La génération et détection des ultrasons

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Source d’énergie ou d’illumination

Tout processus de télédétection nécessite une source d’énergie pour illuminer la cible [6].

Rayonnement et le milieu de la cible

Durant son parcours entre la source d’énergie et la cible, le rayonnement interagit avec le milieu.
Une seconde interaction se produit lors du trajet entre la cible et le capteur.

Interaction avec la cible

Une fois parvenue à la cible, l’énergie interagit avec la surface de celle-ci. La nature de cette interaction dépend des caractéristiques du rayonnement et des propriétés de la surface.

Enregistrement de l’énergie par le capteur

Une fois l’énergie diffusée ou émise par la cible, elle doit être captée à distance (par un capteur qui n’est pas en contact avec la cible) pour être enfin enregistrée.

Transmission, réception et traitement

L’énergie enregistrée par le capteur est transmise, souvent par des moyens électroniques, à une station de réception où l’information est transformée en images.

Interprétation et analyse

Une interprétation visuelle et/ou numérique de l’image traitée est ensuite nécessaire pour extraire l’information que l’on désire obtenir sur la cible.

Application

La dernière étape du processus consiste à utiliser l’information extraite de l’image pour mieux comprendre la cible, pour nous en faire découvrir de nouveaux aspects ou pour aider à résoudre un problème particulier [6].
Ces sept étapes couvrent le processus de la télédétection, du début à la fin [7]. 1.3. Propriétés physiques du rayonnement.

Le rayonnement

Premièrement, une source d’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique est nécessaire pour illuminer la cible, à moins que la cible ne produise elle-même cette énergie [6].
Le rayonnement électromagnétique est une forme de propagation de l’énergie dans la nature, dont la forme qui nous est la plus familière est la lumière visible telle que la perçoit l’oeil humain. Historiquement, la physique spécialisée dans l’étude du rayonnement (optique) est née de l’étude de la propagation de la lumière et de ses interactions avec les matériaux (optique géométrique). Le rayonnement a été ensuite reconnu par les physiciens comme un phénomène ondulatoire, en relation avec l’électricité et le magnétisme (optique électromagnétique) ; cette perspective a permis d’étendre considérablement le champ des connaissances sur le spectre du rayonnement électromagnétique, bien au-delà de la lumière visible.
Enfin, la physique moderne a montré que le rayonnement électromagnétique pouvait également être considéré comme un déplacement de particules élémentaires représentant une quantité d’énergie (optique énergétique et quantique) [4].
Une onde électromagnétique correspond à la vibration simultanée dans l’espace d’un champ électrique et d’un champ magnétique.
Une onde électromagnétique est une onde progressive et transversale ; le sens de la variation des champs est perpendiculaire à la direction de propagation.

Les hyperfréquences

Depuis quelques temps, la région des hyperfréquences suscite beaucoup d’intérêt en télédétection. Cette région comprend les plus grandes longueurs d’onde utilisées en télédétection et s’étend approximativement de 1 cm à 1m.
Les longueurs d’onde les plus courtes possèdent des propriétés semblables à celles de l’infrarouge thermique, tandis que les longueurs d’onde les plus grandes ressemblent aux ondes radio [6].

Télédétection passive

Jusqu’à maintenant, dans ce chapitre, nous avons vu que le Soleil est une source d’énergie pour la télédétection. L’énergie du Soleil est soit réfléchie (la portion visible) ou absorbée et retransmise (infrarouge thermique) par la cible. Les dispositifs de télédétection qui mesurent l’énergie disponible naturellement sont des capteurs passifs. Le capteur passif peut seulement percevoir l’énergie réfléchie lorsque le Soleil illumine la Terre [6].

Télédétection active

Un capteur actif produit sa propre énergie pour illuminer la cible : il dégage un rayonnement électromagnétique qui est dirigé vers la cible. Le rayonnement réfléchi par la cible est alors perçu et mesuré par le capteur. Le capteur actif a l’avantage de pouvoir prendre des mesures à n’importe quel moment de la journée ou de la saison.

Générateurs d’ultra-sons

Actuellement, trois types d’émetteurs sont utilisés pour générer des ultrasons, utilisant la transformation de l’énergie électrique transportée par des courants alternatifs de fréquence élevée en énergie mécanique (oscillations d’un système mécanique).

Les émetteurs magnétostrictifs

Ces émetteurs utilisent le principe de la magnétostriction : des corps ferromagnétiques (par exemple de type tôles de nickel) sont placés dans un champ magnétique variable. Il permet d’obtenir une contraction des corps assez importante, qui se transmet dans le milieu ambiant, généralement aérien.
L’avantage de ses émetteurs est leur robustesse, leur inconvénient, ils ne permettent pas de produire des ultrasons de fréquence supérieure à 50 000 Hz.

Les émetteurs électrostrictifs

Le fonctionnement de ces émetteurs est proche des émetteurs magnétostrictifs, à la différence que les corps utilisés sont des céramiques placées dans un champ électrique variable. Les dimensions du corps varient alors, entraînant un mouvement mécanique des molécules d’air : des ultrasons.

Les générateurs piézoélectriques

L’élément essentiel de ce type de générateur est constitué d’un triplet, c’est-à-dire d’une mosaïque de lamelles de quartz d’orientation et d’épaisseur rigoureusement identiques, collées entre deux disques d’acier. Ces deux disques sont reliés aux bornes d’une source de courant alternatif. Les lamelles de quartz sont alors déformées à la même fréquence que celle de la tension qui leur est appliquée. Elles produisent des vibrations mécaniques qui sont transmises au milieu dans lequel se trouve l’appareil.
Les ondes ultrasonores sont produites par un transducteur piézoélectrique qui est capable de transformer un signal électrique en ondes mécaniques (ultra-sons) [1].
Le même dispositif peut aussi recevoir les ultrasons réfléchis et les transformer en retour en signal électrique. Les transducteurs sont à la fois des émetteurs et des récepteurs d’ultra-sons [8]. 2.5. Les différents modes d’échographie.
L’échographie est une technique d’imagerie utilisant le phénomène de réflexion des ondes ultrasonores. Un faisceau ultrasonore, émis par une sonde pénètre dans l’organisme où il subit de nombreuses réflexions. Ces ondes réfléchies sont recueillies par cette même sonde puis numérisées, traitées et adressées sur un moniteur. Les différents modes d’échographie sont expliqués ci-après.

Mode-A (amplitude)

C’est de l’échographie à une dimension, le faisceau d’ultrasons émis rencontre une ou plusieurs interfaces et chaque fois ou le Fx rencontre une interface, il envoie un écho et un pic est obtenu La hauteur du pic nous renseigne sur le caractère réfléchissant de l’interface. Et plus ce pic est important plus l’interface est importante (réfléchissante) c’est-à-dire que l’écart d’impédance acoustique est important.
Le délai d’apparition du pic après l’émission de l’ultrason nous renseigne sur l’emplacement des interfaces [9].
Avec ce type d’appareillage échographique les échos sont visualisés sous forme de pics et on peut mesurer la distance entre deux structures différentes.
Ce procédé n’apparait pas habituellement sur l’écran mais c’est la même information qui est utilisée pour la reconstruction de l’image bidimensionnelle du mode B [8].

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : LA TELEDETECTION
1.1. Introduction
1.2. Généralités
1.2.1. Source d’énergie ou d’illumination
1.2.2. Rayonnement et le milieu de la cible
1.2.3. Interaction avec la cible
1.2.4. Enregistrement de l’énergie par le capteur
1.2.5. Transmission, réception et traitement
1.2.6. Interprétation et analyse
1.2.7. Application
1.3. Propriétés physiques du rayonnement
1.3.1. Le rayonnement
1.3.2. Le spectre
1.3.2.1. L’ultraviolet
1.3.2.2. Le visible
1.3.2.3. L’infrarouge (IR)
1.3.2.4. Les hyperfréquences
1.3.3. Propriétés physiques des ondes électromagnétiques
1.4. Télédétection passive
1.5. Télédétection active
1.6. Principe
1.7. Utilisations
1.7.1. RADAR
1.7.2. LIDAR
1.7.3. SONAR
1.7.3.1. Sonars actifs
1.7.3.2. Sonars passifs
1.8. Conclusion
CHAPITRE 2 : L’ECHOGRAPHIE
2.1. Introduction
2.2. Généralités
2.3. L’onde utilisée
2.4. Générateurs d’ultra-sons
2.4.1. Les émetteurs magnétostrictifs
2.4.2. Les émetteurs électrostrictifs
2.4.3. Les générateurs piézoélectriques
2.5. Les différents modes d’échographie
2.5.1. Mode-A (amplitude)
2.5.2. Mode-B (brillance)
2.5.3. Mode TM (time motion)
2.5.3.1. Temps réel
2.5.3.2. Mode-M (mouvement)
2.5.4. DOPPLER
2.5.5. Mode volumique
2.6. Principe
2.7. Propagation de l’onde ultrasonore
2.8. Longueur d’onde
2.9. Focalisation
2.10. Atténuation
2.11. Amplification
2.12. Limites
2.13. Transducteurs
2.13.1 Sonde en barrette linéaire.
2.13.2. Sonde sectorielle.
2.13.3. Sonde convexe.
2.13.4. Choix d’un transducteur approprie
2.14. Conclusion
CHAPITRE 3 : PHYSIQUE ACOUSTIQUE
3.1. Introduction
3.2. Généralités
3.3. Les ondes acoustiques
3.3.1. Nature des ondes acoustiques
3.3.2. Classification des ondes acoustiques
3.3.3. Caractéristiques
3.3.3.1. Période
3.3.3.2. Fréquence
3.3.3.3. Amplitude
3.3.3.4. Puissance
3.3.3.5. Intensité
3.3.3.6. Longueur d’onde
3.3.3.7. Vitesse de propagation
3.3.5. Notion de pression acoustique
3.4. Interaction des ultrasons avec la matière
3.4.1. Absorption des ultrasons dans un milieu homogène
3.4.2. Interaction des ultrasons aux interfaces
3.5. Utilisation des ultrasons
3.5.1. Application à l’échographie
3.5.2. Principe de la piézoélectricité
3.5.3. Description d’une sonde échographique
3.6. Fonctionnement
3.7. Risques et dangers des ultrasons
3.8. Conclusion
CHAPITRE 4 : SIMULATION SUR LA MODELISATION
4.1. Introduction
4.2. Les paramètres nécessaires dans l’étude
4.2.1. Le milieu de propagation
4.2.2. L’onde à propager
4.2.3. La génération et détection des ultrasons
4.3. Comparaison des matériaux piézoélectriques
4.4. Les données obtenues après calculs
4.4.1. Densité du milieu
4.4.2. Vitesse de propagation dans le milieu
4.4.3. Impédances acoustiques
4.4.4. Atténuation du milieu
4.4.5. Les coefficients de réflexion
4.5. Outil de simulation
4.6. Simulation
4.6.1. Le transducteur
4.6.2. Emission dans le milieu de propagation
4.6.3. Réception
4.7. Utilisation
4.8. Conclusion
ANNEXE : LA RECUPERATION DES SIGNAUX ULTRASONORES
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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