Modélisation sous PSPICE et étude expérimentale d’un dispositif ultrasonore : application au CND et à la caractérisation des huiles alimentaires

Abstract

Les techniques ultrasonores sont depuis très longtemps utilisées dans divers domaines tels que la détection sous marine, la caractérisation des matériaux, l’imagerie médicale ou encore le contrôle non destructif. Ces techniques sont basées sur l’interaction des ondes avec le milieu dans lequel elles se propagent. Pour quantifier cette interaction, il est indispensable de disposer d’un modèle théorique complet tenant compte de tous les phénomènes qui accompagnent la propagation. Le modèle théorique est basé sur l’utilisation des équations piézoélectriques pour étudier le fonctionnement du transducteur et de l’équation d’onde ainsi que les lois de réflexion, réfraction et diffusion pour modéliser la propagation. La résolution de ces équations demande généralement des algorithmes sophistiqués et complexes. De là vient l’idée d’utiliser un outil de simulation électronique et le choix est guidé par le développement des nouvelles technologies sur les microsystèmes. Ces logiciels offrent, en plus de la simulation, la possibilité de faire la conception et le design au niveau du semi-conducteur. Notre choix s’est porté sur l’un des simulateurs les plus populaires : PSPICE pour simuler tout le dispositif ultrasonore, notamment le transducteur et le milieu de propagation en tenant compte des effets de l’adsorption, la diffraction et la distorsion par nonlinéarité. Les différents paramètres intervenant dans le fonctionnement di transducteur et dans son diagramme de rayonnement sont analysés dans la première partie de cette thèse. L’étude des différents schémas électriques équivalents utilisés pour représenter un transducteur fonctionnant en mode épaisseur est faite également. Le modèle de Leach, utilisé pour implémenter le transducteur en fonction des conditions d’utilisation. La deuxième partie est dévolue à la modélisation du milieu de propagation par un schéma électrique équivalent basé sur le modèle unidimensionnel de la ligne de transmission avec pertes. Ce modèle permet de tenir compte des pertes dues à l’absorption et à la diffraction. Les pertes par absorption sont directement implémentées à l’aide du coefficient d’adsorption alors que l’évaluation de la diffraction est incorporée sous forme d’un facteur de perte de la ligne. La propagation des ondes est aussi sujette à des distorsions dues à la nonlinéarité du milieu. Un autre modèle PSPICE est proposé dans cette partie pour tenir compte de cet effet. Les modèles élaborés sont ensuite validés par une étude expérimentale pour des sondes circulaires et d’autre focalisantes émettant dans différents milieux de propagation. Une bonne concordance est obtenue montrant l’efficacité des modèles à prendre en compte les effets des phénomènes qui accompagnent la propagation des ondes ultrasonores. La troisième partie de cette thèse est dédiée à l’utilisation des modèles PSPICE pour la caractérisation et le contrôle non destructif des huiles alimentaires marocaines. Cette technique consiste à faire varier les paramètres électriques du modèle jusqu'à l’obtention de réponses transitoires identiques à celles fournies par l’étude expérimentale. Les paramètres électriques vérifiant cette condition sont exploités pour remonter aux valeurs des caractéristiques acoustiques du milieu. La méthode, validée par des mesures effectuées pour des milieux bien connus, est ensuite appliquée à la mesure des paramètres acoustiques de quelques huiles alimentaires et montre la capacité de la méthode à caractériser des milieux inconnus.