52 research outputs found
Imagerie acoustique de la propagation d’un choc dans un métallique
No full textInternational audienceNous présentons une méthode pour imager la propagation d'une onde de choc dans une couche métallique épaisse et opaque. [1] L'onde de choc est générée par une source laser impulsionnelle de puissance (>GW/cm², ~10 ns) focalisée en surface d’une cible métallique (épaisseur ~ 10 mm). Suite à un tel chargement laser, la surface de la cible est sublimée en un plasma dense qui, en se détendant, induit la propagation d’un choc dans le volume du matériau, d’intensité crête quelques GPa ou centaines de m/s en vitesse. Les applications du choc laser vont de l'ingénierie [2] à la caractérisation des diagrammes de phase aux hautes pressions et températures. [3] Cette dernière application a été l'une des principales motivations au développement des lasers à électrons libres (X-FEL), pour des applications d’astrophysique. La détection X est essentiellement liée à une variation locale de densité générée par le choc. Ici, une onde sonde plane ultrasonore (15 MHz), contra-propagative par rapport au choc, est émise par une barrette linéaire multi-éléments (x128). Cette onde est pour partie diffractée par la variation d’impédance acoustique engendrée par le choc. Cette diffraction est détectée par la même sonde multi-éléments. Un délai d’émission entre le choc et l’onde sonde permet d’imager la propagation du choc dans l’ensemble du volume de l’échantillon. Une détection résolue en temps et en espace, et permettant d’imager la propagation du choc dans le cœur de la structure, est ainsi obtenue. Des éléments théoriques, proposés par Burgers et Brillouin au milieu du 20ème siècle, et complétés par nos propres études théoriques et numériques, permettent une première interprétation des résultats expérimentaux. [1] Ducousso et al., Phys. Rev. Applied, 15 (2021) [2] Ducousso et al., Appl. Phys. Lett., 112 (2018). [3] Denoeud et al., PNAS, 113 (2016)
Scénarios pour la rencontre onde de choc faible – onde acoustique
No full textEffets d'interfaces; GAPSUS - Acoustique Physique, Sous-Marine et Ultra-SonoreNational audienceTout au long de sa propagation, une onde de choc peut être amenée à rencontrer de nombreuses perturbations, d’entropie, de vorticité ou acoustique. Depuis 80 ans (J.M. Burgers, 1946), l’interaction choc-acoustique a fait l’objet de nombreuses études mais, pour la plupart, focalisées sur les chocs forts et dans les gaz parfaits. Le cas particulier, mais pas moins intéressant, d’une interaction entre une onde acoustique et une onde de choc faible n’a été que très peu abordé. Pourtant, des résultats expérimentaux récents (M. Ducousso et al., 2021) ont mis en avant une interaction importante pour le cas d’un choc faible dans des solides, avec une forte diminution de l’amplitude acoustique (environ 10%). Afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu, une théorie non-linéaire en ondes planes décrivant la rencontre a été développée. On considère aussi bien le cas de deux ondes contra-propagatives que celui où le choc rattrape l’onde acoustique. Prenant en compte les effets à l’ordre trois en fonction de l’amplitude du choc, la résolution analytique de ce modèle a notamment permis l’identification de plusieurs régimes inédits de transmission acoustique à travers le choc. Une forte dépendance non seulement à l’amplitude du choc, mais également à l’angle d’incidence entre les deux ondes et au milieu de propagation, a été identifiée. Ainsi, l’onde acoustique transmise peut aussi bien être évanescente que propagative, « fuir le choc ou se mettre à le suivre ». L’onde de choc étant elle-aussi en mouvement, l’interaction conduit à un effet Doppler acoustique pouvant être important. Elle donne également naissance à des modes d’entropie et de vorticité et provoque une oscillation du front de choc. L’ordre de grandeur des résultats prédits par cette théorie est cohérent avec les observations expérimentales
Scénarios pour la rencontre onde de choc faible – onde acoustique
No full textEffets d'interfaces; GAPSUS - Acoustique Physique, Sous-Marine et Ultra-SonoreNational audienceTout au long de sa propagation, une onde de choc peut être amenée à rencontrer de nombreuses perturbations, d’entropie, de vorticité ou acoustique. Depuis 80 ans (J.M. Burgers, 1946), l’interaction choc-acoustique a fait l’objet de nombreuses études mais, pour la plupart, focalisées sur les chocs forts et dans les gaz parfaits. Le cas particulier, mais pas moins intéressant, d’une interaction entre une onde acoustique et une onde de choc faible n’a été que très peu abordé. Pourtant, des résultats expérimentaux récents (M. Ducousso et al., 2021) ont mis en avant une interaction importante pour le cas d’un choc faible dans des solides, avec une forte diminution de l’amplitude acoustique (environ 10%). Afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu, une théorie non-linéaire en ondes planes décrivant la rencontre a été développée. On considère aussi bien le cas de deux ondes contra-propagatives que celui où le choc rattrape l’onde acoustique. Prenant en compte les effets à l’ordre trois en fonction de l’amplitude du choc, la résolution analytique de ce modèle a notamment permis l’identification de plusieurs régimes inédits de transmission acoustique à travers le choc. Une forte dépendance non seulement à l’amplitude du choc, mais également à l’angle d’incidence entre les deux ondes et au milieu de propagation, a été identifiée. Ainsi, l’onde acoustique transmise peut aussi bien être évanescente que propagative, « fuir le choc ou se mettre à le suivre ». L’onde de choc étant elle-aussi en mouvement, l’interaction conduit à un effet Doppler acoustique pouvant être important. Elle donne également naissance à des modes d’entropie et de vorticité et provoque une oscillation du front de choc. L’ordre de grandeur des résultats prédits par cette théorie est cohérent avec les observations expérimentales
Évaluation non destructive par ultrasons-laser d'assemblages aéronautiques collés
No full textInternational audienceL'allègement des structures aéronautiques est un enjeu industriel majeur. L'utilisation du collage comme technique d'assemblage permet de répondre à ce besoin de gain de masse et possède de nombreux avantages par rapport aux méthodes plus conventionnelles (soudage, rivetage, etc.). Néanmoins, l'un des verrous technologiques qui limite actuellement le déploiement important de cette technique d'assemblage dans l'industrie aéronautique concerne l'évaluation non destructive de ces collages. L'objectif de ces travaux de recherche porte sur le développement d'une méthode ultrasons-laser pour évaluer de manière non destructive des assemblages collés. La première partie de ce travail concerne le développement d’un modèle semi- analytique [1] pour simuler la propagation d'ultrasons générés par laser dans une structure multicouche. Les problèmes électromagnétique, thermique et élastodynamique sont successivement résolus pour modéliser la source optoacoustique en régime thermoélastique ainsi que les ondes élastiques générées par l'expansion thermique des matériaux. Ce modèle permet d'obtenir des résultats rapides et précis pour résoudre le problème direct. La seconde partie concerne la résolution de problèmes inverses [2] à partir de la réflexion d'ondes planes synthétisées pour différents angles d'incidence par rapport à l'interface de collage. Une méthode de post-traitement est utilisée pour synthétiser ces ondes planes à partir de la propagation d'ondes de volume cylindriques générées par laser. La méthode développée permet d'identifier des paramètres de raideurs interfaciales normales et transverses pour discriminer expérimentalement des collages aéronautiques Al/Epoxy/Al. [1] R. Hodé, M. Ducousso, N. Cuvillier, V. Gusev, V. Tournat and S. Raetz, Laser Ultrasonics in a multilayer structure: Semi-analytic model and simulated examples, J. Acoust. Soc. Am. 150, 2065 (2021). [2] R. Hodé, S. Raetz, N. Chigarev, J. Blondeau, N. Cuvillier, V. Gusev, M. Ducousso and V. Tournat, Laser Ultrasonics in a multilayer structure: Plane wave synthesis and inverse problem for nondestructive evaluation of adhesive bondings, J. Acoust. Soc. Am. 150, 2076 (2021)
Évaluation non destructive par ultrasons-laser d'assemblages aéronautiques collés
No full textInternational audienceL'allègement des structures aéronautiques est un enjeu industriel majeur. L'utilisation du collage comme technique d'assemblage permet de répondre à ce besoin de gain de masse et possède de nombreux avantages par rapport aux méthodes plus conventionnelles (soudage, rivetage, etc.). Néanmoins, l'un des verrous technologiques qui limite actuellement le déploiement important de cette technique d'assemblage dans l'industrie aéronautique concerne l'évaluation non destructive de ces collages. L'objectif de ces travaux de recherche porte sur le développement d'une méthode ultrasons-laser pour évaluer de manière non destructive des assemblages collés. La première partie de ce travail concerne le développement d’un modèle semi- analytique [1] pour simuler la propagation d'ultrasons générés par laser dans une structure multicouche. Les problèmes électromagnétique, thermique et élastodynamique sont successivement résolus pour modéliser la source optoacoustique en régime thermoélastique ainsi que les ondes élastiques générées par l'expansion thermique des matériaux. Ce modèle permet d'obtenir des résultats rapides et précis pour résoudre le problème direct. La seconde partie concerne la résolution de problèmes inverses [2] à partir de la réflexion d'ondes planes synthétisées pour différents angles d'incidence par rapport à l'interface de collage. Une méthode de post-traitement est utilisée pour synthétiser ces ondes planes à partir de la propagation d'ondes de volume cylindriques générées par laser. La méthode développée permet d'identifier des paramètres de raideurs interfaciales normales et transverses pour discriminer expérimentalement des collages aéronautiques Al/Epoxy/Al. [1] R. Hodé, M. Ducousso, N. Cuvillier, V. Gusev, V. Tournat and S. Raetz, Laser Ultrasonics in a multilayer structure: Semi-analytic model and simulated examples, J. Acoust. Soc. Am. 150, 2065 (2021). [2] R. Hodé, S. Raetz, N. Chigarev, J. Blondeau, N. Cuvillier, V. Gusev, M. Ducousso and V. Tournat, Laser Ultrasonics in a multilayer structure: Plane wave synthesis and inverse problem for nondestructive evaluation of adhesive bondings, J. Acoust. Soc. Am. 150, 2076 (2021)
Picosecond ultrasonics in a single biological cell
No full textThe picosecond ultrasonics technique is well suited to generate and to probe acoustic waves of submicromic wavelength using ultrafast light pulses (100 fs). If the technique starts to be used for non-destructive testing in industry, for micrometric solid films (microprocessor) for example, very few applications concern liquids or soft media, despite its unique potential for acoustic measurements at very high acoustic frequencies (up to ten GHz). This PhD study gives a first comprehensive overview of the applications of the picosecond ultrasonics technique for the study of a single biological cell, the thickness of which can be from around 100 nm to a few µm. Measurement accuracy is high enough for imaging a single cell and for evaluating its local physical properties. To understand the detected data, an analytical model is developed. This model is used too for the inverse model resolution. The acoustic generation is simulated solving the coupled equations of heat diffusion and of acoustic wave propagation. Optical detection is then studied solving the Maxwell equations where both thermal and acoustic phenomena perturb optical index of the media. For experiments, a biocompatible sample holder, leakproof and thermocontrolled, is built. In the same way, the optical experimental setup is adapted to allow a two color probing of the ultrafast photo-acoustic response in a single cell. Finally, a microscope combining cell fluorescence visualisation and the picosecond ultrasonic laser setup is developed. It allows to localize precisely the cell sub-components and to probe them by the picosecond ultrasonics technique. The demonstration of the technique for the single cell imaging and the evaluation of its accuracy is performed on vegetal cells. Then, a quantitative measurement of the viscoelastic properties of single osteoblast cells (MC3T3-E1), adhering on a bone substitute material (Ti6Al4V), is performed. RGD peptide and BMP-2 proteins effects on the cell osteoblast viscoelastic properties are quantified. This work is performed with a tissue or bone substitute engineering research team.L'acoustique picoseconde est une technique qui permet de générer et de détecter des ondes acoustiques de longueur d'onde submicrométrique par l'utilisation d'impulsions lumineuses ultrarapides (100 fs). Si la technique commence à être appliquée industriellement pour le contrôle non-destructif de films solides micrométriques, comme les microprocesseurs, très peu d'études concernent son application aux milieux liquides ou mous, malgré son potentiel unique pour les mesures acoustiques très hautes fréquences (supérieur à la dizaine de GHz). Ce travail de thèse dresse un premier panorama d'applications possibles de la technique d'acoustique picoseconde pour l'étude d'une cellule biologique unique, dont l'épaisseur peut être d'une centaine de nanomètres à quelques micromètres. Les résolutions atteintes permettent des applications pour l'imagerie et la tomographie acoustique d'une cellule unique par la détermination locale de ses propriétés physiques. Un modèle de simulation analytique est développé pour aider à la compréhension des signaux détectés et pour la résolution du problème inverse. La génération acoustique est simulée en résolvant les équations couplées de diffusion de la chaleur et de la propagation acoustique. La détection optique est ensuite étudiée en résolvant l'équation de Maxwell où les phénomènes thermiques et acoustiques perturbent l'indice optique du matériau. Pour les besoins expérimentaux, une enceinte biologique, étanche et thermostatée, est conçue. De même, le montage laser est adapté pour permettre une détection bicolore de l'onde acoustique se propageant dans la cellule. Enfin, un microscope combinant la visualisation des cellules par épifluorescence au dispositif laser expérimental est développé. Ce dernier permet de localiser précisément les éléments subcellulaires de la cellule, pour ensuite les étudier par acoustique picoseconde. La démonstration du potentiel de la méthode pour l'imagerie cellulaire et l'évaluation de sa sensibilité est faite sur cellule végétale. Ensuite, une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques de cellules ostéoblastes (MC3T3-E1), adhérentes sur un matériau mimant une prothèse de titane, est réalisée. Puis, l'effet du peptide RGD et de la protéine BMP-2 sur les propriétés viscoélastiques de la cellule ostéoblaste est quantifié. Ce travail est réalisé en partenariat avec une équipe de recherche en bio-ingénierie et reconstruction tissulaire, l'U577
Picosecond ultrasonics in a single biological cell
No full textL’acoustique picoseconde est une technique qui permet de générer et de détecter des ondes acoustiques de longueur d’onde submicrométrique par l’utilisation d’impulsions lumineuses ultrarapides (100 fs). Si la technique commence à être appliquée industriellement pour le contrôle non-destructif de films solides micrométriques, comme les microprocesseurs, très peu d’études concernent son application aux milieux liquides ou mous, malgré son potentiel unique pour les mesures acoustiques très hautes fréquences (supérieur à la dizaine de GHz). Ce travail de thèse dresse un premier panorama d’applications possibles de la technique d’acoustique picoseconde pour l’étude d’une cellule biologique unique, dont l’épaisseur peut être d’une centaine de nanomètres à quelques micromètres. Les résolutions atteintes permettent des applications pour l’imagerie et la tomographie acoustique d’une cellule unique par la détermination locale de ses propriétés physiques. Un modèle de simulation analytique est développé pour aider à la compréhension des signaux détectés et pour la résolution du problème inverse. La génération acoustique est simulée en résolvant les équations couplées de diffusion de la chaleur et de la propagation acoustique. La détection optique est ensuite étudiée en résolvant l’équation de Maxwell où les phénomènes thermiques et acoustiques perturbent l’indice optique du matériau. Pour les besoins expérimentaux, une enceinte biologique, étanche et thermostatée, est conçue. De même, le montage laser est adapté pour permettre une détection bicolore de l’onde acoustique se propageant dans la cellule. Enfin, un microscope combinant la visualisation des cellules par épifluorescence au dispositif laser expérimental est développé. Ce dernier permet de localiser précisément les éléments subcellulaires de la cellule, pour ensuite les étudier par acoustique picoseconde. La démonstration du potentiel de la méthode pour l’imagerie cellulaire et l’évaluation de sa sensibilité est faite sur cellule végétale. Ensuite, une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques de cellules ostéoblastes (MC3T3-E1), adhérentes sur un matériau mimant une prothèse de titane, est réalisée. Puis, l’effet du peptide RGD et de la protéine BMP-2 sur les propriétés viscoélastiques de la cellule ostéoblaste est quantifié. Ce travail est réalisé en partenariat avec une équipe de recherche en bio-ingénierie et reconstruction tissulaire, l’U577.The picosecond ultrasonics technique is well suited to generate and to probe acoustic waves of submicromic wavelength using ultrafast light pulses (100 fs). If the technique starts to be used for non-destructive testing in industry, for micrometric solid films (microprocessor) for example, very few applications concern liquids or soft media, despite its unique potential for acoustic measurements at very high acoustic frequencies (up to ten GHz). This PhD study gives a first comprehensive overview of the applications of the picosecond ultrasonics technique for the study of a single biological cell, the thickness of which can be from around 100 nm to a few µm. Measurement accuracy is high enough for imaging a single cell and for evaluating its local physical properties. To understand the detected data, an analytical model is developed. This model is used too for the inverse model resolution. The acoustic generation is simulated solving the coupled equations of heat diffusion and of acoustic wave propagation. Optical detection is then studied solving the Maxwell equations where both thermal and acoustic phenomena perturb optical index of the media. For experiments, a biocompatible sample holder, leakproof and thermocontrolled, is built. In the same way, the optical experimental setup is adapted to allow a two color probing of the ultrafast photo-acoustic response in a single cell. Finally, a microscope combining cell fluorescence visualisation and the picosecond ultrasonic laser setup is developed. It allows to localize precisely the cell sub-components and to probe them by the picosecond ultrasonics technique. The demonstration of the technique for the single cell imaging and the evaluation of its accuracy is performed on vegetal cells. Then, a quantitative measurement of the viscoelastic properties of single osteoblast cells (MC3T3-E1), adhering on a bone substitute material (Ti6Al4V), is performed. RGD peptide and BMP-2 proteins effects on the cell osteoblast viscoelastic properties are quantified. This work is performed with a tissue or bone substitute engineering research team
Contribution à l’utilisation d’ondes acoustiques et optiques pour sonder la matière et ses interfaces
No full textAcoustique picoseconde dans une cellule biologique individuelle
No full textL acoustique picoseconde est une technique qui permet de générer et de détecter des ondes acoustiques de longueur d onde submicrométrique par l utilisation d impulsions lumineuses ultrarapides (100 fs). Si la technique commence à être appliquée industriellement pour le contrôle non-destructif de films solides micrométriques, comme les microprocesseurs, très peu d études concernent son application aux milieux liquides ou mous, malgré son potentiel unique pour les mesures acoustiques très hautes fréquences (supérieur à la dizaine de GHz). Ce travail de thèse dresse un premier panorama d applications possibles de la technique d acoustique picoseconde pour l étude d une cellule biologique unique, dont l épaisseur peut être d une centaine de nanomètres à quelques micromètres. Les résolutions atteintes permettent des applications pour l imagerie et la tomographie acoustique d une cellule unique par la détermination locale de ses propriétés physiques. Un modèle de simulation analytique est développé pour aider à la compréhension des signaux détectés et pour la résolution du problème inverse. La génération acoustique est simulée en résolvant les équations couplées de diffusion de la chaleur et de la propagation acoustique. La détection optique est ensuite étudiée en résolvant l équation de Maxwell où les phénomènes thermiques et acoustiques perturbent l indice optique du matériau. Pour les besoins expérimentaux, une enceinte biologique, étanche et thermostatée, est conçue. De même, le montage laser est adapté pour permettre une détection bicolore de l onde acoustique se propageant dans la cellule. Enfin, un microscope combinant la visualisation des cellules par épifluorescence au dispositif laser expérimental est développé. Ce dernier permet de localiser précisément les éléments subcellulaires de la cellule, pour ensuite les étudier par acoustique picoseconde. La démonstration du potentiel de la méthode pour l imagerie cellulaire et l évaluation de sa sensibilité est faite sur cellule végétale. Ensuite, une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques de cellules ostéoblastes (MC3T3-E1), adhérentes sur un matériau mimant une prothèse de titane, est réalisée. Puis, l effet du peptide RGD et de la protéine BMP-2 sur les propriétés viscoélastiques de la cellule ostéoblaste est quantifié. Ce travail est réalisé en partenariat avec une équipe de recherche en bio-ingénierie et reconstruction tissulaire, l U577.The picosecond ultrasonics technique is well suited to generate and to probe acoustic waves of submicromic wavelength using ultrafast light pulses (100 fs). If the technique starts to be used for non-destructive testing in industry, for micrometric solid films (microprocessor) for example, very few applications concern liquids or soft media, despite its unique potential for acoustic measurements at very high acoustic frequencies (up to ten GHz). This PhD study gives a first comprehensive overview of the applications of the picosecond ultrasonics technique for the study of a single biological cell, the thickness of which can be from around 100 nm to a few m. Measurement accuracy is high enough for imaging a single cell and for evaluating its local physical properties. To understand the detected data, an analytical model is developed. This model is used too for the inverse model resolution. The acoustic generation is simulated solving the coupled equations of heat diffusion and of acoustic wave propagation. Optical detection is then studied solving the Maxwell equations where both thermal and acoustic phenomena perturb optical index of the media. For experiments, a biocompatible sample holder, leakproof and thermocontrolled, is built. In the same way, the optical experimental setup is adapted to allow a two color probing of the ultrafast photo-acoustic response in a single cell. Finally, a microscope combining cell fluorescence visualisation and the picosecond ultrasonic laser setup is developed. It allows to localize precisely the cell sub-components and to probe them by the picosecond ultrasonics technique. The demonstration of the technique for the single cell imaging and the evaluation of its accuracy is performed on vegetal cells. Then, a quantitative measurement of the viscoelastic properties of single osteoblast cells (MC3T3-E1), adhering on a bone substitute material (Ti6Al4V), is performed. RGD peptide and BMP-2 proteins effects on the cell osteoblast viscoelastic properties are quantified. This work is performed with a tissue or bone substitute engineering research team.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF
Modélisation de la propagation d’onde de choc générées par laser dans des milieux hétérogènes et anisotropes
No full textUltrasons laser, interaction son-lumière; GAPSUS - Acoustique Physique, Sous-Marine et Ultra-SonoreNational audienceLe procédé de choc laser consiste à créer des chocs de haute pression en surface de matériaux (Gpa) avec des plasmas produits par laser (ns/GW/cm2). En réaction à la détente du plasma, des ondes de chocs sont générées dans la matière et se propagent dans son volume. Ce procédé peut être utilisé pour réaliser le contrôle non destructif d’assemblages collés, comme par exemple celui du collage mixte titane/composite qui est réalisé sur l’aube de fan du moteur Leap (Ducousso et al., Appl. Phys. Lett., 112, 2018). Pour ce cas d’application, le composite est un tissage tridimensionnel de fibres de carbone dans une matrice époxy. Nous présentons dans ce travail une chaine de modélisation numérique permettant dans un premier temps de simuler l’interaction laser/matière et la pression exercée à la surface du matériau éclairé par le laser et dans un second temps la propagation d’ondes dans le cœur de la matière. Un premier modèle axisymétrique permet de modéliser quantitativement les effets de diffraction et la génération d’onde depuis les bords de tache dans des matériaux orthotropes homogènes. (Cuenca et al., J. Appl. Phys., 128, 2020) Un second modèle permet de modéliser en 2D la propagation d’onde dans un matériau anisotrope et hétérogène comme le composite tissé 3D. (Cuenca et al., soumis à JASA) Le motif de tissage est dans ce cas issu de coupes microscopiques du composites sur lesquelles une segmentation de matériau est réalisée par machine learning. L’ensemble des simulations est validé par confrontations à des expérimentations
- …
