Etude et réalisation de transducteurs composites pour l'imagerie acoustique et le contrôle non-destructif
Résumé
Future developments in acoustic medical imaging and in non-destructive evaluation are conditionned by three-dimensional-imaging requirements, for instance high-density integrated probes and novel imaging practices. Ultrasound probes devoted to imaging applications have become arrays of hundreds or even thousands of elementary transducers, for which one-dimensional models are not well-suited and numerical methods can not be used without refinements. In this work, we study new strategies for modelling and designing imaging ultrasound probes, based on the statement that imaging devices are massively periodic.
With the underlying idea that modern ultrasound probes are manufactured on the basis of piezoelectric
composite transducers, we propose two numerical methods. The first one is based on a finite-element analysis / boundary-element method (FEA/BEM) that takes into account the periodicity of the studied devices
and the propagation media in which the structures radiate. The second method is based on a plane-wave
expansion and it comes from the study of band-gap structures also-called phononic crystals. It provides
one a different approach for the study of piezocomposites. This second approach is liable to lead one to design novel composite patterns that differ from the classical square-section rods of ceramic, and that require alternative fabrication techniques of piezocomposites. Powderblasting and ultrasound-micromachining
techniques have been investigated with the EPFL and the LCEP respectively.
Thanks to its flexibility, the FEA/BEM allows one to simulate a large variety of transducer arrays. It
provides an analysis of the phenomena that occur in such arrays and allows one to estimate cross-talk
effects between the elementary transducers. This approach is applied to a 1-D commercial probe, which is
nowadays the everyday life of designers, and to micromachined ultrasonic transducers that have appeared as a novel concept for imaging applications.
With the underlying idea that modern ultrasound probes are manufactured on the basis of piezoelectric
composite transducers, we propose two numerical methods. The first one is based on a finite-element analysis / boundary-element method (FEA/BEM) that takes into account the periodicity of the studied devices
and the propagation media in which the structures radiate. The second method is based on a plane-wave
expansion and it comes from the study of band-gap structures also-called phononic crystals. It provides
one a different approach for the study of piezocomposites. This second approach is liable to lead one to design novel composite patterns that differ from the classical square-section rods of ceramic, and that require alternative fabrication techniques of piezocomposites. Powderblasting and ultrasound-micromachining
techniques have been investigated with the EPFL and the LCEP respectively.
Thanks to its flexibility, the FEA/BEM allows one to simulate a large variety of transducer arrays. It
provides an analysis of the phenomena that occur in such arrays and allows one to estimate cross-talk
effects between the elementary transducers. This approach is applied to a 1-D commercial probe, which is
nowadays the everyday life of designers, and to micromachined ultrasonic transducers that have appeared as a novel concept for imaging applications.
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
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.
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
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
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.
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
micro-usinées sur silicium, qui constitue une révolution conceptuelle dans le domaine de l'imagerie.
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.
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
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
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.
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
micro-usinées sur silicium, qui constitue une révolution conceptuelle dans le domaine de l'imagerie.