Thèse doctorat : Acoustique : Villeurbanne, INSA : 2003. / Les chapitres 3 et 4 sont rédigés en anglais. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 137-154.

Cette thèse d'habilitation synthétise les dix ans de recherche qui suivirent ma thèse de doctorat dans les domaines des paramètres physiques et de l'acoustique des milieux poreux et des interactions fluide/squelette. Ce mémoire est divisé en trois parties principales A, B et C correspondant aux trois principales périodes de ma carrière scientifique: la période entre 1994 et 1997 passée au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica de la K. U. Leuven en Belgique en collaboration avec le Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine au Mans, la période entre 1997 et 2003 passée à Bradford (UK) en tant que chercheur (1997-2000) et les trois années passées à Hull (UK) en tant que maître de conférences (2000-2003), et enfin la période 2003 jusqu'à la date présente passée à nouveau au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica. <br /><br /> La première partie de ce mémoire est consacrée aux paramètres physiques des milieux poreux et à leur caractérisation. Suite aux travaux théoriques importants de Biot qui fut un pionnier dans le domaine, la propagation acoustique dans les milieux poreux saturés de fluide est maintenant relativement bien connue grâce aux nombreuses contributions depuis les années 1970-80 d'une communauté scientifique assez large. Cependant, l'une des difficultés majeures rencontrées dans la pratique était l'absence d'information sur certains paramètres définis dans le domaine des hautes fréquences de Biot, dans les modèles les plus élaborés. Les hautes fréquences de Biot sont telles que l'épaisseur de peau visqueuse des ondes est petite devant les dimensions caractéristiques des pores mais ces fréquences demeurent inférieures aux basses fréquences des modèles de diffusion de sorte que les longueurs d'ondes restent très grandes devant les dimensions des hétérogénéités (diffuseurs). Dans ce contexte, notre principale contribution fut la proposition de méthodes originales basées sur la propagation d'ultrasons aériens ou dans un gaz saturant le matériau poreux pour la mesure de la tortuosité et des longueurs caractéristiques visqueuse et thermique. Ces recherches ont donné lieu à plusieurs thèses de doctorat conduites à Leuven et au Mans, en particulier, la thèse de Luc Kelders soutenue à la K. U. Leuven en 1998. Les autres faits et résultats marquants de ces recherches sont :<br /> - la caractérisation complète pour la première fois grâce à ces expériences, de certains matériaux jusqu'alors inconnus.<br /> - la réalisation d'un banc de mesure ultrasonore pour la mesure des paramètres haute fréquence. Le dispositif est maintenant couramment utilisé à la demande d'industriels et a été installé dans plusieurs laboratoires, notamment au Japon.<br /> - la réponse à une question sur l'origine de l'excès d'atténuation observé à haute fréquence et non prédit par les modèles basés sur la théorie de Biot. Dans la plupart des matériaux utilisés en acoustique, cet excès d'atténuation est dû à la diffusion, lorsque les longueurs d'ondes ne peuvent plus être considérées comme grandes devant les dimensions des hétérogénéités. Dans ce cas, les modèles basés sur des phases effectives ne sont plus valables et doivent faire place aux modèles de diffusion.<br /><br /> Les recherches sur la caractérisation des paramètres physiques des milieux poreux et sur les relations entre ces paramètres continuent. Récemment, des recherches ont été entreprises par Z. E. A. Fellah, C. Depollier au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica à Leuven et au Laboratoire d'acoustique de l'Université du Maine et une nouvelle méthode basée sur la réflexion des ondes ultrasonores a été développée dans le but d'augmenter le domaine d'applicabilité des méthodes ultrasonores.<br /><br /> Une approche temporelle des signaux ultrasonores transitoires transmis et réfléchis dans les couches poreuses a été proposée par ces auteurs et de nouvelles méthodes sont en cours d'étude pour la caractérisation de matériaux inhomogènes. Un certain nombre de ces méthodes sont basées sur des résultats établis en électromagnétisme. La partie B de ce mémoire étudie l'influence des paramètres physiques des milieux poreux sur les vibrations de plaques poreuses et les interactions fluide/squelette. Un modèle analytique de la vibration en flexion de plaques poreuses basé sur l'application de la théorie classique des plaques minces et la poroélasticité de Biot a été proposée. Ce problème n'a que très peu été étudié analytiquement. La raison principale en est sans doute la grande puissance et la flexibilité du traitement numérique de ce type de problème. Quel peut être l'intérêt de ce genre d'étude analytique, confinée à des géométries simples éloignées des situations réelles lorsque des problèmes plus complexes peuvent être résolus numériquement? Le but principal de cette étude a été de mieux comprendre l'influence des paramètres physiques définis dans la partie A sur les caractéristiques de la vibration. Ici, un intérêt particulier est porté sur la physique des interactions entre la phase solide et la phase fluide au cours de la vibration. La thèse de doctorat de M. J. Swift soutenue à l'Université de Bradford en 2000 à été consacrée à la fabrication et à l'étude des propriétés physiques et acoustiques de matériaux recyclés. Durant ces recherches, un procédé de fabrication de plaques poreuses minces, absorbantes et relativement rigides a été développé. Les matériaux produits ont été caractérisés et étudiés expérimentalement en vibration. Le procédé a fait l'objet d'un brevet et a permis la création d'une entreprise satellite (spin off) à l'université de Bradford. Les avancées qui ont résulté de ces recherches furent : <br /> - la proposition d'un modèle analytique de la vibration en flexion d'une plaque poreuse mince relativement rigide saturée par un fluide. Le modèle est valable pour des matériaux relativement rigides lorsque les longueurs d'onde acoustiques sont plus grandes que l'épaisseur de la plaque, ce qui est souvent le cas.<br /> - la proposition d'une formule analytique approchée donnant les fréquences de résonances de la plaque en fonction des paramètres physiques du matériau et des conditions de bord.<br /> - l'étude détaillée de l'influence de la porosité, de la tortuosité et de la perméabilité sur les fréquences de résonance et sur l'amortissement. On trouve que les fréquences de résonance augmentent avec la porosité et la perméabilité, et diminuent lorsque la tortuosité augmente alors que l'amortissement augmente avec la porosité, diminue lorsque la tortuosité augmente et atteint un maximum en fonction de la perméabilité à une fréquence caractéristique du milieu poreux<br /> - la découverte d'une fréquence d'amortissement maximal de la plaque vibrante liée aux propriétés du matériau (porosité, tortuosité et perméabilité). Cette fréquence est donnée par la fréquence caractéristique de Biot divisée par la tortuosité.<br /> <br /> Le modèle rend compte de la réponse élastique instantanée de la plaque et du mouvement relatif entre le solide et le fluide. Il inclut l'amortissement structural (lié aux parties imaginaires du module d'Young et du coefficient de Poisson) et aussi les pertes par friction visqueuse, entre le solide et le fluide. Des renseignements qualitatifs ont été obtenus lors de l'étude de l'influence de la tortuosité et de la perméabilité. Ainsi, les résonances de plaques poreuses sont fortement liées à l'existence de forces d'inertie et de forces de friction. Ces forces sont associées aux échanges de quantité de mouvement et aux mouvements relatifs entre le solide et le fluide. Il apparaît que des variations des forces d'inertie sont accompagnées par des variations inverses des forces de friction. Nous pensons que ces renseignements sont importants et qu'une bonne compréhension des phénomènes physiques accompagnant les vibrations peut certainement contribuer à une bonne formulation numérique des vibrations de structures complexes incluant des matériaux poreux. La dernière partie de ce mémoire traite de la propagation d'ondes guidées dans des couches poreuses et dans des matériaux mous pour la caractérisation de leurs propriétés élastiques et viscoélastiques. <br /><br /> Cette étude apporte une contribution à la détermination des propriétés mécaniques du squelette solide et complète l'étude des paramètres physiques des milieux poreux. L'un des avantages de la propagation guidée pour l'étude de matériaux fortement atténuants est qu'elle permet de concentrer l'énergie dans l'épaisseur d'une couche. Quant aux ondes stationnaires, elles permettent non seulement de concentrer l'énergie à une fréquence donnée mais aussi de travailler avec des plaques dont les dimensions sont finies (par rapport aux longueurs d'onde). Ces travaux, aussi bien expérimentaux que théoriques, font suite à des travaux d'Allard sur la propagation d'ondes de Rayleigh dans des matériaux poreux pour la détermination du module de cisaillement à haute fréquence. L'idée est de faire la jonction entre les méthodes vibratoires classiques de mesure à basse fréquence des modules élastiques et la méthode basée sur l'onde de Rayleigh dans le but de caractériser des matériaux mous dans un large domaine de fréquences. Une partie importante de la thèse de doctorat de L. Boeckx soutenue en février 2005 est consacrée à ce sujet. La principale difficulté rencontrée fut la génération et la détection d'ondes guidées dans ce type de matériau très atténuant et dans le même temps très dispersif à certaines fréquences. Des résultats dignes d'intérêt dans cette étude sont certainement :<br /> - la proposition d'une méthode d'excitation et de détection d'ondes guidées dans des matériaux très atténuants basée sur l'établissement d'ondes stationnaires dans le matériau, l'idée étant d'exciter le matériau mou avec une sinusoïde continue dans le but de maximiser l'énergie appliquée à une fréquence donnée.<br /> - l'observation pour la première fois de plusieurs modes guidés dans de la matière très molle tels que les modes A0, S0 et A1 dans une couche de mousse polyuréthane hautement poreuse montée dans les conditions de Lamb. la détermination des courbes de dispersion expérimentales à partir du tracé du profil d'ondes stationnaires et de la transformée de Fourier spatiale de ce profil fournissant les périodicités spatiales des différents modes susceptibles de se propager à une fréquence donnée.<br /> - la caractérisation des propriétés élastiques et viscoélastiques de mousses polyuréthane dans un domaine de fréquences compris entre 50 Hz et 4 kHz, typiquement.<br /> - la description théorique faisant intervenir la théorie des modes guidés et les équations de la poroélasticité dans des couches de matériau placées dans différentes configurations.<br /> - la prédiction de l'existence de deux familles de modes guidés dans les couches poreuses et la confirmation de l'existence de modes symétriques et antisymétriques lorsqu'une couche poreuse est placée dans les conditions de Lamb où les fluides environnant les deux faces de la couche sont les mêmes.<br /><br /> Suite à ces travaux et en application de cette technique de détection d'ondes guidées, des recherches sur les propriétés mécaniques de matériaux mous tel que des gels, du caoutchouc ou des films de liquide très visqueux appliqués sur un substrat rigide ont débuté au Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica. Une collaboration avec l'ECIME de l'université de Cergy Pontoise vise à caractériser la transition liquide-solide de milieux gélifs tels que du yaourt. Des gels synthétiques ou biologiques affichent des propriétés acoustiques étonnantes qui demandent à être étudiées plus précisément. Une autre étude est en actuellement en cours en collaboration avec l'Université du Maine sur la propagation d'ondes de surface et d'ondes guidées dans des milieux granulaires et des sables. D'autres perspectives de recherche font intervenir le banc ultrasonore développé à Leuven et au Mans. Il existe par exemple un intérêt particulier pour le vieillissement de la mie de pain, un milieu poreux bien connu et apprécié.

La conception des sondes ultrasonores pour l’imagerie médicale est traditionnellement basée sur l’utilisation de matériaux piézoélectriques. Depuis quelques années, est apparue la technologie des CMUTs, (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). Ces microsystèmes électromécaniques se présentent comme une alternative attractive à la piézoélectricité, offrant la possibilité d’explorer de nouveaux designs de sonde, et d’expérimenter de nouveaux modes d’imagerie. Ce travail s’inscrit dans une dynamique de développement et d’évaluation des sondes CMUTs, de la modélisation à la démonstration par l’image. Des transducteurs multi-éléments CMUTs ont ainsi été conçus, et des prototypes de sondes d’échographie finalisés ont pu être réalisés, ce en adaptant les développements à la transduction capacitive et aux systèmes d’imagerie conventionnels. Leurs comportements électroacoustiques et acoustiques ont été étudiés et comparés à des sondes standards. Finalement, des démonstrations par l’image ont été apportées, et les points forts de cette technologie pour l’imagerie médicale ont pu être établis. / Fabrication of ultrasound probes for medical imaging conventionally exploits piezoelectric based materials. CMUTs technology (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers) has emerged about a decade ago. These electromechanical micro-systems are presented as an alternative transduction mode, and gives new opportunities for probe design and novel imaging techniques. This dissertation aims to develop and review CMUTs probes for ultrasound imaging, from modeling to imaging demonstration. Multi-elements transducers with CMUT technology have been thus developed, and ultrasound probes were successfully achieved. Developments have been carried out, taking care of both capacitive transduction and standard ultrasound systems. Electro-acoustic and acoustic behavior were evaluated and compared to the state of the art piezoelectric probes. Finally, quantitative imaging assessments have been performed and have pointed out the strengths of CMUT technology for ultrasound imaging

L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension de l'interaction entre des sollicitations de haute fréquence tangentielles et le déclenchement du glissement macroscopique, ainsi que la dynamique frictionnelle subséquente. Le travail est basé sur une approche expérimentale permettant d'étudier, à des fréquences ultrasonores, les propriétés élastiques et dissipatives de contacts sphère-plan en régime linéaire et non-linéaire. La méthode consiste à mesurer les caractéristiques de la résonance d'un piezoélectrique (fréquence de résonance et facteur de qualité) modifiées par l'établissement d'un contact mécanique. Le seuil de glissement est ajusté par le contrôle de la nature moléculaire de l'interface frictionnelle, constituée de films nanométriques greffés ou déposés par spin-coating. Nous commençons par étudier les propriétés physiques et mécaniques en régime linéaire de ces interfaces contrôlées. Ensuite, nous évaluons l'influence de l'amplitude des oscillations sur le l'angle de repos d'une sonde placée sur un plan incliné. Lorsque l'amplitude augmente, le seuil de glissement est abaissé quelle que soit la polarisation des oscillations. L'effet des vibrations est de diminuer la surface effective sur laquelle est appliquée la contrainte seuil statique, ce qui diminue la force seuil. Nous discutons de ces résultats à l'aide interprétation basée sur l'énergie vibratoire, qui jouerait un rôle proche d'une température effective dans un diagramme de « jamming ».Ensuite, nous étudions le comportement de contacts sphère-plan à de très hautes amplitudes oscillatoires. Nous observons un régime micro-glissement partiel au cours duquel le comportement du contact oscille entre micro-glissement partiel et total. Aux plus hautes amplitudes, les oscillations provoquent une fracture interfaciale et le rayon de contact diminue. Enfin, l'application d'oscillations tangentielles augmente la vitesse de glissement d'un patin soumis à une force constante. Dans le cas d'un film interfacial macromoléculaire, nous discutons des diverses interprétations possibles aux échelles microscopiques / The aim of this work is to bring new insights to the understanding of the interaction between high frequency tangential vibrations and the macroscopic triggering of sliding, as well as the subsequent frictional dynamics. This experimental work is based on a method that allows studying, at ultrasonic frequencies, the elastic and dissipative characteristics of sphere-plane contacts, in linear and non-linear regimes. The method relies on the measurement of the resonance frequency and the quality factor of a quartz, which are modified by the mechanical contact with a probe. The sliding threshold is adjusted by the control of the molecular nature of the frictional interface, which can be either grafted or spin-coated onto the quartz. We first characterize the physical and mechanical properties of the various interfaces in the linear regime. Then, we study the effects of the oscillation amplitude on the angle of repose of the probe in contact with the quartz which is grafted with monolayers of high and low adhesion energy. When the oscillation amplitude increases, the angle of repose decreases whatever the polarisation of the vibrations. The vibrations shall decrease the effective surface area on which the static stress applies, which decreases the static force at the threshold. We discuss the results within the framework of the Mindlin model, which suggests that the oscillatory energy could play the role of an effective temperature in a jamming diagram. In the last part of the work, we study the response of the mechanical contact at very high amplitudes. We observe a micro-slip regime beyond the Mindlin limit, where the behaviour of the contact oscillates between partial and full microslip, leading eventually to interfacial fracture. When the probe is sliding on the incline at constant velocity, the high frequency vibrations increase the sliding velocity. In the case of a macromolecular interfacial film, we propose a possible explanation for this effect, based on a mechanism at the local scale

Les produits de contraste ultrasonore ont considérablement fait évoluer la pratique de l’imagerie échographique. Composés de microbulles de gaz, capables de circuler dans le sang, ils ont facilité la visualisation de la perfusion tissulaire et le diagnostic de tumeurs cancéreuses. L’efficacité d’un agent de contraste se définit par sa capacité à rehausser le signal ultrasonore. La lecture de ce signal a nécessité la mise en place de séquences d’imagerie spécifiques, lesquelles exploitent les composantes non linéaires émises par les microbulles, et plus particulièrement le second harmonique. Néanmoins, l’exploitation du second harmonique pâtit de la propagation non linéaire des ultrasons dans les tissus, réduisant ainsi la discrimination entre les tissus et les zones pathologiques. Depuis quelques années, différents groupes de recherche tentent d’isoler d’autres harmoniques. La composante sous-harmonique apparaît comme une alternative intéressante et offrent de nombreux avantages : parmi ceux-ci, notons tout particulièrement la moindre atténuation du signal et l’absence de génération de composantes sous-harmoniques par propagation non linéaire. / No summary available.

Une analyse numérique basée sur la méthode des éléments finis permettant de quantifier les coefficients d'atténuation et de diffusion ultrasonores dans un polycristal en domaine temporel et fréquentiel est présentée. En particulier, une méthode originale basée sur le théorème de réciprocité pour l'évaluation numérique du coefficient de diffusion est proposée. Des formules analytiques bidimensionnelles (2D) pour les coefficients d'atténuation ultrasonore et de rétrodiffusion sont développées en utilisant l'approximation de Born pour valider les évaluations numériques. L'approche numérique proposée est appliquée au titanium, un polycristal monophasé et non texturé. Premièrement, des simulations sont effectuées dans des microstructures idéalisées composées de grains en taille unimodale. Une comparaison cohérente entre les évaluations numériques et les prédictions analytiques 2D est obtenue. Par ailleurs, les effets de l'atténuation induite par la diffusion multiple sur la mesure de rétrodiffusion, qui sont négligés par les modèles théoriques, sont quantifiés. Deuxièmement, l'approche numérique proposée est appliquée aux polycristaux composés de grains en taille bimodale. Les résultats numériques indiquent que les coefficients d'atténuation et de rétrodiffusion en domaine fréquentiel se situent au milieu des coefficients pour les microstructures unimodales et sont principalement déterminés par les fractions volumiques des grains constitutifs. Cependant, ils ne sont que légèrement affectés par la répartition des gros grains. Une étude de la fonction d'autocorrélation spatiale dans des telles microstructures bimodales est proposée afin d’obtenir une interprétation analytique des phénomènes expérimentés numériquement. / A numerical approach based on the finite element method to quantify ultrasonic attenuation and grain-noise scattering coefficients in both time and frequency domains for polycrystalline materials is presented. More particularly, an original method based on the reciprocity theorem for the numerical evaluation of the grain-noise scattering coefficient is proposed. Twodimensional (2D) analytical formulas of ultrasonic attenuation and backscattering coefficients are developed by using the Born approximation to validate numerical evaluations. Then the proposed numerical approach is applied to the single-phase and untextured polycrystalline titanium. Firstly, 2D FE simulations are performed in idealized microstructures composed of equiaxed grains with different unimodal grain sizes. Coherent comparison between numerical estimates and 2D analytical predictions is obtained. Effects of attenuation due to multiple scattering on the backscattering measurement, which are neglected in the theoretical model, are quantified. Secondly, polycrystals with bimodal grain sizes are considered. Numerical results indicate that attenuation and backscattering coefficients in bimodal microstructures are inbetween the ones of unimodal microstructures and are mainly determined by volume fractions of the constituent grains. However they are only slightly affected by the grain location distributions. The spatial autocorrelation function in bimodal microstructures is further quantified to gain an analytical interpretation of the above phenomena.

Cette thèse concerne le développement d'un cadre de contrôle robotique pour l'élastographie ultrasonore quantitative. L'élastographie ultrasonore est une technique qui dévoile les paramètres élastiques du tissu qui sont généralement liés à une pathologie. Cette thèse propose trois nouvelles approches robotiques différentes pour pour assister la procédure d'élastographie. La première approche concerne le contrôle d'un robot actionnant une sonde à ultrasons pour effectuer un mouvement de palpation nécessaire pour l'élastographie par ultrasons. L'élasticité du tissu est utilisée pour concevoir une loi d'asservissement afin de maintenir un tissu d'intérêt rigide dans le champ de vision de la sonde ultrasonore. De plus, l'orientation de la sonde est contrôlée par un utilisateur humain pour explorer différentes vues du tissu pendant que l'élastographie est effectuée. La seconde approche exploite le recalage d'images déformables avec des images ultrasonores pour estimer l'élasticité tissulaire et aider à la compensation automatique par asservissement visuel ultrasonore d'un mouvement introduit dans le tissu. La troisième approche offre une méthodologie pour ressentir l'élasticité du tissu en déplaçant une sonde virtuelle dans l'image ultrasonore avec un dispositif haptique pendant que le robot effectue un mouvement de palpation. Les résultats expérimentaux des trois approches robotiques obtenus sur des fantômes constitués de tissus démontrent l'efficacité des méthodes proposées et ouvre des perspectives intéressantes pour l'élastographie ultrasonore assistée par robot. / This thesis concerns the development of a robotic control framework for quantitative ultrasound elastography. Ultrasound elastography is a technology that unveils elastic parameters of a tissue, which are commonly related with certain pathologies. This thesis proposes three novel robotic approaches to assist examiners with elastography. The first approach deals with the control of a robot actuating an ultrasound probe to perform palpation motion required for ultrasound elastography. The elasticity of the tissue is used to design a servo control law to keep a stiff tissue of interest in the field of view of the ultrasound probe. Additionally, the orientation of the probe is controlled by a human user to explore other tissue while elastography is performed. The second approach exploits deformable image registration of ultrasound images to estimate the tissue elasticity and to help in the automatic compensation by ultrasound visual servoing of a motion introduced into the tissue. The third approach offers a methodology to feel the elasticity of the tissue by moving a virtual probe in the ultrasound image with a haptic device while the robot is performing palpation motion. Experimental results of the three robotic approaches over phantoms with tissue-like offer an excellent perspective for robotic-assistance for ultrasound elastography.

L’objectif de cette thèse est proposer des méthodes de traitement des signaux ultrasonores pour améliorer le calcul des vitesses d’écoulements transitoires à l’intérieur des conduites en mode non intrusive et en conditions complexes de mesure. Par conditions complexes nous entendons des fortes et, respectivement, des basses vitesses d’écoulement ainsi que des mesures en contexte d’un écoulement transitoire ou turbulent. Classiquement, la vitesse de l’écoulement d’un fluide peut être estimée, de manière non intrusive, avec des ultrasons par le biais des débitmètres à temps de transit. Les débitmètres à temps de transit conventionnels sont basés sur l’émission alternée des pulses acoustiques mono-fréquentielles (donc, à bande étroite) et le calcul de la différence absolue entre les temps de vol dans le sens de l’écoulement (direct) et le sens opposé (inverse). La vitesse du fluide (et le débit), ou plutôt la précision de ces grandeurs, reposent principalement sur l’estimation de cette différence. La partie sensible de cette technique est le choix du seuil (en admettant que le signal reçu n’est pas affecté par d’autres phénomènes comme des échos parasites, atténuation excessive ou des effets Doppler) déterminé principalement de façon empirique: au-dessus de 50% ou 80% de la valeur maximale attendue du signal. Des techniques pour automatiser et réduire l’erreur de mesure sont tout à fait envisageables et qui assurent une précision acceptable dans des conditions de mesure presque idéales. Néanmoins, hormis les cas des figures ayant des conditions de mesure idéalisées, il existe plusieurs scénarii où les techniques actuelles sont déficitaires: le désalignement des capteurs, une vitesse d’écoulement trop forte qui conduit à l’effet «flow blow», les écoulements bi-phasiques et/ou la présence de l’effet Doppler. Ces constats, présentés dans le deuxième chapitre du manuscrit, nous ont conduit à envisager, dans le cadre de cette thèse, des axes de recherche qui ont pour objectif commun de fournir les outils de traitement du signal capables de lever les verrous opérationnels. Ainsi, les principes de traitement du signal envisagés pour répondre à cet objectif sont: le principe des signaux à large bande qui confère au système de traitement du signal une résolution plus fine et une meilleure robustesse aux perturbations; le concept de compressive sensing afin de reconstruire les échantillons perdus suite aux interférences au point de réception; le principe de formation de voie et le principe des multi-cordes qui permet d’évaluer le profil de vitesse dans une section de la conduite. / The purpose of this thesis is to propose ultrasonic signal processing methods in order to improve the transitory flow velocity non-intrusive detection through pipes, in complex measurement conditions. By complex measurement conditions, we refer to high or very low flow rates and also to transitory or turbulent flows. Usually, the flow velocity can be non-intrusive estimated, using ultrasonic flow meters based on transit time estimation. Conventional transit time flowmeters are based on the alternating emission of single-frequency acoustic pulses (ie, narrow-band acoustic pulses) and the calculation of the absolute difference between flight times in the direction of flow (direct) and in the opposite direction (reverse). The fluid velocity (and the flow rate), or rather the precision of estimation of these quantities, rest mainly on the estimation of this difference. The sensitive part of this technique is the choice of the threshold (assuming that the received signal is not affected by other phenomena such as echoes, excessive attenuation or Doppler effects) determined mainly empirically: above 50% or 80% of the maximum expected value of the signal. Techniques for reducing measurement errors are quite conceivable and provide acceptable accuracy under almost ideal measurement conditions. However, apart from the case with idealized measurement conditions, there are several scenarios where current techniques are deficient: sensor misalignment, excessive flow velocity which leads to the “flow blow” effect, two-phase flow and / or the presence of the Doppler effect. These facts, presented in the second chapter of the manuscript, led us to consider, within the framework of this thesis, research axes whose common objective are to provide the signal processing tools capable of lifting the operational locks. Thus, the signal processing principles considered to meet this objective are: the principle of wide-band signals which gives the signal processing system a finer resolution and better robustness to disturbances; the concept of compressing sensing in order to reconstruct the missing samples due to interference at the reception point; the principle of beamforming and the principle of multi-paths which makes it possible to evaluate the velocity profile in a pipe section.

Les arbres urbains jouent un rôle écologique, sanitaire et esthétique majeur dans les villes modernes. L’évaluation des risques associés aux arbres dans les villes est essentiellement visuelle, alors que l'ampleur des dégâts internes et le danger associé ne peuvent pas être évalués avec précision par la seule observation. La tomographie par ultrasons pour la détection de la décomposition du bois dans les arbres vivants a été évaluée dans plusieurs études ; les auteurs ont indiqué que cette technique est appropriée pour l’évaluation de la qualité des arbres sur pied. Cependant, cette technique telle qu’utilisée actuellement présente quelques inconvénients : l'effet de l’anisotropie du bois dans la reconstruction de l’image n’est pas pris en compte (l’image obtenue est biaisée) ; la mesure de la vitesse de propagation est imprécise (nécessité de répéter les essais). Afin d’améliorer la tomographie par ultrasons, il est nécessaire de prendre en compte la complexité du matériau bois et de développer des techniques de traitement du signal et de reconstruction d'image adaptées à cette complexité.Une étude a été réalisée pour déterminer les paramètres du signal ultrasonore d'excitation, tels que la forme, la durée et la réponse en fréquence ; puis pour sélectionner une technique de détermination du TOF. Parmi toutes les configurations, celle qui présentait le moins de variations sur les mesures de TOF était la combinaison d’un signal « chirp » (signal modulé en fréquence autour d’une fréquence porteuse) avec la méthode de corrélation croisée.Un modèle numérique a ensuite été développé, avec l’équation de Christoffel, pour simuler la propagation des ondes dans le bois et déterminer le temps de propagation (TOF) de l’onde. La méthode de « raytracing » a été utilisée pour ce modèle. L'anisotropie dans le plan radial-tangentiel du bois modifie la forme des fronts d'onde par rapport au cas d’un matériau isotrope. Les rayons entre émetteur et récepteur sont courbes. Afin de comparer et de valider les résultats obtenus avec l'approche « raytracing », la méthode des éléments finis (FEM) a été utilisée pour modéliser la propagation des ondes élastiques dans le bois. Le modèle FEM a abouti à des estimations des TOF très proches de celles obtenues avec l'approche « raytracing ». Une validation expérimentale du modèle « raytracing » a été effectuée sur des disques de deux essences. Des défauts dans le tronc ont été créés en perçant des trous. Ces défauts ont été testés dans deux positions (centrée et excentrée). Les expériences réalisées ont permis d’obtenir des profils de temps de propagation similaires à ceux obtenus par le modèle numérique.Une méthode de reconstruction d'image tomographique 2D adaptée au bois a été développée. La méthode proposée prend en compte l'orthotropie locale du matériau avec une géométrie cylindrique ; c’est un processus itératif qui reconstruit à la fois les rayons de propagation et les propriétés intrinsèques locales du matériau. Quatre configurations numériques ont été testées représentant des cas réels généralement rencontrés sur le terrain. Les images reconstruites utilisant la méthode proposée ont été comparées à la méthode de reconstruction classique avec l’hypothèse d’isotropie (FBP, rayons droits). La comparaison des images obtenues a mis en évidence une identification et une quantification plus détaillées de l'état interne du tronc avec la méthode proposée. La méthode d'inversion proposée a ensuite été testée expérimentalement sur des échantillons de bois de deux essences pour trois configurations différentes : un cas sain, avec défaut centré et avec un défaut excentré. Comme pour la validation numérique, la méthode développée a permis d'obtenir une représentation plus précise des défauts par rapport à une reconstruction classique par rayons droits, en particulier dans le cas de défauts centrés. / The tree plays a major ecological role in modern cities. The management of the plants is the subject of requests from urban operators: the diagnosis is essentially visual, even when the extent of internal damage and the associated hazard cannot be precisely evaluated by simple observation. Ultrasonic imaging methods allow answering biological questions related to the adaptation of the tree to exogenous constraints, such as pathogenic attacks, presence, and type of internal damages, the extent of degraded or traumatized areas. The major scientific issues are linked to the image production (reconstruction of the intrinsic parameter from a set of measurements) and to the image interpretation (discrimination for detection of alterations and its positioning). The overall aim of this thesis was to develop an ultrasonic imaging method for the diagnosis of the internal condition of urban trees. The scientific objectives were to develop numerical models to study the factors of influence on the propagation of ultrasonic waves in the cross-section of a tree and to propose an image reconstruction solution, suited for orthotropic materials, allowing the discrimination and positioning of decay.Initially, to set-up the ultrasonic chain of measurement, a comparative experimental study was done to choose the excitation signal parameters, such as shape, temporal duration, and frequency response, and then the choice of a suitable time-of-flight determination technique. Then, we were concerned on evaluating the influence of the orthotropic condition of wood on the propagation of ultrasonic waves, by performing a time-of-flight (TOF) estimation using a raytracing approach, a method used in the field of exploration seismography to simulate wavefronts in elastic media. The anisotropy of wood in the radial-tangential plane influenced the wave velocity depending on the direction of propagation, that led to deformed wavefronts compared to the perfectly circular wavefronts for an isotropic case. The paths from each receiver to the transmitter in the wood presented a curvature, therefore the trajectories differed from the straight-line distance obtained for an isotropic case. A numerical comparison was made using the Finite Elements Method (FEM); the TOF estimates and wavefronts agreed with those of the raytracing approach. A similar experimental validation was performed. Wood sections from two species were tested. Defects in the wood were simulated by drilling holes. The shape of TOF curves computed using the raytracing algorithm and those obtained from the experiments were in good agreement.Then, we were interested in the influence of the wood orthotropic condition on the tomography image reconstruction process (inverse problem) and how it should be adapted to the standing tree constraints. For wood, the ray paths between the ultrasonic transmitter and the receivers are not straight as for isotropic media; therefore, the image reconstruction method should be adapted to deal with curved rays. The proposed method considers the orthotropy property of wood material, performing an iterative process that approximated the curved rays. Initially, four numerical configurations were tested representing real cases usually found in standing tree monitoring. The reconstructed images using the proposed method were compared with a straight-ray reconstruction method, highlighting a more detailed identification and quantification of the inner state of the anisotropic structure of the trunk. Then, the inversion procedure was tested using wood samples from two species for three different configurations: a healthy case, a centered defect case, and an off-centered defect case. As for the numerical study, the proposed method resulted in a more accurate defect representation when compared to a straight-ray reconstruction, especially for the case of centered defects.

Les agents de contraste ultrasonore (ACU) sont des microbulles de gaz contenues dans une enveloppe biocompatible. Injectés par voie intraveineuse, ils permettent d'améliorer le contraste échographique. La mise au point de nouvelles techniques d'imagerie utilisant les ACU nécessite une connaissance fine de leur comportement dynamique. Un état de l'art comparatif des modèles théoriques, illustrés de résultats numériques, a motivé une étude du caractère non linéaire des équations de Rayleigh-Plesset, Hoff, et Marmottant. Les courbes amplitude-fréquence, obtenues à l'aide du logiciel MANLAB suite à la mise sous forme quadratique des équations, révèlent le caractère mollissant d'un ACU et permettent de quantifier l'influence de l'amortissement visqueux et de l'amplitude de l'excitation acoustique sur la réponse d'un ACU. Un modèle éléments finis (COMSOL MultiphysicsTM) est ensuite proposé pour évaluer la fréquence de résonance d'un ACU (dont l'enveloppe est modélisée par un corps viscoélastique) placé soit dans un milieu fluide infini, soit dans un milieu fluide semi-infini (présence d'une paroi rigide). Les résultats obtenus en milieu infini sont en accord avec ceux issus des modèles théoriques, validant ainsi le modèle numérique. Des études paramétriques ont été effectuées afin d'étudier l'influence du rayon de l'objet et des paramètres de l'enveloppe sur la fréquence de résonance. En présence d'une paroi, il a été mis en évidence que plus l'ACU est proche de celle-ci, plus sa fréquence de résonance diminue. Ce comportement est confirmé par les résultats expérimentaux parus récemment dans la littérature.