La possibilité de focaliser l'énergie acoustique ou électromagnétique à la fois spatialement et temporellement constitue depuis quelques années un sujet de recherche intéressant en raison de la diversité et de l'importance des applications. Dans le domaine des télécommunications, en particulier en acoustique sous-marine, en téléphonie mobile et dans le domaine des réseaux locaux sans l, l'un des enjeux majeurs consiste à trouver des techniques sécurisées pour acheminer la plus grande quantité d'information possible entre un émetteur et différent utilisateur via l'utilisation d'ondes acoustiques ou électromagnétiques. Ces ondes sont susceptibles d'être réfléchies plusieurs fois entre l'émetteur et le récepteur compte tenu de la multitude des obstacles rencontres au cours de la propagation dans les milieux concernés. Ces obstacles pouvant être les parois des immeubles, les voitures ou les meubles dans le cas de téléphonie mobile ou bien les interfaces entre l'eau et l'air ou entre l'eau et le fond marin dans le cas de l'acoustique sous-marine. L'une des questions que se posent les chercheurs dans ce domaine, est de déterminer sous quelles conditions cette diffusion multiple peut influer positivement sur la concentration d'énergie au niveau du récepteur. D'autres applications concernent le domaine de l'imagerie et de la thérapie médicale. Il s'agit par exemple de visualiser certains organes ou tissus du corps humain au moyen d'ondes ultrasonores (fréquence allant de 1 MHz µ a 10 MHz). On cherche également à détecter, localiser et détruire les calculs rénaux et les tumeurs du sein ou du cerveau par concentration des ondes ultrasonores d'un fa» con non invasive. Le champ d'applications s'étend au contrôle non destructif des matériaux, on s'intéresse à l'observation des irrégularités dans les métaux ou encore a la géophysique pour la recherche pétrolière. Nous nous proposons dans cette thèse de donner différents modèles de retournement temporel et d'étudier et de simuler leurs propriétés de focalisation. Apres avoir dans un premier temps explique le principe général du retournement temporel et différentes approches de cette technique, nous décrivons plus précisément le contexte particulier de notre étude.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'imagerie non-destructive en électromagnétisme. L'originalité du travail réside, tout d'abord, dans sa forte connotation expérimentale. Celle-ci a abouti à la construction d'un prototype RADAR capable d'acquérir des données multisources-multistatiques dans la gamme de fréquence [2-4] GHz. De plus, ce système implémente la formation de voies au moyen d'un réseau d'atténuateurs/déphaseurs commandé numériquement.Les expériences menées relèvent, d'une part, de l'imagerie qualitative. Le Retournement Temporel, ainsi que les méthodes DORT et TR-MUSIC, ont été appliqués afin de détecter et localiser des cibles diffractantes. Le cas des milieux réverbérants a notamment été abordé.D'autre part, le prototype a été utilisé dans le cadre de la diffraction inverse quantitative sur des données très limitées en ouverture. Un algorithme itératif non-linéarisé prenant en compte l'aspect multi-fréquentiel des données a été adapté à la configuration expérimentale notamment grâce à une procédure de calibration performante.Enfin, la possibilité de greffer les avantages du Retournement Temporel sur ces techniques quantitatives a été étudiée. L'objectif est l'amélioration des résultats dans des milieux aléatoires proches de ceux rencontrés notamment en imagerie médicale (détection de tumeurs) ou en sondage du sous-sol (détection de mines, de nappes de pétrole). / This thesis deals with non-destructive electromagnetic imaging. Its originality lies, primarily, in a marked experimental approach, which has led to the realization of a RADAR prototype able to acquire multisource-multistatic data within the [2-4] GHz frequency band. Furthermore, the system implements beamforming through a numerically-controlled attenuator/phase shifter array.On the one hand, qualitative imaging experiments have been performed. Time Reversal, as well as DORT and TR-MUSIC methods, have been applied to detect and localize scattering objects. In particular, the case of reverberating media has been dealt with.On the other hand, the prototype has been used for quantitative inverse scattering with very aspect-limited data. A non-linearized iterative algorithm taking into account the multi-frequency nature of the data has been adapted to the experimental configuration through a performing calibration procedure.Finally, the possibility of exploiting the features of Time Reversal within the quantitative frame has been studied. The goal is the improvement of the results in random media mimicking those typical of medical imaging (tumor detection) or sub-surface probing (land mine or oil detection) applications.

Le principal but de cette thèse est d'adapter une méthode basée sur le retournement temporel, la méthode DORT (Décomposition de l'opérateur Retournement Temporel), a l'imagerie médicale. La plupart des résultats concernent aussi d'autres domaines de l'imagerie acoustique. En effet, l'échographie médicale a subi un important développement, mais reste limite chez certains patients par le fait que les tissus sont inhomogènes. La focalisation, et donc la qualité de l'image sont fortement dégrades par la traversée de milieu inhomogènes. Pour corriger ce problème et obtenir une bonne focalisation, il est nécessaire d'estimer les fonctions de Green de points du milieu. Nous proposons une approche par retournement temporel. Nous étendons la théorie de la méthode DORT au mode d'acquisition échographique, et introduisons le model de transducteurs virtuels qui permet de traiter le problème facilement. Ensuite, nous étendons la méthode aux signaux aléatoire (speckle) qui sont les signaux majoritaires en imagerie médicale, et en proposons une interprétation statistique basée sur le théorème de Van Cittert Zernike. L'étude des objets étendus est aussi faite. Finalement, échographie médicale utilise des signaux larges bandes, alors que la méthode DORT est principalement une méthode monochromatique. Des méthodes permettant d'obtenir les fonctions de Green temporelles sont développes dans le chapitre 5. En particulier, nous présentons la décomposition de Opérateur Retournement Temporel dans le domaine temporel, ce qui fait intervenir un tenseur d'ordre 4.

De nos jours, les maladies cardiaques représentent la première cause de décès dans le monde. Parmi ces maladies, les occlusions coronariennes occupent un rôle important. Aussi, 10 à 15 % de la population souffre de calculs urinaires et ces pourcentages augmentent d'année en année dans les pays industrialisés. Considérant ces données et le fait que les outils médicaux actuels ne permettent pas de répondre à l'ensemble des besoins exigés par ces domaines, il existe une opportunité intéressante pour le développement d'appareils mieux adaptés. Le présent mémoire a pour but de démontrer le potentiel technologique d'un générateur miniaturisé d'ondes mécaniques comme futur dispositif médical dans les domaines de la lithotritie intracorporelle et de la cardiologie d'intervention. Le générateur proposé exploite les ondes acoustiques (profil de pression) pour briser les calculs urinaires ou traverser les occlusions coronariennes. Le concept présenté vise à être plus efficace, plus sécuritaire et moins dispendieux que les appareils actuels. Pour parvenir à générer le profil de pression désiré à l'extrémité d'une longue et mince tige, un processus d'amplification exploitant la focalisation des ondes dans un solide et la dispersion dans un guide d'ondes est utilisé. Ce processus nécessite une étape préliminaire de calibration qui permet de caractériser les propriétés acoustiques des milieux de propagation (concentrateur et guide dispersif). Tirant profit du retournement temporel, il est ensuite possible de concentrer spatialement et de compresser temporellement le signal de calibration pour former le profil de pression désiré. Le gain combiné de ces méthodes permettent de respecter les requis fixés pour l'appareil. Le prototype fabriqué est composé d'une source acoustique convergente, d'un guide d'ondes dispersif ainsi que d'un réducteur de section. La source acoustique comprend sept transducteurs piézoélectriques couplés sur la surface extérieure d'un concentrateur en aluminium 6061-T6 de forme semi-sphérique. Chaque transducteur est identique et possède une fréquence centrale de 695 kHz. Une tige de 3.2 mm de diamètre et 1.8 m du même alliage est fixée au concentrateur. Cette dernière représente le guide dispersif. Enfin, un réducteur de section permet de réduire le diamètre d'émission à 1.6 mm. Les performances du prototype ont été caractérisées en mesurant le profil de pression émis dans l'eau à l'extrémité du réducteur de section. La forme du signal mesurée correspond bien à celle désirée, c'est-à-dire un pulse gaussien à la fréquence de résonance des transducteurs. Des pics de pression à 160 bar et -100 bar ont aussi été obtenus dans l'eau.De plus, des essais sur une pierre artificielle ont permis de mettre en évidence un taux de pénétration d'environ 1 mm/min, et ce, pour une fréquence de tirs de 5 Hz. Une forme de cavitation a aussi pu être observée. Malgré le fait qu'il reste plusieurs défis à relever avant de présenter un appareil fonctionnel, les résultats obtenus sont encourageants et confirment le potentiel associé à la technologie développée pour les domaines ciblés.

Le développement de techniques de focalisation et d'imagerie à haute résolution pour les sources acoustiques et vibratoires à basse fréquence est l'un des enjeux de la recherche actuelle en acoustique, notamment pour exciter localement et analyser des structures vibroacoustiques complexes tout en conservant des propriétés de haute résolution. Ces propriétés sont nécessaires lorsque la taille des objets étudiés est plus petite que la longueur d'onde mise en jeu. Nous désirons une méthode flexible, rapide, précise, non invasive, et unifiée d'excitation et d'analyse. Celle-ci doit être applicable tant dans le domaine des vibrations dans les structures que dans le domaine des ondes acoustiques tridimensionnelles. Pour cela, nous nous basons sur la technique du puits à retournement temporel, qui n'a, à ce jour, été mise en oeuvre que pour la focalisation d'ondes de Lamb dans une cavité ergodique ou avec des ondes électromagnétiques. Aucune technique d'imagerie n'a, avant cette thèse, été dérivée du puits à retournement temporel. La méthode du puits à retournement temporel est adaptée pour la focalisation à basse fréquence. Elle permet d'exciter localement une structure avec une grande intensité, et possède des capacités de super-résolution. Malgré tout, nous démontrons que cette méthode est difficilement applicable en situation pratique, puisqu'elle fait perdre le caractère non invasif nécessaire à la plupart des applications. En revanche, nous présentons dans ce manuscrit une technique nouvelle d'imagerie de sources vibratoires et acoustiques, basée sur le puits à retournement temporel. Cette technique non invasive d'imagerie, utilisant des dispositifs de mesure similaires aux techniques de formations de voies ou d'holographie en champ proche, permet d'obtenir une image des sources vibratoires ou acoustiques à très haute résolution de manière rapide. L'approche de cette nouvelle méthode d'imagerie est décrite. Des applications à l'imagerie de sources d'impact sur une plaque encastrée, ainsi qu'à l'imagerie de sources acoustiques en champ libre et en milieu sous-marin profond sont proposées. Une application à l'imagerie de sources acoustiques à basse fréquence sur une guitare est développée. Ces résultats représentent les premières applications de l'imagerie par puits à retournement temporel numérique. Les limites, la théorie, et la mise en oeuvre de cette technique d'imagerie à haute résolution sont étudiées et détaillées. II est démontré que cet outil possède des performances et des limites similaires à l'holographie en champ proche, tout en dépassant les capacités à basse fréquence des techniques classiques de localisation limitées en résolution couramment utilisées, comme le beamforming ou le retournement temporel.

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est d'associer les outils et le formalisme développés en acoustique aux techniques propres à l'optique. Ces études ont été rendues possibles grâce aux avancées technologiques récentes qui autorisent le contrôle et la mesure, spatialement et temporellement, des ondes optiques. En nous appuyant sur un système permettant de contrôler et de mesurer spatialement le champ complexe optique, nous avons enregistré la matrice de transmission d'un milieu diffusant. Nous exploitons cette matrice pour focaliser la lumière et détecter des images à travers le milieu ainsi que pour l'étude de ses propriétés physiques. En utilisant un montage et un modèle similaire, nous mesurons ensuite à travers un milieu aberrateur la matrice de réflexion d'un milieu contenant quelques diffuseurs efficaces. Nous exploitons la décomposition en valeurs singulières de cette matrice pour détecter les diffuseurs et focaliser la lumière sélectivement sur plusieurs d'entre eux, en compensant les aberrations du milieu de propagation. Une autre approche présentée est l'exploitation de l'analyse de la matrice de réflexion pour l'étude des modes de rayonnement d'une particule unique. La dernière étude réalisée concerne l'application du retournement sur modulation en optique. Cette technique consiste à apprendre les réponses d'un milieu diffusant ou réverbérant à une modulation et à exploiter ces réponses pour focaliser la lumière au sein du milieu. Nous prouvons l'efficacité de cette technique pour la focalisation temporelle dans une cavité et tentons de l'étendre pour une focalisation à la fois spatiale et temporelle.

Dans une première partie les principes du retournement temporel sont exposés, ainsi que son application aux ondes électromagnétiques, et plus spécifiquement aux hyperfréquences. Puis, deux montages de miroirs à retournement temporel dans le domaine du gigagertz sont décrits, ainsi que les résulats expérimentaux obtenus en terme de focalisation spatio-temporelle. Enfin, des expériences de focalisation sub-longueur d'onde par retournement temporel sont démontrées, et un lien avec l'optique de champ proche vient appuyer théoriquement les mesures réalisées. La deuxième partie est consacrée aux télécommuncations par retournement temporel. On introduit les deux principales méthodes envisagées pour les réseaux locaux sans fils haut débit (MIMO et UWB). Le lien entre ces méthodes et le retournement temporel est explicité. Puis, des communications par retournement temporel réalisées avec des ultrasons dans un milieu indoor petite échelle sont étudiées et discutées. On compare alors le retournement temporel, qui est un filtre adapté à la propagation, et le filtre inverse de la propagation, en terme de télécommunications. Une méthode hybride, le filtre inverse itératif, est proposée et comparée au retournement temporel. Des expériences de télécommunications par retournement temporel électromagnétiques sont enfin présentées. Celles-ci sont réalisées avec le miroir à 2.45 GHz, sur 200 MHz de bande passante, dans une cavité faite d'aluminium. Les avantages de la méthode sont étudiées en fonction des paramètres suivants: nombre d'antennes du miroir, nombre d'utilisateurs, bande passante, temps d'absorption du milieu, bruit externe présent dans le milieu.

Contrairement à la capture tactile multi digitale déjà largement répandue, il n'existe pas de solution superposable à un écran permettant l'affichage localisé d'informations perceptibles au toucher. On propose dans ce travail de thèse une approche basée sur la focalisation d'ondes de flexion dans une plaque mince. Cette focalisation, obtenue suivant le procédé de retournement temporel, permet de produire une stimulation tactile localisée en un ou plusieurs points d'une plaque transparente à partir d'un ensemble d'actionneurs situés sur son contour. Le dimensionnement de l'interface s'appuie en premier lieu sur l'étude du contraste de focalisation et sa sensibilité à la température. D'autres critères de dimensionnement sont étudiés tels que les résolutions spatiale et temporelle, la fréquence de répétition de la focalisation, le bilan énergétique ou le bruit audible généré. Le retournement temporel synthétique, permettant la focalisation en tout point de la surface à partir d'un apprentissage en un ensemble fini de points du contour est adapté au cas des plaques minces. Un démonstrateur est assemblé et caractérisé. On obtient sur une plaque d'épaisseur 0.5 mm un déplacement au point de focalisation jusqu'à 7 µm, pour une tache de focalisation d'un diamètre de 5 mm. La focalisation simultanée en plusieurs points est également obtenue expérimentalement. On propose finalement un modèle pour la prise en compte de la perturbation de la focalisation par le contact avec un ou plusieurs doigts. Une étude de perception montrant la possibilité de détecter et de discriminer le stimulus tactile produit conclue ce travail. / The sense of touch is an effective and yet underused interaction modality for human computer communication. As opposed to multitouch tactile screens already available, there is no solution able to provide a localized tactile stimulation on a transparent surface. This work introduces a novel approach for tactile feedback based on the focusing of flexural waves produced by a set of transducers located on sides of a thin plate. This focusing, allowed by the time reversal technique, produces a tactile stimulation localised in one or several points of a transparent surface. Design of the tactile interface relies of the study of focusing contrast and its thermal drift as well as temporal and spatial resolution, focusing refresh rate, energy balance and audible noise production. Synthetic time reversal, allowing the focusing at any point of the plate from the acquisition of impulse responses at a set of contour points is also introduced. A mock up device has been built and caracterised. A displacement up to 7 µm and a focal spot size about 5 mm on a 0.5 mm thick glass plate. Simultaneous focusing in multiple points is also achieved. A model describing the perturbation induced by the contact of one or many fingers with the plate is developped. A perceptual study finally demonstrates the possibility to detect and discriminate the stimulation produced by the focusing. The measured uncoupling of finger pulp and surface displacements at the focusing point could explain this detection.

Cette thèse comporte deux parties. La première est consacrée à l'étude de quelques problèmes inverses de détection et de localisation d'obstacles ou de sources à l'aide d'un miroir à retournement temporel (MRT), appareil pouvant rétro-propager des ondes sur la source qui les a émises. Nous commençons par la méthode DORT qui permet de focaliser sélectivement des ondes sur des petits obstacles. Nous étudions numériquement en acoustique les résultats mathématiques obtenus par C. Hazard et K. Ramdani et étendons mathématiquement ces résultats au cas de l'électromagnétisme. Puis, nous nous intéressons à la reconstruction d'une source acoustique ponctuelle avec un MRT. Dans un contexte déterministe, nous proposons des simulations numériques attestant du phénomène de super-résolution, c'est-à-dire l'amélioration en moyenne de la qualité de la focalisation dans un milieu hétérogène plutôt qu'homogène. La deuxième partie a pour objet la résolution numérique par équations intégrales du problème de diffraction multiple en acoustique, c'est-à-dire en présence de nombreux obstacles. D'une part, nous montrons que le préconditionneur prenant en compte les effets de la diffraction simple (interaction d'un objet avec lui-même) a la propriété intéressante de rendre toutes les équations intégrales semblables. D'autre part, pour des obstacles circulaires, nous calculons explicitement les coefficients de Fourier des quatre opérateurs intégraux usuels. Ceci nous permet de proposer une méthode de résolution numérique robuste et efficace et, de plus, d'étudier numériquement le spectre de l'opérateur intégral de simple couche en régime basse fréquence dans un milieu dilué et dans un milieu dense. / This thesis is divided into two parts. The first one deals with some inverse problems related to the detection and localization of targets using a Time Reversal Mirror (TRM), which can back-propagate a signal on the source that emitted it. We first study the DORT method, a technique used to focus waves selectively on small scatterers. In the context of acoustic scattering, a numerical investigation of the mathematical results obtained by C. Hazard and K. Ramdani is proposed. These results are then mathematically extended to the electromagnetic case. To conclude this part, we investigate numerically the reconstruction of an acoustic point source with a TRM. By using a deterministic model, we provide numerical examples that illustrate the super-resolution phenomena, that is, the enhancement in average of the quality of focusing in an heterogeneous medium compared to an homogeneous one. The second part is devoted to the numerical solution of acoustic multiple scattering problems using integral equations. Multiple scattering means that the medium contains at least two scatterers. We first study the preconditioner which takes into account the single scattering (self-interaction) effects. Then, we show that all the so-preconditioned integral equations are identical, up to an invertible operator. Afterwards, for circular scatterers, we analytically compute the Fourier coefficients of the four classical boundary integral operators. Thus, we propose on the one hand an efficient and robust numerical method and on the other hand a numerical investigation of the spectrum of the single-layer boundary integral operator in the low frequency regime for a dense medium and a dilute one.

L'interaction onde-matière a toujours été un sujet d'étude en Physique, c’est le cas de la propagation des ondes élastiques dans le corps humain qu’a conduit à plusieurs modalités d'imagerie. En particulier, les techniques d'elastographie reposent sur l'utilisation des ondes de cisaillement pour obtenir une image élastique des tissus mous. Dans ce contexte, cette thèse présente une étude des différentes techniques d'élastographie, en prêtant particulier attention aux aspects plus fondamentaux comme à ces potentielles applications.Tout d'abord, cette thèse montre que l'élastographie impulsionnelle unidimensionnelle (1D) peut être utilisée pour évaluer l'élasticité des couches de tissue d'épaisseur inférieure à la longueur d'onde utilisée. A cet effet, des simulations et des expériences ont été réalisées avec différents fantômes formés par une couche mince immergée dans un milieu d'élasticité différente. La concordance entre expériences et simulations, ainsi que le valeur de l'élasticité obtenue par élastographie 1D et le valeur de l'élasticité intrinsèque de la couche permettent de valider cette technique. Au même temps ces résultats ont été comparés avec ceux obtenus par la technique de Supersonic Shear Imaging (SSI), où l'onde est guidée le long de la plaque. On ajustant la courbe de dispersion expérimentale obtenue par SSI avec un modèle de Lamb, l'élasticité intrinsèque de chaque plaque est estimée. Les résultats obtenus par élastographie 1D et SSI montrent un bon accord entre eux. Le principal avantage de l'élastographie 1D est qu’il n'est pas nécessaire d'utiliser un modèle pour estimer l'élasticité de la plaque. Deuxièmement, deux nouvelles modalités d'imagerie quantitative pour l'extraction de élasticité des tissus mou à partir d'un champ élastique complexe sont approfondies: l'Elastographie par Retournement Temporel et le filtre inverse passif. Le but de ces deux techniques est d'estimer localement l'élasticité des tissus, par la mesure de la taille de la tâche focale dans une expérience virtuelle de retournement temporel avec des ondes de cisaillement. A partir de l'étude du processus de retournement temporel dans les solides mous, la faisabilité de ces deux techniques est démontrée in vitro dans des échantillons "bi-couche" et in vivo dans le foie et les muscles, en utilisant le bruit physiologique naturel crée par l'activité cardiaque et musculaire. L'efficacité de l'élastographie par retournement temporel diminue dans le cas d'un champ diffus non isotrope. L'emploie du filtre inverse adaptée à une configuration de source de bruit, permet de rétablir l'isotropie du champ et d'améliorer la résolution pour la détection de petites inclusions. Le filtre inverse passif permet, de surcroît, de contrôler la fréquence qui domine le champ de retournement temporel. Ceci est exploité, dans la dernière partie du manuscrit, pour mener la première expérience de spectroscopie passive en volume. Deux situations sont envisagées: la dispersion due à la propagation d'ondes guidées dans des plaques minces et la dispersion des ondes due à la viscosité. / The interaction between wave and matter has long been studied in Physics. In particular, regarding medical applications, wave propagation through the human body resulted in several imaging modalities, each of which uses a specific type of wave linked to a given physical property. The elasticity of soft biological tissues is directly linked to its shear wave speed. Thus, in Elastography, shear waves are tracked for non-invasive assessment of the mechanical properties of soft tissues. In this context, this thesis proposes a study of different elastography techniques from a basic point of view, as well as from its potential applications. Firstly, in this manuscript, the use of 1D transient elastography for the quantitative elasticity assessment of thin layered soft tissues is proposed. Experiments on three phantoms with different elasticities and plate thicknesses were performed. Experimental shear wave speed estimations inside the plate were obtained and validated with finite difference simulation. In addition, the Supersonic Shear Imaging (SSI) technique was performed. For the SSI technique, the propagating wave inside the plate is guided as a Lamb wave. Experimental SSI dispersion curves were fitted using a generalized Lamb model to retrieve the plate bulk shear wave speed. Finally both techniques resulted in similar shear wave speed estimations. The main advantage of 1D transient elastography is that the bulk shear wave speed can be directly retrieved from a time of flight measurement without requiring a dispersion model. Secondly, throughout this thesis, two novel quantitative imaging modalities for extracting the soft tissue's elasticity from a complex reverberated diffuse elastic field are deepen: Time Reversal Elastography (TRE) and the passive inverse filter. The goal of both techniques is to locally estimate the tissue's elasticity, by measuring the focal spot size in a virtual time reversal experiment involving shear waves. By studying the Physics of a time reversal process in soft solids, the feasibility of both techniques as a quantitative imaging techniques is demonstrated in vitro in bi-layer phantoms and in vivo in the liver-belly muscle, by using the physiological noise due to heartbeats and muscular activity. The efficiency of TRE decreases in the presence of a non-isotropic diffuse field. The use of the inverse filter adapted to a passive source configuration, restores the isotropy of the field. As a consequence, the resolution of the elasticity images is improved, leading to a better detection of small inclusions. In addition, the passive inverse filter allows to control the frequency dominating the time reversed field. This is exploited in the last part of the manuscript to conduct the first passive wave spectroscopy experiment in the volume of a soft solid. Two situations are considered: dispersion due to guided wave propagation in thin plates and wave dispersion due to viscosity effects.