Microscopie acoustique en champ lointain et en champ proche : Application à la caractérisation des milieux élastiques en couche mince, des milieux liquides et des milieux viscoélastiques

Abstract

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation des milieux élastiques en couche mince, des liquides et des milieux viscoélastiques par les deux techniques de microscopie acoustique en champ lointain et en champ proche. La microscopie acoustique en champ lointain opère par faisceau focalisé et procède selon deux modes : imagerie et micro-caractérisation (ou signature) acoustique. Ainsi, pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux en couche mince par la mesure de vitesses des ondes de Lamb, la microscopie acoustique en champ lointain peut-être utilisée de deux façon différentes : par la signature acoustique spatiale V(z) et, moins répandue, la signature acoustique fréquentielle V(z) ou V(f). Cependant dans cette étude on montre que pour chacune des ces signatures V(z) ou V(f), il existe des domaines complémentaires d’utilisation dans les lesquels la détection et l’efficacité des modes de Lamb sont optimisés. Un formalisme spécifique basé sur la résonance angulaire et fréquentielle permet de prévoir chacun de ces domaines où l’efficacité est optimisée. Les prédictions théoriques ont été retrouvées expérimentalement, en bon accord, sur des plaques d’acier de différentes épaisseurs. La microscopie acoustique en champ proche consiste à suivre l’évolution de la courbe de résonance d’un résonateur dont l’extrémité, la sonde, est plongée dans l’échantillon. Ainsi, nous avons montré qu’il est possible, par la simulation complète du comportement du résonateur à sonde conique, de relier l’information électrique à l’impédance acoustique de charge Zch caractérisant le milieu analysé. Deux grandeurs apparaissent dans cette information : la fréquence de résonance proportionnelle à la partie imaginaire de l’impédance acoustique de charge Zch et l’inverse du maximum de la partie réelle de l’impédance électrique à la résonance proportionnel à la partie réelle de Zch. Ces deux grandeurs sont aussi liées à la densité et la viscosité. Cette étude théorique nous a permis de conclure que la microscopie acoustique en champ proche est capable de suivre, sans discontinuité, l’évolution des propriétés rhéologiques de milieux évoluant dans une large gamme : c'est-à-dire de l’état liquide à l’état solide. En effet, cette technique a permis de relier expérimentalement les paramètres électriques mesurés ∆f et ∆(1/Z) à la densité et à la viscosité des milieux liquides analysés, ainsi que le suivie, sans discontinuité, de l’évolution des propriétés rhéologiques de la pâte de ciment et des bitumes en fonction de la température.