Thèse de doctorat : Sciences de la vie et de la santé : Tours : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Depuis plusieurs décennies, les matériaux piézoélectriques à base de plomb dominent le marché de la transduction électromécanique du fait de leurs très hautes performances. Or, au début du XXIème siècle, de nouvelles restrictions européennes apparaissent, poussant à faire disparaître définitivement l’usage de ce matériau dangereux pour l’environnement et la santé. À partir de là, une course est lancée dans la communauté scientifique qui doit trouver de nouveaux matériaux sans plomb aux performances équivalentes. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce challenge. Le matériau piézoélectrique sans plomb KNbO3 a été identifié comme une réelle alternative. Ses caractéristiques sont déterminées en prenant en compte la cohérence de l’ensemble qui est une nouvelle problématique soulevée par les utilisateurs de ces données de matériau. En effet, le résultat des simulations numériques faites par la méthode des éléments finis, entre autres, est sensible à cette absence de cohérence. Partant de ce travail, il est alors possible de simuler correctement, et grâce aux éléments finis, le comportement électromécanique d’une nouvelle structure pseudo-périodique de composite piézoélectrique de connectivité 1-3 conçue pour s’affranchir de limites de fonctionnement actuelles. Les résultats théoriques sont également validés expérimentalement. Enfin, un algorithme de caractérisation multimodale et multiphasique, basé sur l’algorithme génétique, a été réalisé pour obtenir les propriétés de ces matériaux piézoélectriques après leur usinage nécessaire à leur intégration dans un transducteur ultrasonore. Cela permet d’adapter les pièces périphériques à ces nouvelles caractéristiques pour une optimisation ultime des performances des transducteurs finaux fabriqués au cours de cette thèse. / Piezoelectric ceramics have been on the market for several decades and their use keeps growing. Nowadays, these materials are included in a wide range of devices, in particular for ultrasonic applications. Since the discovery of lead zirconium titanate (PZT) sixty years ago, a wide range of derived compositions coupled to efficient manufacturing processes have been developed to enable their use in many devices. Thus, PZT ceramics are the most used piezoelectric materials, although the presence of lead in their composition is a growing health and environmental concern. Consequently, since 2003, E.U. has voted guidelines for the management of Waste Electrical and Electronic Equipment at the end of its lifecycle (WEEE) and Restrictions (Hazardous Substances, R0HS). In addition, in December 2012, the European CHemicals Agency (ECHA) added PZT in candidate list of the REACH directive. Similar steps are also followed by many countries in Asia and North America. In this international context, research on lead-free piezoelectric materials and their applications becomes a major issue. This thesis focuses specifically on ultrasonic transducer applications (medical imaging and underwater acoustics) with, at f irst, functional characterization of lead-free piezoelectric materials. To this end, the KNbO3 Iead-free single crystal is selected in its specific cutting (YXt)-45° which provides a coupling coefficient k (in thickness mode) of 60%. A characterization of this material is carried out to provide a complete and consistent set of electromechanical properties, and thus avoid calculation errors during the simulation stage of the transducer. Its performance is demonstrated through its integration in a 30 MHz ultrasound probe to obtain images of human skin in vivo.

L'imagerie ultrasonore haute résolution est aujourd'hui indispensable à l'établissement de nombreux diagnostics médicaux. Elle est basée sur l'utilisation de transducteurs piézoélectriques haute fréquence (HF) qui sont fabriqués à l'aide de matériaux et de techniques adaptés. L'optimisation de leurs performances nécessite en général l'utilisation de plusieurs modèles numériques pour simuler à la fois la vibration du résonateur et son rayonnement. Ce travail de thèse présente un nouvel algorithme basé sur un couplage pseudospectral / différences-finies, permettant de modéliser la génération et la propagation des ondes acoustiques dans un transducteur et son environnement avec un seul modèle. Cet algorithme hybride a été utilisé pour simuler le fonctionnement de différents transducteurs fabriqués au cours de cette thèse. Les résultats ont été validés de façons théorique et expérimentale, et ils ont permis d'étudier les influences de différents paramètres sur les performances des transducteurs fabriqués / High resolution ultrasonic imaging has become an essential tool to assist physicians for various medical diagnoses. This technique relies on the ability of piezoelectric transducers to generate a high frequency (HF) acoustic field into the scanned media. Such transducers are obtained using particular materials and fabrication processes.They are optimized through modeling of their electromechanical behaviour and acoustic radiation pattern, which usually requires the use of several models. A new algorithm has been developped and is presented in this report, which is based on the coupling of pseudospectral and finite-diffrence methods to simulate both the generation and the propagation of acoustic waves in the transducer and the surrounding media, using a single model. This hybrid algorithm has been used to simulate various transducers and the results were accordingly compared to theory and experiments. It has also been used to study the influence of various parameters on the performance of several single-element and array transducer devices.

Le développement intensif de l’électronique à très faible consommation énergétique et des technologies de communication sans fils ont permis l’apparition des nœuds de capteur sans fils dans plusieurs domaines. Un nœud de capteur sans fils devrait être un système autonome. Néanmoins, les batteries sont utilisés jusqu’à aujourd’hui pour son alimentation. L’utilisation des batteries comme source d’énergie présente des défis majeurs tels que le coût de remplacement et d’entretien. L’objectif de ce projet est de valider la possibilité d’alimentation d’un nœud de capteur sans fils à partir de l’énergie vibratoire à travers un récupérateur piézoélectrique. Un système d’alimentation complet d’un nœud de capteur sans fils contient le transducteur piézoélectrique, une unité de gestion de puissance et un élément de stockage. Ce mémoire de maîtrise présente les travaux élaborés dans le but de définir une configuration bien adaptée d’un système d’alimentation autonome complet. La réalisation de ce projet a nécessité le développement d’un démonstrateur expérimental du système en se basant sur des composants commerciaux. Ce démonstrateur a permis de valider la faisabilité du système de récupération d’énergie vibratoire pour des excitations qui peuvent exister dans le domaine de l’automobile en termes de fréquence de résonance et amplitudes d’accélération. Tout d’abord, les besoins énergétiques du nœud de capteur à alimenter et du circuit de gestion de puissance sélectionné ont été caractérisés expérimentalement en établissant une communication entre le nœud et une station de base. À partir de ces résultats, le transducteur piézoélectrique et l’élément de stockage adéquats ont été déterminés. Dans notre cas, le transducteur piézoélectrique choisi est soumis à une excitation harmonique d’amplitude 0.3 g et de fréquence de 65.8 Hz. Il alimentait le nœud de capteur sans fils développé opérant à une période de transmission de 17s à travers le circuit de gestion de puissance de faibles pertes favorisant le transfert optimal d’énergie entre l’entrée et la sortie du système. La fonctionnalité du système a été mise en évidence et une méthodologie comportant les différentes considérations à tenir en compte lors de développement de ce type de système a été proposée. Il est démontré que l’étude énergétique du système est un atout pour son développement. En effet, le design du transducteur piézoélectrique doit être fait de telle façon que la puissance générée par le récupérateur piézoélectrique soit supérieure à la puissance requise par le reste du système. Pour cela, la source de vibration doit être caractérisée en termes de fréquence et amplitude d’accélération. La puissance totale requise par le nœud de capteur et le circuit de gestion de puissance doit être déterminée. Le dimensionnent de l’élément de stockage doit aussi tenir compte de l’énergie totale requise par la charge.

Les développements à venir, tant dans le domaine de l'imageriemédicale que dans celui du contrôle non-destructif, sont conditionnés par les enjeux de l'imagerie tridimensionnelle ”temps réel”, parmi lesquels on peut identifier la conception de sondes ultrasonores à haute densité d'intégration et la création de nouvelles pratiques d'imagerie fondées sur des transducteurs polyvalents. Dans ce contexte, les sondes sont devenues des réseaux de plusieurs centaines, voire<br />milliers, de transducteurs élémentaires, qui, d'une part, rendent les modèles unidimensionnels obsolètes, et, d'autre part, les modèles numériques trop lourds au premier abord. Lors de ces travaux de doctorat, nous avons élaboré de nouvelles stratégies de modélisation et de conception des sondes d'imagerie, fondées sur l'exploitation du caractère massivement périodique de telles structures.<br />Avec en ligne de mire les structures composites piézoélectriques qui constituent le coeur des sondes modernes, nous avons développé deux méthodes numériques complémentaires. La première est fondée sur une méthode éléments<br />finis / éléments de frontière (FEA/BEM) qui permet de tenir compte, d'une part de la périodicité de la structure, d'autre part des milieux de propagation dans lesquels la structure rayonne. La deuxième méthode repose sur un développement en ondes planes et permet l'analyse des structures composites avec une approche différente qui est celle des structures à bandes d'arrêt encore appelées cristaux phononiques. Cette deuxième approche nous amène à imaginer des motifs qui<br />diffèrent des classiques barreaux à section carrée et qui nécessitent d'explorer de nouvelles voies quant à la fabrication des composites. Des techniques de microsablage et d'usinage abrasif par ultrasons ont été testées en collaboration avec l'EPFL et le LCEP respectivement.<br />La flexibilité de la méthode dite FEA/BEM permet de simuler tous types de réseaux périodiques de transducteurs, en fournissant une analyse fine des phénomènes qui y prennent place et en offrant la capacité d'évaluer les effets de diaphonie entre les éléments du réseau. Cette démarche a été appliquée à une sonde commerciale 1-D, architecture qui constitue encore actuellement le quotidien des ingénieurs de conception, et à une architecture de type membranes<br />micro-usinées sur silicium, qui constitue une révolution conceptuelle dans le domaine de l'imagerie.

Nous présentons un système de délimitation morphologique des textes coréens par automates à états finis. Le Coréen est une langue agglutinante et notre système peut probablement être adapté aux autres langues agglutinantes à suffixes (hongrois, finnois, turc). Les textes coréens s'écrivent principalement avec l'alphabet Hangul qui est un ensemble de caractères syllabiques. Il est possible de les mélanger avec des idéogrammes et des caractères de l'alphabet latin. Nous utilisons le système de codage de caractères UNICODE dans lequel les syllabes coréennes sont rangées par ordre alphabétique. Pour certains traitements sur les syllable coréennes, nous décomposons chaque syllable en plusieurs caractères alphabétiques coréens. Les mots coréens reçoivent des affixes. Pour le nom, un mot peut avoir plusieurs suffixes sans compter les suffixes dérivés, le nombre maximal de combinaisons étant d'environ 1600. Notre première étape pour l'analyse des textes coréens est la description des morphèmes d'un mot pour le segmenter à l'aide des séparateurs : blanc et symboles. Et on segmente encore les segments en morphèmes. Pour pouvoir analyser les segments, nous construisons des dictionnaires de racines et de séquences de suffixes. Nous utilisons les transducteurs pour représenter les compatibilités entre des morphèmes : racines et suffixes avec l'interface graphique de UNITEX. Ils sont conçus de manière à être construits et maintenus manuellement. Notre méthode est fondée sur des ressources linguistiques alors que la plupart des systèmes d'analyse morphologique sont fondés sur des données statistiques. Nous intégrons automatiquement les dictionnaires de racines et les transducteurs des suffixes en un transducteur unique, qui remplit la fonction d'un dictionnaire. Le résultat de l'analyse d'un texte se présente sous la forme d'un automate pour rendre compte de l'ambiguité du découpage en morphèmes. Les transitions sont étiquetés par des morphèmes annotés d'informations linguistiques (forme canonique, forme fléchie et informations linguistiques).

Devant les difficultés rencontrées pour l'exploration de surfaces complexes, en particulier dans l'industrie nucléaire, le traducteur ultrasonore multiéléments conformable permet un contrôle non destructif de pièces à géométrie complexe 3D. Ce type de capteur est un réseau matriciel composé d'émetteurs indépendants moulés dans une résine mécaniquement souple. Une analyse vibratoire par éléments finis permet de définir la structure émettrice en piézocomposite 1-3, ce qui conduit à l'élaboration d'éléments émetteurs. L'étude expérimentale de ces dispositifs a mené au développement du modèle semi-analytique, pour prendre en compte les contraintes tangentielles calculées à l'interface entre l'émetteur et le milieu de propagation, par éléments finis. Ceci permet de visualiser quelques phénomènes liés au couplant fluide et améliore la prédiction du champ en ondes transverses. De là, un prototype du réseau conformable a été caractérisé en transmission et en échographie.

De nos jours, il n'est pas rare d'utiliser des logiciels capables d'avoir une conversation, d'interagir avec nous (systèmes questions/réponses pour les SAV, gestion d'interface ou simplement Intelligence Artificielle - IA - de discussion). Ceux-ci doivent comprendre le contexte ou réagir par mot-clefs, mais générer ensuite des réponses cohérentes, aussi bien au niveau du sens de la phrase (sémantique) que de la forme (syntaxe). Si les premières IA se contentaient de phrases toutes faites et réagissaient en fonction de mots-clefs, le processus s'est complexifié avec le temps. Pour améliorer celui-ci, il faut comprendre et étudier la construction des phrases. Nous nous focalisons sur la syntaxe et sa modélisation avec des grammaires catégorielles. L'idée est de pouvoir aussi bien générer des squelettes de phrases syntaxiquement correctes que vérifier l'appartenance d'une phrase à un langage, ici le français (il manque l'aspect sémantique). On note que les grammaires AB peuvent, à l'exception de certains phénomènes comme la quantification et l'extraction, servir de base pour la sémantique en extrayant des λ-termes. Nous couvrons aussi bien l'aspect d'extraction de grammaire à partir de corpus arborés que l'analyse de phrases. Pour ce faire, nous présentons deux méthodes d'extraction et une méthode d'analyse de phrases permettant de tester nos grammaires. La première méthode consiste en la création d'un transducteur d'arbres généralisé, qui transforme les arbres syntaxiques en arbres de dérivation d'une grammaire AB. Appliqué sur les corpus français que nous avons à notre disposition, il permet d'avoir une grammaire assez complète de la langue française, ainsi qu'un vaste lexique. Le transducteur, même s'il s'éloigne peu de la définition usuelle d'un transducteur descendant, a pour particularité d'offrir une nouvelle méthode d'écriture des règles de transduction, permettant une définition compacte de celles-ci. Nous transformons actuellement 92,5% des corpus en arbres de dérivation. Pour notre seconde méthode, nous utilisons un algorithme d'unification en guidant celui-ci avec une étape préliminaire de clustering, qui rassemble les mots en fonction de leur contexte dans la phrase. La comparaison avec les arbres extraits du transducteur donne des résultats encourageants avec 91,3% de similarité. Enfin, nous mettons en place une version probabiliste de l'algorithme CYK pour tester l'efficacité de nos grammaires en analyse de phrases. La couverture obtenue est entre 84,6% et 92,6%, en fonction de l'ensemble de phrases pris en entrée. Les probabilités, appliquées aussi bien sur le type des mots lorsque ceux-ci en ont plusieurs que sur les règles, permettent de sélectionner uniquement le "meilleur" arbre de dérivation.Tous nos logiciels sont disponibles au téléchargement sous licence GNU GPL.

L'observation spatiale exige l’utilisation de systèmes à très haute résolution avec de grandes dimensions. La conception de ces systèmes implique la détection et associe des systèmes d'actuation pour assurer un positionnement très stable de composants optiques. Toutefois, les matériaux actuellement utilisés pour l’actionnement piézoélectrique (PZT) montrent des propriétés fortement diminuées à très basse température. Ce travail explore les performances de composés piézoélectriques PMN-xPT à des températures cryogéniques. La dépendance en température des céramiques PMN-xPT est comparée à la dépendance thermique de PZT dur (PZT-4) et doux (PZT5H) sous forme de céramiques de la température ambiante à 10 K. Les compositions en PMN-PT de structure quadratique présentent des constantes piézoélectriques stables dans la plage de température 250 - 100 K. Les plus hautes valeurs de constantes piézoélectriques sont observées pour le composé PMN-38PT dans la gamme de température 200 à 50 K. Toutes les céramiques présentent des performances décroissantes en fonction de la température. Ce comportement est attribué à un «freezing out» des contributions extrinsèques du phénomène de piézoélectricité, mais est également dû à une contribution d’effets quantiques. Le facteur de qualité mécanique (Qm) augmente très rapidement à partir de 50 K pour tous les composés. Ceci pourrait être dû à de faibles processus de relaxation à très basses températures. Les transducteurs acoustiques actuels fonctionnent avec des céramiques à base de plomb, et plus particulièrement avec des céramiques PZT. Ce matériau a de fortes propriétés électromécaniques. Cependant à cause de la toxicité du plomb, nous devons trouver des composés sans plomb afin de remplacer le PZT. Dans ce travail de recherche, un oxyde mixte synthétisé par voie classique, (K, Na, Li) (Nb, Ta, Sb) O3 sous forme de céramiques est étudié. Ce composé possède d’excellentes densités (98% dth) et de bonnes propriétés électromécaniques à température ambiante. L’étude de la texturation de ce composé montre que par la méthode de coulage en bande, nous pouvons obtenir une certaine orientation des céramiques (60%). / Space borne observation requires extremely high resolution systems with large dimensions. The design of such systems implies associating sensing and actuation systems to insure a highly stable positioning of optical components. However, the currently used PZT materials for piezoelectric actuation show strongly diminished strain at cryogenic temperatures. This work explores the performances of PMN-xPT piezoelectric materials at cryogenic temperatures. Temperature dependence of PMN-xPT ceramics is compared with hard PZT (PZT-4) and soft PZT (PZT5H) ceramics from RT to 10 K. PMN-PT tetragonal compositions exhibit stable piezoelectric constant in the 250-100 K range. The highest values of piezoelectric constant are observed for PMN-38PT in the 200-50 K range. All ceramics exhibit decreasing performances versus cooling temperature. This behaviour is attributed to a “freezing out” of extrinsic contributions to piezoelectricity [12] but is also due to a contribution of quantum effects [13, 14]. The mechanical quality factor (Qm) increases very quickly from 50 K to 10 K for all samples. This fact could be due to low relaxation processes at very low temperatures. Today acoustic transducers operate with lead-based ceramics, and more particularly lead–zirconate–titanate (PZT). This material is very powerful thanks to these high electromechanical properties. However cause of lead toxicity we have to find new materials without lead in order to replace PZT. In this paper, main guidelines to develop lead-free ceramics are given specially for acoustic transducer. A conventional mixed oxide and carbonate route to synthesis (K,Na,Li)(Nb,Ta,Sb)O3 lead-free ceramics is presented. Excellent density (98% dth) and good electromechanical properties were observed at room temperature.

Les travaux présentés portent sur l'élaboration d'une paroi acoustique absorbante de faible épaisseur capable d'absorber des ondes acoustiques de basses fréquences (500 - 1500 Hz). Le bruit est en effet la première source de nuisances environnementales évoquée par le public. Cette gêne nécessite la mise en place de traitements acoustiques dans le but d'améliorer le confort. Cependant, dans certaines conditions, les contraintes portant sur l'encombrement des solutions absorbantes limitent fortement leur utilisation. En effet, de manière générale, plus les fréquences du son à atténuer sont basses plus les éléments à utiliser doivent être épais. La paroi acoustique absorbante conçue dans le cadre de cette thèse est basée sur un réseau de transducteurs électrodynamiques, réalisés en technologie MEMS. Ce type de paroi permet de contrôler l'absorption obtenue à partir de charges électriques adaptées, connectées aux bornes des transducteurs. Afin de dimensionner les différents éléments de cette paroi absorbante, un modèle analytique de l'absorption de la paroi prenant en compte le comportement des transducteurs électrodynamique utilisés ainsi que les couplages acoustiques entre les différentes sources qui sont particulièrement importants dans le domaine des basses fréquences, a été développé. Ce modèle a été validé par 2 moyens : i) des modélisations par éléments finis et ii) la mesure de l'absorption acoustique des prototypes réalisés, mesure obtenue pour deux types de transducteurs. L’une est basée sur des micro-haut-parleurs commerciaux, l'autre sur un transducteur miniature MEMS de dimensions similaires mais dont le rendement de conversion est d’un ordre de grandeur supérieur aux micro-haut-parleurs conventionnels. La modélisation analytique a montrée deux voies d'améliorations qui ont été entreprises, la première sur la suppression des courts-circuits présents au niveau du transducteur, la seconde sur l'optimisation du facteur de force permettant l'amélioration du rendement de conversion électro-mécanique. Les résultats d'absorption acoustique obtenus à partir des transducteurs MEMS montrent que la solution possède un réel intérêt dans le domaine des basses fréquences là où les solutions conventionnelles sont peu efficaces. / The work presented in this thesis focuses on the development of a sound absorbent thin solution able to absorb sound waves of low frequency (500 - 1500 Hz). Noise is, actually, the primary source of environmental pollution raised by the public. This discomfort requires the establishment of acoustic solutions in order to improve the acoustic comfort. However, under certain conditions, the thickness of absorbent solutions strongly limit their use. Indeed, in general, more frequencies are low more the acoustic solutions used must be thick. The sound absorption noise of the solution presented in this work is based on a network of miniature electrodynamic transducers controlled from appropriate electrical loads connected to the terminals of the transducers. An analytical model of the behavior of sound absorbing wall was developed. This model takes into account the behavior of electrodynamic transducers used and the acoustic coupling between the various sources that are particularly important in the area of low frequencies. This model has been validated by two means : i) finite element modeling and ii) measuring the absorption of acoustic prototypes. Two types of absorbent walls were made. One is based on commercial micro-speakers, the other on a miniature MEMS transducer of similar dimensions but the conversion efficiency is an order of magnitude greater than conventional micro-speakers. Analytical modeling has shown two ways of improvements that have been undertaken, the first on the removal of short circuits present at the transducer, the second on optimizing the force factor for improving the conversion efficiency of electro-mechanics. The results sound absorption obtained from the MEMS transducers show that the solution has a real interest in the low frequency range where conventional solutions are not very effective.