Modélisation des phénomènes de rayonnements acoustiques en milieux fluides et solides : application aux transducteurs d'imagerie et aux dispositifs à ondes de surface

par William Steichen

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Sylvain Ballandras.

Soutenue en 2007

à Besançon , en partenariat avec Université de Franche-comté. UFR des sciences et techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Les transducteurs acoustiques se caractérisent par deux phénomènes essentiels de couplage. Le premier, qui permet la génération des vibrations, est le couplage électro-acoustique. Le second, qui permet la propagation des ondes acoustiques, est le couplage vibro-acoustique. A ces deux premières formes de couplage, il convient d'en rajouter une troisième: le couplage avec les phénomènes thermiques. On a alors, réunis dans un même objet, un ensemble de phénomènes physiques couplés qui pose un fort intéressant problème de modélisation. C'est à ce type de problèmes de modélisation qu'on s'intéresse dans ce mémoire, en ciblant quelques applications possibles des transducteurs acoustiques. Les premiers chapitres de la thèse sont consacrés aux formulations théoriques qui sous-tendent la modélisation des transducteurs piézoélectriques en présence de pertes et de rayonnement dans un milieu fluide. En particulier, dans les chapitres 1 et 2 on reformule un des fondements de la méthode des éléments finis qu'est le principe variationnel. Au chapitre 3 on établit les formulations théoriques nécessaires à la mise en œuvre d'une méthode d'éléments finis par superposition modale. Le chapitre 4 traite du couplage entre les phénomènes élastodynamiques et les phénomènes thermiques engendrés par les pertes viscoélastiques, avec une application aux transducteurs sonar haute fréquence. Les chapitres 5 et 6 sont consacrés aux modèles unidimensionnels appliqués aux transducteurs piézoélectriques. Le chapitre 7 donne une formulation des phénomènes de rayonnement et de couplages mutuels dans le cas particulier d'une interface plane, avec ou sans périodicité. Du point de vue des applications des modèles ID et éléments finis, on s'intéresse, au chapitre 8, aux sondes acoustiques pour échographie médicale et, au chapitre 9, aux résonateurs à ondes de volume à films minces ("FBAR"), avec pour application les filtres radiofréquences ("RF"). Enfin, au chapitre 1 0, on étudie quelques dispositifs à ondes de surface ("SAW") destinés eux aussi aux filtres RF.


  • Résumé

    Acoustic transducers are characterized by two main phenomena. The first one, which allows for the generation of vibrations, is the electro-acoustic coupling. The second one, which allows for the propagation of acoustic waves, is the vibro-acoustic coupling. Besides these two forms of coupling, one could add a third one: the coupling with thermal phenomena. One then bas, in a single object, a set of coupled physical phenomena which makes a really challenging modelling problem. These modelling tasks are addressed in this thesis, illustrated by some applications of acoustic transducers. First chapters are dedicated to the theoretical formulations which govern the modelling of piezoelectric transducers, in the presence of losses and radiation in a fluid medium. Ln particular, in chapters 1 and 2, one of the main foundations of the Finite Element Method, i. E, the variational principle, is reformulated. Ln chapter 3, theoretical formulations are built for the development of the Finite Element Method, using a modal superposition approach. Chapter 4 establishes the formulation of the coupling between elastodynamic and thermal phenomena associated with viscoelastic losses. An application to acousto-thermal coupling in high frequency piezoelectric tranducers is given. Chapters 5 and 6 are dedicated to one-dimensional model applied to piezoelectric transducers. Chapter 7 gives the formulation of radiation and mutual coupling in the specific case of plane boundary, with or without periodicity. Chapter 8 describes an application to acoustic probes for medical echography. At chapter 9 another illustration consists in the modelling of Film Acoustic Bulk Resonators (FBAR), with application to radiofrequency filters (RF). Finally, in chapter 10, a 3d illustration concems Surface Acoustic Wave devices (SA W), also for RF applications.

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La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (314 p.) ; 30 cm
  • Notes : Reproduction de la thèse autorisée
  • Annexes : Bibliographie p. 303-314

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Bibliothèque universitaire Sciences - Sport (Besançon).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : BESA.SCI.2007.41
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