A shows a first concentric mounting of the transducers 260 and 270, disposed on impedance adapter blades 210 and 220, themselves bonded to the waveguide 150.
  • a backing 350 is disposed on the rear face of the transducers 260 and 270 to improve the temporal resolution of the pulse.
  • the impedance measurements according to each mode will be carried out successively so as not to interfere with each other. Given the high propagation speeds compared to a manual movement by a user, both acquisitions can be considered simultaneous.
  • the transducer 260 will preferably be a longitudinal wave transducer and the horizontal transverse wave transducer 270.
  • Figure 9B illustrates a serial assembly of the transducers for each fundamental mode.
  • the backing 350 is fixed to the back of a first transducer 280 resting on an impedance matching blade 230 which rests on a second transducer 290 and on a second impedance matching blade 240 and finally on the guide of The two impedances of the transducers being equivalent, the impedance matching blade 230 can be neglected.
  • the adapter layer 240 will be optimal for transmitting a transverse wave in the waveguide 150.
  • the transducer 280 will be in extension mode to emit a longitudinal wave in the guide of the waveguide. wave through the transducer 290 and the adapter layer 240. In the case of the longitudinal wave, the transfer will not be optimal, but the assembly allows to have a probe to emit the two fundamental modes in the sample 100.
  • the impedance matching blade 240 is provided for the transducer 290 and a transverse mode
  • the propagation velocity of the longitudinal mode is greater and at least one times the propagation velocity of the transverse mode, which implies a smaller wavelength.
  • FIG 10 shows a block diagram of the acquisition chain. This device is implemented for each transducer, each propagating one of the two basic modes.
  • a signal generator 500 sends an electrical pulse into a transducer 540. This signal is also present at the input of a limiter 510 whose role is to limit the maximum voltage in order to protect the amplification electronics which carries out a measurement under high impedance.
  • the clipper 510 passes it to an amplifier 520 providing a signal in the time domain, the extraction of the useful parameters being obtained by means of a measuring circuit 530 (for example an oscilloscope).
  • a measuring circuit 530 for example an oscilloscope
  • Figure 11 is an alternative configuration of the measurement chain.
  • a switch 515 is used to firstly connect the transducer 540 to the pulse generator 500 and in a second step to the amplification circuit 520.
  • the high amplitude excitation signal does not disturb the electronics amplifier and the low amplitude reception signal.
  • a measurement circuit makes it possible to extract the parameters that are useful for evaluating the characteristic impedance (for example an oscilloscope).
  • the method thus makes it possible to measure with a good resolution, in a short time, the characteristic impedances of any material, by simple contact on its flat surface and without degrading it.
  • the waveguide method is a fairly simple and intuitive approach to measurement of longitudinal and transverse impedance. But, it is limited to locally homogeneous and isotropic surfaces with a sufficient measurement volume.
  • the waveguide waveguides may be used for the impedance measurement in particular so as to reduce the impedance of the waveguide to bring it closer to that of the medium to be analyzed.
  • the guides may be made of metals or plastics, for example aluminum, titanium, Plexiglass (Poly Methyl Methacrylate) or Polycarbonate.
  • Figure 12- (a) shows the truncated and polished machining of the tip 10 near its end 11 while Figure 12- (b) gives the field radiated by the far field tip.
  • the vibration at the end of the cone is a dipolar source.
  • the conical profile and the polishing of the end reduce the mechanical impedance of radiation by a factor of 4 to 10 and bring it closer to the longitudinal impedance of the finger pulp, which allows the transfer of most of the the energy in the medium and therefore subsequently to have a better signal-to-noise ratio for the fine analysis of the impedance variations of the medium.
  • Figure 12- (c) schematically shows a tip in sectional view with a damping material filling a side tank 13.
  • Figure 12- (d) schematically shows two methods of electrical connection for generating waveforms. bending, one operating a uniform polarization PZT disk 21 and series connection of the two piezoelectric capacitors formed by the two upper electrodes in half-disk and the common lower electrode, the other operating an alternating polarization 20 per half-disk and an electrical excitation E in parallel of the two associated piezoelectric capacitors.
  • the velocity of the wave is close to the velocity VT, transverse waves. Then, during its propagation, the speed decreases in first approximation like the speed of the first AoS asymmetric Lamb mode in an isotropic thin plate.
  • the dispersion equation of this mode is used to describe the phase velocity of a dispersive wave A in a conical tip: if we call k the wave number, the working frequency, the radius of the section, VT the velocity of the transverse waves, VL the velocity of the longitudinal waves, and ⁇ the Poisson's ratio, and if kh "l, it comes:
  • This example and in particular formula (6) is illustrated in FIG. 13 (b).
  • the progressive nature of the wave is taken into account and therefore the sources are not synchronous by introducing a phase shift e Vj associated with the source of position (, 0).
  • Equation (8) to (11) then lead to the following diffraction integral:
  • phase velocity in the tip is lower than that of the refracted waves.
  • the bending wave A can then no longer radiate in the medium and it is necessary to drive the tip until its phase velocity again exceeds that of the medium.
  • Figure 13 illustrates a modeling of the dispersive propagation of a bending wave in a duralumin cone at 600 kHz. The modeling assumes the emission of a reflection wave packet at the end 11 of the cone and interference between the incident wave packet and the reflected wave packet.
  • FIG. 13 (c) exemplary embodiment of a broadband flexural wave transducer incorporating a conical waveguide 10 and constructed from a PZT disk with alternating polarization 20. The impulse response of the disk is damped via an annular reservoir 13 filled with saturated tungsten powder saturated polymer 30.
  • the phase velocity in the tip is 1500 m / s for a section diameter of 0.4 mm which is reached at 4.8 mm distance from the end of a perfect conical tip (angle at the top 4.8 °). It is therefore necessary to push a point of several millimeters in the water to totally cancel the echo inside the tip.
  • Figure 14 illustrates a calculation of the refraction angle of the longitudinal waves in the sample as a function of the phase velocity in the tip.
  • the medium is here directly the air 67 that is to say the weakest impedance.
  • the angle of refraction is then closest to the perpendicular to the generator Ng of the cone, it is 14 ° with respect to the generatrix of the cone for a duralumin cone of half-angle at the top 2.4 ° having a speed of dispersion theoretical according to graph (b) of Figure 13 which gives a phase velocity close to 800 m / s at its end 11.
  • the angle of refraction is all the greater (ie directed towards the axis of the point) that the impedance of the medium will be higher or that the section of the point is smaller (see Fig. 14 -(at)).
  • the emission angle can reach 90 ° when the phase velocity is less than or equal to the speed of wave propagation in water, while it is about 14 °, when a duralumin point has an angle at the top of 4.8 °, that the excitation frequency is 600 kHz, that its diameter at its truncated end is 0.4 mm and that it is immersed in the air.
  • Figure 14- (b) the progressive wave in the cone loses its energy due to radiation.
  • FIG. 15 illustrates a flexural wave bipod 89, integrated in a sintered plastic support structure providing, on the one hand, an acoustic insulation between the guides, on the other hand, making it possible to manually enter the assembly without disturbing the propagation. in the guides, finally to simply manipulate the assembly in the manner of a large pen that is brought into contact with the sample, here water 66.
  • the metal waveguides are fixed (43, 44 ) on the very damping carrier structure for bending waves.
  • the structure is made by rapid prototyping sintered polymer type PolyAmide PA12.
  • the conical tips have a T-shaped geometry (10, 12) and are held around their periphery by force insertion into the support structure providing a double hold on the periphery of the tip at the level of the base of the cone and typically at 20 mm. upstream of the end 11, so as not to dampen the vibration by holding the tips too close to their end.
  • the acoustic path in the carrier structure requires a transit time greater than that of passing through the conical guides and the sample. The distance e between the ends of the tips is adjusted according to the material to be probed.
  • the distance can be increased to 10 mm, if one tries to analyze relatively elastic materials, homogeneous on the surface, but having variations of impedance in depth or also if one wishes to have a good resolution in velocimeter mode .
  • the phase velocity of the bending waves near their end is close to 800 m / s for aluminum, which allows a very good insertion of the waves into the dermis and into the silicones and a radiation towards the front of a longitudinal beam, close 90 ° (ie almost parallel to the main axis of the tip).
  • the spacing and inclination of the tips is therefore optimal for a certain sample thickness as shown in Figures 15 (a) and (c).
  • the tips open out from the supporting structure, projecting only a very small amount, approximately 0.5 mm, so that the supporting structure also serves as support and avoids damaging or injuring the probed medium, particularly if is the dermis.
  • the probe can then be dragged or moved point by point (pixel by pixel) on the surface of the test material.
  • the images thus constituted are C-Scans, that is to say that it is possible to look deeper and deeper in the study material according to whether one looks at the head or more inside the wave packet.
  • the tips have a typical length of 85 mm, for a base diameter of 6.6 mm (half-angle at the top of 2.4 °) which corresponds to a working frequency of 600 kHz.
  • the images can be amplitude or phase images (in particular, a cartography is taken by taking a particular zero crossing of the wave packet and we look at how the zero crossing changes according to the medium sampled during a displacement. lateral bipod). There is therefore interest in bringing the points closer to each other when doing a phase mapping.
  • FIG. 15- (b) shows the phase velocity in the vicinity of the end of an unpolished, duralumin conical tip for an apex angle of 4.8 ° and a truncated end 14 when the diameter is 0, 4 mm.
  • a tripod or probe with three conical points, comprising a transmitting tip in the center and two receiving points aligned with the transmitting tip, at equal distances from it and all oriented so that their axes of vibration are collinear.
  • This configuration is called longitudinal or Rayleigh because the emitting tip pushes the material towards the receiving points.
  • variations in homogeneity can be measured via the two receiving tips which normally provide opposite signals in phase. It is then sufficient to add these signals to obtain a minimum reception signal whose amplitude will vary substantially with the local variations of impedance of the medium.
  • echo inside the emitter tip provides information on the average load impedance, while differential measurement provides information on longitudinal impedance fluctuations in the material (because the wave must propagate parallel to the surface of the proof material ).
  • a shear rate simply turn the tips 90 °. Horizontal transverse vibrations are then detected (Fig. 16 (e)). These speeds are particularly low in diffusing viscoelastic materials such as organic tissues and transit times between two points spaced 1 mm apart can reach 0.3 milliseconds. The tips are therefore as close together as possible, for example at 0.5 mm from each other, and the working frequency is lowered to the minimum of the transducer bandwidth, a compromise can be found between 20 kHz and 600 kHz.
  • spike transducers are therefore possible depending on whether it is desired to measure a longitudinal or shear impedance or to carry out a surface or in-depth shear impedance mapping.
  • FIG. 16 shows probe variants for impedance measurement depending on the desired application: a) Penetration into a soft, molten sample 63 of the tip having a very fine end 16 until the reduction of Ar echo of 75% and possibly for the plates, refraction and adjustment of the position of the truncated receiving tip 14 until detection of the maximum signal. Then, deduction of the angle of maximum refraction and / or depth of penetration into the middle of the longitudinal impedance of the medium.
  • the tips are provided with PZT disk transistors 20 alternating polarization per half-disk, denoted (P, -P), glued on the base.
  • P, -P PZT disk transistors 20 alternating polarization per half-disk
  • the faces of a PZT disk are covered with a weldable paste.
  • the base of the cone of typical height 80 mm and angle at the top 4.8 ° is surrounded by a tank 13 machined in the cone, with thin walls, typically 0.2 to 0.5 mm, filled with a damper 30, for example sintered metal powder.
  • the powder is for example a refractory metal, for example tungsten, and the cone Inconel.
  • the cone is made of aluminum alloy or stainless steel or platinum and the powder is aggregated by a saturated polymer binder to a density of at least 5.
  • the filling height of the reservoir 13 is typically 2 mm.
  • PZT ceramics are typically PZ29 or PZ27 (references from the company Ferroperm located in Denmark). At high operating temperature PZ46 will be chosen for operation up to 550 ° C.
  • the reservoir can also be traversed on its inner wall by a winding consisting of a conduit in which circulates a coolant 70 for example water having the effect of maintaining the ceramic PZT at a temperature below its Curie temperature.
  • a coolant 70 for example water having the effect of maintaining the ceramic PZT at a temperature below its Curie temperature.
  • the end 16 of an Inconel tip can then be brought to a temperature of around 1000 ° C in contact with a cast iron plate during cooling, while the base of the cones is maintained at a temperature below 550 ° C.
  • the receiving tip is remote from the transmitting tip, until reaching a spacing e (max) corresponding to a signal of maximum amplitude, refracted and reflected on the rear face of the semi-solid multiphase medium.
  • the amplitude curve of the signal received as a function of the inter-peak spacing corresponds to a certain associated velocity profile and therefore of crystalline phase in the thickness of the material.
  • abacuses are obtained making it possible to connect, for a given mixture, a phase or impedance profile to an inter-peak spacing-amplitude curve.
  • Process based on the modification of the reflection conditions at the end 14 of a probe 88 with a truncated conical point, not immersed but in contact and loaded by the longitudinal impedance of the hard sample 60 and thus on the displacement of the nodes of interference as a function of load impedance Z2. It can implement a laser vibrometer generator scan to measure the position of the nodes or a measurement of the displacement of the zero crossing of an echo inside the transmitting tip.
  • the impedance of the sample can be determined from a given radiation impedance corresponding to a truncated tip 14 and the position of the interference nodes in the vicinity of the end.
  • the tip When the tip is free, the end vibrates according to a belly of vibration, whereas when the point is blocked, charged by a much higher impedance, there is a node of vibrations. Between these two extremes, the tip can be charged first by a reference impedance Zref and produce a first vibration node at a distance from the end.
  • the reference impedance is replaced by an unknown impedance Z 2 , the node moves. This displacement can be physically observed using a laser vibrometer performing a scan of the generator of the cone.
  • the previous assembly 87 can be used for deep analysis with a bipod. If the vibration axis of the emitting tip 10 is collinear with the sensitivity axis of the receiving tip (Fig. 16-d), the device uses Rayleigh or longitudinal waves in the tip plane, and now the two points at a constant distance, for example 1 mm, and a constant support force F, for example 1 Newton, a scan of the surface is carried out with a spatial sampling period of less than or equal to half a length in the middle, typically 1 to 2 mm. Impedance variations of the medium at different depths can then be visualized by C-Scan (visualization of a map showing the amplitude of the signal at different time slots in the wave packet). The tips are oriented so that the vibration axes according to their bending mode are collinear. e) Method of measuring transverse velocity of a sample 62 able to propagate them, from the generation and detection of horizontal transverse waves.
  • the previous assembly can be reproduced with one difference, the tips are rotated 90 ° with respect to their main axis, so that the direction of vibration / maximum sensitivity is perpendicular to the segment which connects the ends 14.
  • the assembly is then fit to generate and detect horizontal transverse waves if the medium 62 allows it.
  • the coupling between the tips gives access to a horizontal transverse propagation velocity in the medium.
  • the spacing between the tips is constant as well as the support forces F.
  • Such an assembly is also interesting for detecting contiguous cracks.
  • This configuration can furthermore be used to characterize diffusing viscoelastic media such as living organic tissues. The measurement consists of contiguous points and move them in small steps, typically 10 ⁇ .
  • Fig. 17 illustrates a pentapode in ultrasound mode according to one embodiment.
  • the distance between the central tip and the peripheral tips varies from 0.5 mm to 5 mm.
  • This configuration is particularly interesting in practice because, the excitation of the emitting points (Ex-, Ex +, Ey-, Ey +) are excited so as to cancel the signal at the center for the longitudinal 1 and transverse 2 configurations, or to double the signal in the center for the longitudinal 3 and transversal configurations 4.
  • a pentapode can be closed and sealed by a thick silicone membrane of thickness 0.5 mm to 1 mm with total transfer of the waves from the tips to the membrane and then the membrane to the sample (not shown).
  • the emitting tips immersed in the silicone membrane refract in the medium at a very penetrating angle.
  • the pentapod is not likely to be contaminated and can be brought into contact with the skin, covered with a gel that provides sliding and a good acoustic coupling of the probe.
  • the four transmitting probes all operate a piezoelectric disc with four quadrants 22; they can switch electronically from a shear configuration to a configuration longitudinal.
  • a mixed configuration (a) can also be envisaged combining longitudinal 3 and shear 4 emissions simultaneously.
  • Figure 17 shows the configuration of a 5-point device combining a central tip operating in reception mode R and whose directivity is programmable by means of the four-quadrant PZT 22 disk equipping its base. Two other pairs of points are aligned with the central point and are arranged in quadrature so as to occupy the vertices of a square. These tips operate as transmitters and are also equipped with four quadrant PZT 22 discs able to vibrate the tips in an electronically programmable main direction. There are three particular configurations. In the configuration (e), the vibrations of the emitting points are tangent to the circle passing through the vertices of the square and all oriented in the direct (or indirect) direction.
  • the signals (Ex-, Ex +) are 90 ° out of phase with the signals (Ey-, Ey +).
  • This configuration is optimized for transmitting / receiving shear waves.
  • the central tip exploits its four electrodes to form two signals RI and R2 corresponding to squares of sensitivity in quadrature.
  • the vibrations of the transmitting tips are perpendicular to the circle and antisymmetric with respect to the center of the circle.
  • the longitudinal or Rayleigh signals are emitted in the direction of the center and cancel in the center if they are emitted in opposition of phase 3. Otherwise they are added if they are in phase 1.
  • the pairs are also excited in quadrature (one pair compared to the other).
  • the central receiver remains in the same configuration with its signals RI and R2 that we sum.
  • the configuration (a) is called mixed. Two emitters of one pair vibrate in directions tangent to the circle symmetrically 4 with respect to the central point and generate a shear wave, while the other two emitters of another pair vibrate in a direction perpendicular to the circle, so that antisymmetric 3 with respect to the central point.
  • This configuration approaches in his mind the low frequency (50 to 200 Hz) bending wave impulse elastography propagating in a viscoelastic tissue, revealed by high frequency longitudinal wave waves (3 to 5 MHz) illuminating the medium in which propagates the shear wave. Nevertheless, in the case of the present invention, the two peaks responsible for the generation of the shear wave operate at an ultrasonic frequency between 20 kHz and 600 kHz.
  • the configuration (a) thus makes it possible to access longitudinal and transverse speeds and impedances as well as to illuminate the sample in different ways. This process can be followed in time, whereas the tips are preheated, for example at a temperature of 50 ° C and that they are brought into contact with the medium. The diffusion of heat in the medium then changes the elasticity of the medium in a manner that differs according to the fundamental wave considered.
  • a bipod 89 may also operate as a local velocimetric probe as shown in FIG.
  • FIG. 18 illustrates an application of the bipod impedance meter in an alternating measurement velocity probe 89: the two waveguides 10 function alternately as transmitters then as receivers.
  • the transit time to raise the blood flow is greater than the transit time to lower the blood flow.
  • the differential transit time is proportional to the speed of the blood.
  • Contact measurement requires a very precise time measurement, with a resolution less than one-tenth of a nanosecond.
  • the use of high frequency point probes (2 to 3 MHz) consisting of conical tips with a base diameter of 2 mm and a height of 25 mm in combination with time-digital components (or TDC: Time to Digital Converter) is here advantageous for performing local controls, especially on the venous network.
  • the measurement rate must be high around 1000 measurements per second in order to be able to average the measurements and also to avoid that the dimensions change between an upstream measurement and a downstream measurement. It may be advantageous to operate a tripod, the three probes being aligned with the vein and the emitter probe disposed in the center. The vibration axes are collinear and aligned with the direction of the vein. The upstream-downstream differential measurement is thus simultaneous, which makes it possible to avoid errors related to dimensional variations generated by local variations in pressure and swelling of the vein.
  • Both transducers implement the principle of differential transit time measurement. They function alternately as transmitters and receivers.
  • a longitudinal acoustic wave refracts in the dermis, enters a vein and descends or rises blood flow. It undergoes a positive or negative phase shift depending on the path taken, the amplitude of which will depend on the path traveled and the speed of the blood.
  • Upstream transit time It consists of the transit time in the dermis to reach the Tderme vein, cumulated transit time in the vein T TM P in the upstream direction, cumulated transit time in the dermis Tderme to go back to the receiving tip.
  • Downstream transit time It consists of the transit time in the dermis Tderme and in the vein T v down in the downstream direction.
  • the differential transit time velocimetry does not allow to reach a resolution sufficient to detect the blood flow in the venules.
  • dimensional changes due to deformation of the skin may taint the measurement of errors, especially when performed upstream-downstream alternation and the measurement rate is too low compared to dimensional variations (a variation dimension of 1 mm per second results in a transit time variation of about 0.6 ns between a shot upstream and downstream fire (for a rate of 1000 shots / sec).
  • a tripod ie three probes aligned with the vein, the emitting probe being at the center and equidistant from the receiving probes.
  • the vibration axes are collinear and aligned with the direction of the vein.
  • the upstream measurement is thus carried out simultaneously from the downstream measurement, which makes it possible to avoid errors related to dimensional variations related to local variations in pressure. Moreover, with a probe permanently operating in transmitter mode and two probes continuously operating in receiver mode, there is no longer any switching noise related to the control electronics. Finally, if the medium is diffusing, which is the case of red blood cells contained in the blood, the time signal can account for a velocity profile according to the zero crossing considered (speed near the surface for the head of the packet of waves and deeper and deeper for the tail of the wave packet).
  • Figure 18 further provides an exemplary embodiment in a sectional view, the support conical tips. This support is preferably made of metal or plastic firpt.
  • the interest is a partial damping of the waves in the sintered structure no longer requiring the use of a reservoir 13 lateral damping of the resonance of ceramics.
  • This structure is also designed to avoid an acoustic short circuit between the transmitting tip and the receiving tip. Indeed, the acoustic path to go from the base of the emitter cone to the base of the receiving cone requires a much longer transit time through the structure that by the tips and the sample.
  • Such a structure is feasible by 3D rapid prototyping, by stereo lithography of powder, for example PA12 polyamide material ("DuraForm ® PA Plastic," 2013, “Ensinger,” 2013) having an average grain size of 58 ⁇ with a dispersion 25 ⁇ -92 ⁇ representing 90% of the particles.
  • the tips are T-shaped and are held laterally in two places, one 43 on an extension z1 situated at the base on a length of 5 to 50 mm and the other 44 about 20 mm before the end on a very short length of the order of a millimeter. They are inserted in force in the supporting structure.
  • the supporting structure serves as a counter-support and normalizes the contact between the tips and the dermis.
  • the supporting structure separating the two points has a withdrawal of 1 to 2 mm to avoid contact with the dermis.
  • the tips thus protrude from a short end, about 0.5 mm which is called the support depth PA and are spaced about 5 mm.
  • the base diameter of the tips is 6.6 mm and their height is 85 mm.
  • the flanges 12 at the base have a small thickness, close to 0.5 mm.
  • the collar has an outer diameter of about 10 mm. Its external face does not come flush with the base of the cone, but has a shrinkage of about 1 mm, which allows the ceramic PZT alternating polarization 20 to build a main resonance radially at the frequency of 600 kHz.
  • the external faces of the ceramics are connected to the central part of the coaxial connectors 46 and 47 of subvisive or subclic type mounted on a cap 45, while the braid of the coaxial cables is connected via these connectors to the flanges 12 and constitutes the electric mass.
  • the inner face of the cap and the carrier structure may optionally be metallized to form an electrical shield.
  • the conical waveguide probes 10 may also be used in continuous or pulsed Doppler velocimetry.
  • Figure 19 illustrates the use of a spike transducer in pulsed Doppler velocimetry.
  • the end 14 of the conical Duralumin tip is truncated at 0.4 mm in diameter and lightly pressed against the dermis 65 so that the dermis surrounds the tip to a depth of at least 1 millimeter.
  • the dispersive wave refracts the fields 6 and 7 in the dermis with a maximum amplitude according to the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 with respect to the axis of the tip which disperses the Doppler angle between the extremes ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • a phase velocity equal to that of the longitudinal waves of the medium, the dispersion of the Doppler angle is reduced.
  • a single tip 10 is used with its peripheral reservoir 13 and a PZT ceramic (PZ27 or PZ29) 20 or 21 with uniform polarization, but the external electrode of which is divided into two half-disks respectively borne at one phase.
  • Burst electric (t) and are logical opposite.
  • the burst burst consists of a burst of 5 slots of amplitude 0 to 100 V.
  • the excitation E (t) with two opposite phases thus generates the bending wave.
  • the transducer is switched to receiver mode R (t).
  • One of the outer electrodes shaped half-disk is then grounded while the other comes into input of a transimpedance amplifier.
  • the remainder is in accordance with a conventional Doppler measurement (flat transducer without dispersive waveguide).
  • Doppler Velocimetry the duration of a burst burst is rather long, especially when it comes to measuring the low speeds, which goes well with the length of the waveguide and its broadband response.
  • the lateral resolution is very good and comparable to the size of the tip, which is the main advantage of the device with its ability to operate at high interface temperature.
  • the granular plastic carrier structure 89 of FIG. 18 can be modified to form a 5-point barrel pentapode.
  • FIG. 20 illustrates this exemplary use of a directional velocimeter pentapode in a configuration with a central emitting tip E vibrating in precession mode and four receiving points Rx-, Rx +, Ry-, Ry + peripherals sensitive to the modes of bending.
  • the precession tip has a round end 16, the finest possible (diameter close to 0.1 mm refined by polishing) and propagates a combination of two modes of bending at 90 °.
  • the vibration is obtained using a uniformly polarized PZT ceramic 22, divided on its upper face into 4 electrodes each covering 1 quadrant and an electrode forming a solid disc on its underside.
  • the upper electrodes operate in pairs opposite from the center.
  • Each electrode of a pair receives an electrical phase consisting of a burst called Burst (cot) for one electrode and its logical inverse for the other.
  • the other pair is out of phase by ⁇ / 2 and comprises an electrode brought to the Burst voltage (cot-7t / 2) where ⁇ is the angular pulse and another electrode brought to its logical inverse.
  • the burst function is a burst a number of slots, 5 in a privileged way.
  • the Burst switch between two voltages 0-100 VDC and are characterized by an extremely stable rise and fall time of the order of a few nanoseconds.
  • the ceramic typically has a diameter of 6.6 mm, a thickness of 0.2 mm, a center frequency of 600 kHz and is made for example PZ27 or PZ29 (Ferroperm, Denmark).
  • the tips are made of a low density metal material (for example aluminum alloy).
  • the central tip has a length of 85 mm, a base diameter of 6.6 mm, a tank ring 13 with thin walls, thickness 0.4 mm, height 5 mm and diameter 20 mm, filled with epoxy resin saturated tungsten powder 13 to a density of at least 5 g / cm3.
  • the ends 11 of the peripheral tips are flattened by polishing, the normal to the polishing plane being directed towards the central tip.
  • the receiving tips do not need to be damped like the emitting tip, they are simply inserted into force in the sintered plastic carrier structure 40 which partially damps their resonance and this especially as it is achieved by sintering of plastic powder and that it is heated for example at a temperature of 50 ° C. They have a simple T-shaped geometry.
  • Their ceramic 21, of the PZT type has an upper electrode divided into two half-disks and a differential amplification of 90 dB is performed between these two half-electrodes, around the central frequency of 600. kHz.
  • the lower electrode is solid and constitutes a virtual mass.
  • the upper electrodes are alternating polarization and then electrically connected, while the lower electrode is the electrical mass.
  • This increases the available electrical charges and therefore the signal-to-noise ratio in the case of a transimpedance amplification.
  • a zero crossing detection using an ultrafast comparator (the switching time 10% -90% is of the order of one nanosecond) is performed on the amplified electrical signal. For the most stable time measurement, we choose the zero crossing corresponding to the maximum amplitude.
  • This configuration makes it possible to reach a measurement rate of 1000 shots per second and a temporal resolution of the order of one nanosecond (in the air) which sets the detection threshold at approximately 1 cm / s per axis in the air at 340 m / s (25 ° C).
  • the maximum speed exceeds several tens of meters / second.
  • the tips comprise a central tip 16 vibrating according to a precession mode and 4 peripheral dipole points 11 for measuring a component of the air velocity vector, in the plane of the ends.
  • the tips are inserted into the U-shaped double wall U-shaped sintered structure 40 and the measurement is similar to that of the "wet finger" in which the finger is raised towards the sky, and feels cold. because of the calories absorbed by the part dried by the wind to determine its direction.
  • the five points open slightly (about 2 mm) of the rounded carrier structure, to facilitate the flow of wind 67 on the generatrix of the carrier structure. Peaks out sufficiently to reach the maximum coupling between them in the air, obtained for an adjacent area of about 2 mm.
  • VOLUMIC WAVE MIXED PROBES AND DISPERSIVE GUIDED WAVES Figure 21 shows a mixed configuration of the devices detailed in Parts A, "Wave Probes" and B, "Dispersed Guided Wave Probes".
  • FIG. 17 illustrates a sectional view of a longitudinal waveguide probe 17 and shear 17 comprising a solid cylindrical guide 18 propagating the longitudinal waves and a concentric tube 17 propagating flexural waves.
  • the figure illustrates the location and resonance mode of the transducers as well as the location of the dampers 31 and 32
  • a cylindrical waveguide 18 in the center is used to convey longitudinal waves of a longitudinal wave transducer 25 damped by a "backing" 31 and having a coaxial connector 48.
  • the longitudinal waves are routed to the material to be analyzed with sufficient delay. Knowing the impedance of the waveguide makes it possible to deduce the longitudinal characteristic impedance of the sample 61.
  • a tube 17 with a tapered section towards the sample makes it possible to guide a dispersive wave. This wave is generated by an annular transducer operating in radial mode and concentric with the rod 18. The tube is secured to the rod via the porous structure 49, but the two guides are considered to be acoustically isolated.
  • the annular transducer can be divided into two half-rings vibrating in phase opposition to change the radiation pattern of the transverse waves in line with the central guide 18.
  • the wave propagating towards the sample 61 has a decrease in its phase velocity Vd.
  • FIG. 22 is a sectional view of a Joule-effect tapered tip probe 97 integrated into an acoustically and thermally insulating bearing structure with integrated measurement of the bearing force.
  • the double U-shaped wall of the supporting structure simultaneously distributes the heat in the inner wall in contact with the waveguide, the thermal insulation of the cone vis-à-vis the air currents by means of the outer wall separated from the inner wall by a thermal insulator, for example a layer of air.
  • the outer wall also performs the acoustic isolation of the cone vis-à-vis the manipulations, while the inner wall carries the maintenance and also the ultrasonic damping of the pulse bending mode, partially dissipated in the sintered granular structure.
  • the advantage of the double wall lies first of all in the possibility of avoiding thermal disturbances on the measurement of the transit time by thermally isolating the waveguide.
  • the heating makes it possible to impose a temperature profile by means of a heating device 72 applied to the inner wall, as well as to increase the damping of the acoustic waves. Heating also makes it possible to simultaneously perform an effusiveness measurement, for example according to the transit time method explained in French patent FR0759603 of December 6, 2007, by Nikolovski et al.
  • the double wall U, 41 and 42 can thus provide several features:
  • Three capacitors can be used (but not shown), one to account for the sliding of the two inner and outer walls relative to each other under the effect of a force component located in the axis of the tip, while two other capacitors arranged between the inner and outer walls account for the force components perpendicular to the main axis of the conical guide and in two perpendicular directions having the effect of bending at least one of the walls under the effect of an oblique force,
  • the double wall provides a safety function for the tip and / or the sample, imposing a limit to the maximum penetration at zero support force of the tip in the sample by a maximum value corresponding to the depth of PA support between 0 and 10 mm, and preferably between 0 and 1 mm.
  • the relative sliding of the inner wall relative to the outer wall allows the tip to fully return to the outer wall.
  • the end of the U-shaped double wall is thin and deformable in the region 50 of the folding, under the action of a bearing force.
  • the inner wall is heated by joule effect obtained by circulating a strong current, of the order of 0.3 to 1 ampere at 3 to 10 V, in a thin wire covered with an insulating varnish, wound around the wall internal 41 on a height corresponding to the contact area between the inner wall and the waveguide.
  • the latter is cylindrical on a typical height of 5 to 10 mm at its base.
  • the winding length produces a total resistance close to 5 to 10 ohms.
  • the inner wall is thermally insulated from the outside air currents by means of the outer wall 42, separated from the previous by an air layer 73 with a thickness of 0.5 to 5 mm.
  • the ohmic winding is housed between the two walls. The spacing is sufficient so that the winding does not touch the outer wall.
  • the outer and inner walls are made of sintered plastic materials and covered with electrodes on at least a part of their surface and are electrically ground on at least another part of their surface.
  • the inner wall is sintered metal and the outer wall sintered plastic.
  • the inner wall thus provides thermal conduction, while the outer wall provides insulation thermal.
  • the heating circuit is also connected to an annular electrode fixed to a printed circuit 80, said printed circuit being mechanically secured to the base of the outer wall and forming with the upper part of the inner wall a capacitor 81 whose capacitance depends on the bearing force on the tip in the direction of the main axis of the tip.
  • the distance between the top of the inner wall and the ring integral with the outer wall can thus vary as a function of the force exerted on the tip.
  • the coaxial connector connected to the heating circuit by the wire 82 can also be used to measure a resonant or resonant frequency.
  • oscillations of a relaxation oscillator determined by the average distance between the ring and the top of the inner wall via the wire 83.
  • the winding of the ohmic heating circuit is also characterized by an inductance L and the whole heating circuit and outer wall is an LC circuit which can be measured resonant frequency that can be correlated to the support force.
  • the outer wall provides acoustic insulation of the cone vis-à-vis the manipulations, while the inner wall ensures the maintenance of the conical tip in two areas, one located near the base, the other 44 located closer to the end.
  • the first zone is used for the ultrasonic damping of the pulsed bending mode, partially dissipated in the sintered granular structure, while the second zone extends over a very limited portion and serves only to guide the tip for mechanical retention.
  • the bottom of the U-shaped double wall bears on the sample. It makes it possible to standardize the depth of support PA and to avoid damaging the sample or the tip.
  • the bottom 50 of the double wall is deformable on its periphery thus allowing the tip to return into its housing under the effect of the bearing force F.
  • the relative displacement of the tip relative to the ring attached to the base of the outer wall is thus measurable from the measurement of a capacitance.
  • This law of variation is easily connected by a correspondence table or a mathematical formula translating the elasticity of the wall in the form of, for example, a polynomial interpolation law, to the support force. It is assumed of course that the driving stroke of the tip is limited, and at most equal to the support depth PA, preferably less than 0.5 mm and in all cases the maximum between 0 and 10 mm.
  • the nominal value of the measuring capacity of the relative position of the two walls is of the order of 1 pF and the resolution of the order of 1 fF (femtoFarad).
  • the heating can be achieved by winding a copper enamelled wire 150 ⁇ thick around a metal tube section. This part is inserted in force on the cylindrical part of the base of the sheath. If necessary to facilitate insertion, heating is started until the softening or melting of the outer surface of the thermoplastic sheath is achieved. Then, a reference electrode consisting of a conductive half-ring is created on a piece bearing on a shoulder of the outer wall. It is possible to provide three coaxial connection cables, one for the capacitive measurement (C), the other for sending / receiving the ultrasound (U), the last for the resistive heating (R).
  • C capacitive measurement
  • U the last for the resistive heating
  • the relative displacement of the outer wall relative to the inner wall (sheath) is made possible by a limited number of beams for holding the sleeve to the outer wall. There are thus 4 beams near the end of the probe and 4 beams just below the heating cylinder. The 8 beams are angularly spaced 45 °.
  • the metal tip is electric ground.
  • the capacitive measurement is obtained by emitting a sinusoidal or square electric burst centered on 1 MHz (or in the range 0.5-2MHz) on the upper electrode of the PZT disk glued at the base of the cone. This pulse simultaneously generates an ultrasonic wave of flexion in the cone while it is transmitted by capacitive coupling to the reference electrode.
  • This configuration has the advantage of simplifying the measurement process because the same ultrasonic excitation signal is used for capacitive measurement.
  • the reference electrode fixed with respect to the outer wall, is suspended above the upper electrode of the ceramic PZT.
  • the measurement of force or pressure therefore consists in measuring the capacity of the capacitor constituted by the reference electrode and the upper electrode of the ceramic PZT.
  • the nominal distance between the two electrodes of the capacitor for measuring the force or the pressure at rest is 1 to 2 mm.
  • the force measurement then consists in detecting the peak or effective amplitude of the excitation signal transmitted by capacitive coupling.
  • the capacitive signal comes for example at the input of an operational amplifier with a high input impedance and a very low input capacitance which will constitute, with the shielding of the coaxial cable, a reference capacitor with respect to which the measuring capacitance is measured. .
  • the measurement signal Vcap is amplified and then filtered by a bandpass filter before undergoing peak amplitude detection.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the tank capacitor fed by the peak detector is emptied of its charges by means of a MOS transistor. N-channel controlled by a microcontroller and bypassing the tank capacitor.
  • This assembly can be used to measure the force or pressure of a fluid subject to closing the double wall, in other words to deploy a membrane connecting all the beams or by deploying a bulkhead connecting the sleeve and the outer wall.
  • it is advantageous for its diameter to be as large as possible. It is therefore not necessarily wise to close the end of the probe at the beams, but to do it further upstream, where the available section is larger. Then, to measure a pressure, it suffices to insert a probe in a pipe by rigidly fixing its external wall to the pipe whose internal pressure is to be measured and by measuring the relative displacement of the inner wall (sheath) relative to to the outer wall.
  • FIG. 23 illustrates an alternative embodiment of a probe 98 comprising 5 tapered waveguides 10, and in particular a bayonet locking cap 55, elastically deformable, and serving to hold the guides in their housing.
  • the holding structure 55 is made of porous or polymer material loaded for example with alumina and also dampens the echoes to avoid resonances in the waveguides.
  • the hood is thus locked by a system of lugs 53 on the supporting structure.
  • Elastic strips 54 are furthermore created in the deformable cover in order to impose a bearing force perpendicular to the base of the guides.
  • Acoustic paths 56 between the support zone on the base of the guides and the periphery of the cowling are complex, for example S-shaped or zigzag-shaped and maximized in length in order to reduce acoustic cross-talk or short-circuits between the guides (also called "cross-talk" in English).
  • Fig. 24 is a schematic sectional view of an ultrasonic probe 99 for non-destructive testing in a situation where the sample and probe are in relative motion (Mov).
  • the carrier structure comprises two guides 10 and 93 in series, the first guide 10 is solid and consists of a truncated conical dispersive tip guide 14, for lowering the radiation impedance and optimizing the transfer to the second guide 93, liquid, coupled to the first via a connection chamber 92 and opening onto an ejection nozzle of the liquid coupling in the form of a collimated jet 93 directional and high pressure.
  • the liquid jet is protected from drafts by a skirt 95 in the form of a cylindrical multi-strand brush. Referring to FIG.
  • a dispersive waveguide probe 10 coupled to a liquid guide 93 constituted by a more or less viscous liquid coupling, providing a continuity of the liquid medium between the end 14 of the dispersive waveguide and the surface of the sample (60, 61, 62, 63, 64).
  • a sample may have a hard 3D surface 60, constitute the surface of a viscoel medium as 61, be able to propagate shear waves (62, be very hot and constitute a molten magma 63, constitute the dermis 64 of the skin, the wall of a vein 65, or the surface of a liquid 66.
  • a conduit 91 for supplying the liquid coupler under constant hydrostatic pressure at the end 14 of the waveguide This duct is, for example, made in the outer wall 42 of the double-walled U-shaped support 40.
  • the duct opens into a chamber 92 into which the end 14 of the conical tip also opens, which is preferably truncated. extends in the chamber over a length of the order of a millimeter.
  • the ultrasonic wave then refracts from the tip to the liquid in two main directions not aligned similarly to the directions 6 and 7 of Figure 19, but closer , from the axis of the tip, with a high insertion rate round-trip given the lowering of the radiation impedance of the tip.
  • the ultrasound-carrying liquid then exits via a nozzle whose inlet is oriented to receive the refracted waves in the liquid at one of the main angles and whose exit is of a straight or curved conical shape and is projected by a jet under pressure. 93 towards the surface of the sample.
  • the liquid supply duct opens into the connection chamber 92 preferably at an angle to receive the other part of the refracted beam in the liquid and intended to be damped as it rises in the duct. brought to the inlet 90.
  • the outer part of the ejection nozzle may have a thread 94 for screwing in an adapter piece of the diameter of the outlet jet.
  • the variant of curved shape of the nozzle is not shown in FIG.
  • the probe therefore comprises at least one broadband transverse wave transducer as previously described, coupled to the dispersive waveguide 10.
  • the function of the dispersive waveguide is therefore to lower the peak radiative impedance and to optimize the ultrasonic transfer in the liquid.
  • the coupling with the liquid is carried out in the connection chamber 92 of the conduit and the tip and occurs over an extent of about 1 mm and a characteristic volume of about 1 mm 3 .
  • the tip is truncated at the point where its phase velocity is just greater than or equal to the velocity of the compressional waves in the coupling liquid, usually water with an antifreeze or an oil.
  • the process thus makes it possible to transfer most of the ultrasonic energy from the dispersive guide 10 to the liquid guide and vice versa during the return path.
  • the liquid guide is a collimated jet.
  • the liquid is fed through a hose connected to the probe for example at the outer wall via a hose connection 90.
  • the diameter of the truncated section is close to 0.4 mm when the angle at the top ⁇ is 4.8 °.
  • the apex angle may be even smaller or the tip shorter if it is desired to have a working frequency greater than 1 MHz.
  • the tip is itself guided at its base and its end and inserted into force in the connection chamber 92 and ultrasonic transfer.
  • the chamber opens into the open by an outlet nozzle.
  • the outlet nozzle may be a mechanical part in itself fixed on the support or a cast piece or sintered by 3D prototyping and constituting with the double-walled support U 40 a monolithic part.
  • the wall of the duct when manufactured by sintering, can be previously treated with a solvent, for example acetone to smooth its surface state.
  • the liquid injected under pressure thus serves as a vehicle for the ultrasonic waves transmitted by the conical tip. It conducts the waves to the surface of the sample, over a typical distance of a few millimeters to a few centimeters.
  • the width of the liquid jet is typically 0.5 mm to 2 mm.
  • the outlet nozzle is directed downward and its main axis and is not quite aligned with that of the conical tip due to the refraction angle in the liquid.
  • These nozzle shapes have applications in the non-destructive testing of railway tracks, while the train is moving, or the inspection of complex parts, for example in aeronautics or wind power. As can be imagined, inspecting a part is less expensive if it can be done at high speed.
  • the inspection can be made while the train is traveling at its nominal speed of 300 km / h. But it would be interesting if the inspection could be carried out on regional express trains moving at maximum speeds close to 120 km / h. In this context, the rapid movement of the train and the associated air movement can lead to dislocation of the inspection jet. It would then be useful, on the one hand, to increase the surface energy of the liquid so as to make it more difficult to fragment or nebulize, but the surface energy of the water, about 72 mN / m is already typically three times that of most common liquids, so it is difficult to do better at low cost and without impacting the environment.
  • the viscosity of the liquid which can be more easily increased by a factor of 10 to 100 by using oils, so as to have a laminar flow at higher ejection speeds, typically higher at 10 m / s and up to several tens of meters per second.
  • a used frying oil with a typical dynamic viscosity of 35 mPa.s, 35 times more viscous than water.
  • the viscous liquid can itself be heated and thus first fluidized by circulating in a heated conduit. It is then expelled with a smaller diameter and cools very quickly in contact with the air. This treatment has the effect of improving the cohesion of the jet during its journey through the air.
  • the increase in the ejection speed of the liquid must be all the greater as the relative speed of movement of the nozzle relative to the surface of the sample is greater and therefore that the braking forces responsible for the curvature and dislocation of the jet become more important.
  • the protective skirt comprises a large number of strands so that if a number of strands breaks under the effect of friction on the rail, the protection function is always provided by other strands along the entire train path. The damaged skirts can then be easily replaced during a maintenance operation of the probe.
  • This configuration of a liquid coupling probe has the advantage of consuming only a small amount of liquid coupling, of the order of 0.1 to 10 milliliters per second, ie 0.36 to 36 liters per hour and per conical tip, and to have a good sensitivity considering the effective transfer of ultrasound to the solid-liquid interface 92.
  • the couplant is projected at a distance of a few millimeters to a few tens of centimeters from the surface of the sample.
  • a pressure of the order of 2 to 3 bar makes it possible to create a water jet with a diameter of 0.8 mm at a speed of approximately 10 m / s with a physical continuity of the jet reaching a few tens centimeters in a quiet room.
  • turbulence is characterized by the fact that concentric layers of liquid change their position inside the jet, which generates distortions in the acoustic signal.
  • a speed of 10 m / s is sufficient to bend the skin safely to a depth of about one millimeter.
  • Fig. 24 illustrates a probe having only one solid-liquid guide system. Nevertheless, it is obvious that this configuration can be extended to a bipod, tripod or pentapode. In these latter cases, the protective skirt 95 naturally surrounds all the points. It will be noted that the coupling under pressure is expelled by the nozzle in direction of the sample, but it will be understood that the fact that it is under pressure also allows it to completely fill the connection chamber 92.
  • the liquid jet probe may consist of several parts possibly made of different materials.
  • the ejection nozzle with its nozzle is a critical part that can be damaged and must be replaced without changing the entire probe. It is therefore possible to provide the possibility of screwing it into the coupling chamber.
  • the insertion of the metal tip into the coupling chamber requires force insertion and perfect centering of the tip. This being fragile, an opening in the sheath is provided to see the insertion operation. Furthermore, the fact of screwing the tip into the coupling chamber does not facilitate its fine positioning relative to the end of the tip. The positioning of the exit cannula is correct only for a whole number of turns of the screw.
  • the thread of the tip may be removed to allow the tip to slide along the walls of the coupling chamber.
  • the optimal position found corresponding to the maximum transmission of the ultrasonic beam in the outlet cannula, it is frozen by gluing or side locking screw (not shown).
  • the tip must satisfy several constraints: The first relates to the alignment of the main axis of the tip with the wall of the outlet cannula, the second the positioning of a reflective surface covering an angular sector of 180 ° and of which the generator is at an angle to the main axis between 17 ° and 25 °. This angular variation continuously and gradually corrects the angle of refraction that increases towards the end of the tip.
  • the hydrostatic ejection pressure can be variable and modulated in time in amplitude and / or in phase.
  • the modulation amplitude can reach an intermittent ejection regime with physical discontinuity of the jet and a rate ejection can vary between 1 Hz and 10 kHz.
  • the duration of a jet may more advantageously be between 5 ms and 50 ms to allow the ultrasonic waves to penetrate deeply into the sample.
  • This mode of operation generates a rhythmic percussion of the surface of the sample and approaches, in principle, the low frequency pulse elastography with here a major difference is that the low frequency shear wave is not generated by a vibratory pot or a bulky electromagnetic percussion device juxtaposed with the ultrasonic source, but results directly from the modulation of the ejection velocity or the intermittent impact of the liquid jet conveying the ultrasonic wave.
  • the jet or jets regularly strike the surface of the sample at a rate of eg 50 Hz (with a duty cycle of 50%), the ultrasonic pulses are generated at a much higher rate of the order from 0.5 to 10 kHz and the central ultrasound frequency is preferably between 300 kHz and 3 MHz.
  • the diameter of the collimated jet 93 is typically 0.5 mm to 2 mm.
  • the jet thus constitutes a quantity of movement displacing the surface of the skin to a depth that depends directly on its ejection speed and its duration of impact.
  • the amplitude of the deformation is typically 1 mm. If water is used as coupling, its viscosity being of the order of 1 mPa.s, a Reynolds number close to 500 is obtained for a nozzle outlet speed of 1 m / s and a diameter of 0.5 mm nozzle.
  • the flow is then laminar. It remains so up to a Reynolds number of 2300, which corresponds to approximately a nozzle exit velocity of 4.6 m / s.
  • the support structure can be designed so that the jets are collinear or fan in order to be able to play on the lateral bulk of the ultrasonic beam by playing on the distance to the sample.
  • the jet associated with each point can also be associated with a law of modulation of amplitude and of different phase of the neighboring jet.
  • the skirt may be made of a less aggressive material than a wire brush, for example in the same plastic material sintered or injected as that of the guide support or in another smooth material having non-allergenic properties.
  • An additional suction function of the liquid spray can be integrated on the periphery of the probe for example for the sake of cleanliness and comfort of the medical examination.
  • the skirt may consist of a double wall, the suction flow being carried out in the annular space between the two walls of the skirt.
  • the suction flow itself is turbulent and generates low-frequency waves that can disturb the low-frequency shear waves generated by the jets, the suction is not carried out continuously, but only when the amount of couplant liquid is too important and requires vacuum cleaning.
  • the viscosity of the liquid coupling may advantageously be greater than that of water to approach that of an oil to prevent the couplant from running too easily on the skin of the patient.
  • Figure 25 illustrates a dispersive tip 10 held in a bearing structure 40 whose end is bent hook-shaped according to one embodiment.
  • the curvature compensates for the increase in the refraction angle as the wave progresses toward the end of the tip so that the ultrasound beam diffracts into the medium at a constant angle.
  • to refract at least one half of the beam at 90 ° from the main axis as shown by an arrow in this figure it is expected that the curvature of the tip is greater than 60 ° at the tangent to the tip of the tip.
  • Fig. 26 shows an application of pressure measurement of a device according to one embodiment.
  • the pressure sensor comprises a sleeve 454 and a metal tip coupled to the sheath by crimping and brazing.
  • the sensor is mounted on the wall of a pressure vessel 450.
  • the tip held in the upper part by a guide 455 opens into a cylindrical cavity 451 closed by the reflector.
  • the latter has at least one hole 453 or an opening for pressurizing with the medium.
  • the sleeve 454 ends with a thread allowing it to be mounted on the wall of the pressure vessel.
  • the end of the tip radiates radially by reflecting one or more times on the side walls before reflecting on the plane reflector and then back to the end.
  • the planar reflector is housed and crimped into a shoulder at the end of the sheath.

Abstract

The invention relates to a system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) and an ultrasound method of measuring, inspecting and classifying the mechanical and/or thermal properties of a medium (60, 61, 62, 63, 64, 65, 67), by means of at least one wideband source (20, 21, 22) of acoustic waves coupled to at least one dispersive tapered solid guide (10, 17, 18) utilizing elastic waves of known impedance and known effusivity, and which is housed and damped (43, 44, 55) in an acoustically and thermally insulating structure (41, 42, 52) and coupled with the medium on a determined surface (11, 14, 15, 16) with a bearing force (F) or a controlled pressure (80, 81), said coupling being able to result from a first coupling (92) of the solid guide with a liquid guide projected continuously with a constant or variable hydrostatic pressure, said liquid possibly also being heated and projected intermittently, in the form of a collimated jet (93) striking the surface of the medium. Applications relate to non-destructive testing, medical diagnosis, classification of the quality of foods, steelmaking, as well as directional velocimetry.

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE CARACTERI SATION DE PROPRIETES MECANIQUES  METHOD AND SYSTEM FOR CHARACTERIZATION OF MECHANICAL PROPERTIES
ET THERMIQUES AND THERMICS
DESCRIPTION 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.  The present invention relates to high speed scanning non-destructive (NDT) control using a projected liquid coupling element, employing ultrasound elastography of elastic and viscoelastic samples and the identification or classification of the state of materials via their acoustic or thermal properties. It is particularly applicable to directional velocimetry.
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.  The invention provides a device and method for measuring longitudinal and transverse characteristic acoustic impedances in organic materials or fabrics by simple contact, immersion or projection of a known impedance guide. The materials may be solids or fluids and in particular viscoelastic liquids in solidification phase or high temperature phase change.
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. The problem to be solved is to locally access the mechanical properties of elastic or viscoelastic heterogeneous materials or fabrics in space and / or time, by a local contact method, or even quasi-point, possibly accepting high temperatures. The parameters that are to be determined preferably simultaneously with controlled coupling conditions are in particular the longitudinal and transverse impedances of the materials. These parameters are used in many fields, in particular in the field of tactile acoustic learning interfaces described in patents FR0703651 of May 23, 2007, FR0955065 of July 21, 2009, FR1059657 of November 23, 2010, FR1156892 of July 28, 2011, FR1258664 of 14 September 2012, FR1258664 of September 14, 2012, exploiting the damping of resonance modes or the diffraction of ultrasonic waves based on the acoustic properties of the finger pulp which, when it comes into contact with the tactile surface, dampens, removes and diffracts the underlying vector vibration typically from the position of the touch or gesture to be recognized. The part of each of the phenomena is not yet known, and it is one of the advantages of the device proposed here to contribute to solving this problem. However, there are disparities from one person to another, as well as the age and activity of individuals, particularly in terms of callosity, contact area and the nature of the dermis. Another benefit of this device is to evaluate the acoustic properties of the finger pulp for a population of individuals, so that the locating method can be made functional for the entire population. Moreover, the industrial production of tactile surfaces for learning, for example in the form of tablets or tactile pads, requires the availability of artificial fingers made of silicone and having the same mechanical properties as human fingers, particularly from the point of view of the longitudinal and transverse impedance to reproduce. Indeed, it has been found for example that a silicone polymer material could be very close to a human finger with respect to the longitudinal characteristic impedance, but far away for the transverse characteristic impedance (or shear) so that with the same profile and contact area, the acoustic signatures of an artificial finger and a human finger could be quite different. By extension, the longitudinal and transversal impedances of materials subjected to high temperatures and in crystalline liquid-solid phase change situations are also variable in time and space, in particular in depth, and their monitoring over time (monitoring ) can provide a means of characterizing the thermal manufacturing process.
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. This same remark is valid for the control of the aging or the degradation of the mechanical properties of the dermis or of the underlying viscoelastic tissues, for example in the breast, because of a pathology or a cosmetic treatment aimed at improving mechanical flexibility. skin with creams. On the other hand, in the food field, the ripening of a fruit or vegetable often results in a variation of the mechanical properties of the superficial layer and the deeper layers. In this case, the simultaneous knowledge of the longitudinal and transversal impedances as well as thermal, combined with an indexation or a classification of these properties in an ordered database or associated with a scale of maturation, or even identification of the nature when it is for example to recognize animal meat, is a method for diagnosing the state of conservation or maturation of these foods. In addition, there are few elastographic and thermal measuring instruments that are affordable for the industry. Most of those who are developed exploit high-number of elements of transducers, typically a hundred, associated with significant memory size electronic means, in analog-digital conversion and digital-analog fast, typically 50 megahertz and in need fast processing and transfer of data, making these tools unaffordable for small businesses: independent doctors, farmers, farmers or even conservators.
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. To come back to the tactile surfaces, such as those mentioned in the above patents, using plastic, metal or glass materials, the contact with a human finger involves an interaction with a mechanical vibration that includes a longitudinal component and a shear component. With respect to the coupling with the pulp, there is an out-of-plane vibration penetrating perpendicularly to the pulp and a shearing component (ie located in the plane of the interface) from shearing the pulp. It is recalled that the effusivity of a material (in Jm ^ .k ^ .s "0 '5) is its ability to exchange thermal energy with the environment. The thermal effusivity of a material is given by formula = A / i, where λ is its thermal conductivity, p its density and c its specific heat capacity The thermal effusivity makes it possible to determine the temperature of an interface when two semi-infinite objects, having different temperatures, are put in 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. A "good" artificial finger is a finger that simultaneously has good similarity with a human finger on both the longitudinal and transverse impedances as well as on the viscous damping generated at the interface and backscattered by the composition of its volume. back, as well as on the thermal properties including the effusiveness that the artificial finger must reproduce in a manner comparable to that of the human finger which gives up part of its heat in a situation of non-thermal neutrality. In this way, the acoustic signature of an artificial finger is the same as the acoustic signature of a human finger and it is then possible to precisely calibrate or study the reliability using a robotic arm, a tactile surface comprising several hundred reference coordinates or various thermodynamic conditions.
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. Thus, when one seeks to develop an artificial finger and / or a tactile surface, one is finally interested in the same problems as those of the medical pulse elastography implementing low frequency shear waves and a high longitudinal acoustic illumination. frequency, for which it is necessary to have information such as density and Young's modulus, shear modulus and Poisson's ratio, or propagation velocities, or characteristic impedances, in order to predict the velocities of the waves in the material and their sensitivity, for example in temperature. However, these parameters are rarely explicitly provided by the manufacturers of materials, particularly for plastics and soft materials such as elastomers that propagate weakly shear waves. This type of information is even less available in manufacturing processes involving the coexistence of different crystalline phases. It is certainly possible to determine them from other information such as flexural and shear modulus or density, but this information is often approximate. In addition, the acoustic impedance parameter combines two values, velocity and density, which, when available, are often flawed or vary from one manufacturer to another, which reduces the accuracy available on the acoustic impedances. In addition, many materials undergo alteration of their physical properties depending on their aging or external agents, such as alteration by a chemical or mechanical wear. It may be necessary to check periodically or continuously the evolution of these properties over time.
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. In practice, it is therefore desirable firstly to be able to precisely and locally measure the characteristic acoustic impedances associated with the longitudinal and transverse modes during a measurement campaign on a population of individuals in order to study the dispersion of the mechanical properties. living tissues between individuals or on tactile materials whether they are plastic or flexible in order to control their similarity to human skin, or in food control, cases of high-temperature manufacturing processes, in medical diagnostics or in Non Destructive Testing (NDT). Here is provided a simple device, a local guided wave probe, associated with a process capable of rapidly characterizing the acoustic impedance of the materials without damaging them, by simple contact on a plane face of the order of one millimeter to one square centimeter and that possibly a variation of viscoelastic properties by scanning.
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. By extension, this device finds applications in the field of medical imaging by ultrasonic ultrasound or pulse elastography exploiting the combined use of longitudinal and transverse waves by means of one or more ultrasonic waveguides, possibly heated or cooled , propagating these two waves and brought into contact with the medium of interest in order to determine its mechanical and thermal properties. In the case of shear wave impulse elastography, the use of shear waves is limited to low frequencies, typically between 50 Hz and 5 kHz due to the strong damping of shear waves in diffusing viscoelastic media which propagate in the living tissues at a speed close to 3 m / s. A presentation of this method is for example given in the article by 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. Developments of this method are also published by 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, or by M. Tanter et al., "Ultrafast Compound Imaging for 2-D Motion Vector Estimation: Application to Transient Elastography," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, no. . 10 (October 2002): 1363-1374. Pulse elastography with low frequency shear waves has been the subject of numerous patent applications. One can quote the publication number 2 791 136 corresponding to the request FR9903157 of March 15, 1999 or the number 2 844 178 corresponding to the application FR0211074 of September 6, 2002. This type of elastography aims to detect cancerous nodules in the tissues humans, especially in the breast and liver and thus seeks to imaged these tissues to a depth of the order of 5 to 10 centimeters. The strong damping of shear waves in human tissues does not make it possible to operate at ultrasonic frequencies. Nevertheless, if one is restricted to short distances of the order of a millimeter, it is possible to exploit the shear waves at higher frequencies than those suggested in the state of the art, which are between 50 Hz and 5 kHz and reach ultrasonic frequencies. The objective is not only to exploit longitudinal waves to illuminate at an ultrafast rate of the order of 10 kHz the tissue being deformed under the effect of the passage of a pulse wave shear of high amplitude, tens of microns, generated by a vibratory pot, but also to exploit the shear wave as an additional wave, of different speed and polarization, generated by tapered waveguide transducers and exploited in traditional sonography for get a fine measurement. In addition, the present invention provides an additional means of characterizing the material by a thermal transfer process generating a thermal diffusion wave in the material. Finally, the present invention aims to propose a probe making it possible to generate the two types of waves at a distance and over a very limited lateral extent, by means of a projected collimated liquid coupler.
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. In the low-frequency shear wave impulse elastography, we seek to know the shear wave velocity in the tissue and in particular the variations of this velocity and the wavefront in the presence of a more rigid cancer nodule, which has the effect, on the one hand, of reducing the amplitude of the deformation of the fabric and, on the other hand, of accelerating the speed of propagation of the shear wave. The medical diagnosis then consists in solving the inverse problem to access the shear modulus, in particular its increase and its spatial extent in the tissue. The resolution of the process depends on the image acquisition frequency, ie the distance traveled by the bending wave between two longitudinal measurements, which is in practice of the order of a millimeter. Note that the isostatic compression modulus in human tissues is of the order of 1 GPa while the shear modulus is a thousand times smaller, in connection with the very low shear wave speeds observed. The device according to the invention also makes it possible to analyze or even image over a range of about one square centimeter by displacement and measurement of the position of the probe, the shear impedance in the vicinity of the dermis, or in general of the test surface, by means of a conical guide with dispersive bending waves, of quasi-point contact surface and therefore of lateral dimension comparable to or less than the working wavelength and therefore having a low radiation impedance typically 4 to 10 times smaller than the transverse impedance of the same volume material and thus more suitable for measuring small values of shear impedance or radiation. By way of example, if one wishes to characterize materials having a low transversal acoustic impedance, for example of the order of 50 kRayl, it will be necessary to reach a contact surface of less than 0.5 mm for 100 kHz, or even less than 0, 1mm for 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. It is thus possible to image by differential technique small variations of impedance on a surface of the order of one square centimeter. In addition, the tapered profile of the tip reduces the apparent thermal effusivity of the waveguide, generally metallic, which then approaches that of the skin, making it possible to minimize the heat exchange between the probe and the material to be characterized. The main benefit of a tip having an effusivity comparable to that of the test material is that the equilibrium temperature of the heated finger brought into contact with the test material is halfway to the differential temperature of the two objects before contact. For example, for a tip heated to 50 ° C and an ambient temperature of 25 ° C, the temperature of the tip will fall sharply, by at least 12.5 ° C, which will cause a change in transit time of the echo in the measurable tip with greater finesse. In the end, it is the measure of the effusivity of the material and its relative variations with respect to that of the finger that will be perceived with greater finesse. On the other hand, if the finger imposed its effusivity, if it was much higher than that of the materials which it touched, one would not see a big difference of temperature between the various materials. They would all be perceived as "hot" and can not be differentiated. Conversely, if it were the materials that had a much higher effusivity than the finger, the equilibrium temperature would remain in the vicinity of the ambient and it would be difficult to distinguish the different materials that would all be perceived as "Cold". Envariante, the same device will be able access by simple contact to the flow velocity of a fluid in a vein by ultrasonic differential transit time or by continuous or pulsed Doppler measurement.
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 :
Figure imgf000009_0001
From a physical point of view, the acoustic impedance Z is the ratio between the generated pressure P and the vibration velocity of the particles v of the material in which the wave propagates:
Figure imgf000009_0001
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 : When the lateral dimensions are sufficient to reason in plane waves, this term is the product of the density p by the speed of propagation c in the medium of 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.  Z = p .c The relation expressing the transmissions / reflections of the waves at the interfaces of different media can be expressed by the ratio of the acoustic impedances. A first approach to determine the impedance of a material is to evaluate separately the two parameters, density and propagation speed, to deduce the acoustic impedance of the material and to predict the transmission coefficient of a wave propagating from a first material to a second material sharing with the first a large lateral extent interface in front of the wavelength.
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. When the lateral dimension of the interface becomes comparable to the wavelength, we will no longer speak of characteristic impedance, but of radiation impedance. The radiation impedance involves the evolution of the contact section a little before and a little after the interface, over a distance at least equal to the half-wavelength and which corresponds to the volume zone of material coming from in response to the vibration at the 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. The density can be known from the technical data of the material under consideration or evaluated by Archimedes' method, of which there are standard methods of immersion measurement, ISO 1183, DIN 53 479, ASTM D792. The propagation velocity can be measured according to the transit time of the wave through a known dimension of the material. Such a method is for example described in the article by AR Selfridge, "Approximate Material Properties in Isotropic Materials", Sonics and Ultrasonics, IEEE Transactions on, Vol. 32, no. 3, p. 381 -394, May 1985. When the damping is low, the speed can also be determined precisely by measuring the transit time of several echoes on the faces of the material. Several techniques for determining the speed of The propagation of the two fundamental modes and the characterization of the properties of materials from these data are thus presented in the chapter DK Pandey and S. Pandrey, "Acoustic Waves - Chapter 2: Ultrasonics: A technique of material characterization", in Acoustic waves, 2010. Another approach to accessing characteristic impedances is to start from the relationship Z = P / v. Numerous measurement methods based on different configurations of microphones and loudspeakers exploiting acoustic waveguides are found in the literature. The technique consists in emitting a wave, in monochromatic form or in a broad spectral band, emitted continuously or impulse which is reflected or transmitted by the test material. The wave is characterized in amplitude and / or in phase and the signal can undergo a mathematical treatment to go back to the intrinsic mechanical properties of the material such as the characteristic impedance.
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. For example, there is a method described in the patent application FR2547055B 1 exploiting sound waves in the air to evaluate the absorbent properties of materials. It operates a cylindrical waveguide, closed on one side by a sound source emitting a continuous wave and, on the other, by the test material whose impedance is to be determined. The waveguide is hermetically applied against a flat wall of the object to be analyzed. Two microphones are inserted into the waveguide and disposed at known distances from the interface so that the acoustic distribution of the resulting stationary wave can be measured and the impedance of the material can be deduced, with reference to the distribution of a standing wave for a standard material, the mechanical impedance of which is also known by another method. The applications of this method mainly concern civil engineering for building soundproofing.
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. Another method described in FR2806162B 1 is to emit a longitudinal wave beam through a fluid, for example water, to a plate of a material to be analyzed and for which it is desired to evaluate its homogeneity. A layer of impedance adapter varnish between the plate and the water allows maximum penetration of the wave into the material. Then, it is reflected on the opposite side until the transmitting transducer that has switched, meanwhile, in receiver mode. It is then possible by analysis of the different echoes to deduce the impedance of the material as well as its homogeneity, in particular when the material is a plate which one seeks to control the absence of defects by scanning over its entire area. . The use of a fluid as a medium ensures the transmission of a perfectly longitudinal wave. The process is applied to non destructive wing control of aircraft and aims to detect inhomogeneities and the possible presence of defects in the material.
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. US6298726 discloses an acoustic impedance measuring device by analyzing reflected waves on several elements located at depth of the material. Particular parameters of the frequency response of the echo signal are extracted and compared with calibrated values to identify particular materials. An algorithm based on a polynomial equation, calibrated for the transducer, delay and sample set, enables the identification of the material. This device can adopt different configurations with a waveguide, focusing or not the longitudinal wave on a small surface. The excitation signal is a trapezoidal burst with rise and fall times adapted to cancel the echo in the material. Alternatively, the trapezoidal pulse may consist of two pulses shifted in time, the second pulse being shifted by an interval creating a wave in phase opposition with the wave from the first pulse and an amplitude to cancel the echo from the test material. The patents just cited are all intended to be used in a single mode of longitudinal propagation of the echo.
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. There are also publications dealing with acoustic impedance measurement in living materials or tissues. The publication "A contact method for the assessment of ultrasonic velocity and broadband attenuation in cortical and cancellous bone", Clin Phys Physiol Meas, vol. 11, no. 3, p. 243-249, August 1990, CM Langton et al, exploits a principle of emission of an acoustic wave in a living part of an animal or a human, here the horse paws and makes it possible to determine the speeds of propagation in different tissues and bone types, by analyzing transmitted waves or echoes of ultrasonic waves through the sample to be analyzed. A temporal representation makes it possible to determine the propagation speeds in the different materials. The goal is to diagnose fracture risks. But, it is not question of modes of propagation other than longitudinal, nor of characteristic impedance analysis.
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. The publication "Direct measurement of index finger mechanical impedance at low force", in Eurohaptics Conference, 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 and M. Oliver, to evaluate the mechanical impedance of the whole finger at low frequency (<500 Hz) by the use of an electromagnetic excitation device (pot vibrating) and measuring movements with a laser vibrometer for different ranges of forces applied and measured using a force sensor.
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). The publication "An Ultrasonic Indentation System for Biomechanical Properties Assessment of Soft Tissues in-vivo," Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, Vol. 43, no. 9, p. 912-918, Sept. 1996, Y.-P. Zheng and A. F. T. Mak, shows a device consisting of a cylindrical waveguide coupled to a force sensor. The purpose of this system is to apply the end of the waveguide to a biological tissue under the condition of a bearing force. The indentation of the probe in the tissue can be measured and an ultrasound wave emission system makes it possible to measure the thicknesses of the different layers of tissues such as the epidermis, dermis, muscle and bone. A burst of waves is sent, then the echoes on the different tissues are recorded. By knowing the speed of propagation and by measuring the flight time between the different echoes, it is possible to determine the thickness of each layer. Knowing the support force and the thickness of each layer of tissue, the device makes it possible to trace and determine a viscoelastic behavior profile of the organic element and the various layers constituting it. In this publication, the device exploits an ultrasonic emission through a waveguide in organic materials but does not aim to measure the characteristic impedance of the materials and does not distinguish between the type of waves propagating in the tissue (longitudinal or transverse).
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. With regard to ultrasonic waveguides with bending wave cone guides, the state of the art mentions the work of JP Nikolovski and D. Royer (1997) "Local and selective detection of acoustic waves at the surface of a material, 699-703 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Toronto, 1997, and Nikolovski's patent application, FR2755225 of 1996 concerning a non-contacting touch-sensitive tapered-wave ultrasonic probe, and a flowmeter with conical points with ultrasonic waves for gas flow measurement, as well as the patent FR0759603 of December 6, 2007 concerning the measurement of thermal effusivity of a sample at room temperature using a heated tip. These applications mention many means of transmitting / receiving bending waves in a solid or a fluid from a conical tip, possibly flattened at its end to reduce the radiation impedance. The use of this device is, however, controlled only in particular coupling situations where the coupling section does not need to be known. No work mentions the measurement of the transverse impedance of the test material, nor the refraction angle and wave detection in the test material when the wave velocity in the material is comparable to the phase velocity in the tips, nor the method of use of the tips when brought into contact with very hot materials, the temperature of which exceeds several hundred degrees Celsius Curie temperature of the piezoelectric ceramics used to emit and receive waves in the tips, or the coupling of three or more points for the simultaneous measurement of longitudinal and transverse velocities in the sample, or the mechanical integration of the points in a granular carrier structure simultaneously performing the damping, ultrasonic, acoustic and thermal insulation, heating or the measurement of the support force or the measurement of the hydrostatic pressure prevailing in the medium or the control of the radiation impedance by truncation of the tip tapered at a position where the phase velocity reaches a given value.
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. In FR2547055B 1 and FR2806162B 1, the use of a fluid medium (air and water) allows only a longitudinal propagation mode. However, in all the fields of application of a device according to the invention mentioned above, whether in metallurgy, cosmetics, dermatology, power supply, flow metering, or else tactile interfaces, the mechanical coupling implements shear waves with the test environment.
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. In addition, in non-destructive testing, or in medical ultrasound, the use of slow-spreading transverse waves can improve spatial resolution, and reveal small variations in transverse impedances (associated with malignant tissue). The sensitivity to small transverse impedance variations is also useful in C D, in zones of appearance of cracks, delamination or crystalline phase change.
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. In addition, the applicant has not found in the state of the art, particularly in the field of high-frequency elastography method of measuring shear impedance at the scale of one cubic millimeter. Finally, the Applicant has also not found in the literature information relating to the coupling between a dispersive waveguide and a collimated liquid guide carrying ultrasound and projected at high speed on a sample to be inspected, said sample being in very fast relative displacement relative to the liquid guide.
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. The device proposed here is composed of contact probes, solid or liquid wave or guided, contacted with the materials to be characterized. The contact surface is an essential component of the device because it defines the limit between fundamental speeds and propagation speeds in dispersive guided medium. It also defines the apparent thermal effusivity of the probe when there is also a heat transfer process between the probe and the sample. The method comprises generating longitudinal and transverse waves, or dispersive waves, at the desired frequencies, in a known impedance waveguide and profile, contacted with the test material. The material can have a high temperature because the piezoelectric transducers used to transmit and receive the ultrasonic waves are not directly in contact with the sample, a relatively long waveguide acting as a thermal buffer. Conversely the waveguide may be heated and yield some of its heat to the sample, while the sample is at room temperature prior to contact. It can also be cooled and have a lower temperature than the sample to absorb some of its heat. The objective is then a simultaneous measurement of the mechanical and thermal properties of the sample. An echo processing makes it possible to deduce the characteristic and radiation acoustic impedances of the sample, in the case where it is not plane, as well as the propagation velocities and the spatial and temporal variations of the propagation velocities in the sample. . A variant of the device makes it possible to determine local impedances by echographic method or by direct or differential coupling between several conical flexural waveguides.
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. In the field of time variations, the device can determine a flow rate of a fluid by contact with the solid or in the surrounding fluid. It can also be used to characterize a process of solidification by thermal cooling, with change of liquid-solid phase, for example in the gelation of food or polymerization of resin or in the case of a metal plate several centimeters thick coming out of a blast furnace, the core of the plate still being melted at 1200 ° C (one thousand two hundred degrees Celsius), while the outer surface of the plate begins to solidify. In this case, depending on the raw materials used, mixing proportions, we seek to increase expertise on the cooling rate and the temperature profile in the thickness of the material to better control the appearance of crystalline phases and in fine the mechanical properties of the material, for example cast irons or glass plates, or even steel plates, or other materials resulting from high temperature manufacturing processes by rolling or float bath.
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. The simultaneous use of several conical waveguide waveguides integrated in a barrel or a collimated liquid guide in laminar flow and conveying ultrasound according to embodiments proposed here, makes it possible to increase the measurement dynamics, the lateral and deep spatial resolution and obtain a better diagnosis, especially when scanning a multi-tip probe for two-dimensional imaging (curvilinear and depth) of cancerous nodules or atheroma plaque, by combining several types of measurements in a minimum volume, each type of measurement providing for example a B-scan image in a given color.
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. Preferred but nonlimiting aspects of the device proposed here will now be described. The knowledge of the characteristic impedances or propagation velocities of the two propagation modes, as well as the knowledge of the radiation impedance at the point of contact when the lateral extent of the guide is small in front of the wavelength, gives access to several mechanical properties of the material such as the modulus of traction / compression (Young's modulus), the modulus of flexion / shear, the Lamé coefficients, the Poisson's ratio, the radiation impedance of the material involving a zone of limited coupling, as well as thermal properties of the material in contact with the tip, when it is heated or subjected to a temperature different from that of the sample. The radiation impedance is defined here as the product of the phase velocity by the density of the material constituting the guide. A large-diameter guide with a flat end, for example a cylindrical guide with a diameter of 13 mm (0.5 inches), generates waves considered quasi-planar and the impedance of the guide is equal to the characteristic impedance of the material constituting it. . The volume guides are thus adapted to flat, soft and isotropic materials, while the tips are adapted to local measurements on curved interfaces and for materials with rapid spatial variation of mechanical properties or high surface temperatures.
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 : The device proposed here makes it possible to identify in the same place, the longitudinal and transverse characteristic impedances and of radiation as well as the local variations of impedance and effusiveness simultaneously by simple contact, without deterioration of the medium to be analyzed. The system exploits the reflective properties at the interface of the waveguides and the material to be analyzed. The waveguides have dimensions adapted to the transit time specific to each type of wave so that a longitudinal wave, propagating faster than a transverse wave, does not disturb the transverse wave arriving earlier than this. last. The mechanical properties of the materials are directly calculated from a comparison between a reference measurement, obtained without contact or at a given point of the reference surface of the sample, and a measurement on the sample, without approximation by a calibrated model beforehand. In cases where the test medium has finite dimensions, whether laterally or at depth (stratified plate, dermis, food, ...), the guide waveform has a tapered geometry and is selected to propagate dispersive bending waves, the waveguide section at the interface being selected to work with a certain phase velocity of 1% and 100% of the speed of the transverse wave propagating in the guide and therefore a certain value of radiation impedance of between 1% and 100% of the transverse impedance of the material constituting the guide allowing an optimal transfer of the energy in the test environment. Alternatively, the tapered guide section decreases until the wave phase velocity in the guide is less than or equal to the velocity of pressure or longitudinal or transverse or guided waves generated in the medium. It is recalled here that the characteristic longitudinal longitudinal impedance, respectively transverse, is the product of the propagation velocity of the longitudinal wave, respectively transversal, by the density of the material. The waveguides are preferably made of materials having a characteristic impedance greater than or equal to that of the test material, for example low density metals such as aluminum or titanium when we want to characterize the dermis because the spike waveguides are very sharp with typical opening angles of 5 ° which provides on the one hand a sufficient bandwidth to work at a high frequency of the order of Megahertz and secondly a radiating impedance may be small, in practice close to the longitudinal characteristic impedance of the skin, which allows for contrasting measurements on the local impedance variation of the dermis. In particular, the tapered profile of a tip makes it possible to reduce its phase speed of the bending mode as it approaches its end, down to below the speed of propagation of the waves in the water . When the diameter of an aluminum tip typically reaches 150 μπι, the phase velocity at 600 kHz falls below 780 m / s (4 times lower than the transverse speed in a large aluminum block which is 3100 m / s) and twice as low as in water. In this configuration, the wave can no longer be refracted in water because the refraction angle is greater than 90 °. The tip must then be pushed deeper into the water until it reaches a depth where the phase velocity exceeds 1500 m / s and refraction is possible. The amplitude of the echo corresponding to the bending wave reflected inside the tip, at its end, then decreases very quickly. As an example of numerical values illustrating this variant, it is known that an aluminum block with volume has the following characteristics:
VT = 3100 m/s (vitesse transversale) VT = 3100 m / s (transversal speed)
VL = 6400 m/s (vitesse longitudinale) p = 2700 kg/m3 (masse volumique) VL = 6400 m / s (longitudinal speed) p = 2700 kg / m 3 (density)
ZL = 17,3 MRayl (impédance longitudinale)  ZL = 17.3 MRayl (longitudinal impedance)
Ζτ = 8,4 MRayl (impédance transversale)  Ζτ = 8.4 MRayl (transverse impedance)
L'eau présente les caractéristiques suivantes : The water has the following characteristics:
VL = 1500 m/s V L = 1500 m / s
p = 1000 Kg/m3 p = 1000 Kg / m 3
ZL = 1,5 MRayl 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 : For example, a conical waveguide aluminum tip (vertex angle = 4.8 °), which is truncated when the section diameter reaches 0.15 mm, is preferably chosen to obtain:
Vt (d = 0, 15 mm) = 780 m/s V t (d = 0, 15 mm) = 780 m / s
Zt (d = 0, 15 mm) = 2.1 MRayl 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. The use of a dispersive tip whose end is immersed or partially immersed in a fluid and whose phase velocity is comparable to the speed of propagation of the waves in the fluid makes it possible to obtain a waveform angle of pressure, substantially aligned with the central axis of the emitting tip with a phase inversion on either side of the axis of the tip. This property may be a disadvantage if it is desired to refract waves at 90 ° from the main axis of the tip.
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. This disadvantage can be overcome by the use of a dispersive tip whose end is curved in the form of a hook with a curvature which compensates for the increase of the refraction angle as the wave progresses towards the end of the tip so that the ultrasonic beam diffracts into the medium at a constant angle. This dispersive tip shape, the end of which is twisted or curved in the form of a fishhook, makes it possible to orient the acoustic beam at a refraction angle close to the perpendicular to the main axis of the tip, or even exceed the normal and produce a negative angle of refraction relative to the normal to the main axis of the tip, that is to say able to generate a wave in the middle, near the end, which turns back. As will be explained below in connection with the description of the figures, it is preferably provided, for refracting the beam at 90 ° from the main axis, that the curvature of the tip is greater than 60 ° at the tangent to the tip of the tip. The main interest of this geometry resides in the possibility that it gives to couple acoustically two points with very close bases and very distant ends. The interest is obvious in the case of a transit time flow sensor a two-point differential inserted in the pipe by a single small hole (for example less than 20 mm), this configuration makes it possible to insert the tips so that they move away as far as possible from one of the other to increase the resolution power flow while imposing that the beams refracted in the fluid are in the direction of maximum sensitivity. Note that to emit at least a portion of the beam in the main axis of a tip, it will suffice to bend the tip of about 30 ° at the tangent to the end.
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. In the case of a flow measurement, it is possible to use two pairs of probes inserted so that the ends of the probes of each pair are at different depths, one of the pairs having its ends opening in the vicinity of the wall, the other in the center of the pipe, so as to perform a bi-cord measurement in the middle of the pipe and at the wall. This makes it possible to establish the velocity profile of the fluid flowing in the pipe and thus correct the K factor of the flow meter and ultimately obtain a more precise measurement of the flow rate. The insertion of a metal tip into its single-walled or multiple-walled carrier structure can be accomplished by force insertion or more conveniently by inserting and crimping the carrier structure around the cylindrical base of the cone by means of a ferrule. In this case, the ultrasonic damping can be optimized by creating a heterogeneous granular structure, for example a sintered metal or plastic in the form of a cylindrical tube with deep but non-through notches so as to maintain the seal. For this, the notches can be staggered to facilitate the crushing of the metal or the polymer during the crimping operation.
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. It will also be noted that the end of the sleeve may have different geometries. Its primary function is to guide the tip and pinch a little upstream of its end so as to close the cavity filled with insulating air the tip of the sleeve and that cavity is sealed. This ensures that the acoustic waves propagate well to the end of the waveguide and do not begin to refract in the medium before reaching the end of the tip. This results in an intense acoustic source localized near the end, even when the sheath is immersed in a liquid or cast in a solid. The second function of the sheath near the end of the tip is to act on the refraction angle of the ultrasonic beam. For this purpose, it is possible for the sleeve to envelope the truncated conical tip in the nip region by presenting a surface that reflects the beam diffracted towards the front, ie parallel to the main axis of the conical tip. This is obtained in water when the pinch cone of the conical tip makes an opening angle between 135 and 145 °, for example about 140 °. The reflective surface can further extend to the level of the truncated tip so as to block any lateral radiation and impose a total radiation forward. In the opposite case, if the end of the sleeve stops very clearly at the nip, the angle of refraction with respect to the perpendicular to the main axis will extend from 30 ° to 90 ° in the water with a maximum observed around 60 °. It will be noted that the beam orientation function is valid if the mechanical impedance of the sheath is significantly greater than that of the ambient medium, for example air. Otherwise, if the impedance of the sleeve is comparable to that of the medium, for example water, then the orientation of the beam can advantageously be supported by a separate part by ensuring that the end of the sleeve stops net in the pinching area. The structure can then be completed with a metal collar formed around the sheath and having the appropriate reflective curvature, for example parabolic. The reflector can then be made of metallic material of mechanical impedance much greater than that of water to obtain an effective reflection. When the medium to be analyzed is a compressible gas, the pressure of the medium can be connected by the equation of state of the gas (virial equation) to the speed of the acoustic waves propagating in the gas. This speed is itself measurable by measuring the round-trip transit time of an ultrasound wave emitted forwards or laterally from a tip-mounted transducer in its sheath, itself provided with its metallic reflector collar for a transmission forward (or without collar for side emission). The metal reflector collar has in this case an additional interest, that of reinforcing the mechanical strength of the sheath and its end. The assembly then operates in transmission-reception via a reflector disposed in the middle, perpendicular to the main axis of the tapered waveguide. By knowing the length of the acoustic path between the tip and the plane reflector and from the measurement of the round trip transit time of the echo or successive echoes observed in time, we classically go back to the propagation velocity of ultrasound in the middle. This same speed can be obtained by measuring the frequency difference between two harmonics of the cavity formed by the tip with (or without) its reflective collar and the plane reflector disposed perpendicularly to the main axis of the tip.
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. Frequency analysis is performed in the frequency space by DFT (Discrete Fourier Transform). The advantage of the device proposed here lies in the fact that the lowering of the radiation impedance of the tip by exploitation of dispersive bending waves increases the efficiency of the solid tapered-gas coupling and makes it possible to measure low pressures, typically to pressures below atmospheric pressure. This is not always the case when it is necessary to couple an acoustic wave through a wall to measure the composition of a gas and the pressure that prevails therein. The device proposed here thus finds a direct application in the nuclear field, in particular for the measurement of the release of gases under pressure, in particular Krypton (Kr) and Xenon (Xe) during the fission process of uranium oxide pellets. contained in the nuclear fuel rods and as indicated in the patent No. 2 934 409 of Jean-Yves Ferrandis et al of 24 July 2008 entitled "Acoustic sensor for measuring a gas in a chamber and assembly comprising a speaker and such a gas ". The internal pressure of the fuel rods ranges from a few tens of bars at the beginning of activity to more than 300 bars at the end of activity and the temperature can exceed 300 ° C. The solution disclosed in the Ferrandis et al. Patent is well suited to a certain pressure and temperature range. Nevertheless, it faces two limits: the first relates to low pressures where the planar or radial configuration of the longitudinal waveguide limits the effectiveness of the acoustic-gas solid coupling so that the signal / noise ratio is unusable below a few tens of bars and does not measure the speed of sound nor the pressure or the composition of the release gas. But this first limitation is not a problem because it only exists at the beginning of the fuel life. The second limitation is more troublesome because it concerns the evaluation of the end of life of the fuel, while the pressure and the temperature increase and that the end-of-life diagnosis is accompanied by costly maintenance operations in fuel change. During its activity, the medium can also reach a working temperature exceeding 300 ° C which is not compatible with the use of piezoelectric ceramics having the best piezoelectric coefficients, limited to maximum working temperatures close to 250 ° C. If one wants to be able to work at 500 ° C, it is necessary ceramics PZT whose piezoelectric coefficients are 10 to 20 times weaker than that operating at 250 ° C. In this context, the signals are too weak to make accurate measurements of sound velocity, gas composition and media pressure.
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. However, by exploiting a configuration with a metal sleeve crimped and welded to the tip at the base of the conical waveguide and associating a conical bending wave tip with its forward transmitting collar (or without but in a cylindrical cavity (see FIG. 26) and a plane reflector disposed on the main axis, it is possible to obtain a narrow sensor of diameter typically less than 10 mm, that is to say comparable to the diameter of a pencil of fuel and can therefore be mounted at the end of a pencil thus typically improving by a factor 30 relative to a planar configuration, the effectiveness of the acoustic coupling between the solid guide and the surrounding gas, which ultimately allows to work with PZT ceramics which perform poorly piezoelectrically but are suitable for high working temperatures up to 550 ° C such as PZ46 (Ferroperm, Denmark). The effectiveness of the tapered solid coupling with bending-fluid wave thus constitutes an appreciable advantage when the measurement of pressure and in particular the resolution on the pressure depend on the measurement of the amplitude of the echo and thus the signal / noise ratio. . It will be noted that in a compressible fluid, the acoustic impedance of the fluid increases with the pressure, which reduces the solid-gas guide acoustic mismatch and increases de facto the amplitude of the echo signal or transmitted in the medium. In conclusion, the measurement of the amplitude of the echo (or of a signal transmitted in the case of a system with several points) is directly exploitable for the measurement of a pressure. Nevertheless, it is advisable to combine a pressure measurement by capacitive method of the deformation of the carrier structure or the sheath that will be reserved at low pressures typically around a few bars, to have a high resolution, to a measurement of pressure from the measurement of the amplitude of the reflected or transmitted signal that will be reserved for higher pressures, the low-pressure calibration by capacitive method can also be used for high-pressure calibration using the amplitude of the signal . It should also be noted that for large pressure variations, the measurement signal must undergo an automatic gain control.
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. When the sample is the dermis or food, the tip is preferably aluminum alloy or titanium. The radiation impedance of the tip is lowered by refining its end by polishing so that an incident wave is fully transmitted (or the reflection coefficient is lowered to a threshold value) in the skin or food when the end of the tip is in contact with the dermis or food.
La section des pointes étant très petite, autour de 0, 1 mm2 (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. The section of the tips being very small, around 0.1 mm 2 (tenth of a square millimeter), the impedance measurements can be carried out finely and on the scale of the square millimeter which is of interest in cosmetics and dermatology. In particular, the speed of shear waves in the viscoelastic media such as the dermis can decrease very strongly to reach values of the order of one meter per second. In this case, the velocities measured will be those of Rayleigh waves or horizontal transversals close to each other within 5%. Where possible, and the radiation impedance of the tip is comparable to that of the medium, the tip can be driven into the test medium (silicone, viscous liquids, vegetables, fruits, etc.) to determine the height necessary to cancel any echo inside the tip. This height is characteristic of the longitudinal impedance of the medium. In practice, rather than canceling the echo, a depth of penetration will be determined where the echo is decreased by 50% or 75%, which is easier to measure.
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. A bipod may consist of two pointed waveguides in contact with the test surface. The axes of the points are in the same plane perpendicular to the plane tangent to the surface at one of the points of contact. Deep drilling is carried out in the osculating plane with a lateral resolution determined in particular by the contact diameter of the tips, which is in practice less than one millimeter. The lateral extent of the beam is also conditioned by pulsed or continuous operation. In pulsed mode, the configuration is adapted to measurements by differential transit time or pulsed Doppler velocimetry. A bipod with superalloy metal conical guides, for example Inconel 600 or 625 can be used to probe materials carried at high temperatures of several hundred degrees Celsius. The contact surface between the test material and the conical guide is reduced, which slows down the heat transfer mechanism and creates an apparent thermal effusivity well below the thermal effusivity of the same volume material. The height and the opening of the conical guide in superalloy, is at least 25 mm and is preferably chosen between 50 mm and 150 mm, with a good compromise between sensitivity and bandwidth obtained with a tip height of 100 mm for an angle at top of 4.8 °. The waveguide then has an acoustic transfer function between its base and its end which is similar to a low-pass filtering of cutoff frequency greater than 700 kHz. These dimensions make it possible to work at a center frequency between 600 and 700 kHz for an aluminum alloy. The height and the angle at the apex also make it possible to lower the temperature between the zone of contact, which can be carried for example at a temperature greater than 1000 ° C. and the base of the cone where the piezoelectric elements are bonded, generally ferroelectric, for which it is not necessary to exceed the temperature of Curie. It is also a significant advantage of the device presented here to provide a device for insertion of longitudinal acoustic waves and shear by having a radiation impedance adapted to the test medium. Finally, the base of the cone where the transducer is glued PZT is exposed to a temperature below the Curie temperature of the piezoelectric element used to generate and receive the ultrasonic waves.
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. The base can also be actively cooled via a heat transfer circuit, so that its temperature does not exceed 300 to 500 ° C, while the end is heated to a temperature exceeding 1000 ° C. Reducing the section of the waveguide here brings a considerable benefit since it amounts to lowering the apparent thermal effusivity of the material constituting the tip. As a reminder, the thermal effusivity is the square root of the product of the density of the material by the specific heat and its thermal conductivity. It characterizes the process of heat transfer between two materials brought to different temperatures. It makes it possible to define the interface temperature as the centroid of temperatures weighted by the effusivity of the materials. But this definition is valid only under conditions where the interface is flat. When the lateral extent of one of the materials is very small in front of the other, as in the case of a point in contact with a plane, the apparent thermal effusivity of the tip is weak and it is therefore the plane which imposes its temperature on the tip. Nevertheless, as one goes up towards the base of the point, the thermal inertia increases as much as the apparent thermal effusivity which approaches that of the voluminal material, so that it is the base of the cone that imposes the temperature. The conical guide therefore functions as a thermal buffer. This configuration makes it possible to mechanically couple the guide to a medium heated to a temperature well above the Curie temperature of the piezoelectric element. In addition, the piezoelectric element is generally bonded to the guide with an epoxy adhesive. The latter can hardly withstand temperatures above 300 ° C. Beyond that, it is necessary to consider, for example, a solid couplant, such as a gold layer. Therefore, in order to operate an epoxy adhesive with a sample heated to 1000 ° C, it is desirable, on the one hand, that the section or volume of the guide exposed to a high temperature sample represents a smaller surface area or volume, less than 100 times smaller, than the section or the volume of the guide coupled to the ultrasonic source and exposed to the colder temperature of the heat transfer fluid, without limiting the amplitude of the transmitted signal. This is the advantage of conical bending waveguides which simultaneously have a high bandwidth of between 0.3 and 3 MHz, depending on the shape of the waveguide, a reduced apparent thermal effusivity at the end and a radiation impedance. typically 4 times weaker than transverse impedance.
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. A bipode according to one embodiment comprises a transmitter and a receiver distant from each other by a value adapted to the laws of refraction in the sample and depending on the depth probed. The ends of the tips are carefully truncated so that the phase velocity at the ends is just greater than or equal to the velocity of the longitudinal waves generated in the medium.
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. A preferred arrangement in so-called tripod transmission consists in arranging two receiving points at equal distance from and in alignment with a bending wave emitter tip. The receiving tips are arranged angularly with respect to their central axis so that the received signals are in phase opposition. The excitation is impulse or continuous. The summation of these signals provides a spatial differential measurement allowing small variations in the local mechanical properties to be observed between the receiving points. A tripod arrangement can advantageously be exploited by reversing the transceiver roles, with the transmitters continuously vibrating in phase opposition, resulting from a phase inversion between the two electrical excitation signals, either because of the angular orientation points. The tips are typically spaced 1 mm apart. More generally, spike transducers can operate in bending mode at frequencies between 20 kHz and 2 MHz. But they may preferentially be excited by a sinusoidal pulse at the center frequency of the tip or modulated in frequency by performing a digital frequency scan for example between 300 kHz and 900 kHz (called "chirp" in English). The frequency range is for example divided into 200 frequencies in the 3 kHz step, uniformly distributed between 300 kHz and 900 kHz. The burst consists of a complete period of each of the 200 frequencies distributed. In this case, the signal is preferably a square signal. There is then only one receiver associated with a single variable gain electronic amplifier, followed by a bandpass filter between 300 kHz and 900 kHz, followed by a single analog-to-digital converter, digitizing the signal on 12 bits, at a preferred rate of 5 to 12 MHz (or mega samples per second) and a single random access memory (RAM) of typical size 2 megabytes.
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. The rate of fire is preferably between 20 and 1000 shots per second. Each shot is digitized over typically 5,000 to 20,000 samples, representing an acquisition time of 1 to 4 ms and 10 to 40 kbytes of memory. RAM can store 50 to 200 successive shots. The reception signal is digitized at the same time as the transmission signal. This configuration makes it possible to probe the space underlying the central receiver by masking the direct signal between transmitters and central receiver to measure disturbances backscattered by the medium. The received signal can then be further amplified without saturating the electronics. The relative variations of the received signal are calculated by slowly sliding the tripod along a curve on the surface of the sample, the relative variation is calculated at the end of the sweep or when the memory is full by taking as reference one of the acquisitions made during the contact. Depending on the rate of fire, the acquisition lasts between 0.05 seconds and 10 seconds. The relative variation of the signal with respect to a reference signal is performed in the time domain or in the frequency space (in module and in phase) after calculation of a Fast Fourier Transform (FFT). The relative variations of the signal are representative of variations in the mechanical properties of the backscattering medium during displacement of the tripod. In other words, the configuration with two spike transducers generating a phase-opposite acoustic field at the receiver, makes it possible to perform a measurement of relative multi-frequency perturbation. When working in the frequency space, the frequency components whose amplitude does not exceed 3% of the maximum amplitude observed are eliminated. Then the Euclidean norm of the relative perturbation vector in modulus is calculated. This vector is representative of the diffusing power of the medium over a set of frequency components. Any finding of a significant variation in the standard of this signal during manual or automatic mechanical scanning may result in a new scan possibly changing the scan rate or measurement rate to better visualize a change of ownership zone. backscattering.
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). The slow displacement of a tripod assembly on the surface of the medium, in the direction perpendicular to the segment connecting the three points, provides information on the spatial variations of impedance. It gives information on inhomogeneities of the environment. The temporal variations of a motionless tripod provide information on variations in the environment of the tripod, for example linked to mechanical deformations caused by the passage of blood or by swelling of the medium associated with breathing or muscle contraction or by thermal diffusion. When the point of contact of the device is skin, the tip may be truncated so as to avoid damaging the dermis, for example by keeping a diameter of at least 0.4 mm. The tip is brought into contact with the skin (or any other flexible material) with a constant force (for example equal to its weight when no dynamometer is available) or slightly greater by a few grams than its practical weight. at 15 grams) using a precision digital balance (having a resolution of at least 0.1 g and in practice 0.01 to 0.001 g and a 4-20 mA or digital output for controlling the position from the peak to a target force). As a variant, the force exerted on the tip is directly measured by a capacitive method based on the deformation of the bearing structure of the tip, as will be described later (see 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. Deformation of the supporting structure under the action of a force or pressure can cause the sliding of one wall relative to the other (in the case of a double-walled probe) or the slump of a wall (for example in the case of a tube probe with internal cavity and maintaining the tip at its base and its end). There is thus an air cavity around the cone that can sag or swell under the action of a hydrostatic pressure. Assuming that the metal tip is at the electrical ground and constitutes a first electrode and that the outer surface of the sleeve is coated with a conductive layer of revolution (or partial for example on an angular sector with a conductive strip from the base towards the end of the sheath) forming another electrode, materializes a capacitor whose variation in thickness under the effect of the hydrostatic pressure is representative of the external pressure exerted by the medium. This configuration lends itself well to the realization of flowmeter probes with manometric function with minimum bulk.
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. The sheath with its tip tip is advantageously covered with an insulating varnish avoiding oxidation of the metal tip and / or a protective layer for example a Teflon-based varnish (PTFE or FEP or PFA) or silicone fungicide for avoid the accumulation of organic matter on its surface. In case of use of a metal reflector mounted on the end of the sleeve, the cavity or flag surrounding the end of the tip is preferably filled with a soft silicone, transparent for ultrasound and preventing scale buildup.
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. In the case of a two-point flowmeter with insertion perpendicular to the wall of the pipe, it is possible to provide shoulders either on the sheaths or on the bearing structure, from which support arms carrying a reflector plate placed under the spikes, perpendicular to their main axis at a distance comparable to the interpoined distance, themselves aligned with the direction of flow, the assembly forming a transmission-reception system with direct and reflected acoustic paths forming an equilateral triangle and characterizing a refraction angle in water close to 60 °. At least one of the sleeves, downstream, is provided with a collar for screening the direct beam.
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. The use of two tripodes oriented 90 ° from each other, and sharing the same central point, constitutes a pentapode, that is to say a system with 5 points. The pentapode is the configuration the most complex, but allows the measurement of different parameters during a single contact with the material to be characterized. In such a system, it is advantageous for the peripheral peaks to operate as a transmitter so that there is only one electronic amplifier connected to the single central receiver. The two additional points can thus operate at the same frequencies or at different frequencies of the two transmitting points of the first tripod. In particular, they can vibrate in polarization oriented differently from the other two.
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. Each of the tips of a pentapode has a four quadrant ceramic functioning as a linear combination of two dipoles oriented at 90 ° to each other and can be combined in amplitude and / or phase. This gives a total control of the acoustic vibration in the contact plane. The tips may in particular be programmed to emit shear waves or longitudinal waves towards the central tip depending on whether their direction of vibration is collinear or parallel to the main sensitivity axis of the central tip. When the central tip is operating in reception, the pentapode is in echographic configuration. In this configuration, it is sought to bring the points as close as possible so as to be able to detect rapid spatial variations and to exploit high frequency shear waves, preferably with a frequency greater than 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. When the central tip is transmitting and the four peripheral points are receiving, the pentapode is in directional velocimetric configuration. In this case, the central tip operates in precession mode, while the 4 peripheral points operate in pairs of receivers diametrically opposed to the transmitter and detect the direct signal emitted by the central transmitter. The measurement is then a measure of differential transit time per pair of receivers. It provides information on temporal variations, for example a flow in the plane of the ends. In this configuration we try to move the peaks as far as possible in order to increase the resolution on the speed measurement. This configuration is more expensive in electronic amplification and digitization / memory components.
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). The invention thus makes it possible to simultaneously evaluate several parameters of a medium without damaging it, in particular: · The speed of the longitudinal waves propagating in a sample (and thus indirectly the longitudinal impedance by knowledge of the density). • The velocity of transverse horizontal or Rayleigh waves propagating in a sample (and thus indirectly the transverse impedance by knowledge of the density).
• 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). • Variations in the homogeneity of the medium by differential echography of the interface medium, and the associated two-dimensional imaging (B-Scan) in the temporal space or frequencies, that is to say a grayscale or color (curvilinear position, amplitude of the temporal signal) or (curvilinear position, modulus or phase of a frequency component obtained by Fourier transform).
• 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. • The speed and direction of a directional flow in the plane or in a plane underlying the directional velocimetry point plane.
• La mesure simultanée dans un volume inférieur à 1 cm3 de propriétés caractéristiques d'une effusivité thermique ou d'une force d'appui. • The simultaneous measurement in a volume less than 1 cm 3 of characteristic properties of a thermal effusivity or a support force.
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. The waveguides are chosen according to the desired working frequency which can vary for elastic materials from 300 kHz to 900 kHz and for viscoelastic media from 20 kHz to 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. Thus, an embodiment provides a system for characterizing the mechanical and thermal properties of a solid or fluid medium, comprising at least one broadband ultrasonic transducer coupled to a first end of at least one solid tapered waveguide. to generate in the solid tapered waveguide at least one continuous or pulsed dispersive bending wave which propagates, the tapered solid waveguide being in contact, on the side of a second end, of section smaller than that from the first end, with the solid or fluid medium, wherein: the dispersive bending wave transmitted in the waveguide is refracted into an ultrasonic elastic wave in the medium, the maximum lateral extent of the contact surface between the tapered solid waveguide and the medium is less than the wavelength of the ultrasonic elastic waves generated in the medium, the tapered solid waveguide is t housed in a supporting structure of which at least one wall allows the acoustic insulation and the maintenance of the tapered guide as well as the damping of the ultrasonic waves, the guide being maintained by the supporting structure on the one hand on its periphery at its base of the broadband ultrasonic transducer side and, secondly, upstream of its tapered end, the system further comprising a device for measuring the amplitude or phase variations of the reflected waves and / or transmitted in the medium and a device for calculating mechanical and / or thermal properties of the medium from the measurements provided by the measuring device.
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. According to one embodiment, the tapered solid waveguide has a cylindrical axis of symmetry, has a solid or hollow conical profile having a section that is refined until the phase velocity in the refraction zone is lower than or equal to the speed of the longitudinal or transverse or guided waves generated in the medium or that its radiation impedance at the point of contact is between 1% and 100% of the transverse impedance of the material constituting the 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 Zair est l'impédance mécanique de l'air, Ar2 est le coefficient de réflexion à l'interface guide d'ondes effilé - milieu à caractériser, Ari est le coefficient de réflexion à l'interface guide d'ondes effilé - air, et est l'impédance de contact du guide d'ondes effilé. According to one embodiment, the computing device determines the mechanical impedance Z2 of the medium determined by the formula: Z-, = Z · ^ + with a = · -, where Z a i r is the mechanical impedance of the air, A r2 is the reflection coefficient at the tapered waveguide interface - medium to be characterized, A r i is the reflection coefficient at the tapered waveguide - air interface, and is the impedance of contact of the tapered waveguide.
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. According to one embodiment, the waveguide is made of a material having a characteristic impedance greater than or equal to that of the medium, for example a low density metal such as aluminum or titanium, or a hard plastic such as plexiglass or polycarbonate.
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. According to one embodiment, the tapered solid waveguide is a solid cone whose end is truncated at the point where the phase velocity is equal to the speed of the longitudinal acoustic waves generated in the medium. According to one embodiment, the system also has the following one or more features: the first end of the tapered waveguide is exposed at a first temperature below the Curie temperature Te of the ultrasonic transducer; the tapered waveguide is a superalloy, for example in inconel; the second end of the tapered waveguide is in contact with a medium of a second temperature greater than the first and has an area at least 100 times smaller than that of the first end of the tapered waveguide; the tapered waveguide has a length which ensures the maintenance of a temperature difference between the first and second ends of the guide, the temperature difference resulting from a phenomenon of convection or free or forced conduction by a cooling system heat transfer fluid, and regulates the temperature of the transducer at the first temperature. According to one embodiment, the system further comprises second and third tapered waveguides shaped conical points aligned to form a differential tripod, and two receiving points arranged at equal distances from a bending wave emitter tip, and aligned therewith, the receiving tips being angularly disposed with respect to their central axis so that the received signals are in phase opposition.
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. According to one embodiment, the system further comprises four tapered tapered waveguides to form a pentapode or two tripods oriented at 90 ° to each other and sharing the same central tip, the central point of the system operating as a receiver and peripheral points transmitter, the system further comprising a single electronic amplifier connected to the single central receiver.
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. According to one embodiment, the acoustic transducers associated with the tapered waveguides are four-quadrant PZT ceramic discs operating in a linear combination of two dipoles oriented at 90 ° to each other to be combined in amplitude and / or in phase so as to impose an acoustic vibration direction in the contact plane.
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. According to one embodiment, the system further comprises a fourth and a fifth tapered waveguides to form a pentapode organized in two tripodes oriented at 90 ° to each other, for the depth measurement of the speed variations. longitudinal or transverse.
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. According to one embodiment, the system further comprises four additional taper-shaped guides to form a pentapode, a central tip operating in transmission mode while the other four peripheral peaks operate in reception mode, the central tip operating in precession mode, while that the four peripheral peaks operate by pair of receivers diametrically opposite to the transmitter, the measuring device detecting the differential transit time per pair of receivers.
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. According to one embodiment, the system further comprises four conical-point guides forming a pentapode in the transit time measurement mode between a central emitter tip and the other four peripheral tips, the emitter tip producing a horizontal transverse wave in vibration. impulse precession, the two pairs of peripheral tips being oriented to detect the horizontal transverse wave, the measuring device giving a speed of propagation of this wave in two perpendicular directions. According to one embodiment, the system is adapted to contact with the epidermis and the conical tip transducers are truncated and slightly pressed against the epidermis so that the entire section of the guide is in contact with the epidermis and that in the contact zone, the section of the guide is such that the phase velocity in the tapered solid waveguide is equal to that of the longitudinal waves of the medium, ie about 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. According to one embodiment, the system is adapted to contact with an air environment and further comprises four additional tips for forming a pentapode with a central emitting tip E vibrating in precession mode and four peripheral receiving points responsive to a flexion mode , the central tip having a round end, preferably of section diameter at its end less than 0.1 mm, and vibrating in a combination of two bending modes oriented at 90 ° to each other.
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. According to one embodiment, the carrier structure is sealed and the tapered solid waveguide is pointed and partially immersed in a fluid medium to where its phase velocity is equal to the speed of propagation of the pressure waves. in the middle.
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. According to one embodiment, the carrier structure comprises a U-shaped double wall ensuring: the control of a set temperature of an internal wall of the supporting structure, for example by means of a resistive coil for heating the conical tip by Joule effect; damping successive echoes passing through the mechanical coupling zone of the waveguide to the inner wall of the carrier structure; the thermal insulation of the inner wall by the outer wall of the supporting structure, separated from the inner wall by a thermal insulator; the relative displacement of the inner wall of the supporting structure relative to the outer wall of the supporting structure under the effect of a contact force of the tip on the sample or a deforming pressure exerted by the medium on a part of the supporting structure or the holding sleeve of the point; intermittently measuring the value of a capacitance of at least one capacitor that accounts for the relative position of the inner wall relative to the outer wall of the supporting structure or the inner wall of the supporting structure relative to the guide tapered solid wave, and one of the electrodes is integral with the waveguide and the other electrode is integral with the inner wall or the outer wall, the value of the capacitance being deduced from a resonance frequency or oscillations of a relaxation oscillator, or a divider-bridge measurement of a reference capacitance and the law of variation of the capacitance being connected by a correspondence table, or a mathematical formula such as a law of polynomial interpolation, at the force of support of the tip on the sample, or at the pressure of the medium; or a safety function for the tip and the sample, imposing a limit on the maximum penetration at zero bearing force of the tip in the sample by a maximum value of between 0 and 10 mm, and preferably less than 0 , 5 mm. According to one embodiment, the support structure is composed of a part ensuring the positioning, the orientation, the insulation and the damping of the waveguides and a bayonet cowling consisting of elastic deformable parts ensuring a force holding the probes in the inner wall and locking the flexible elements on the guide element.
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. According to one embodiment, the system further comprises: a conduit for feeding a pressurized liquid waveguide at the end of the tapered solid waveguide; an end of the solid waveguide immersed partially in the liquid waveguide, in a connection chamber, on a limited extent, of the order of 1 mm and a volume of the order of 1 mm 3; a liquid waveguide ejection nozzle of straight conical or curved hook shape for inspecting external, lateral, or internal surfaces of a sample, such as a railroad rail; a protector skirt of the liquid waveguide against dislocations or fragmentation by a stream of air over at least a part of its length to the surface of the sample or containment and suction splashing of the jet liquid sprayed onto the surface of the sample, wherein: the hydrostatic fluid ejection pressure varies over time to provide low frequency shear acoustic wave generation; the acoustic waves are controlled in amplitude and / or in phase, in particular between the jets of a configuration with several liquid waveguides; the hydrostatic pressure is modulated to reach an intermittent ejection regime with an ejection rate of between 1Hz and 10kHz.
Selon un mode de réalisation, l'extrémité du guide d'onde solide effilé est courbée. According to one embodiment, the end of the tapered solid waveguide is curved.
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. According to one embodiment, the second end of the solid tapered waveguide is forcefully inserted into a sheath formed in the supporting structure, the assembly being rigidly mechanically coupled to be sealed by crimping the sleeve or by metal brazing between the base of the tip and the sheath if it is metallic.
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. According to one embodiment, the tapered solid waveguide is inserted into a sheath formed in the supporting structure provided at its end with a reflective collar intended to orient the emitted ultrasonic beam or to shield the received ultrasonic beam from a predefined direction . According to one embodiment, the system further comprises a second solid waveguide tapered to form a bipode and a reflector integral with the support structure disposed under the points, perpendicular to their main axis, at a distance between 75 and 125% of the inter-point distance.
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. According to one embodiment, the system further comprises three additional tapered solid waveguides to form two bipodes inserted perpendicular to a pipe at two different depths, each bipode being aligned with the direction of the flow to be characterized, one bipods having their ends arriving at a first depth in the pipeline so as to access the flow velocity at the center of the pipeline, while the other bipod has its ends arriving at a second depth of the pipeline, distinct from the first depth, in the vicinity of the inner wall of the pipe so as to access the flow rate near the wall.
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. According to one embodiment, the liquid ejection tip is separate from the carrier structure and is bonded to the carrier structure in a position where at least one of the ultrasonic beams refracted into the liquid from the end of the tip is reflected on at least one of the faces of the tip and aligns after reflection with the main axis of the nozzle ejection cannula. According to one embodiment, the tapered waveguide is inserted into a sheath formed in the supporting structure, the end of the sheath with its open tapered solid waveguide being covered or filled with a protective anti-adherence varnish and or fungicide, for example based on Teflon (PTFE or FEP or PFA) or 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. According to one embodiment, the computing device deduces the pressure of a medium directly from the amplitude of an echo or a signal transmitted in the medium in combination with a capacitive measurement of the deformation of the carrier structure or a sheath formed in the supporting structure.
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. An embodiment further provides a method of characterizing the mechanical and thermal properties of a solid or fluid medium using a system as proposed above, comprising the following steps: generating in the waveguide solid tapered at least one dispersive bending wave in continuous or pulsed regime that propagates, the dispersive bending wave transmitted in the waveguide being refracted into an ultrasonic elastic wave in the medium; measuring amplitude or phase variations of the reflected and / or transmitted waves in the medium, and calculating mechanical and / or thermal properties of the medium from measurements provided by the measuring device.
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. According to one embodiment, the method further comprises the following steps: generating and detecting a reference echo in the medium by bipode (89), tripod or pentapode type probe (98) successively contacting the medium at a set of reference positions along a curvilinear reference path; storing the reference echoes associated with each position of the probe on the medium, along the curvilinear reference path; recognizing contact positions of the probe on the medium by calculating the minimum distance or by calculating the maximum of an inter-correlation function between a measurement echo obtained during a second passage on the curvilinear path and the one of the echoes corresponding to the learned reference positions, and to provide amplitude and phase information on the spatial variations of impedance along the curvilinear reference path.
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. According to one embodiment, the method further comprises a step of embedding the waveguide in the middle of a characteristic depth for which the amplitude of the internal echo in the waveguide is decreased by 50% at 75% of its value with respect to conditions where the end of the waveguide is free.
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. According to one embodiment, the method further comprises the following steps: moving a differential tip tripod to the surface of the medium, in the direction perpendicular to the segment connecting the three points; measure amplitude and phase on spatial variations of impedance.
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. According to one embodiment, the method further comprises: a step of constituting a reference database characterizing different media or the different states of a medium and associating with each medium or with each reference state the measurement of at least one of its effusivity, longitudinal and transverse impedance as well as angular anisotropy impedance values in at least two different directions, for example orthogonal directions, from bipod, tripod or pentapode type probes; a step of recognizing a medium or the state of a medium by measuring its effusivity values, longitudinal ZL and transverse ZT impedances as well as angular anisotropy of the impedances in at least two different directions, using a bipod, tripod or pentapode type probe by searching for a corresponding element closest to a reference database on this medium or on the states of this medium.
DESCRIPTION DETAILLE DE MODES DE REALISATION DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
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. In its simplest expression, exploiting wave-wave guides, therefore of lateral extent at least equal to three wavelengths, the velocity determination method proposed here exploits a comparative measurement between a reference measurement, for example without contact and a measurement during a contact on the sample to be analyzed. Then we use formulas giving the reflection coefficients at the interfaces as a function of the impedances of the media. It is a deterministic process.
• 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. • Among the applications envisaged are tactile hulls with artificial finger calibration. The prior knowledge of the impedance of the human finger from the device described here makes it possible to then make artificial fingers for different user profiles (children, adults), to optimize the thicknesses and coatings of the touch hulls by choosing materials whose longitudinal and transverse radiation impedances optimize the energy transfer with the finger.
• 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. • The device also finds applications in the analysis and monitoring of the viscoelastic property variation of materials, especially when the tip transducers are oriented to transmit and detect horizontal shear waves. A tripod or a pentapode in echographic mode in shear configuration also makes it possible to check a possible angular anisotropy in the viscosity of a fluid, this thanks to its ability to perform the same measurement in two perpendicular directions.
• 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. The device proposed here is also a powerful means for measuring spatial and temporal viscosity, particularly in the field of magnetorheological fluids or elastomers, which can rapidly change state under the action of a magnetic field with a response time of less than the millisecond. Indeed, even in pulsed mode, the tip transducers can be excited at a high rate of up to 1 to 2 kHz (or PRF for Pulse Repetition Frequency in English) and therefore likely to display rapid changes in state.
• 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. • In contrast, the device can find applications in slow processes of change of state, for example in the control of the maturity of food held at constant temperature in a cold room, the hardening of concrete, or lava, the polymerization of glues, sintering of powders, changes of crystalline phase, manufacture of 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. • The device can give an estimate of the spatial variations of longitudinal or transverse acoustic impedance by a mechanical scanning in the plane of the surface of the sample (C-scan) and thus allow a mapping of a human tissue or a any material. The device according to the present invention can learn to recognize the successive contact positions with the medium during a mechanical scanning phase of a bipod, tripod or pentapode consisting in a first step to memorize the echoes associated with each position of the probe then to recognize the positions by distance calculation or inter-correlation during a second pass, following the first constituting a learning phase.
• 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. • The device proposed here can allow a classification of materials by the characterization of the impedances of the two fundamental modes and according to two directions of propagation, thus providing information on the anisotropy of the material as well as on the efficiency of the thermal transfer of a tip heated or cooled, the lowering or elevation of temperature after a contact of determined duration with the sample at room temperature being measured. In conjunction with the use of a database of references that may be constituted, the device can be a "classifier" of materials, applicable to elastomers, human tissues, food and meat in particular for the control of their state of conservation or ripening, as well as various metal and plastic materials.
• 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/m3, 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. • This device can finally allow the inspection of moving surfaces by combining a solid guide coupled to a liquid guide projected towards the sample. This type of probe finds applications in nondestructive, high speed control. The probe is constituted by a double wall bearing structure possibly heated to improve the ultrasonic damping and the viscosity of the fluid in circulation and comprising two waveguides arranged in series, the first being solid and consisting of a guide to conical dispersive tip for lowering the radiation impedance and optimizing the transfer to the second liquid guide, coupled to the first via a connection chamber and opening onto an ejection nozzle of the liquid coupling in the form of a collimated jet directional high pressure. The liquid jet is protected from drafts by a skirt, for example in the form of a cylindrical multi-strand brush. The jet may be intermittent to strike the surface of the sample regularly and generate low frequency shear waves. The latter point is of interest in pulse elastography and is an alternative to percussion methods vibrating pot or other electromagnetic or static contact usually juxtaposing the ultrasound transducer. In the case of deformation of the skin during a medical examination, the jet in intermittent mode must allow a significant deflection of the skin, typically of the order of 1 mm. The viscosity and the surface tension of the projected fluid make it possible to create a waveguide having a spatial continuity and for which a laminar flow can be imposed if the Reynolds number associated with the diameter of the jet, the density of the liquid, its speed ejection and its viscosity, remains below 2300. Thus, the fluid may advantageously be more viscous than water in order to maintain a laminar regime and therefore a collimated projection over a greater distance or to limit the spread of fluid on the inspection surface, for example for the sake of cleanliness. By way of example, a jet of water with a diameter of 0.8 mm, with a viscosity of 1 mPa.s and a density of 1000 kg / m 3 , expelled at a speed of 1 m / s, is associated with a Reynolds number. value 800. The turbulent regime is then reached for an expulsion speed of about 3 m / s.
DESCRIPTION DES FIGURES DESCRIPTION OF THE 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 : Other aspects, objects and advantages of the present invention will appear better on reading the following detailed description of preferred embodiments thereof, given by way of nonlimiting example and with reference to the appended drawings, in which: :
• 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,  FIG. 1 is a schematic view of a transduction assembly with a waveguide 150 forming an elementary probe for a longitudinal or transverse propagation mode, coupled to a material to be analyzed 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.  FIG. 2 is a schematic view of the complete device 400 according to one embodiment allowing the characterization of the two basic modes of propagation simultaneously, thanks to two separate probes 125 and 225 in contact with the material 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.  FIG. 3 is a schematic view defining the incident waves 600, reflected 620 and transmitted 610 at the interface with the sample 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.  • Figure 4 defines the incident waves 600, reflected (620, 640 and 650) and transmitted 610 and 630 in the case where the sample is composed of two layers 100 and 101.
• La figure 5 montre l'écho d'interface dans le cas d'un guide en plexiglas à onde longitudinale, baignant dans l'air.  • Figure 5 shows the interface echo in the case of a plexiglass guide with longitudinal wave, bathed in the air.
• La figure 6 montre l'écho d'interface dans le cas d'un guide en plexiglas à onde transversale, baignant dans l'air.  • Figure 6 shows the interface echo in the case of a transverse wave plexiglass guide, bathed in the 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 (ZL=3, 1 MRayl). • Figure 7 shows an example of peak-to-peak amplitude variation of the longitudinal interface echo, an attenuation of about 50% between ambient air and a sample of human skin on a subject of study, highlighting the effect of a strong variation of load longitudinal impedance and making it possible to determine the longitudinal impedance of this sample (approximately 1 MRayl) which is approximately 32% 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 (ZT=1,26 MRayl). Figure 8 shows an example of a peak-to-peak amplitude variation of the interface transverse echo, or 9%, between the ambient air (high value) and the same human skin sample (low value) highlighting a transverse load impedance (0.06 MRayl) much lower than that of 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.  FIGS. 9A and 9B schematically illustrate two variants of the device according to an embodiment associating transducers 260, 270, 280 and 290 for the two fundamental modes of propagation on a single waveguide 150 according to, respectively, a concentric configuration.
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.  FIG. 10 is a block diagram of the mounting of the transducer 540 according to one embodiment with the transmission and reception electronics using a limiter 510 avoiding to saturate the amplification elements 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.  FIG. 11 is a block diagram of the mounting of the transducer 540 according to one embodiment with the transmission and reception electronics using a fast switching 515 between the transmitted signal and the measured echoes making it possible to avoid saturation of the electronics amplification 520.
La figure 12 illustre un guide à ondes de flexion dispersives à extrémité tronquée et polie, ainsi que son fonctionnement.  Fig. 12 illustrates a polished and truncated end dispersive flexural waveguide and its operation.
La figure 13 illustre une modélisation de la propagation dispersive d'une onde de flexion dans un cône.  Figure 13 illustrates a modeling of the dispersive propagation of a bending wave in a cone.
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.  Figure 14 illustrates a calculation of the refraction angle of the longitudinal waves in the sample as a function of the phase velocity in the tip.
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.  FIG. 15 illustrates a bending wave bipod 89 integrated in a supporting structure. Figure 16 shows probe variants for impedance measurement depending on the desired application.
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. Fig. 17 illustrates a pentapode in ultrasound mode according to one embodiment. FIG. 18 illustrates an application of an embodiment of the bipod impedance meter in a velocimetric probe 89. • Figure 19 illustrates the use of a pulse transducer Doppler velocimetry pulsed according to one embodiment.
• La figure 20 illustre l'usage d'un pentapode en vélocimètre directionnel selon un autre mode de réalisation.  • Figure 20 illustrates the use of a directional velocimeter pentapode according to another embodiment.
• La figure 21 est une vue en coupe d'une sonde selon un mode de réalisation.  Figure 21 is a sectional view of a probe according to one embodiment.
• La figure 22 est une vue en coupe d'une sonde à pointe conique selon un mode de réalisation.  Fig. 22 is a sectional view of a conical tip probe according to one embodiment.
• La figure 23 présente une sonde à 5 guides d'ondes selon un mode de réalisation. Fig. 23 shows a waveguide probe according to one embodiment.
• 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. FIG. 24 is a schematic sectional view of an ultrasonic probe 99 for non-destructive testing according to another embodiment.
• La figure 25 illustre une pointe dispersive dont l'extrémité est courbée en forme d'hameçon selon un mode de réalisation.  • Figure 25 illustrates a dispersive tip whose end is bent hook-shaped according to one embodiment.
• La figure 26 illustre un capteur de pression selon un mode de réalisation.  Figure 26 illustrates a pressure sensor according to one embodiment.
A. SONDES A ONDES VOLUMIQUES A. VOLUME WAVE PROBES
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.  FIG. 1 represents a first device using volume waveguides making it possible to determine the characteristic impedances of the skin on a panel of individuals, as well as to identify the characteristics of different materials. The device allows by simple contact to evaluate the acoustic impedance parameter of a homogeneous material, by a non-destructive method and for the two fundamental modes of propagation, transverse and longitudinal. By contacting two cylindrical probes for each fundamental mode with the sample, the two longitudinal and transverse characteristic impedances are determined.
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. The complete system proposed here consists of a structure on which are fixed the two probes forming waveguides for sending and receiving acoustic pulses on the surface or in the material. The maintenance of the probes on the structure is done in such a way that there is an acoustic insulation, by an impedance break, between the structure and the waveguides. Insulation is necessary to prevent the interface echo from being disturbed by an acoustic short circuit via the waveguide holding structure.
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 za et celle du guide d'onde Zg : jZa .Zg . 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. A transducer is attached to each waveguide to transmit / receive the acoustic pulses. This transduction system, which exploits elements that can be piezoelectric, can generate pulses under the best conditions. In the In the case of a piezoelectric active element, an impedance matching with the waveguide allows a better insertion of the modes at the desired frequency by the addition of a so-called "quarter-wave plate" whose acoustic impedance is preferably intermediate between that of the active element z a and that of the waveguide Z g : jZ a .Z g . Finally, a "backing" wave damping system arranged on the rear face or on the side of the piezoelectric element allows a better temporal resolution of the pulse by limiting the intrinsic resonances of the piezoelectric element.
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. The system is simultaneously connected to a high voltage signal generator for transmission and an amplifier for reception. The receiving electronics tolerate the high excitation voltage of the transducer. Typically, a 20 volt pulse is applied to the transducer, and then the interface echo is magnified by a factor of 200 to produce an output signal of a few hundred millivolts. The constraint is that the amplitude excitation signal 20 Volts is also amplified by a factor of 200, which saturates the reception electronics, which can not deliver a signal of amplitude greater than +/- 10 V. For to overcome this case, we will use a clipper to limit the input voltage of the amplifier to a maximum allowable not causing too much latencies in the measurement or a fast switching between transmission and reception on the same transducer so that according to the desired action on the active element, the system operates sometimes in transmission and sometimes in reception. The output of the amplifier allows the measurement of the echo (s) of the acoustic pulse, coming from the interface and having passed through the waveguide.
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 Zg 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 ZL = et une
Figure imgf000041_0001
Figure 1 schematically illustrates a transducer assembly 300 consisting of a non-dispersive planar waveguide measurement probe. This device comprises a waveguide 150 also serving as a probe, which is kept in contact with a sample 100. The waveguide 150 is made of a material whose known acoustic impedance Z g is close to and greater than that of of the material that is to be determined, preferably less than 2 times the impedance of the material. Typically it may consist of low density metals such as aluminum or titanium, or more preferably plastics such as polycarbonate or plexiglass. On the waveguide 150, in contrast to the material to be analyzed, there is provided a piezoelectric component 250 having a sufficient bandwidth, for example 100% around the central frequency, which is equivalent to saying that its response impulse is short. The component works both as a transmitter and a receiver. An impedance matching blade 200 is fixed on the active face of the component 250, between this component and the guide 150, ideally sized to have an impedance Z L = and a
Figure imgf000041_0001
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. dL thickness corresponding to a quarter of the wavelength of interest, typically of the order of a millimeter, and a damping block 350 on the opposite side (referenced by the term "backing" in English) so as to improve the resolution temporal by limiting the wave reflections on this face of the transducer, which limits the impulse response of the active element 250 to a bipolar pulse. It is recalled here that the working frequency will preferably be between 300 kHz and 900 kHz for elastic materials and between 20 kHz and 4 MHz for viscoelastic media. By way of example, for plexiglass, the longitudinal speed is of the order of VL = 2697 m / s and the transverse velocity is of the order of VT = 1335 m / s, which leads to a length of wave of interest between 1.1 mm and 2.2 mm at 300 kHz, between 0.37 mm and 0.75 mm at 900 kHz, between 0.08 mm and 0.16 mm at 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. The transducer assembly 300 may be a ready-to-use commercial component, for example the Paneameter transducers (Waltham, Massachussetts, USA) Ml 10 longitudinal wave and the transducer Panametrics VI 53 (Waltham, Massachussetts, USA) to transverse waves. These transducers have a respective center frequency of 5 MHz and 1 MHz. To optimize the acoustic transmission between the probe 150 and the sample 100, a viscous paste can be used as 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. A coupling adapted to the propagation mode of the wave is essential in the case of the transverse mode. Coupling referenced SWC (shear wave coupling in English) Panametrics company allows the transmission of the transverse mode. Its thickness is reduced as much as possible. Its use is not necessary with dispersive transducers spikes or when the nature of the material studied allows a satisfactory coupling, such as with fluids, gels, elastomers.
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 FIG. 2 diagrammatically illustrates a complete device according to an embodiment 400 with two non-dispersive probes such as that illustrated in FIG. 1. A first longitudinal wave probe 125 has its non-dispersive plane waveguide having a length 1 10, the other transverse wave probe 225 has its non-dispersive planar waveguide of length 120, distinct from the length 110. The guides are integrated in a support, typically made of sintered plastic, providing good acoustic insulation between the waveguides. wave. The probes are in contact with the sample 100 having a lateral extent and a depth of at least five wavelengths and preferably at least ten wavelengths or longer. Means for regulating the bearing force may be envisaged such as springs at the rear of the probes. Fasteners to isolate "acoustically" probes from the structure. They can be foam, having a very low acoustic impedance compared to waveguides. The lengths of the guides 110 and 120 are dimensioned so that the pulses do not interfere with each other. For this, it suffices that the acoustic pulses traveling along the length 110 at the longitudinal speed and the length 120 at the transversal speed reach the sample at the same time. In addition, the lengths are calculated so that the incident wave and the reflected wave are well separated temporally. Concerning the last condition, the lengths 110 and 120 must have a minimum satisfactory value
2 /  2 /
l'équation τ =— <— , dans laquelle T représente la durée de l'impulsion, qui est le rapport the equation τ = - <-, in which T represents the duration of the pulse, which is the ratio
/ c / 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 : / > . the number n of periods desired by the central frequency / pulse. This period must be less than one round trip of the wave, ie twice the distance /, reported on the speed of propagation of the wave c generated by the transducer. We will therefore have the following dimensional condition on the length 1 of each probe:
2 - f En ce qui concerne l'arrivée simultanée des deux ondes sur le matériau, il faut vérifier l'égalité  2 - f With regard to the simultaneous arrival of the two waves on the material, it is necessary to check the equality
— =— , dans laquelle les longueurs des sondes 110 et 120 (respectivement lno et 1120) cL cT - = -, in which the lengths of the probes 110 and 120 (respectively lno and 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=——— . depend on the longitudinal velocities c L and transverse c r . It is also possible to include a delay of excitation of the fastest wave equal to the difference of the transit times to reach the interface with respect to the slow wave, which makes it possible to preserve equal lengths of guides 110 and 120. Considering the fast propagation speed in the guide 110 and the slow propagation speed in the guide 120, we obtain the equation of the arrival time delay of the wave fronts on the sample in both probes: delay = ---.
cT cL 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 ze de l'échantillon 100 selon les formules suivantes : A Z - Z A 2-Z Figure 3 shows the wave evolution at the time of measurement. An incident wave 600 propagates in the guide 150 towards the sample 100. At the interface, a part of the energy is reflected, which leads to a reflected wave 620 and another part 610 is transmitted in the sample. The precise knowledge of the material constituting the impedance guide 150 Z intervenes in the reflection coefficients r and transmission t with the impedance z e of the sample 100 according to the following formulas: AZ - ZA 2-Z
r = L = ^— __. et t = ^ = e— (î) r = L = ^ - __. e tt = ^ = e - (i)
4 e + zg 4 4 e + z g 4
Dans lesquelles, ^ désigne l'amplitude de l'onde réfléchie 620 et At , l'amplitude de l'onde incidente 600, tandis que At désigne l'amplitude de l'onde transmise 610. In which, ^ denotes the amplitude of the reflected wave 620 and A t , the amplitude of the incident wave 600, while A t denotes the amplitude of the transmitted wave 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 ze . The relations (1) constitute a system of two equations with 2 unknowns connecting the ratio of the amplitudes of the reflected and transmitted waves to the characteristic impedances of the materials. Its resolution provides the impedance of the sample z e .
Par ailleurs, l'amplitude de l'onde incidente At 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 ze en s' affranchissant des variations de propriétés d'atténuation, de température et de dimension des guides d'ondes. Furthermore, the amplitude of the incident wave A t being capable of changing according to the temperature conditions and since it is not desired to use additional equipment for calibrating the probe, a measurement relating to a reference makes it possible to deduce the impedance z e by avoiding the variations of attenuation properties, temperature and size of the waveguides.
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 Arl . Le guide 150 est ensuite placé en contact avec l'échantillon 100 et une nouvelle mesure est effectuée. On obtient une amplitude Ar2 correspondant à l'onde réfléchie 620 sur le matériau d'impédance inconnue ze . On obtient les deux équations : The measurement used as a reference is the empty measurement, that is to say without contact. Indeed, for known propagation conditions in the probe under given temperature and humidity conditions, the air impedance z air is known and very low. In this case, the probe provides a reflected wave of given amplitude A rl . The guide 150 is then placed in contact with the sample 100 and a new measurement is made. An amplitude A r2 corresponding to the reflected wave 620 is obtained on the unknown impedance material z e . We obtain the two equations:
Figure imgf000043_0001
Figure imgf000043_0001
Ce système d'équation conduit à la relation This system of equation leads to the relationship
\ + A 2 Zmr Z \ + A 2 Z mr Z
avec a =—— (2) with a = - (2)
1 - oc Arl Z„,„ + Z Ainsi connaissant l'impédance Zg 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 ze . 1 - oc A rl Z "," + Z Thus knowing the impedance Z g of the guide, the air impedance z air and from the two successive measurements of amplitude of the received signal, one determines the characteristic contact impedance of the material to be analyzed 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. For this method to work, it is necessary that the material is at least locally homogeneous and isotropic. The use of a system such as that of Figure 2 makes it possible to perform the acquisition of the two fundamental modes simultaneously. The use of these probes associated with a mechanical scanning on the surface, of the C-scan type, makes it possible to map the impedance and determine its homogeneity. The isotropy of a material can be deduced if the sample has a suitable geometry, for example cubic and has 3 orthogonal faces and for each of them, 3 measurements of impedances are realized: impedance of the longitudinal mode and transversal mode in two directions, typically orthogonal.
Si l'on connaît l'impédance de l'air zatr , 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 ze . If we know the impedance of the air z atr , the impedance of the waveguide Z the amplitude of the first empty echo, and the contact echo 620 we deduce the impedance of the sample z e .
Par ailleurs, on peut établir la relation décrivant la art d'onde transmise progressant dans l'échantillon 610 : , ce qui conduit
Figure imgf000044_0001
On the other hand, one can establish the relation describing the progressing transmitted wave art in the sample 610:, which leads
Figure imgf000044_0001
'expression de la part d'onde transmise sur la part d'onde réfléchie
Figure imgf000044_0002
expression of the wave portion transmitted on the reflected wave
Figure imgf000044_0002
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
Figure imgf000044_0003
In the case of a stratified sample (see Figure 4), which there is a second layer 101 of an impedance, one can establish the relationship of the reflected wave on the second interface of the wave retransmitted in relation the first layer towards the waveguide
Figure imgf000044_0003
On déduit ze, , l'impédance de la deuxième couche de matériau, à partir des relations établies We deduce z e ,, the impedance of the second layer of material, from the established relationships
As0 _ As0 Λ40 AlO _ 2 - Z e Z< -Z. 2 - Ze {Ze + Z S ) _ 4 · ¾ Z, - Z. As 0 _ As 0 Λ40 A 10 _ 2 - Z e Z <-Z. 2 - Z e { Z e + Z S ) 4 4 · ¾ Z, - Z.
A20 A40 AlO A20 Z R + Ze Ze! + Ze Ze + Z R Ze + Z R Zé + Ze A7n 4 · Ζ2 Ζ , + Ζ A20 A40 AlO A20 Z R + Z e Z e! + Z e Z e + Z R Z e + Z R Z e + Z e At 7n 4 · Ζ 2 Ζ, + Ζ
En posant β - , il vient la relation :  By posing β -, there comes the relation:
50 Z e Ί"Ζ g Z e Z e
Figure imgf000045_0001
50 Z e Ί "Ζ g Z e Z e
Figure imgf000045_0001
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. FIG. 4 defines the incident waves 600, reflected (620, 640 and 650) and transmitted 610 and 630 in the case where the sample is composed of two layers 100 and 101 stacked, the layer 10 being in contact with the guide of In this case, in addition to the waves previously mentioned in relation with FIG. 3, a wave 630 is transmitted to the interface between the layers 100 and 101 in the layer 101, and a wave 640 is reflected at this interface in FIG. the layer 100. A second reflected wave 650, resulting from the wave 640, is thus reflected in the waveguide 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. Figure 5 shows an example of a curve recorded for a longitudinal propagation mode in a plexiglass guide in the open air (voltage measured as a function of time). The signal near the instant t = 15 μβ, corresponds to the guide-air interface echo. The incident wave 600 passes through the probe to the interface where a portion corresponding to the characteristic impedance ratio is reflected under the identity 620 to the transducer. The wave is reflected again in the guide and makes a second round trip, visible with a strong attenuation at time 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. FIG. 6 shows an echo acquisition curve 620 for the transverse propagation mode, always with a Plexiglas guide in the air (voltage measured as a function of time). The amplitude peak at t = 31 corresponding to the guide / air interface echo of the transverse mode. It is temporally more spread because of a lower working frequency, 1 MHz, and comes late compared to the previous assembly because of a lower propagation speed than the longitudinal mode. The curve also shows the interference by the longitudinal mode with the arrival of a portion of the energy of the longitudinal wave at t = 15 and a longitudinal / shear conversion at the guide / air interface arriving at 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 Zg = 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. Figures 7 and 8 show the variations of the respectively longitudinal (48%) and transverse (9%) reflection coefficient, with respect to air, when the sample (100) is an exposed part of human skin (amplitude in mV referenced by sample number). Slight amplitude variations are observed during successive free / contact measurements. They can be caused by temperature variations during contact or variations in couplant thickness due to crushing or thermal equilibrium if temperatures are not not exactly identical. It is for these reasons that the coupler will preferably have a very small thickness, typically less than 50 μπι, and the temperature equals between the probe and the test material in order to avoid any phenomenon of thermal diffusion or disturbance. the transverse load impedance by the impedance of the couplant. In addition, neglecting the thermal expansion in the case of small temperature variations, ie constant density and known dimensions of the guide, the arrival of the first echoes is the round trip in the guide of known length. Therefore, the precise knowledge of the propagation speed c for a known density p guide, allows to refine its impedance Z g = pc. The impedance of the material to be analyzed will therefore be characterized for the ambient temperature. We thus find longitudinal impedances of 1 MRayl and transverse impedances of 0.06 MRayl for this measurement on human skin. Variations of this method are possible, such as that of establishing a reference table of the reference echo in the open air as a function of the temperature. The measurements can also be made in a climatic chamber in order to impose the temperature and relative humidity, homogeneous between the probe and the material to be analyzed.
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. FIGS. 9A and 9B show two variants of the arrangement making it possible to use the same waveguide 150 and therefore the same probe to generate the two fundamental modes of 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. FIG. 9A shows a first concentric mounting of the transducers 260 and 270, disposed on impedance adapter blades 210 and 220, themselves bonded to the waveguide 150. A backing 350 is disposed on the rear face of the transducers 260 and 270 to improve the temporal resolution of the pulse. The impedance measurements according to each mode will be carried out successively so as not to interfere with each other. Given the high propagation speeds compared to a manual movement by a user, both acquisitions can be considered simultaneous. The transducer 260 will preferably be a longitudinal wave transducer and the horizontal transverse wave transducer 270.
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 transversalFigure 9B illustrates a serial assembly of the transducers for each fundamental mode. The backing 350 is fixed to the back of a first transducer 280 resting on an impedance matching blade 230 which rests on a second transducer 290 and on a second impedance matching blade 240 and finally on the guide of The two impedances of the transducers being equivalent, the impedance matching blade 230 can be neglected. For a shear mode transducer 290, the adapter layer 240 will be optimal for transmitting a transverse wave in the waveguide 150. The transducer 280 will be in extension mode to emit a longitudinal wave in the guide of the waveguide. wave through the transducer 290 and the adapter layer 240. In the case of the longitudinal wave, the transfer will not be optimal, but the assembly allows to have a probe to emit the two fundamental modes in the sample 100. The impedance matching blade 240 is provided for the transducer 290 and a transverse mode
Figure imgf000047_0001
Figure imgf000047_0001
Ύ240 / ^280 ^150Ύ 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 , but whose longitudinal mode impedance will be similar to that desired ¾ LL because the transducers 280 and 290 have identical properties and if the ratio of longitudinal to transverse impedances of the adapter layer 240 is equivalent to that
7240 7150  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 d240 = 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. of the wave-guide · The size of the thickness of the adapter plate is adjusted to match a thickness of a quarter of the wavelength of the transverse mode 240 = λγ /. In solids, the propagation velocity of the longitudinal mode is greater and at least one times the propagation velocity of the transverse mode, which implies a smaller wavelength. By using a higher excitation frequency for the longitudinal wave emitting transducer 280, a frequency can be chosen such that λ 80 = λ 90 and thus the impedance matching blade 240 will allow correct transmission of both transverse waves as longitudinal waves of the transducer 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). Figure 10 shows a block diagram of the acquisition chain. This device is implemented for each transducer, each propagating one of the two basic modes. A signal generator 500 sends an electrical pulse into a transducer 540. This signal is also present at the input of a limiter 510 whose role is to limit the maximum voltage in order to protect the amplification electronics which carries out a measurement under high impedance. The clipper 510 passes it to an amplifier 520 providing a signal in the time domain, the extraction of the useful parameters being obtained by means of a measuring circuit 530 (for example an 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). Figure 11 is an alternative configuration of the measurement chain. In this configuration, a switch 515 is used to firstly connect the transducer 540 to the pulse generator 500 and in a second step to the amplification circuit 520. In this way, the high amplitude excitation signal does not disturb the electronics amplifier and the low amplitude reception signal. As before, a measurement circuit makes it possible to extract the parameters that are useful for evaluating the characteristic impedance (for example an 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. The method thus makes it possible to measure with a good resolution, in a short time, the characteristic impedances of any material, by simple contact on its flat surface and without degrading it.
B. SONDES A ONDES GUIDEES DISPERSIVES B. DISPERSIVE GUIDED WAVE PROBES
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.  The waveguide method is a fairly simple and intuitive approach to measurement of longitudinal and transverse impedance. But, it is limited to locally homogeneous and isotropic surfaces with a sufficient measurement volume.
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. However, there are in practice many situations where the impedance to be characterized is poorly suited to the use of plane waves and can also be very low compared to the impedance of the waveguide. This is already the case with the human skin of Figure 8 which represents only 4.7% of the transverse impedance of Plexiglas. As can be seen, the acoustic load drops the signal around 140 mVcc, with an uncertainty of 2 mV. The measurement impedance is thus between 0.06 MRayl and 0.07 MRayl. The effect of the couplant is difficult to evaluate. With a plexiglass guide of 12 mm diameter, the same process applied to the pulp of the index on a panel of 10 people provides an average longitudinal impedance of 767 kRayl with a dispersion of between 480 and 1100 kRayl and a mean transverse impedance of 100 kRayl with a dispersion of between 52 and 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. The waveguide waveguides may be used for the impedance measurement in particular so as to reduce the impedance of the waveguide to bring it closer to that of the medium to be analyzed. The guides may be made of metals or plastics, for example aluminum, titanium, Plexiglass (Poly Methyl Methacrylate) or Polycarbonate. By introducing a dispersive effect, the probe has a reduced impedance, smaller than its characteristic value by a factor of 4 to 10. The impedance of the guide is then determined by the phase velocity of the wave in the vicinity of the 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. To understand the phenomena involved, we can model the decay of the phase velocity of a bending wave in a conical tip. Figure 12- (a) shows the truncated and polished machining of the tip 10 near its end 11 while Figure 12- (b) gives the field radiated by the far field tip. In far field, the vibration at the end of the cone is a dipolar source. The conical profile and the polishing of the end reduce the mechanical impedance of radiation by a factor of 4 to 10 and bring it closer to the longitudinal impedance of the finger pulp, which allows the transfer of most of the the energy in the medium and therefore subsequently to have a better signal-to-noise ratio for the fine analysis of the impedance variations of the medium. Figure 12- (c) schematically shows a tip in sectional view with a damping material filling a side tank 13. Figure 12- (d) schematically shows two methods of electrical connection for generating waveforms. bending, one operating a uniform polarization PZT disk 21 and series connection of the two piezoelectric capacitors formed by the two upper electrodes in half-disk and the common lower electrode, the other operating an alternating polarization 20 per half-disk and an electrical excitation E in parallel of the two associated piezoelectric capacitors.
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: Near the base of the cone, the velocity of the wave is close to the velocity VT, transverse waves. Then, during its propagation, the speed decreases in first approximation like the speed of the first AoS asymmetric Lamb mode in an isotropic thin plate. The dispersion equation of this mode is used to describe the phase velocity of a dispersive wave A in a conical tip: if we call k the wave number, the working frequency, the radius of the section, VT the velocity of the transverse waves, VL the velocity of the longitudinal waves, and σ the Poisson's ratio, and if kh "l, it comes:
Figure imgf000049_0001
Figure imgf000049_0001
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, Vp = 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). Example: Let's take a conical tip of half-angle at the top 2.4 ° and whose end is polished so as to further reduce its thickness to 0, 1 mm, then with f = 600 kHz, VT = 3100 m / s, VL = 6420 m / s, σ = 0.345, we obtain, V p = 5355 m / s, Vd = 763 m / s and λ = 1.27 mm. This example and in particular formula (6) is illustrated in FIG. 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. Having specified the law of variation of the phase velocity near the end of a conical point, we must now specify its behavior as an acoustic antenna.
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 : 1. Field radiated by a conical waveguide Let u be a solution of the sinusoidal propagation equation in the medium in which the tip is immersed:
Au + k2u = 0 (8) où k est fixé et désigne le vecteur d'onde : k = co/Va.(Va = 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 : At + k 2 u = 0 (8) where k is fixed and denotes the wave vector: k = co / V a (V a = air velocity if the medium is for example a fluid and in the occurrence of air) Let G be the Green solution function of the propagation equation in the case of a point source localized in:
AG(r0 - r' ) + k2G(r0 - r' ) = -δ (r0 - r' ) (9) 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 : In a problem with spherical symmetry, and in the case where the source point is coincident with the origin of the coordinates, the solution of the system of equations (8) and (9) is:
1 cikr 1 c ikr
(r) = J_fl_ (10) ( r) = J_fl (10)
4π r  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 r0 = (x0, y0 ) est obtenu par sommation d'ondes sphériques G (r0 - r') centrées en r' = (x', 0) : u(x0 , y0 ) = ' u(x,0) ^l^ dx (H) a mathematical treatment of the system of equation (8) and (9) leads to the Kirchhoff-Sommerfeld formulation of the Huyghens-Fresnel principle stating that the diffracted field at r 0 = (x 0 , y 0 ) is obtained by summation of Spherical waves G (r 0 - r ') centered in 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) . x = '0 or r For simplicity, the mechanical displacement at the base of the cone is chosen unitary u (/, 0) = 1. The progressive nature of the wave is taken into account and therefore the sources are not synchronous by introducing a phase shift e Vj associated with the source of 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, uref la vibration à la position l^, 5 un facteur décrivant la progression du gain près de l'extrémité ; / est la longueur du cône. We also take into account the reduction of the section of the cone and therefore of the increase of the amplitude of the mechanical vibration by conservation of the momentum by writing that the vibration undergoes a mechanical gain g (x, 0): Where u (x, 0) is the vibration at the end of the cone, u ref the vibration at position l ^, a factor describing the progression of gain near the end; / is the length of the cone.
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: If in addition, we transform the three-dimensional problem into a two-dimensional problem (for example by taking a slice of the middle, the points being placed on the edge of the slice). Equations (8) to (11) then lead to the following diffraction integral:
avec r = J(x - x0 ) 2 +with r = J (x - x 0 ) 2 +
Figure imgf000051_0001
Figure imgf000051_0001
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 :
Figure imgf000051_0002
In pulsed excitation, the integral (12) must be further transformed. It is first written that the time signal u (t) has a frequency spectrum U (ω) = Ε (ω) Ηβ (ω) given by its Fourier transform. Ε [ω) is the Fourier transform of the electrical excitation and He (co), the Fourier transform of the electroacoustic impulse response of the piezoelectric element (assumed wider band than Ε [ω)). Conversely, when we know U (a>) we can go back to the temporal response of the signal. We then have:
Figure imgf000051_0002
En tenant compte de la diffraction, nous obtenons la forme générale spatio-temporelle du champ rayonné :
Figure imgf000051_0003
Taking into account the diffraction, we obtain the general spatio-temporal shape of the radiated field:
Figure imgf000051_0003
où Re désigne la partie réelle de l'intégrale double. where Re designates the real part of the double integral.
En mode rafale, le spectre U(co) est très sélectif autour de la fréquence d'excitation. OnIn burst mode, the spectrum U (co) is very selective around the excitation frequency. We
'approxime par une distribution de Dirac centrée à la fréquence d'excitation ω ,
Figure imgf000052_0001
'approximates by a Dirac distribution centered at the excitation frequency ω,
Figure imgf000052_0001
Prise en compte de l'onde réfléchie à l'extrémité du cône émetteur Taking into account the wave reflected at the end of the emitting cone
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. An important phenomenon in the impedance measurement method is taking into account the reflection of the incident wave at the end of the guide. When the tip is free and bathes in the ambient air the mechanism is simple because the reflection takes place without phase change and is worth practically +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 : The field refracted in the medium taking into account the wave reflected in the cone and the phase velocity v in the duralumin emitter cone is:
Figure imgf000052_0002
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.
Figure imgf000052_0002
The phase velocity of the formula (16) is modified with respect to the formula (6) to take account of the fact that the cone is truncated and that the phase velocity is not zero when one is at the end of the cone (x = 0). Moreover, a cone can be locally flattened at its end by polishing. Its opening angle is then locally modified in the polishing zone. This treatment is only interesting for radiating energy in gaseous media characterized by a low speed of wave propagation. It is then necessary to polish the point so that the phase velocity approaches that of the gas.
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. When one is interested in the dermis 64 or the water 66, it may happen that the phase velocity in the tip is lower than that of the refracted waves. The bending wave A can then no longer radiate in the medium and it is necessary to drive the tip until its phase velocity again exceeds that of the medium.
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. Figure 13 illustrates a modeling of the dispersive propagation of a bending wave in a duralumin cone at 600 kHz. The modeling assumes the emission of a reflection wave packet at the end 11 of the cone and interference between the incident wave packet and the reflected wave packet.
Plus particulièrement, cette figure illustre : Fig 13(a) : vitesse de phase expérimentale déduite des distances entre maxima = demi- longueur d'onde ; More particularly, this figure illustrates: Fig 13 (a): experimental phase velocity deduced from the distances between maxima = half-wavelength;
- 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 (b): theoretical phase speed of Lamb A0 mode in a Duralumin plate whose section decreases linearly at the same angle Θ as the cone. FIG. 13 (c): exemplary embodiment of a broadband flexural wave transducer incorporating a conical waveguide 10 and constructed from a PZT disk with alternating polarization 20. The impulse response of the disk is damped via an annular reservoir 13 filled with saturated tungsten powder saturated polymer 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 (d): Time signals of the vibration velocities Vibl and Vib2 measured perpendicular to the flat end of the tip 11 and 4.5 mm upstream of the end, for a 20 Vcc electrical pulse consisting of a burst of 5 square periods at 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 (e): Peak-to-peak amplitudes of the vibration velocities by scanning using a laser vibrometer along the tip, perpendicular to the flat end under the same conditions as above.
- 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).  - Fig 13 (f): Modeling of the radiation in the air, very close to the generator (at 0, 1 mm), without reflected wave (dashed line) and with reflected wave (solid line).
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. As shown in graph (b) of FIG. 13, the phase velocity in the tip is 1500 m / s for a section diameter of 0.4 mm which is reached at 4.8 mm distance from the end of a perfect conical tip (angle at the top 4.8 °). It is therefore necessary to push a point of several millimeters in the water to totally cancel the echo inside the tip.
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
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Taking into account the reflected wave is illustrated on the graph (f) of Figure 13. On the same graph, the absence of reflected wave gives the dashed curve. In addition, in the presence of reflected waves, there appears an interference phenomenon well made by the experimental measurement (graph (e) of Figure 13). According to formula (17), the distance between the minima is given by the condition: It corresponds to a local half-wavelength in the
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cône. cone.
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. Figure 14 illustrates a calculation of the refraction angle of the longitudinal waves in the sample as a function of the phase velocity in the tip. The medium is here directly the air 67 that is to say the weakest impedance. The angle of refraction is then closest to the perpendicular to the generator Ng of the cone, it is 14 ° with respect to the generatrix of the cone for a duralumin cone of half-angle at the top 2.4 ° having a speed of dispersion theoretical according to graph (b) of Figure 13 which gives a phase velocity close to 800 m / s at its end 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. In conclusion, the angle of refraction is all the greater (ie directed towards the axis of the point) that the impedance of the medium will be higher or that the section of the point is smaller (see Fig. 14 -(at)). Thus, for water, the emission angle can reach 90 ° when the phase velocity is less than or equal to the speed of wave propagation in water, while it is about 14 °, when a duralumin point has an angle at the top of 4.8 °, that the excitation frequency is 600 kHz, that its diameter at its truncated end is 0.4 mm and that it is immersed in the air. This is shown in Figure 14- (b): the progressive wave in the cone loses its energy due to radiation.
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. FIG. 15 illustrates a flexural wave bipod 89, integrated in a sintered plastic support structure providing, on the one hand, an acoustic insulation between the guides, on the other hand, making it possible to manually enter the assembly without disturbing the propagation. in the guides, finally to simply manipulate the assembly in the manner of a large pen that is brought into contact with the sample, here water 66. The metal waveguides are fixed (43, 44 ) on the very damping carrier structure for bending waves. The structure is made by rapid prototyping sintered polymer type PolyAmide PA12. The conical tips have a T-shaped geometry (10, 12) and are held around their periphery by force insertion into the support structure providing a double hold on the periphery of the tip at the level of the base of the cone and typically at 20 mm. upstream of the end 11, so as not to dampen the vibration by holding the tips too close to their end. The acoustic path in the carrier structure requires a transit time greater than that of passing through the conical guides and the sample. The distance e between the ends of the tips is adjusted according to the material to be probed. It is typically 5 mm for a pentapode in mixed use (ultrasound or velocimeter) and for an elastic material having a transverse velocity of between 500 m / s and 3000 m / s, but much less, about 0.5 mm for materials. thin or diffusing viscoelastic, small localized variations of impedance to be detected. The distance can be increased to 10 mm, if one tries to analyze relatively elastic materials, homogeneous on the surface, but having variations of impedance in depth or also if one wishes to have a good resolution in velocimeter mode . The phase velocity of the bending waves near their end is close to 800 m / s for aluminum, which allows a very good insertion of the waves into the dermis and into the silicones and a radiation towards the front of a longitudinal beam, close 90 ° (ie almost parallel to the main axis of the tip). The spacing and inclination of the tips is therefore optimal for a certain sample thickness as shown in Figures 15 (a) and (c). The tips open out from the supporting structure, projecting only a very small amount, approximately 0.5 mm, so that the supporting structure also serves as support and avoids damaging or injuring the probed medium, particularly if is the dermis. The probe can then be dragged or moved point by point (pixel by pixel) on the surface of the test material. In this configuration, the latter must be dry and clean so as not to pollute the tips, in particular fill the gaps between the tips and the carrier structure which would lead to measurement errors. The images thus constituted are C-Scans, that is to say that it is possible to look deeper and deeper in the study material according to whether one looks at the head or more inside the wave packet. The tips have a typical length of 85 mm, for a base diameter of 6.6 mm (half-angle at the top of 2.4 °) which corresponds to a working frequency of 600 kHz. The images can be amplitude or phase images (in particular, a cartography is taken by taking a particular zero crossing of the wave packet and we look at how the zero crossing changes according to the medium sampled during a displacement. lateral bipod). There is therefore interest in bringing the points closer to each other when doing a phase mapping.
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). One measurement technique is to use a second tip disposed next to the first at the distance e as illustrated in Figure 15 (c). The sample is characterized by its thickness x and the wave refracted by the tip is reflected on the back side of the sample. The thicker the sample, the longer the tips need to be spaced to find the maximum refracted signal as shown in Fig. 15 (a). FIG. 15- (b) shows the phase velocity in the vicinity of the end of an unpolished, duralumin conical tip for an apex angle of 4.8 ° and a truncated end 14 when the diameter is 0, 4 mm. When performing amplitude mapping, it may be advantageous to use a tripod or probe with three conical points, comprising a transmitting tip in the center and two receiving points aligned with the transmitting tip, at equal distances from it and all oriented so that their axes of vibration are collinear. This configuration is called longitudinal or Rayleigh because the emitting tip pushes the material towards the receiving points. If the medium is not homogeneous, variations in homogeneity can be measured via the two receiving tips which normally provide opposite signals in phase. It is then sufficient to add these signals to obtain a minimum reception signal whose amplitude will vary substantially with the local variations of impedance of the medium. echo inside the emitter tip provides information on the average load impedance, while differential measurement provides information on longitudinal impedance fluctuations in the material (because the wave must propagate parallel to the surface of the proof material ).
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. To measure a shear rate, simply turn the tips 90 °. Horizontal transverse vibrations are then detected (Fig. 16 (e)). These speeds are particularly low in diffusing viscoelastic materials such as organic tissues and transit times between two points spaced 1 mm apart can reach 0.3 milliseconds. The tips are therefore as close together as possible, for example at 0.5 mm from each other, and the working frequency is lowered to the minimum of the transducer bandwidth, a compromise can be found between 20 kHz and 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. Different configurations of spike transducers are therefore possible depending on whether it is desired to measure a longitudinal or shear impedance or to carry out a surface or in-depth shear impedance mapping.
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. FIG. 16 shows probe variants for impedance measurement depending on the desired application: a) Penetration into a soft, molten sample 63 of the tip having a very fine end 16 until the reduction of Ar echo of 75% and possibly for the plates, refraction and adjustment of the position of the truncated receiving tip 14 until detection of the maximum signal. Then, deduction of the angle of maximum refraction and / or depth of penetration into the middle of the longitudinal impedance of the medium.
Rayonnement dans le milieu par enfoncement d'une pointe émettrice 16, jusqu'à annulation ou atténuation du coefficient de réflexion Ar à l'intérieur de la pointe émettrice à une valeur de consigne, par exemple Ar = 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. Radiation in the medium by depressing a transmitting tip 16, until cancellation or attenuation of the reflection coefficient A r inside the emitting tip to a set value, for example A r = 25%. The tips are provided with PZT disk transistors 20 alternating polarization per half-disk, denoted (P, -P), glued on the base. The faces of a PZT disk are covered with a weldable paste. The base of the cone of typical height 80 mm and angle at the top 4.8 ° is surrounded by a tank 13 machined in the cone, with thin walls, typically 0.2 to 0.5 mm, filled with a damper 30, for example sintered metal powder. In the case where it would be necessary to work at high temperature, the powder is for example a refractory metal, for example tungsten, and the cone Inconel. For uses at ambient temperature and in contact with food or the dermis, the cone is made of aluminum alloy or stainless steel or platinum and the powder is aggregated by a saturated polymer binder to a density of at least 5. The filling height of the reservoir 13 is typically 2 mm. PZT ceramics are typically PZ29 or PZ27 (references from the company Ferroperm located in Denmark). At high operating temperature PZ46 will be chosen for operation up to 550 ° C. The reservoir can also be traversed on its inner wall by a winding consisting of a conduit in which circulates a coolant 70 for example water having the effect of maintaining the ceramic PZT at a temperature below its Curie temperature. The end 16 of an Inconel tip can then be brought to a temperature of around 1000 ° C in contact with a cast iron plate during cooling, while the base of the cones is maintained at a temperature below 550 ° C. The receiving tip is remote from the transmitting tip, until reaching a spacing e (max) corresponding to a signal of maximum amplitude, refracted and reflected on the rear face of the semi-solid multiphase medium. The amplitude curve of the signal received as a function of the inter-peak spacing corresponds to a certain associated velocity profile and therefore of crystalline phase in the thickness of the material. After complete cooling and posterior crystallographic analysis of the material in its thickness, abacuses are obtained making it possible to connect, for a given mixture, a phase or impedance profile to an inter-peak spacing-amplitude curve. Process based on the modification of the reflection conditions at the end 14 of a probe 88 with a truncated conical point, not immersed but in contact and loaded by the longitudinal impedance of the hard sample 60 and thus on the displacement of the nodes of interference as a function of load impedance Z2. It can implement a laser vibrometer generator scan to measure the position of the nodes or a measurement of the displacement of the zero crossing of an echo inside the transmitting tip.
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 Z2, 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. At ambient temperature, the impedance of the sample can be determined from a given radiation impedance corresponding to a truncated tip 14 and the position of the interference nodes in the vicinity of the end. When the tip is free, the end vibrates according to a belly of vibration, whereas when the point is blocked, charged by a much higher impedance, there is a node of vibrations. Between these two extremes, the tip can be charged first by a reference impedance Zref and produce a first vibration node at a distance from the end. When the reference impedance is replaced by an unknown impedance Z 2 , the node moves. This displacement can be physically observed using a laser vibrometer performing a scan of the generator of the cone. It can also be deduced from the phase shift of the electrical signal of the peak echo. A correspondence is then established between the impedance of the medium and an offset table of one or more minima or phase shift of one or more reference points of the echo electrical signal, for example of a shift to a zero crossing. c) Probe 87 with a thin end 15 to obtain a mapping based on echo analysis with constant support force (F) on a 3D hard surface 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. When a sample has a very rugged curved profile, it can be associated with a lower radiation impedance that the surface is more convex (pointed). The use of a very tapered point 15 with low radiation impedance makes it possible to transfer the energy in the object more or less according to the local radius of curvature of the object (concave or convex). An amplitude mapping of the first echo carried out with constant force F provides a surface radiation impedance image of the material. In such a case, the impedance variations are low, control of the support force is critical. d) Longitudinal velocity measurement method VL2 or Rayleigh (VR) in a viscolelastic medium 61 and mapping based on longitudinal or Rayleigh radiation disturbance.
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. The previous assembly 87 can be used for deep analysis with a bipod. If the vibration axis of the emitting tip 10 is collinear with the sensitivity axis of the receiving tip (Fig. 16-d), the device uses Rayleigh or longitudinal waves in the tip plane, and now the two points at a constant distance, for example 1 mm, and a constant support force F, for example 1 Newton, a scan of the surface is carried out with a spatial sampling period of less than or equal to half a length in the middle, typically 1 to 2 mm. Impedance variations of the medium at different depths can then be visualized by C-Scan (visualization of a map showing the amplitude of the signal at different time slots in the wave packet). The tips are oriented so that the vibration axes according to their bending mode are collinear. e) Method of measuring transverse velocity of a sample 62 able to propagate them, from the generation and detection of horizontal transverse waves.
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. The previous assembly can be reproduced with one difference, the tips are rotated 90 ° with respect to their main axis, so that the direction of vibration / maximum sensitivity is perpendicular to the segment which connects the ends 14. The assembly is then fit to generate and detect horizontal transverse waves if the medium 62 allows it. The coupling between the tips gives access to a horizontal transverse propagation velocity in the medium. The spacing between the tips is constant as well as the support forces F. Such an assembly is also interesting for detecting contiguous cracks. This configuration can furthermore be used to characterize diffusing viscoelastic media such as living organic tissues. The measurement consists of contiguous points and move them in small steps, typically 10 μπι. We then measure the phase shift and damping constant of the shear wave that can be compared to the decay curve of a shear wave in an elastic solid. When starting from contiguous points, the speed of the shear waves can be calculated by phase shift measurement over a very short distance of the order of 100 μπι. In such a case, the approximation or calibrated distance points can be achieved simply by a clamping screw through the carrier structure shown in Figure 15 making a quarter turn.
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. Fig. 17 illustrates a pentapode in ultrasound mode according to one embodiment. Depending on the medium, the distance between the central tip and the peripheral tips varies from 0.5 mm to 5 mm. This configuration is particularly interesting in practice because, the excitation of the emitting points (Ex-, Ex +, Ey-, Ey +) are excited so as to cancel the signal at the center for the longitudinal 1 and transverse 2 configurations, or to double the signal in the center for the longitudinal 3 and transversal configurations 4. A pentapode can be closed and sealed by a thick silicone membrane of thickness 0.5 mm to 1 mm with total transfer of the waves from the tips to the membrane and then the membrane to the sample (not shown). The emitting tips immersed in the silicone membrane refract in the medium at a very penetrating angle. In this configuration, the pentapod is not likely to be contaminated and can be brought into contact with the skin, covered with a gel that provides sliding and a good acoustic coupling of the probe. The four transmitting probes all operate a piezoelectric disc with four quadrants 22; they can switch electronically from a shear configuration to a configuration longitudinal. A mixed configuration (a) can also be envisaged combining longitudinal 3 and shear 4 emissions simultaneously.
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. Figure 17 shows the configuration of a 5-point device combining a central tip operating in reception mode R and whose directivity is programmable by means of the four-quadrant PZT 22 disk equipping its base. Two other pairs of points are aligned with the central point and are arranged in quadrature so as to occupy the vertices of a square. These tips operate as transmitters and are also equipped with four quadrant PZT 22 discs able to vibrate the tips in an electronically programmable main direction. There are three particular configurations. In the configuration (e), the vibrations of the emitting points are tangent to the circle passing through the vertices of the square and all oriented in the direct (or indirect) direction. The signals (Ex-, Ex +) are 90 ° out of phase with the signals (Ey-, Ey +). This configuration is optimized for transmitting / receiving shear waves. The central tip exploits its four electrodes to form two signals RI and R2 corresponding to squares of sensitivity in quadrature. In the configuration (b), the vibrations of the transmitting tips are perpendicular to the circle and antisymmetric with respect to the center of the circle. The longitudinal or Rayleigh signals are emitted in the direction of the center and cancel in the center if they are emitted in opposition of phase 3. Otherwise they are added if they are in phase 1. The pairs are also excited in quadrature (one pair compared to the other). The central receiver remains in the same configuration with its signals RI and R2 that we sum. The configuration (a) is called mixed. Two emitters of one pair vibrate in directions tangent to the circle symmetrically 4 with respect to the central point and generate a shear wave, while the other two emitters of another pair vibrate in a direction perpendicular to the circle, so that antisymmetric 3 with respect to the central point. This configuration approaches in his mind the low frequency (50 to 200 Hz) bending wave impulse elastography propagating in a viscoelastic tissue, revealed by high frequency longitudinal wave waves (3 to 5 MHz) illuminating the medium in which propagates the shear wave. Nevertheless, in the case of the present invention, the two peaks responsible for the generation of the shear wave operate at an ultrasonic frequency between 20 kHz and 600 kHz. The configuration (a) thus makes it possible to access longitudinal and transverse speeds and impedances as well as to illuminate the sample in different ways. This process can be followed in time, whereas the tips are preheated, for example at a temperature of 50 ° C and that they are brought into contact with the medium. The diffusion of heat in the medium then changes the elasticity of the medium in a manner that differs according to the fundamental wave considered.
C. SONDE VÉLOCIMÉTRIQUE LOCALE. 1. Temps de transit différentiel C. LOCAL VELOCIMETRIC PROBE. 1. Differential transit time
Un bipode 89 peut fonctionner également en sonde vélocimétrique locale comme indiqué sur la figure 18. A bipod 89 may also operate as a local velocimetric probe as shown in FIG.
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. This FIG. 18 illustrates an application of the bipod impedance meter in an alternating measurement velocity probe 89: the two waveguides 10 function alternately as transmitters then as receivers. The transit time to raise the blood flow is greater than the transit time to lower the blood flow. The differential transit time is proportional to the speed of the blood. Contact measurement requires a very precise time measurement, with a resolution less than one-tenth of a nanosecond. The use of high frequency point probes (2 to 3 MHz) consisting of conical tips with a base diameter of 2 mm and a height of 25 mm in combination with time-digital components (or TDC: Time to Digital Converter) is here advantageous for performing local controls, especially on the venous network. In addition, the measurement rate must be high around 1000 measurements per second in order to be able to average the measurements and also to avoid that the dimensions change between an upstream measurement and a downstream measurement. It may be advantageous to operate a tripod, the three probes being aligned with the vein and the emitter probe disposed in the center. The vibration axes are collinear and aligned with the direction of the vein. The upstream-downstream differential measurement is thus simultaneous, which makes it possible to avoid errors related to dimensional variations generated by local variations in pressure and swelling of the vein.
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. Both transducers implement the principle of differential transit time measurement. They function alternately as transmitters and receivers. A longitudinal acoustic wave refracts in the dermis, enters a vein and descends or rises blood flow. It undergoes a positive or negative phase shift depending on the path taken, the amplitude of which will depend on the path traveled and the speed of the blood.
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). Application: Let Vf be the speed of blood flow and Ve = the speed of propagation of ultrasonic waves in the blood (which is taken as equal to that of water).
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. Spacing of the tips and length of the path traveled in the vein: e = 5 mm Upstream transit time: It consists of the transit time in the dermis to reach the Tderme vein, cumulated transit time in the vein T ™ P in the upstream direction, cumulated transit time in the dermis Tderme to go back to the receiving tip.
Temps de transit aval :
Figure imgf000062_0002
Il est constitué du temps de transit dans le derme Tderme et dans la veine Tvdown dans le sens aval.
Downstream transit time:
Figure imgf000062_0002
It consists of the transit time in the dermis Tderme and in the vein T v down in the downstream direction.
Le temps de transit amont dans la veine intervient dans la relation : e = (V-Vf)TvuP The upstream transit time in the vein intervenes in the relation: e = (V-Vf) Tvu P
Le temps de transit aval dans la veine intervient dans la relation : e = (V+Vf)Tvdown. En combinant les deux temps on obtient : The downstream transit time in the vein occurs in the relation: e = (V + Vf) T v down. By combining the two times we obtain:
Figure imgf000062_0003
Figure imgf000062_0003
ΔΤ = T., ΔΤ = T.,
(Ve - Vf ) (Ve + Vf ) vf At (17) (V e - V f ) (V e + V f ) v f At (17)
2e  2nd
Application numérique : Ve = 1500 m/s; e = 5 mm, Δΐ = 0, 1 ns ; Vf = 2 cm/s Digital application: 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 : By way of comparison, the average speed of blood in the arteries is:
Aorte : 40 cm/s  Aorta: 40 cm / s
Artères : 10 - 40 cm/s Arteries: 10 - 40 cm / s
Artérioles : 0, 1 - 10 cm/s  Arterioles: 0, 1 - 10 cm / s
Capillaires : < 0, 1 cm/s  Capillary: <0, 1 cm / s
Veinules : < 0,3 cm/s  Veinules: <0.3 cm / s
Veines : 0,3 - 5 cm/s  Veins: 0.3 - 5 cm / s
Veine cave : 5 - 20 cm/s Cellar vein: 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. As can be seen, the differential transit time velocimetry does not allow to reach a resolution sufficient to detect the blood flow in the venules. In addition, dimensional changes due to deformation of the skin may taint the measurement of errors, especially when performed upstream-downstream alternation and the measurement rate is too low compared to dimensional variations (a variation dimension of 1 mm per second results in a transit time variation of about 0.6 ns between a shot upstream and downstream fire (for a rate of 1000 shots / sec). It is then advantageous to use a tripod, ie three probes aligned with the vein, the emitting probe being at the center and equidistant from the receiving probes. The vibration axes are collinear and aligned with the direction of the vein. The upstream measurement is thus carried out simultaneously from the downstream measurement, which makes it possible to avoid errors related to dimensional variations related to local variations in pressure. Moreover, with a probe permanently operating in transmitter mode and two probes continuously operating in receiver mode, there is no longer any switching noise related to the control electronics. Finally, if the medium is diffusing, which is the case of red blood cells contained in the blood, the time signal can account for a velocity profile according to the zero crossing considered (speed near the surface for the head of the packet of waves and deeper and deeper for the tail of the wave packet). Figure 18 further provides an exemplary embodiment in a sectional view, the support conical tips. This support is preferably made of metal or plastic firpt. The interest is a partial damping of the waves in the sintered structure no longer requiring the use of a reservoir 13 lateral damping of the resonance of ceramics. This structure is also designed to avoid an acoustic short circuit between the transmitting tip and the receiving tip. Indeed, the acoustic path to go from the base of the emitter cone to the base of the receiving cone requires a much longer transit time through the structure that by the tips and the sample. Such a structure is feasible by 3D rapid prototyping, by stereo lithography of powder, for example PA12 polyamide material ("DuraForm ® PA Plastic," 2013, "Ensinger," 2013) having an average grain size of 58 μπι with a dispersion 25 μπι-92 μπι representing 90% of the particles. The tips are T-shaped and are held laterally in two places, one 43 on an extension z1 situated at the base on a length of 5 to 50 mm and the other 44 about 20 mm before the end on a very short length of the order of a millimeter. They are inserted in force in the supporting structure. In the area of contact with the dermis 64, the supporting structure serves as a counter-support and normalizes the contact between the tips and the dermis. The supporting structure separating the two points has a withdrawal of 1 to 2 mm to avoid contact with the dermis. The tips thus protrude from a short end, about 0.5 mm which is called the support depth PA and are spaced about 5 mm. The base diameter of the tips is 6.6 mm and their height is 85 mm. The flanges 12 at the base have a small thickness, close to 0.5 mm. The collar has an outer diameter of about 10 mm. Its external face does not come flush with the base of the cone, but has a shrinkage of about 1 mm, which allows the ceramic PZT alternating polarization 20 to build a main resonance radially at the frequency of 600 kHz. Once the conical tips are inserted in force, the external faces of the ceramics are connected to the central part of the coaxial connectors 46 and 47 of subvisive or subclic type mounted on a cap 45, while the braid of the coaxial cables is connected via these connectors to the flanges 12 and constitutes the electric mass. The inner face of the cap and the carrier structure may optionally be metallized to form an electrical shield.
Vélocimètre à pointe à effet Doppler puisé Velocimeter with pulsed Doppler effect tip
Les sondes à guide d'ondes conique 10 peuvent également être utilisées en vélocimétrie Doppler continue ou puisée. The conical waveguide probes 10 may also be used in continuous or pulsed Doppler velocimetry.
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. Figure 19 illustrates the use of a spike transducer in pulsed Doppler velocimetry. The end 14 of the conical Duralumin tip is truncated at 0.4 mm in diameter and lightly pressed against the dermis 65 so that the dermis surrounds the tip to a depth of at least 1 millimeter. The dispersive wave refracts the fields 6 and 7 in the dermis with a maximum amplitude according to the angles α1 and α2 with respect to the axis of the tip which disperses the Doppler angle between the extremes Θ 1 and Θ2. By choosing a phase velocity equal to that of the longitudinal waves of the medium, the dispersion of the Doppler angle is reduced.
La formule donnant la vitesse Vf du liquide est : The formula giving the speed Vf of the liquid is:
Figure imgf000064_0001
Figure imgf000064_0001
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 a2 des champs acoustiques 6 et 7 sont plus élevés. En principe, les angles ai et a2 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 a2 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. For the same Doppler frequency fd, a slight dispersion of measured velocities between two extremes Vn and \ ¾ appears. The dispersion is greater as the refractive angles i and a 2 of the acoustic fields 6 and 7 are higher. In principle, the angles ai and a 2 should be identical, but the reflection at the epidermis / air interface increases ai (and therefore decreases θι). It is therefore appropriate to choose a tip whose phase velocity Vd at the end is slightly greater and very close to the speed of propagation in the dermis and in general in the diffusing fluid inspected. The angles ai and a 2 are then close and weak, which reduces the dispersion of the Doppler angle. A single tip 10 is used with its peripheral reservoir 13 and a PZT ceramic (PZ27 or PZ29) 20 or 21 with uniform polarization, but the external electrode of which is divided into two half-disks respectively borne at one phase. Burst electric (t) and are logical opposite. The burst burst consists of a burst of 5 slots of amplitude 0 to 100 V. The excitation E (t) with two opposite phases thus generates the bending wave. After transmission of the burst, the transducer is switched to receiver mode R (t). One of the outer electrodes shaped half-disk is then grounded while the other comes into input of a transimpedance amplifier.
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. The remainder is in accordance with a conventional Doppler measurement (flat transducer without dispersive waveguide). In particular, in Doppler Velocimetry, the duration of a burst burst is rather long, especially when it comes to measuring the low speeds, which goes well with the length of the waveguide and its broadband response. . A measurement rate (or PRF = Pulse Repetition Frequency) of 1 kHz is a good compromise between resolution and measurement range. The lateral resolution is very good and comparable to the size of the tip, which is the main advantage of the device with its ability to operate at high interface temperature.
3. Sonde Anémométrique angulaire 3. Angle Angular Probe
La structure porteuse 89 en plastique granulaire de la figure 18, peut être modifiée pour constituer un pentapode à barillet de 5 pointes. The granular plastic carrier structure 89 of FIG. 18 can be modified to form a 5-point barrel pentapode.
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. FIG. 20 illustrates this exemplary use of a directional velocimeter pentapode in a configuration with a central emitting tip E vibrating in precession mode and four receiving points Rx-, Rx +, Ry-, Ry + peripherals sensitive to the modes of bending. The precession tip has a round end 16, the finest possible (diameter close to 0.1 mm refined by polishing) and propagates a combination of two modes of bending at 90 °. The vibration is obtained using a uniformly polarized PZT ceramic 22, divided on its upper face into 4 electrodes each covering 1 quadrant and an electrode forming a solid disc on its underside. The upper electrodes operate in pairs opposite from the center. Each electrode of a pair receives an electrical phase consisting of a burst called Burst (cot) for one electrode and its logical inverse for the other. The other pair is out of phase by π / 2 and comprises an electrode brought to the Burst voltage (cot-7t / 2) where ω is the angular pulse and another electrode brought to its logical inverse. The burst function is a burst a number of slots, 5 in a privileged way. The Burst switch between two voltages 0-100 VDC and are characterized by an extremely stable rise and fall time of the order of a few nanoseconds. The ceramic typically has a diameter of 6.6 mm, a thickness of 0.2 mm, a center frequency of 600 kHz and is made for example PZ27 or PZ29 (Ferroperm, Denmark). The tips are made of a low density metal material (for example aluminum alloy). The central tip has a length of 85 mm, a base diameter of 6.6 mm, a tank ring 13 with thin walls, thickness 0.4 mm, height 5 mm and diameter 20 mm, filled with epoxy resin saturated tungsten powder 13 to a density of at least 5 g / cm3. The ends 11 of the peripheral tips are flattened by polishing, the normal to the polishing plane being directed towards the central tip. This has the effect of increasing the air coupling between the emitter tip and the receiving tips and the directionality of the receiving tips. The receiving tips do not need to be damped like the emitting tip, they are simply inserted into force in the sintered plastic carrier structure 40 which partially damps their resonance and this especially as it is achieved by sintering of plastic powder and that it is heated for example at a temperature of 50 ° C. They have a simple T-shaped geometry. Their ceramic 21, of the PZT type, has an upper electrode divided into two half-disks and a differential amplification of 90 dB is performed between these two half-electrodes, around the central frequency of 600. kHz. The lower electrode is solid and constitutes a virtual mass. Alternatively, with a ceramic 20, the upper electrodes are alternating polarization and then electrically connected, while the lower electrode is the electrical mass. This increases the available electrical charges and therefore the signal-to-noise ratio in the case of a transimpedance amplification. A zero crossing detection using an ultrafast comparator (the switching time 10% -90% is of the order of one nanosecond) is performed on the amplified electrical signal. For the most stable time measurement, we choose the zero crossing corresponding to the maximum amplitude. This configuration makes it possible to reach a measurement rate of 1000 shots per second and a temporal resolution of the order of one nanosecond (in the air) which sets the detection threshold at approximately 1 cm / s per axis in the air at 340 m / s (25 ° C). The maximum speed exceeds several tens of meters / second. The tips comprise a central tip 16 vibrating according to a precession mode and 4 peripheral dipole points 11 for measuring a component of the air velocity vector, in the plane of the ends. The tips are inserted into the U-shaped double wall U-shaped sintered structure 40 and the measurement is similar to that of the "wet finger" in which the finger is raised towards the sky, and feels cold. because of the calories absorbed by the part dried by the wind to determine its 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. Here, the five points open slightly (about 2 mm) of the rounded carrier structure, to facilitate the flow of wind 67 on the generatrix of the carrier structure. Peaks out sufficiently to reach the maximum coupling between them in the air, obtained for an adjacent area of about 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 ». D. VOLUMIC WAVE MIXED PROBES AND DISPERSIVE GUIDED WAVES Figure 21 shows a mixed configuration of the devices detailed in Parts A, "Wave Probes" and B, "Dispersed Guided Wave Probes".
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 More particularly, it illustrates a sectional view of a longitudinal waveguide probe 17 and shear 17 comprising a solid cylindrical guide 18 propagating the longitudinal waves and a concentric tube 17 propagating flexural waves. The figure illustrates the location and resonance mode of the transducers as well as the location of the dampers 31 and 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 In this figure, a cylindrical waveguide 18 in the center is used to convey longitudinal waves of a longitudinal wave transducer 25 damped by a "backing" 31 and having a coaxial connector 48. The longitudinal waves are routed to the material to be analyzed with sufficient delay. Knowing the impedance of the waveguide makes it possible to deduce the longitudinal characteristic impedance of the sample 61. A tube 17 with a tapered section towards the sample makes it possible to guide a dispersive wave. This wave is generated by an annular transducer operating in radial mode and concentric with the rod 18. The tube is secured to the rod via the porous structure 49, but the two guides are considered to be acoustically isolated. Again, the annular transducer can be divided into two half-rings vibrating in phase opposition to change the radiation pattern of the transverse waves in line with the central guide 18. In the same way that the propagation in the tips to the party B, the wave propagating towards the sample 61 has a decrease in its phase velocity Vd. By adjusting the thickness of the hollow conical waveguide in contact with the sample, it is possible to lower its impedance of radiation in the sample at a value close to the transverse characteristic impedance of the latter. This optimizes the reflection coefficient on the sample for the annular transducer. The wave reaches the sample by shearing the material out of the waveguide tube and generates a shear wave in sample 7. As in Part A, the difference analysis echoes received for a reference measurement, for example in air, and when the probe is in contact with the sample, makes it possible to determine the longitudinal and transverse characteristic impedances of the studied material. E. DUAL WALL GUIDED GUIDED WAVE PROBE
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. FIG. 22 is a sectional view of a Joule-effect tapered tip probe 97 integrated into an acoustically and thermally insulating bearing structure with integrated measurement of the bearing force. The double U-shaped wall of the supporting structure simultaneously distributes the heat in the inner wall in contact with the waveguide, the thermal insulation of the cone vis-à-vis the air currents by means of the outer wall separated from the inner wall by a thermal insulator, for example a layer of air. The outer wall also performs the acoustic isolation of the cone vis-à-vis the manipulations, while the inner wall carries the maintenance and also the ultrasonic damping of the pulse bending mode, partially dissipated in the sintered granular structure.
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 : In the absence of heating, the advantage of the double wall lies first of all in the possibility of avoiding thermal disturbances on the measurement of the transit time by thermally isolating the waveguide. In addition, the heating makes it possible to impose a temperature profile by means of a heating device 72 applied to the inner wall, as well as to increase the damping of the acoustic waves. Heating also makes it possible to simultaneously perform an effusiveness measurement, for example according to the transit time method explained in French patent FR0759603 of December 6, 2007, by Nikolovski et al. The double wall U, 41 and 42 can thus provide several features:
- 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. - The heating of the inner wall for example joule effect by means of an electric current flowing in a wire 82 wound around the inner wall.
- 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. the damping of the ultrasounds when the successive echoes pass in the mechanical coupling zone of the waveguide to the sintered inner wall so that in the space of four to five successive echoes in the guide, the wave is damped at least 99% of its initial amplitude, which makes it possible to have a high measurement rate. - The thermal insulation of the inner wall by the outer wall, separated from the inner wall by a thermal insulator 73, for example a layer of 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, - The relative displacement of the inner wall relative to the outer wall under the effect of a contact force of the tip on the sample or a pressure on a part of the structure causing a deformation of the carrier structure in its lower part 50. - intermittently measuring the value of a capacitance of at least one capacitor 81 accounting for the relative position of the inner wall with respect to the outer wall and of which one of the electrodes is integral with the inner wall and the other electrode is integral with the outer wall, the value of the capacitance being for example deduced from a resonance frequency or oscillations of a relaxation oscillator, or of a capacitance measurement technique by a divider bridge from a reference capacitor and the law of variation of the capacitance being connected by a correspondence table, or a mathematical formula such as a polynomial interpolation law, to the force support of the tip on the sample. Three capacitors can be used (but not shown), one to account for the sliding of the two inner and outer walls relative to each other under the effect of a force component located in the axis of the tip, while two other capacitors arranged between the inner and outer walls account for the force components perpendicular to the main axis of the conical guide and in two perpendicular directions having the effect of bending at least one of the walls under the effect of an oblique force,
- 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. - Finally, the double wall provides a safety function for the tip and / or the sample, imposing a limit to the maximum penetration at zero support force of the tip in the sample by a maximum value corresponding to the depth of PA support between 0 and 10 mm, and preferably between 0 and 1 mm. Thus, when the tip is supported on a hard surface, the relative sliding of the inner wall relative to the outer wall allows the tip to fully return to the outer wall. For this, the end of the U-shaped double wall is thin and deformable in the region 50 of the folding, under the action of a bearing force.
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). Furthermore, the inner wall is heated by joule effect obtained by circulating a strong current, of the order of 0.3 to 1 ampere at 3 to 10 V, in a thin wire covered with an insulating varnish, wound around the wall internal 41 on a height corresponding to the contact area between the inner wall and the waveguide. The latter is cylindrical on a typical height of 5 to 10 mm at its base. The winding length produces a total resistance close to 5 to 10 ohms. The inner wall is thermally insulated from the outside air currents by means of the outer wall 42, separated from the previous by an air layer 73 with a thickness of 0.5 to 5 mm. The ohmic winding is housed between the two walls. The spacing is sufficient so that the winding does not touch the outer wall. The outer and inner walls are made of sintered plastic materials and covered with electrodes on at least a part of their surface and are electrically ground on at least another part of their surface. One can also imagine a variant where the inner wall is sintered metal and the outer wall sintered plastic. The inner wall thus provides thermal conduction, while the outer wall provides insulation thermal. The heating circuit is also connected to an annular electrode fixed to a printed circuit 80, said printed circuit being mechanically secured to the base of the outer wall and forming with the upper part of the inner wall a capacitor 81 whose capacitance depends on the bearing force on the tip in the direction of the main axis of the tip. The distance between the top of the inner wall and the ring integral with the outer wall can thus vary as a function of the force exerted on the tip. For this purpose it is ensured that the double wall is deformable by thinning the wall in the zone 50 of folding of the U. Thus the coaxial connector connected to the heating circuit by the wire 82 can also be used to measure a resonant or resonant frequency. oscillations of a relaxation oscillator, determined by the average distance between the ring and the top of the inner wall via the wire 83. The winding of the ohmic heating circuit is also characterized by an inductance L and the whole heating circuit and outer wall is an LC circuit which can be measured resonant frequency that can be correlated to the support force. Furthermore, the outer wall provides acoustic insulation of the cone vis-à-vis the manipulations, while the inner wall ensures the maintenance of the conical tip in two areas, one located near the base, the other 44 located closer to the end. The first zone is used for the ultrasonic damping of the pulsed bending mode, partially dissipated in the sintered granular structure, while the second zone extends over a very limited portion and serves only to guide the tip for mechanical retention. The bottom of the U-shaped double wall bears on the sample. It makes it possible to standardize the depth of support PA and to avoid damaging the sample or the tip. The bottom 50 of the double wall is deformable on its periphery thus allowing the tip to return into its housing under the effect of the bearing force F. The relative displacement of the tip relative to the ring attached to the base of the outer wall is thus measurable from the measurement of a capacitance. This law of variation is easily connected by a correspondence table or a mathematical formula translating the elasticity of the wall in the form of, for example, a polynomial interpolation law, to the support force. It is assumed of course that the driving stroke of the tip is limited, and at most equal to the support depth PA, preferably less than 0.5 mm and in all cases the maximum between 0 and 10 mm. The nominal value of the measuring capacity of the relative position of the two walls is of the order of 1 pF and the resolution of the order of 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). Alternatively, during the production of the double-walled heated probe, the heating can be achieved by winding a copper enamelled wire 150μπι thick around a metal tube section. This part is inserted in force on the cylindrical part of the base of the sheath. If necessary to facilitate insertion, heating is started until the softening or melting of the outer surface of the thermoplastic sheath is achieved. Then, a reference electrode consisting of a conductive half-ring is created on a piece bearing on a shoulder of the outer wall. It is possible to provide three coaxial connection cables, one for the capacitive measurement (C), the other for sending / receiving the ultrasound (U), the last for the resistive heating (R). The relative displacement of the outer wall relative to the inner wall (sheath) is made possible by a limited number of beams for holding the sleeve to the outer wall. There are thus 4 beams near the end of the probe and 4 beams just below the heating cylinder. The 8 beams are angularly spaced 45 °. The metal tip is electric ground. The capacitive measurement is obtained by emitting a sinusoidal or square electric burst centered on 1 MHz (or in the range 0.5-2MHz) on the upper electrode of the PZT disk glued at the base of the cone. This pulse simultaneously generates an ultrasonic wave of flexion in the cone while it is transmitted by capacitive coupling to the reference electrode. This configuration has the advantage of simplifying the measurement process because the same ultrasonic excitation signal is used for capacitive measurement. The reference electrode, fixed with respect to the outer wall, is suspended above the upper electrode of the ceramic PZT. The measurement of force or pressure therefore consists in measuring the capacity of the capacitor constituted by the reference electrode and the upper electrode of the ceramic PZT. When the tip is pressed, the sleeve in which the probe is inserted rises and the inter-electrode distance decreases so that the value of the capacitance increases. The nominal distance between the two electrodes of the capacitor for measuring the force or the pressure at rest is 1 to 2 mm. The force measurement then consists in detecting the peak or effective amplitude of the excitation signal transmitted by capacitive coupling. For this, the capacitive signal comes for example at the input of an operational amplifier with a high input impedance and a very low input capacitance which will constitute, with the shielding of the coaxial cable, a reference capacitor with respect to which the measuring capacitance is measured. . The measurement signal Vcap is amplified and then filtered by a bandpass filter before undergoing peak amplitude detection. Once the peak amplitude measurement is performed with conversion to a digital value using an analog-to-digital converter (ADC), the tank capacitor fed by the peak detector is emptied of its charges by means of a MOS transistor. N-channel controlled by a microcontroller and bypassing the tank capacitor. This assembly can be used to measure the force or pressure of a fluid subject to closing the double wall, in other words to deploy a membrane connecting all the beams or by deploying a bulkhead connecting the sleeve and the outer wall. It should be noted that to increase the deformability of the partition it is advantageous for its diameter to be as large as possible. It is therefore not necessarily wise to close the end of the probe at the beams, but to do it further upstream, where the available section is larger. Then, to measure a pressure, it suffices to insert a probe in a pipe by rigidly fixing its external wall to the pipe whose internal pressure is to be measured and by measuring the relative displacement of the inner wall (sheath) relative to to the outer wall. FIG. 23 illustrates an alternative embodiment of a probe 98 comprising 5 tapered waveguides 10, and in particular a bayonet locking cap 55, elastically deformable, and serving to hold the guides in their housing. The holding structure 55 is made of porous or polymer material loaded for example with alumina and also dampens the echoes to avoid resonances in the waveguides. The hood is thus locked by a system of lugs 53 on the supporting structure. Elastic strips 54 are furthermore created in the deformable cover in order to impose a bearing force perpendicular to the base of the guides. Acoustic paths 56 between the support zone on the base of the guides and the periphery of the cowling are complex, for example S-shaped or zigzag-shaped and maximized in length in order to reduce acoustic cross-talk or short-circuits between the guides ( also called "cross-talk" in English).
F. SONDE A GUIDES D'ONDES SOLIDE DISPERSIF ET JET LIQUIDE F. WAVEGUIDE PROBE SOLID DISPERSIVE AND LIQUID JET
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 mm3. Fig. 24 is a schematic sectional view of an ultrasonic probe 99 for non-destructive testing in a situation where the sample and probe are in relative motion (Mov). The carrier structure comprises two guides 10 and 93 in series, the first guide 10 is solid and consists of a truncated conical dispersive tip guide 14, for lowering the radiation impedance and optimizing the transfer to the second guide 93, liquid, coupled to the first via a connection chamber 92 and opening onto an ejection nozzle of the liquid coupling in the form of a collimated jet 93 directional and high pressure. The liquid jet is protected from drafts by a skirt 95 in the form of a cylindrical multi-strand brush. Referring to FIG. 24, there is shown a dispersive waveguide probe 10, coupled to a liquid guide 93 constituted by a more or less viscous liquid coupling, providing a continuity of the liquid medium between the end 14 of the dispersive waveguide and the surface of the sample (60, 61, 62, 63, 64). It is recalled that a sample may have a hard 3D surface 60, constitute the surface of a viscoel medium as 61, be able to propagate shear waves (62, be very hot and constitute a molten magma 63, constitute the dermis 64 of the skin, the wall of a vein 65, or the surface of a liquid 66. There is therefore provided a conduit 91 for supplying the liquid coupler under constant hydrostatic pressure at the end 14 of the waveguide This duct is, for example, made in the outer wall 42 of the double-walled U-shaped support 40. The duct opens into a chamber 92 into which the end 14 of the conical tip also opens, which is preferably truncated. extends in the chamber over a length of the order of a millimeter.The ultrasonic wave then refracts from the tip to the liquid in two main directions not aligned similarly to the directions 6 and 7 of Figure 19, but closer , from the axis of the tip, with a high insertion rate round-trip given the lowering of the radiation impedance of the tip. The ultrasound-carrying liquid then exits via a nozzle whose inlet is oriented to receive the refracted waves in the liquid at one of the main angles and whose exit is of a straight or curved conical shape and is projected by a jet under pressure. 93 towards the surface of the sample. The liquid supply duct opens into the connection chamber 92 preferably at an angle to receive the other part of the refracted beam in the liquid and intended to be damped as it rises in the duct. brought to the inlet 90. The outer part of the ejection nozzle may have a thread 94 for screwing in an adapter piece of the diameter of the outlet jet. The variant of curved shape of the nozzle is not shown in FIG. 24, but its interest is obvious and this role can be provided by an adapter when it is desired to inspect the underside of pieces of complex shape, for example for crack detection under the mushroom of a railroad rail. The probe therefore comprises at least one broadband transverse wave transducer as previously described, coupled to the dispersive waveguide 10. The function of the dispersive waveguide is therefore to lower the peak radiative impedance and to optimize the ultrasonic transfer in the liquid. The coupling with the liquid is carried out in the connection chamber 92 of the conduit and the tip and occurs over an extent of about 1 mm and a characteristic volume of about 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. The tip is truncated at the point where its phase velocity is just greater than or equal to the velocity of the compressional waves in the coupling liquid, usually water with an antifreeze or an oil. The process thus makes it possible to transfer most of the ultrasonic energy from the dispersive guide 10 to the liquid guide and vice versa during the return path. The liquid guide is a collimated jet. The liquid is fed through a hose connected to the probe for example at the outer wall via a hose connection 90. For a duralumin tip, the diameter of the truncated section is close to 0.4 mm when the angle at the top Θ is 4.8 °. The apex angle may be even smaller or the tip shorter if it is desired to have a working frequency greater than 1 MHz. The tip is itself guided at its base and its end and inserted into force in the connection chamber 92 and ultrasonic transfer. The chamber opens into the open by an outlet nozzle. The outlet nozzle may be a mechanical part in itself fixed on the support or a cast piece or sintered by 3D prototyping and constituting with the double-walled support U 40 a monolithic part. The wall of the duct, when manufactured by sintering, can be previously treated with a solvent, for example acetone to smooth its surface state. The liquid injected under pressure thus serves as a vehicle for the ultrasonic waves transmitted by the conical tip. It conducts the waves to the surface of the sample, over a typical distance of a few millimeters to a few centimeters. The width of the liquid jet is typically 0.5 mm to 2 mm. In Figure 24, the outlet nozzle is directed downward and its main axis and is not quite aligned with that of the conical tip due to the refraction angle in the liquid. On the other hand, it may be useful to probe the sample from below and the outlet nozzle may have a hook shape to project the liquid from the side or from below. These nozzle shapes have applications in the non-destructive testing of railway tracks, while the train is moving, or the inspection of complex parts, for example in aeronautics or wind power. As can be imagined, inspecting a part is less expensive if it can be done at high speed. In the case of a railway line, it is sought that the inspection can be made while the train is traveling at its nominal speed of 300 km / h. But it would be interesting if the inspection could be carried out on regional express trains moving at maximum speeds close to 120 km / h. In this context, the rapid movement of the train and the associated air movement can lead to dislocation of the inspection jet. It would then be useful, on the one hand, to increase the surface energy of the liquid so as to make it more difficult to fragment or nebulize, but the surface energy of the water, about 72 mN / m is already typically three times that of most common liquids, so it is difficult to do better at low cost and without impacting the environment. Nevertheless, one can play on the viscosity of the liquid which can be more easily increased by a factor of 10 to 100 by using oils, so as to have a laminar flow at higher ejection speeds, typically higher at 10 m / s and up to several tens of meters per second. For example, a used frying oil with a typical dynamic viscosity of 35 mPa.s, 35 times more viscous than water. The viscous liquid can itself be heated and thus first fluidized by circulating in a heated conduit. It is then expelled with a smaller diameter and cools very quickly in contact with the air. This treatment has the effect of improving the cohesion of the jet during its journey through the air. To avoid excessive curvature of the jet, the increase in the ejection speed of the liquid must be all the greater as the relative speed of movement of the nozzle relative to the surface of the sample is greater and therefore that the braking forces responsible for the curvature and dislocation of the jet become more important. In this, it is advisable to put the jet away from braking forces over the greater part of its path, to the surface of the sample, by means of a protective skirt 95, made for example in a flexible material of rubber type or made of metal strands forming a screw-shaped annular and cylindrical brush 98 on the outer wall of the probe 99. The protective skirt comprises a large number of strands so that if a number of strands breaks under the effect of friction on the rail, the protection function is always provided by other strands along the entire train path. The damaged skirts can then be easily replaced during a maintenance operation of the probe.
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. This configuration of a liquid coupling probe has the advantage of consuming only a small amount of liquid coupling, of the order of 0.1 to 10 milliliters per second, ie 0.36 to 36 liters per hour and per conical tip, and to have a good sensitivity considering the effective transfer of ultrasound to the solid-liquid interface 92. The couplant is projected at a distance of a few millimeters to a few tens of centimeters from the surface of the sample. By way of example, a pressure of the order of 2 to 3 bar makes it possible to create a water jet with a diameter of 0.8 mm at a speed of approximately 10 m / s with a physical continuity of the jet reaching a few tens centimeters in a quiet room. This speed of expulsion is already in a turbulent regime and it would be better to use oils to stay in lamellar regime. In fact, the turbulence is characterized by the fact that concentric layers of liquid change their position inside the jet, which generates distortions in the acoustic signal. A speed of 10 m / s is sufficient to bend the skin safely to a depth of about one millimeter. Fig. 24 illustrates a probe having only one solid-liquid guide system. Nevertheless, it is obvious that this configuration can be extended to a bipod, tripod or pentapode. In these latter cases, the protective skirt 95 naturally surrounds all the points. It will be noted that the coupling under pressure is expelled by the nozzle in direction of the sample, but it will be understood that the fact that it is under pressure also allows it to completely fill the connection chamber 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. Alternatively, the liquid jet probe may consist of several parts possibly made of different materials. The ejection nozzle with its nozzle is a critical part that can be damaged and must be replaced without changing the entire probe. It is therefore possible to provide the possibility of screwing it into the coupling chamber.
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. In addition, the insertion of the metal tip into the coupling chamber requires force insertion and perfect centering of the tip. This being fragile, an opening in the sheath is provided to see the insertion operation. Furthermore, the fact of screwing the tip into the coupling chamber does not facilitate its fine positioning relative to the end of the tip. The positioning of the exit cannula is correct only for a whole number of turns of the screw.
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. Alternatively, the thread of the tip may be removed to allow the tip to slide along the walls of the coupling chamber. Once the optimal position found corresponding to the maximum transmission of the ultrasonic beam in the outlet cannula, it is frozen by gluing or side locking screw (not shown). The tip must satisfy several constraints: The first relates to the alignment of the main axis of the tip with the wall of the outlet cannula, the second the positioning of a reflective surface covering an angular sector of 180 ° and of which the generator is at an angle to the main axis between 17 ° and 25 °. This angular variation continuously and gradually corrects the angle of refraction that increases towards the end of the tip. This places one of the two ultrasonic beams refracted by the tip in the axis of the cannula. The other beam is reflected on another surface occupying the remaining angular sector and intended either to return the beam to the cannula or to deflect the beam in the direction of the liquid supply duct so that it is gradually damped in the leads. The last constraint is that the tip does not touch the tip. It must get closer to the beak of the first reflective surface without touching the cone.
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. Moreover, in another field of applications concerning the medical diagnosis by pulse elastography and therefore corresponding to a case where the surface is deformable, as is the case of organic tissues, the hydrostatic ejection pressure can be variable and modulated in time in amplitude and / or in phase. The modulation amplitude can reach an intermittent ejection regime with physical discontinuity of the jet and a rate ejection can vary between 1 Hz and 10 kHz. Knowing that the round-trip transit time of the ultrasonic wave propagating in the guide to the sample is of the order of 100 for a throw of a few centimeters, it suffices that the spatial continuity of the jet between the end of the solid guide and the sample lasts for a period of at least 100 for ultrasound measurement to be possible. Nevertheless, the duration of a jet may more advantageously be between 5 ms and 50 ms to allow the ultrasonic waves to penetrate deeply into the sample. This mode of operation generates a rhythmic percussion of the surface of the sample and approaches, in principle, the low frequency pulse elastography with here a major difference is that the low frequency shear wave is not generated by a vibratory pot or a bulky electromagnetic percussion device juxtaposed with the ultrasonic source, but results directly from the modulation of the ejection velocity or the intermittent impact of the liquid jet conveying the ultrasonic wave. And, given the speed of propagation of shear waves in human tissues, of the order of a few meters per second, it is therefore necessary to visualize the displacement of the shear wavefront generated by the impact that the Spatial continuity of the jet is ensured over a period of at least 10 to 100 ms. Moreover, while the jet or jets regularly strike the surface of the sample at a rate of eg 50 Hz (with a duty cycle of 50%), the ultrasonic pulses are generated at a much higher rate of the order from 0.5 to 10 kHz and the central ultrasound frequency is preferably between 300 kHz and 3 MHz. The diameter of the collimated jet 93 is typically 0.5 mm to 2 mm. The jet thus constitutes a quantity of movement displacing the surface of the skin to a depth that depends directly on its ejection speed and its duration of impact. The amplitude of the deformation is typically 1 mm. If water is used as coupling, its viscosity being of the order of 1 mPa.s, a Reynolds number close to 500 is obtained for a nozzle outlet speed of 1 m / s and a diameter of 0.5 mm nozzle. The flow is then laminar. It remains so up to a Reynolds number of 2300, which corresponds to approximately a nozzle exit velocity of 4.6 m / s. In order for the flow to remain laminar at a higher ejection speed, it is sufficient to increase the viscosity of the liquid coupling and the ejection pressure applied to the liquid. This type of probe and this mode of operation thus has the advantage of being able to be easily moved during a medical examination by pulse elastography. In addition, and it is the interest of the present invention, the support structure can be designed so that the jets are collinear or fan in order to be able to play on the lateral bulk of the ultrasonic beam by playing on the distance to the sample. The jet associated with each point can also be associated with a law of modulation of amplitude and of different phase of the neighboring jet. It is then possible, for example, in the case of a five-jet pentapode, or more generally of a multi-jet system, to control the radiation pattern of the shear wave generated in the biological tissue, according to the amplitude and the phase of the pressure applied to each jet. Finally, in the case of a medical check, it is desirable to recover the liquid coupling sprayed on the skin of the patient, even if it is in small quantities. The protective skirt here will not function to avoid a dislocation of the jet, which is not likely to occur here, but to confine the splash caused by the impact of the jet. In addition, since the movement of the probe during an examination is rather slow, of the order of a few millimeters per second, the skirt may be made of a less aggressive material than a wire brush, for example in the same plastic material sintered or injected as that of the guide support or in another smooth material having non-allergenic properties. An additional suction function of the liquid spray can be integrated on the periphery of the probe for example for the sake of cleanliness and comfort of the medical examination. For this, the skirt may consist of a double wall, the suction flow being carried out in the annular space between the two walls of the skirt. Since the suction flow itself is turbulent and generates low-frequency waves that can disturb the low-frequency shear waves generated by the jets, the suction is not carried out continuously, but only when the amount of couplant liquid is too important and requires vacuum cleaning. In this application, the viscosity of the liquid coupling may advantageously be greater than that of water to approach that of an oil to prevent the couplant from running too easily on the skin of the 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. Moreover, as indicated previously, in order to maintain the collimated jet, and therefore in laminar flow, it is essential to control the value of the Reynolds number, defined according to the formula: μ in which p denotes the density of the liquid, v la flow velocity of the liquid at the exit of the ejection nozzle, d the exit diameter of the ejection nozzle and μ the dynamic viscosity of the liquid. Since the Reynolds number must not exceed a defined value according to abacuses adapted to the shape of the preferably tapered flow conduit in order to preserve the collimated appearance of the jet, it appears that increasing the viscosity constitutes an effective solution for speeds ejection and to reach more distant inspection areas, or to avoid a dislocation of the jet for example by a strong side wind, or to facilitate the use of a liquid having a density greater than that water and thus be able to generate a more intense shock wave intermittent while retaining the collimated aspect of the 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. Figure 25 illustrates a dispersive tip 10 held in a bearing structure 40 whose end is bent hook-shaped according to one embodiment. Preferably, the curvature compensates for the increase in the refraction angle as the wave progresses toward the end of the tip so that the ultrasound beam diffracts into the medium at a constant angle. Preferably, to refract at least one half of the beam at 90 ° from the main axis as shown by an arrow in this figure, it is expected that the curvature of the tip is greater than 60 ° at the tangent to the tip of the tip.
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. The main interest of this geometry resides in the possibility that it gives to couple acoustically two points with very close bases and very distant ends. The interest is obvious in the case of a differential flow time flow probe with two points inserted into the pipe by a single small hole (for example less than 20 mm). Note that to refract a half of the beam along the main axis of the tip, it is sufficient that the curvature of the tip is close to 30 ° at the tangent to the tip of the tip.
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. Fig. 26 shows an application of pressure measurement of a device according to one embodiment. In this figure, the pressure sensor comprises a sleeve 454 and a metal tip coupled to the sheath by crimping and brazing. The sensor is mounted on the wall of a pressure vessel 450. The tip held in the upper part by a guide 455 opens into a cylindrical cavity 451 closed by the reflector. The latter has at least one hole 453 or an opening for pressurizing with the medium. The sleeve 454 ends with a thread allowing it to be mounted on the wall of the pressure vessel. The end of the tip radiates radially by reflecting one or more times on the side walls before reflecting on the plane reflector and then back to the end. The planar reflector is housed and crimped into a shoulder at the end of the sheath.
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. In the following claims, the terms used are not to be construed as limiting the claims to the embodiments set forth in this specification, but should be interpreted to include all the equivalents that the claims are intended to cover because of their formulation and whose forecast is within the reach of those skilled in the art in applying his general knowledge to the implementation of the teaching just disclosed to him.
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. In addition, it has been proposed here various embodiments of the invention, applied to different fields of application. These different embodiments can of course be combined with one another to obtain new advantages in terms of accuracy and measurement performance. In particular, provision may be made to use tips having bent hook-shaped ends in all the embodiments proposed above, as well as in all of the applications also mentioned above, to compensate for the increasing the angle of refraction as the wave progresses towards the end of the tip so that the ultrasonic beam diffracts in the medium at a constant angle.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) de caractérisation des propriétés mécaniques et thermiques d'un milieu solide ou fluide (60, 61, 62, 63, 64, 65, 67), comprenant au moins un transducteur ultrasonore large bande (20, 21, 22) couplé à une première extrémité d'au moins un guide d'onde solide effilé (10, 17, 18) de façon à engendrer dans ledit guide d'ondes solide effilé au moins une onde de flexion dispersive (A) 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 : 1. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) for characterizing the mechanical and thermal properties of a solid or fluid medium (60, 61, 62, 63, 64, 65, 67), comprising at least one broadband ultrasonic transducer (20, 21, 22) coupled to a first end of at least one tapered solid waveguide (10, 17, 18) so as to generate in said tapered solid waveguide at least one dispersive bending wave (A) in continuous or pulsed mode which propagates, the tapered solid waveguide being in contact, on the side of a second end, of lower section than that of the first end, with the solid or fluid medium, in which:
- ladite au moins une onde de flexion dispersive transmise dans le guide d'ondes est réfractée en une onde élastique ultrasonore dans ledit milieu,  said at least one dispersive bending wave transmitted in the waveguide is refracted into an ultrasonic elastic wave in said medium,
- l'étendue latérale maximale de la surface (11, 14, 15, 16) de contact entre le guide d'ondes solide effilé et ledit milieu est inférieure à la longueur d'onde desdites ondes élastiques ultrasonores générées dans le milieu,  the maximum lateral extent of the surface (11, 14, 15, 16) of contact between the tapered solid waveguide and said medium is less than the wavelength of said ultrasonic elastic waves generated in the medium,
- le au moins un guide d'onde solide effilé est logé dans une structure porteuse (40) dont au moins une paroi (41) permet l'isolation acoustique et le maintien (43) dudit guide effilé ainsi que l'amortissement desdites ondes ultrasonores, ledit 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 (44) de son extrémité effilée,  the at least one tapered solid waveguide is housed in a carrier structure (40), at least one wall (41) of which allows acoustic insulation and the holding (43) of said tapered guide as well as the damping of said ultrasonic waves; said guide being held by the carrier structure on its periphery at its base on the broadband ultrasonic transducer side and, on the other hand, upstream (44) of its tapered end,
- le dispositif comprend en outre un dispositif de mesure des variations d'amplitude ou de phase des ondes réfléchies (Ar(x,y)) et/ou transmises (At(x,y)) dans le milieu et un dispositif de calcul de propriétés mécaniques et/ou thermiques dudit milieu à partir des mesures fournies par le dispositif de mesure.  the device further comprises a device for measuring the amplitude or phase variations of the reflected (Ar (x, y) and / or transmitted (At (x, y)) waves in the medium and a device for calculating mechanical and / or thermal properties of said medium from the measurements provided by the measuring device.
2. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, dans lequel le guide d'onde solide effilé (10, 17, 18) présente un axe de symétrie cylindrique, possède un profil conique plein (10) ou creux (17) 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. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1, wherein the tapered solid waveguide (10, 17, 18) has a cylindrical axis of symmetry, has a solid conical profile (10) or hollow (17) having a section which is refined until the phase velocity in the refraction zone is less than or equal to the speed of the longitudinal or transverse waves or guided waves generated in the medium or that its radiation impedance at the point of contact is between 1% and 100% of the transverse impedance of the material constituting the guide.
3. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif de calcul détermine l'impédance mécanique Z2 du milieu déterminée par la formule :
Figure imgf000081_0001
- Zair est l'impédance mécanique de l'air,
3. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1 or 2, wherein the computing device determines the mechanical impedance Z 2 of the medium determined by the formula:
Figure imgf000081_0001
- Zair is the mechanical impedance of the air,
- Ar2 est le coefficient de réflexion à l'interface guide d'ondes effilé - milieu à caractériser, Ar2 is the reflection coefficient at the tapered waveguide interface - medium to be characterized,
- Arl est le coefficient de réflexion à l'interface guide d'ondes effilé - air, Arl is the reflection coefficient at the tapered waveguide-air interface,
- Zi est l'impédance de contact du guide d'ondes effilé.  Zi is the contact impedance of the tapered waveguide.
4. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel 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 polycarbonate. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to any one of claims 1 to 3, wherein the waveguide is of a material having a characteristic impedance greater than or equal to that of the medium, for example a low density metal such as aluminum or titanium, or a hard plastic such as plexiglass or polycarbonate.
5. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, dans lequel le guide d'ondes solide effilé est un cône plein dont l'extrémité est tronquée (14) à l'endroit où la vitesse de phase est égale à la vitesse des ondes acoustiques longitudinales engendrées dans le milieu. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1, wherein the tapered solid waveguide is a solid cone whose end is truncated (14) to the where the phase velocity is equal to the velocity of the longitudinal acoustic waves generated in the medium.
6. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, dans lequel : The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to any one of claims 1 to 5, wherein:
- la première extrémité du guide d'ondes effilé (10, 17, 18) est exposée à une première température inférieure à la température de Curie Te du transducteur ultrasonore,  the first end of the tapered waveguide (10, 17, 18) is exposed at a first temperature below the Curie temperature Te of the ultrasonic transducer,
- le guide d'ondes effilé (10, 17, 18) est en un superalliage, par exemple en inconel, the tapered waveguide (10, 17, 18) is in a superalloy, for example in 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, the second end of the tapered waveguide is in contact with a medium of a second temperature greater than the first and has an area at least 100 times smaller than that of the first end of the tapered waveguide,
- le guide d'ondes effilé (10, 17, 18) présente une longueur qui assure le maintien d'un écart de température entre les première et deuxièmes extrémités dudit guide, l'écart de température résultant d'un phénomène de convection ou conduction libre ou forcée par un système de refroidissement à fluide caloporteur (70), et régule la température dudit transducteur à la première température.  - The tapered waveguide (10, 17, 18) has a length which maintains a temperature difference between the first and second ends of said guide, the temperature difference resulting from a phenomenon of convection or conduction free or forced by a heat transfer fluid cooling system (70), and regulates the temperature of said transducer at the first temperature.
7. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, comprenant en outre : The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
- un deuxième et un troisième guides d'ondes effilé (10) en forme de pointes coniques alignées pour former un tripode différentiel, comprenant en outre 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. a second and a third conical tapered tapered waveguide (10) aligned to form a differential tripod, further comprising two receiving points arranged at equal distances from a bending wave emitter tip, and aligned with that ci, the receiving tips being arranged angularly with respect to their central axis so that the received signals are in phase opposition.
8. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre quatre guides d'ondes effilés (10) en forme de pointes coniques pour former un pentapode (98) 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 (Ex-, Ex+, Ey-, Ey+), comprenant en outre un unique amplificateur électronique relié à l'unique récepteur central (R). 8. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it further comprises four tapered waveguides (10) in shaped conical points to form a pentapode (98) or two tripods oriented at 90 ° relative to each other and sharing the same central point, the central tip of the system operating as a receiver and peripheral points transmitter (Ex -, Ex +, Ey-, Ey +), further comprising a single electronic amplifier connected to the single central receiver (R).
9. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 8, dans lequel les transducteurs acoustiques associés aux guides d'ondes effilés sont des disques céramiques PZT à quatre quadrants (22) 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. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 8, wherein the acoustic transducers associated with the tapered waveguides are four-quadrant PZT ceramic disks (22) operating in linear combination of two dipoles oriented at 90 ° to each other to be combined in amplitude and / or in phase so as to impose an acoustic vibration direction in the contact plane.
10. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon les revendications 1 et 7, comprenant en outre un quatrième et un cinquième guides d'ondes effilés (10) pour former un pentapode (98) organisé en deux tripodes orientés à 90° l'un de l'autre, pour la mesure en profondeur des variations de vitesses longitudinales (1, 3) ou transversales (2, 4). The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claims 1 and 7, further comprising fourth and fifth tapered waveguides (10) for forming a pentapode (98). arranged in two tripods oriented at 90 ° to one another, for depth measurement of longitudinal (1, 3) or transverse (2, 4) velocity variations.
11. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre quatre guides (10) à pointes coniques supplémentaires pour former un pentapode (98), une pointe centrale fonctionnant en mode émission tandis que les quatre autres pointes périphériques fonctionnent en mode réception, la pointe centrale (10, 16) fonctionnant en mode précession, tandis que les quatre pointes périphériques (10, 11) 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. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1 or 2, further comprising four additional tapered tips (10) for forming a pentapode (98), a central point operating in transmission mode while the other four peripheral peaks operate in reception mode, the central tip (10, 16) operating in precession mode, while the four peripheral peaks (10, 11) operate in pairs of receivers diametrically opposed with respect to the transmitter, the measuring device detecting the differential transit time per pair of receivers.
12. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre quatre guides (10) à pointes coniques formant un pentapode (98) 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 (S) en vibration de précession impulsionnelle, les deux paires de pointes périphériques étant orientées pour détecter ladite onde transverse horizontale (S), le dispositif de mesure donnant une vitesse de propagation de cette onde selon deux directions perpendiculaires. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1 or 2, further comprising four tapered-tip guides (10) forming a pentapode (98) in time measurement mode. transit between a central emitter tip and the other four peripheral tips, the emitter tip producing a horizontal transverse wave (S) in pulse precession vibration, the two pairs of peripheral tips being oriented to detect said horizontal transverse wave (S), the measuring device giving a propagation speed of this wave in two perpendicular directions.
13. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1 ou 2, adapté à un contact avec l'épiderme (64), dans lequel les transducteurs à pointes coniques sont tronqués (14) et légèrement pressés contre l'épiderme (64) de façon à ce que toute la section du guide soit en contact avec l'épidémie et que, dans la zone de contact, la section du guide (14) soit telle que la vitesse de phase (Vd) dans le guide d'ondes solide effilé soit égale à celle des ondes longitudinales du milieu, soit environ 1500 m/s. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1 or 2, adapted for contact with the epidermis (64), wherein the conical tip transducers are truncated (14). ) and lightly pressed against the epidermis (64) so that the entire section of the guide is contact with the epidemic and that, in the contact zone, the section of the guide (14) is such that the phase velocity (Vd) in the tapered solid waveguide is equal to that of the longitudinal waves of the medium, or about 1500 m / s.
14. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1 ou 2, adapté à un contact avec un milieu aérien (67), comprenant en outre quatre pointes supplémentaires pour former un pentapode (98) avec une pointe (10) émettrice centrale E vibrant en mode de précession et quatre pointes réceptrices (Rx-, Rx+, Ry-,Ry+) périphériques sensibles à un mode de flexion, la pointe centrale (10) présentant une extrémité (16) ronde, préférenti ellement 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. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1 or 2, adapted for contact with an air medium (67), further comprising four additional tips for forming a pentapode ( 98) with a central emitting tip (10) vibrating in precession mode and four receiving points (Rx-, Rx +, Ry-, Ry +) sensitive to a bending mode, the central tip (10) having an end (16). ) round, preferably of section diameter at its end less than 0.1 mm, and vibrating in a combination of two modes of bending oriented at 90 ° to each other.
15. Système (9) selon la revendication 1, dans lequel 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. 15. System (9) according to claim 1, wherein the carrier structure is sealed and the tapered solid waveguide is pointed and partially immersed in a fluid medium to where its phase velocity is equal to the rate of propagation of the pressure waves in the medium.
16. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la structure porteuse comprend une double paroi (40) en U assurant : 16. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1 or 2, wherein the carrier structure comprises a U-shaped double wall (40) providing:
- le contrôle d'une température de consigne d'une paroi interne de la structure porteuse (41), par exemple au moyen d'une bobine résistive (72) destinée à chauffer la pointe conique (10) par effet Joule ;  - Controlling a set temperature of an inner wall of the carrier structure (41), for example by means of a resistive coil (72) for heating the conical tip (10) by Joule effect;
- l'amortissement des échos successifs passant dans la zone (43, 44) de couplage mécanique du guide d'onde à la paroi intérieure de la structure porteuse ;  - The damping of successive echoes passing in the zone (43, 44) of mechanical coupling of the waveguide to the inner wall of the carrier structure;
- l'isolation thermique de la paroi interne par la paroi externe de la structure porteuse, séparée de la paroi interne par un isolant thermique (73) ;  - The thermal insulation of the inner wall by the outer wall of the supporting structure, separated from the inner wall by a thermal insulator (73);
- 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 (F) 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 ;  the relative displacement of the internal wall of the bearing structure relative to the external wall of the bearing structure under the effect of a force (F) of contact of the tip on the sample or of a deforming pressure exerted by the middle on a part of the supporting structure or the holding sleeve of the tip;
- la mesure par intermittence de la valeur d'une capacité (81) 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 - intermittently measuring the value of a capacitance (81) of at least one capacitor accounting for the relative position of the inner wall relative to the outer wall of the supporting structure or the inner wall of the supporting structure relative to the tapered solid waveguide, and one of the electrodes is integral with the waveguide and the other electrode is integral with the inner wall or the outer wall, the value of the capacity being deduced from a resonance frequency or oscillations of a relaxation oscillator, or a bridge measurement divider of a reference capacity and the law of variation of the capacitance being connected by a correspondence table, or a mathematical formula such as a polynomial interpolation law, to the force of support of the tip on the sample, or at the middle pressure; or
- 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 (PA), comprise entre 0 et 10 mm, et préférentiellement inférieure à 0,5 mm.  a safety function for the tip and the sample, imposing a limit on the maximum penetration at the zero bearing force of the tip in the sample by a maximum value (PA) of between 0 and 10 mm, and preferentially less than 0.5 mm.
17. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon l'une des revendications 7, 8, 15 ou 16, dans lequel la structure porteuse (40) est composée d'une partie assurant le positionnement, l'orientation (41, 44), l'isolation et l'amortissement (42, 43, 73, 74) des guides d'ondes et d'un capotage à baïonnette (55) constitué de parties déformables élastiques (54, 58) assurant une force de maintien des sondes dans la paroi interne (41) ainsi que le verrouillage (53, 57) des éléments flexibles (54, 58) sur l'élément de guidage (52). 17. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to one of claims 7, 8, 15 or 16, wherein the carrier structure (40) is composed of a part ensuring the positioning, orientation (41, 44), isolation and damping (42, 43, 73, 74) of the waveguides and a bayonet cowling (55) consisting of elastically deformable portions (54, 58) providing a holding force of the probes in the inner wall (41) and the locking (53, 57) of the flexible elements (54, 58) on the guide element (52).
18. Système (98) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre : The system (98) according to one of claims 1 or 2, further comprising:
- un conduit (91) d'amenée d'un guide d'ondes liquide sous pression au niveau de l'extrémité (14) du guide d'ondes solide effilé (10),  a conduit (91) for feeding a pressurized liquid waveguide at the end (14) of the tapered solid waveguide (10),
- une extrémité (14) du guide d'ondes solide immergée partiellement dans le guide d'ondes liquide, dans une chambre de raccordement (92), sur une étendue limitée, de l'ordre de 1 mm et un volume de l'ordre de 1 mm3, one end (14) of the solid waveguide immersed partially in the liquid waveguide, in a connection chamber (92), on a limited extent, of the order of 1 mm and a volume of the order 1 mm 3 ,
- 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,  a nozzle of ejection of the liquid waveguide, of straight conical or curved shape in the form of a hook allowing the inspection of external, lateral or internal surfaces of a sample, such as a railroad rail,
- une jupe de protection (95) du guide d'ondes liquide (93) 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,  a protective skirt (95) of the liquid waveguide (93) against dislocations or fragmentation by a stream of air over at least a part of its length to the surface of the sample or confinement and suction of splashing of the liquid jet projected on the surface of the sample,
dans lequel : in which :
- la pression hydrostatique d'éjection du liquide varie dans le temps pour assurer la génération d'ondes acoustiques de cisaillement basse fréquence,  the hydrostatic ejection pressure of the liquid varies over time to ensure the generation of acoustic waves of low frequency shear,
- 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,  the acoustic waves are controlled in amplitude and / or in phase, in particular between the jets of a configuration with several liquid waveguides,
- la pression hydrostatique est modulée pour atteindre un régime d'éjection intermittent avec une cadence d'éjection comprise entre 1Hz et 10kHz. the hydrostatic pressure is modulated to reach an intermittent ejection regime with an ejection rate of between 1 Hz and 10 kHz.
19. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité du guide d'onde solide effilé est courbée. 19. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1, characterized in that the end of the tapered solid waveguide is curved.
20. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, dans lequel la seconde extrémité du guide d'ondes solide effilé est insérée en force dans un fourreau formé dans la structure porteuse, l'ensemble 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. 20. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1, wherein the second end of the tapered solid waveguide is inserted into force in a sheath formed in the supporting structure, the assembly rigidly coupled mechanically to be sealed by crimping the sleeve or metal solder between the base of the tip and the sleeve if it is metallic.
21. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, dans lequel 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. 21. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1, wherein the tapered solid waveguide is inserted into a sheath formed in the support structure provided at its end with a reflective collar for orienting the emitted ultrasound beam or for shielding the received ultrasonic beam from a predefined direction.
22. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, comprenant 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. 22. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1, further comprising a second solid waveguide tapered to form a bipod and a reflector integral with the carrier structure disposed under the points, perpendicular to their main axis, at a distance between 75 and 125% of the inter-tip distance.
23. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, comprenant 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. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) of claim 1, further comprising three additional tapered solid waveguides to form two bipodes inserted perpendicular to a pipe at two different depths, each bipode being aligned with the direction of the flow to be characterized, one of the bipods having its ends arriving at a first depth in the pipe so as to access the flow velocity at the center of the pipe, while the another bipod at its ends reaching a second depth of the pipe, distinct from the first depth, in the vicinity of the inner wall of the pipe so as to have access to the flow velocity close to the wall.
24. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 18, dans lequel 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. The system (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 18, wherein the liquid ejection nozzle is separate from the carrier structure and is bonded to the carrier structure in a position where at least one of the ultrasonic beams refracted in the liquid from the end of the tip is reflected on at least one of the faces of the tip and aligns after reflection with the main axis of the cannula d ejection of the tip.
25. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, dans lequel 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. 25. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1, wherein the tapered waveguide is inserted in a sheath formed in the supporting structure, the end of the sheath with its open tapered solid waveguide being covered or filled with a anti-adherent and / or fungicidal protective coating, for example based on Teflon (PTFE or FEP or PFA) or silicone.
26. Système (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) selon la revendication 1, dans lequel 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. 26. System (8, 9, 87, 88, 89, 97, 98, 99) according to claim 1, wherein the computing device deduces the pressure of a medium directly from the amplitude of an echo or a signal transmitted in the medium in combination with a capacitive measurement of the deformation of the carrier structure or a sheath formed in the carrier structure.
27. Procédé de caractérisation des propriétés mécaniques et thermiques d'un milieu solide ou fluide (60, 61, 62, 63, 64, 65, 67) à l'aide d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, comprenant les étapes suivantes : 27. A method for characterizing the mechanical and thermal properties of a solid or fluid medium (60, 61, 62, 63, 64, 65, 67) using a device according to any one of claims 1 to 26 , comprising the following steps:
- engendrer dans ledit guide d'ondes solide effilé au moins une onde de flexion dispersive generating in said solid tapered waveguide at least one dispersive bending wave
(A) en régime continu ou impulsionnel qui se propage, ladite au moins une onde de flexion dispersive transmise dans le guide d'ondes étant réfractée en une onde élastique ultrasonore dans ledit milieu, (A) in continuous or pulsed propagation mode, said at least one dispersive bending wave transmitted in the waveguide being refracted into an ultrasonic elastic wave in said medium,
- mesurer des variations d'amplitude ou de phase des ondes réfléchies (Ar(x,y)) et/ou transmises (At(x,y)) dans le milieu, et  measuring amplitude or phase variations of the reflected (Ar (x, y) and / or transmitted (At (x, y)) waves in the medium, and
- calculer des propriétés mécaniques et/ou thermiques dudit milieu à partir des mesures fournies par le dispositif de mesure.  calculate the mechanical and / or thermal properties of said medium from the measurements provided by the measuring device.
28. Procédé selon la revendication 27, comprenant les étapes suivantes : The method of claim 27, comprising the steps of:
- 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,  generating and detecting a reference echo in the medium by bipode (89), tripod or pentapode (98) probe successively in contact with the medium on a set of reference positions along a reference curvilinear path,
- mémoriser lesdits échos de référence associés à chaque position de la sonde sur le milieu, le long du trajet curviligne de référence  storing said reference echoes associated with each position of the probe on the medium along the curvilinear reference path
- 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  recognizing contact positions of the probe on the medium by calculating the minimum distance or by calculating the maximum of an inter-correlation function between a measurement echo obtained during a second passage on the curvilinear path and the one of the echoes corresponding to the learned positions of reference, and
- fournir des informations d'amplitude et de phase sur les variations spatiales d'impédance le long du trajet curviligne de référence.  provide amplitude and phase information on the spatial variations of impedance along the curvilinear reference path.
29. Procédé selon la revendication 27, comprenant en outre une étape d'enfoncement du guide d'ondes (10) dans le milieu (63) d'une profondeur caractéristique pour laquelle l'amplitude de l'écho interne (Ar) dans le guide d'ondes est diminuée de 50% à 75% de sa valeur par rapport à des conditions où l'extrémité (16) du guide d'ondes est libre. The method of claim 27, further comprising a step of driving the waveguide (10) into the medium (63) of a characteristic depth for which the amplitude of the internal echo (Ar) in the waveguide is decreased from 50% to 75% of its value with respect to conditions where the end (16) of the waveguide is free.
30. Procédé selon la revendication 27, comprenant en outre les étapes suivantes : The method of claim 27, further comprising the steps of:
- déplacer d'un tripode de pointes différentiel à la surface du milieu (61), dans la direction perpendiculaire au segment reliant les trois pointes  moving a differential tip tripod to the surface of the medium (61) in the direction perpendicular to the segment connecting the three points
- mesurer l'amplitude et la phase sur les variations spatiales d'impédance.  measure the amplitude and the phase on the spatial variations of impedance.
31. Procédé selon la revendication 27, comprenant en outre :  The method of claim 27, further comprising:
- 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 desdites impédances selon au moins deux directions différentes, par exemple orthogonales, à partir de sondes de type bipode, tripode ou pentapode,  a step of constituting a reference database characterizing different media or the different states of a medium and associating with each medium or at each reference state the measurement of at least one of its effusivity values, longitudinal and transverse impedances as well as angular anisotropy of said impedances in at least two different directions, for example orthogonal directions, from bipod, tripod or pentapode type probes,
- 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 Ζτ ainsi que d'anisotropie angulaire desdites 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 milieu.  a step of recognizing a medium or the state of a medium by measuring its effusivity values, longitudinal ZL and transverse Ζτ impedances as well as angular anisotropy of said impedances in at least two different directions, using a bipod, tripod or pentapode type probe by searching for a corresponding element closest to a reference database on this medium or on the states of this medium.
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