Focalisation sub-longueur d'onde de l'énergie acoustique rayonnée par un transducteur ultrasonore pour des applications en imagerie de champ proche

Subwavelength focusing of the acoustic energy emitted from an ultrasonic transducer for near-field imaging applications

• Auteur / Autrice : Jiacheng Chen
• Direction : Lionel Haumesser
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en Matériaux, Microélectronique, Acoustique et Nanotechnologies

Mots clés

Mots clés libres

Métamatériau

Ultrasons

Focalisation d'ondes

Transducteur

Methode par éléments finis

Imagerie

Metamaterials

Ultrasonics

Wave focusing

Transducer

Finite-elements method

Imaging

Résumé

L'imagerie ultrasonore requiert de pouvoir disposer d'une résolution spatiale fine nécessaire à la qualité des images obtenues. Parmi les applications possibles, citons le diagnostic dans le domaine médical, pour la peau, la gencive ou l'œil notamment, et l'évaluation non destructive dans le domaine industriel avec par exemple le suivi de nuances de propriétés élastiques ou la détection de cavités sub-surface. Pour améliorer la résolution de l'image ultrasonore, le principal levier utilisé est l'augmentation de la fréquence d'excitation afin de réduire la longueur d'onde (imagerie harmonique, microscope acoustique). Dans le cadre du projet ANR BEAT (Broadband Extraordinary Acoustic Transmission), nous proposons d'utiliser une autre approche : la focalisation sub-longueur d'onde de l'énergie acoustique afin de réduire la taille de la tache focale en dessous de la limite de diffraction. Cette approche se base sur le concept de transmission extraordinaire des ondes acoustiques (en anglais : EAT) qui permet de concentrer, dans une zone de taille inférieure à la demi longueur d'onde, une quantité d'énergie acoustique supérieure à celle attendue par les seules considérations géométriques. L'objectif principal de cette thèse est de dimensionner et de réaliser une architecture d'EAT efficace pour des transducteurs ultrasonores fonctionnant à des fréquences de l'ordre du MHz. A l'aide de simulations numériques, les paramètres géométriques de l'architecture permettant d'optimiser la focalisation de l'énergie acoustique seront étudiés. Cette thèse se basera notamment sur les résultats obtenus à l'échelle du GHz.

To increase the quality of acoustic images, the spatial resolution of the imaging system should be reduced. Improving the spatial resolution will lead to new opportunities for diagnosis in medical field (in particular for skin, gum, or eyes) and non-destructive testing in industrial field (e.g. elastic properties monitoring or sub-surface cavity detection). To improve the resolution of acoustic images, the normal course of action is to increase the operation frequency to decrease the focused spot size (e.g., harmonic imaging, acoustic microscopy). However, the size of the spot is constrained by the diffraction limit. In the frame of the ANR BEAT project (Broadband Extraordinary Acoustic Transmission), we propose to use the principle of sub-wavelength focusing of the acoustic energy to reduce the focal sport under the diffraction limit. This approach is based on the concept of extraordinary acoustic transmission (EAT) which allows to concentrate, into a spot with subwavelength size, more energy than expected by the geometrical considerations. The main objective of this work is to design and to prototype an efficient EAT-based architecture for ultrasonic transducers working at the MHz frequency regime. By means of numerical simulations, the geometrical parameters of the architecture will be tuned to optimize the acoustic energy focusing. This PhD thesis will be based on preliminary results obtained at the GHz scale.