Academic literature on the topic 'Microscopie acoustique haute fréquence'

Le domaine des composantes de puissance haute température concerne à la fois les applications devant fonctionner en milieu à température ambiante élevée, et les applications en ambiance normale pour les quelles une augmentation de la puissance massique et volumineuse des équipements souhaitée. Dans ce contexte, nous nous sommes plus particulièrement attaché à l'étude du comportement électrique du transistor bipolaire de puissance dans la gamme de températures allant de 30°C à 260°C. Ont été successivement étudiées et analysées d'un point de vue physique les évolutions en température des principales caractéristiques à l'état bloqué, ainsi que les caractéristiques de communication sur charge résistive et induite. Une évaluation de la dissipation de puissance en fonction de la température de jonction du composant a été effectuée pour les différentes phases de son fonctionnement. Ayant écarté tout problème relatif au vieillissement et à la fiabilité, cette étude a montré que la fonctionnalité globale du transistor bipolaire de puissance est maintenue dans tout l'intervalle de température, malgré une diminution sensible de ces performances. L’augmentation des pertes de puissance lorsque la température croît entraîne une limitation de l'intérêt d'un fonctionnement à température de jonction élevée. Le silicium, semiconducteur exclusif de l'électronique de puissance moderne, est directement mis en cause, victime des dépendances en température de sa concentration intrinsèque de porteurs et de la mobilité des électrons et des trous. De l'analyse théorique du comportement à haute température du transistor bipolaire de puissance, et de la connaissance des propriétés physiques du carbure de silicium, sont déduits, pour finir, les bénéfices à attendre d'une substitution du silicium par de nouveau semiconducteur
The high temperature power device field concerns both the high ambient temperature applications an the systems opera ting at usual ambient temperature for which an increase in the power-to-weigh ratio is needed. In this frame, we particularly examined the electrical behaviour of the bipolar power transistor in the [30°C, 260°C] temperature range. We studied and analysed from a physical point view the on- and off-state characteristics, as also the switching characteristics under resistive and inductive load. An evaluation of the device dissipation versus junction temperature was made for each Phase of its switching operation Having left away all ageing and reliability problems, this study showed that the bipolar power transistor functionality is maintained in all the temperature range, though a perceptible performance diminution. The increase in power dissipation when the temperature is augmented leads to a limitation of the advantage of a high temperature operation of the component. Silicon, which is the sole semiconductor used for existing power devices, is personally involved especially because of its intrinsic carrier concentration and carrier mobility dependences on temperature. The analysis of the high temperature bipolar power transistor electrical characteristics, and the knowledge of the silicon carbide physical properties let us deduce the theoretical advantages of such a new semiconductor with regard to improvement of the bipolar power transistor performance at high temperature

Les crayons combustibles au sein des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) sont constitués de pastilles de céramique (UO2 ou (U-Pu)O2) empilées dans des gaines en alliage de zirconium, le Zircaloy. Avant l'irradiation, il existe un jeu de fabrication entre les pastilles et la gaine de l'ordre d'une centaine de microns. Au cours de l'irradiation, ce jeu est rapidement réduit ou totalement rattrapé du fait des différentes déformations que subissent les pastilles et la gaine. La connaissance de la nature de ce contact pastille-gaine à chaud, nécessaire pour comprendre les phénomènes et valider les modélisations de l'évolution de l'état de l’interface en fonction du taux de combustion, est accessible aujourd’hui exclusivement à partir de mesures destructives effectuées en laboratoire de haute activité, après retour à froid des combustibles. Pour obtenir un plus grand nombre d’informations sur des zones d’intérêt étendues, ou sur un tronçon de crayon avant refabrication pour ré-irradiation en réacteur expérimental, un moyen de caractérisation non destructif de l’interface pastille-gaine est nécessaire. C'est dans ce contexte que l'Institut d'Electronique et des Systèmes UMR CNRS 5214 de l'Université de Montpellier développe, dans le cadre d'une collaboration avec le Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives, et en partenariat avec EDF et Framatome, un microscope acoustique adapté aux géométries cylindriques. Le travail mené au cours de cette thèse inclut la conception et l’adaptation d’une tête de mesure sur un banc prototype et la démonstration de la faisabilité de l’acquisition d’images haute résolution (quelques dizaines de microns) sur tubes de gaine, l’enjeu étant de conserver la focalisation sur l’ensemble des zones imagées sur un même tube de diamètre externe de l’ordre de 10 mm et de longueur de 100 à 500 mm. La difficulté à reproduire les conditions de contact pastille-gaine en laboratoire ont orienté le choix des échantillons simulants, élaborés à partir de tubes de gaine avec ou sans zircone et chargés localement de colle. Les acquisitions réalisées sur ces échantillons simulants montrent la capacité de la méthode à détecter les changements de structure de la surface interne de la gaine. La mesure est ainsi sensible à la présence d’une couche de zircone interne d’épaisseur de 10 $mu$m, et à la présence de matériau adhérent à l’intérieur du tube. Ces résultats montrent l’intérêt de poursuivre ces études, pour améliorer grâce à du traitement du signal l’interprétation des images avec pour objectif final l’adaptation de la méthode et sa qualification sur un banc sur crayon irradié
Pressurized Water Reactor (PWR) fuel rods are made of ceramic pellets (UO2,(U,Pu)O2 or gadolinium fuel) assembled in a zirconium alloy cladding tube. By design, an initial gap, filled with helium, exists between these two elements. However during irradiation this gap decreases gradually, on the one hand, owing to a variation in cladding diameter, due to creepdown caused by pressure from the coolant, and, on the other hand, increased pellet diameter, due to thermal expansion, and swelling. In hot conditions, during the second or third cycle of irradiation, the pellet/cladding gap is closed. However, during the return to cooler conditions, the gap can reopen. At a high burnup (generally beyond the 3rd cycle of irradiation) an inner zirconia layer of the order of 10 to 15 $mu$m is developed by oxidation leading to a chemical bonding between the pellet and the cladding. This bonding layer may contribute to a non-reopening of the pellet-cladding gap.Currently, only destructive examinations, after cutting fuel rods, allow the visualization of this area, however, they require a preliminary preparation of the samples in a hot cell. This limits the number of tests and measurements on the fuel rods. In this context, the Institute of Electronic and Systems of Montpellier University (IES - UMR CNRS 5214), in collaboration with the Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA), Electricité de France (EDF) and Framatome, is developing a high frequency acoustic microscope adapted to the control and imaging of the pellet/cladding interface by taking into account the complexity of the structure's cladding which has a tubular form. Because the geometrical, chemical and mechanical nature of the contact interface is neither axially nor radially homogeneous, the ultrasonic system must allow the acquisition of 2D images of this interface by means of controlled displacements of the sample rod along both its axis and its circumference. The final objective of the designed acoustic microscope is to be introduced in hot cells

Les travaux présentés dans cette thèse s’appliquent à la caractérisation de propriétés mécaniques par la microscopie acoustique. Ils décrivent un capteur focalisé innovant qui autorise à la fois une topographie et une imagerie quantitative d’un matériau élastique. L’innovation consiste en la séparation des différents modes de propagation d’un matériau excité par une sonde focalisée multiélément. La mesure par temps de vol de la vitesse de propagation des modes de surfaces de matériaux élastiques et anisotropes offre une possibilité de quantification du module caractérisant l’élasticité : le module de Young. Le dimensionnement de la sonde multiélément qui est décrit ici est rendu possible grâce au développement d’un modèle de champs acoustiques permettant d’anticiper le champ rayonné par chaque élément. Un deuxième modèle traitant de l’étude temporel des signaux reçus par la sonde focalisée est aussi présenté pour vérifier le comportement discriminant de la sonde des différentes ondes pouvant se propager. La mesure de propriétés mécaniques par la sonde focalisée est appliquée à différents échantillons et propose des résultats cohérents avec une grande sensibilité. La possibilité de réaliser des images de propriétés mécaniques est ainsi démontrée. D’abord adaptée pour des fréquences de l’ordre de la trentaine de mégahertz, cette sonde possède un nombre limité d’éléments pour assurer une simplicité de conception et de fabrication permettant par la suite une miniaturisation du capteur pour atteindre des fréquences proches du gigahertz
The work presented in this thesis is applied to the characterization of mechanical properties by acoustic microscopy. It describes an innovative focused sensor that enables both topography and quantitative imaging of an elastic material. The innovation consists in the separation of the different propagation modes of a material excited by a focused multielement probe. Measuring the surface mode propagation velocity of elastic and anisotropic materials thanks to their time of flight provides a possibility of quantifying the module characterizing the elasticity: the Young's modulus. The dimensions of the multielement probe are described here and rely on an acoustic field model developed to anticipate the field radiated by each element. A second model studies the temporal behaviour of the focused probe and also verifies the discrimination of the different waves that propagate. The measurement of mechanical properties by the multielement probe is applied to different samples and provides consistent results with high sensitivity. The ability to produce images of mechanical properties is thus demonstrated. First suitable for frequencies near thirty megahertz, this sensor has a limited number of elements to ensure a simplicity of design and manufacture for a subsequent miniaturization of the sensor to achieve frequencies near the gigahertz

Cette thèse s'intéresse à la caractérisation des propriétés d'un film adhésif dans un assemblage aéronautique tricouche de type Titane-Adhésif-Composite, représentatif de l’aube de fan du moteur LEAP. L'objectif principal est de déterminer avec précision l'épaisseur du film adhésif, ses propriétés mécaniques, ainsi que la qualité d’adhésion qu’il assure entre le titane et le composite, en utilisant des méthodes ultrasonores non destructives à haute fréquence, et donc à haute résolution. Cependant, cette détermination fine de l'épaisseur du joint adhésif et de ses propriétés mécaniques, des indicateurs clés de la qualité de l'adhésion, reste un verrou technologique non encore résolu dans l'industrie aéronautique en raison du contraste d'impédance très marqué dans ce type de structure : fort entre le titane et l’adhésif, et faible entre l’adhésif et le composite. L’enjeu de cette thèse est donc de relever le défi de la détection de l’écho de fond à l’interface Adhésif-Composite à haute fréquence. Ce défi est d'autant plus difficile que les hautes fréquences s'accompagnent d'une atténuation importante. Il est donc essentiel de trouver un compromis optimal entre une fréquence suffisamment élevée pour adapter la longueur d'onde à l'épaisseur de l'adhésif, mais pas trop élevée pour détecter les échos de fond, notamment l’écho de fond à l’interface Adhésif-Composite, avec une amplitude suffisamment exploitable. Dans un premier temps, une étude qualitative a été menée sur six échantillons tricouches (TA6V-Epoxy-Composite, fournis par Safran) à l’aide du microscope acoustique à balayage (SAM) PVA TEPLA 301, permettant la mesure précise de l’épaisseur du film adhésif époxy et l’évaluation de la qualité d’adhésion, en analysant l’écho de fond du film d’époxy, et en examinant la quantité d’énergie transmise à la couche composite en exploitant l’imagerie X-scan. Différents niveaux d'adhésion ont été identifiés : fort, moyen et faible. Par la suite, une étude quantitative a été réalisée à l’aide d’un modèle aux interphases, résolu par la méthode des séries de Debye, qui a permis de quantifier les niveaux d’adhésion de ces échantillons : un fort niveau d’adhésion pour l’échantillon 2 avec des coefficients d’adhésion (α = 1 et β = 1), un faible niveau d’adhésion pour l’échantillon 1 avec (α = 1 et β = 10⁻³), et un niveau d’adhésion moyen pour les échantillons 3, 4, 5 et 6 avec α = 1 et des valeurs de β intermédiaires
This thesis focuses on the characterization of the properties of an adhesive film in a three-layer aeronautical assembly of the Titanium-Adhesive-Composite type, representative of the fan blade in the LEAP engine. The main objective is to accurately determine the thickness of the adhesive film, its mechanical properties, and the quality of adhesion it provides between the titanium and the composite, using high-frequency, and therefore high-resolution, non-destructive ultrasonic methods. However, this precise determination of the thickness of the bonded joint and its mechanical properties, which are key indicators of the quality of the bond, remains an unresolved technological challenge in the aeronautical industry due to the significant impedance contrast in this type of structure : high between the titanium and the adhesive, and low between the adhesive and the composite. Therefore, the challenge of this thesis is to address the detection of the background echo at the Adhesive-Composite interface at high frequency. This challenge is further complicated by the significant attenuation associated with high frequencies. It is essential to find an optimal compromise between a frequency high enough to match the wavelength to the thickness of the adhesive, but not too high, in order to detect the background echoes, particularly the background echo at the Adhesive-Composite interface, with a sufficiently exploitable amplitude. Initially, a qualitative study was conducted on six three-layer samples (TA6V-Epoxy-Composite, provided by Safran) using the PVA TEPLA 301 scanning acoustic microscope (SAM), which allows the precise measurement of the epoxy adhesive film's thickness and the assessment of the quality of the adhesion by analyzing the background echo of the epoxy film and examining the amount of energy transmitted to the composite layer using X-scan imaging. Different levels of adhesion were identified : strong, medium, and weak. A quantitative study was then carried out using an interphase model solved by the Debye series method, which allowed for the quantification of the adhesion levels in these samples: a strong adhesion level for sample 2 with adhesion coefficients (α = 1 and β = 1), a weak adhesion level for sample 1 with (α = 1 and β = 10⁻³), and a medium adhesion level for samples 3, 4, 5 and 6 with α = 1 and intermediate β values

Cette thèse présente une étude des instabilités haute-fréquence dans les moteurs-fusées. Ce phénomène, qui a posé de nombreux problèmes dans les programmes de développement de moteur, est abordé de trois façons complémentaires : expérimentalement, théoriquement et numériquement. Premièrement, des expériences sont menées afin d’identifier les principaux processus et d’apporter les mécanismes ayant lieu lorsque le moteur devient instable. Pour parvenir à ce stade, un nouveau modulateur (VHAM), capable de créer des ondes acoustiques représentatives de ce qui se produit dans un moteur réel, est conçu et caractérisé. La deuxième partie concerne l’analyse théorique. Deux modèles (FAME, SDM) sont développés en suivant les principales conclusions de la campagne expérimentale : les oscillations de dégagement de chaleur sont dues au mouvement transverse des flammes, et le phénomène est déclenché lorsque des gouttelettes deviennent suffisamment petites pour être convectées par le champ acoustique. En utilisant ces modèles comme base de référence, un code numérique (STAHF) est présenté. Son but est de rendre compte des mécanismes déjà identifiés pour un coût de calcul faible. Il est ensuite montré qu’il peut être utilisé pour étudier des moteurs-fusées grandeur nature. La LES compressible est choisie pour étudier l’interaction entre l’acoustique et la combustion numériquement. Un nouveau modèle de combustion pour flammes non-prémélangées basé sur une hypothèse de chimie infiniment rapide est présenté et validé sur une flamme bien documentée (H3). Il est ensuite utilisé pour étudier l’interaction entre une onde acoustique transverse et la flamme H3. Une comparaison entre le terme source de Rayleigh calculé à partir de la simulation et celui prédit par le modèle théorique FAME est finalement menée
This thesis presents a study of high frequency instabilities in rocket engines. This issue, which has plagued many engine development programs, is approached by three complementary viewpoints: experimental, theoretical, and numerical. First, experiments are carried out to identify the main processes involved and bring forth mechanisms taking place when an engine becomes unstable. To achieve this stage, a new modulator (the VHAM), capable of creating acoustic waves representative of what occurs in an actual engine, is designed and characterized. The second part of this thesis concern theoretical analysis. Two models are developed following the main conclusions of the experimental campaign: heat release oscillations are due to the transverse flames’ motion, and the phenomenon is triggered when droplets become small enough to be convected by the acoustic field. Using these models as a baseline, a numerical code (STAHF) is presented. Its purpose is to account for mechanisms identified previously for little computational cost. This code is validated on particularly responding situations observed during experiments. It is then shown that it can be used to study real scale rocket engines. The third point of view adopted to address the problem is numerical simulation. Full compressible LES is chosen to study the interaction between acoustics and combustion. A new combustion model for non-premixed flames with infinitely fast chemistry is presented and validated on a well documented flame (H3). It is then used to study the interaction between a transverse acoustic wave and the H3 flame. A comparison between the Rayleigh source term computed from the simulation and the one predicted by the theoretical model FAME is conducted eventually

L'objectif de ce travail est de créer des outils efficaces d'aide à la conception des antennes d'imagerie médicale à l'aide des codes de calcul éléments finis ATILA et EQI. Dans un premier temps, un modèle tridimensionnel a été mis en place permettant l'analyse harmonique d'une structure piézoélectrique rayonnant dans l'eau. Ce modèle 3D va ainsi permettre la modélisation numérique de mosai͏̈ques (antennes 2D) fabriquées à partir de matériaux piézocomposites. Dans un second temps, une étude numérique a été effectuée en utilisant un modèle 2D (ATILA-déformation plane) visant à mesurer l'influence d'une couche d'adaptation et d'un amortisseur sur le comportement d'un transducteur de type barreau. Un critère de choix du matériau d'adaptation a été établi garantissant l'éloignement des modes harmoniques de la bande passante du transducteur. Dans un troisième temps, une solution au problème de couplage inter-éléments est proposée et testée numériquement sur une antenne composée de cinq éléments
The aim of this work is to create effective tools to design medical transducer arrays with the help of finite element codes ATILA and EQI. First of all, a tridimensional model has been developped which enables harmonic analysis of a piezoelectric structure radiating into water. This 3D model enables numerical modelling of 2D transducer arrays made of piezocomposite materials. Secondly, a numerical study has been performed, using a 2D model (ATILA, plane strain approximation), which measures the influence of a matching layer and a backing on the behavior of a transducer bar. A choice criterion of the matching material has been found guaranteing no harmonic coupled modes in the bandwidth of the transducer. Thirdly, a solution to the problem of element cross-coupling is proposed and numerically tested using a simple five elements linear array

Ce travail de recherche a porté sur la caractérisation et le contrôle par des méthodes non destructives ultrasonores, de revêtements déposés au plasma. La caractérisation acoustique des revêtements est faite en déterminant la célérité et l'atténuation des ondes par une méthode fondée sur la spectroscopie ultrasonore. Un examen microstructural permet d'expliquer les propriétés particulières, célérité faible et atténuation élevée, par la présence de pores et de nombreuses microfissures dans ces matériaux. Le contrôle des interfaces a été réalisé à l'aide de deux techniques, l'échographie impulsionnelle et la Microscopie Acoustique Basse Fréquence (MABF). La connaissance des propriétés acoustiques des différents matériaux permet d'interpréter, de modéliser et de prévoir les réponses acoustiques issues des systèmes revêtus. En particulier, dans le cas de la MABF, nous avons modélisé la réponse V(z) des systèmes en utilisant la méthode de décomposition du champ rayonné par le traducteur en son spectre angulaire d'ondes planes. Enfin, les revêtements utilisés comme barrière thermique sont testés à haute température, en les soumettant à des sollicitations thermiques répétées. La dégradation du revêtement au niveau de l'interface, et l'évolution des propriétés acoustiques sont suivies à l'aide des techniques développées précédemment
This work deals with characterization and testing of plasma sprayed coatings using ultrasonic non destructive methods. The acoustic characterization of the coatings is made by measuring velocity and attenuation of waves with a method based on ultrasonic spectroscopy. Microstructural observations show porosity and microcracking in the plasma materials and allow us to explain the particular acoustic properties of these coatings that are a low velocity and a high attenuation. The testing of the interfaces bas been carried out using the pulse echograpby and the low frequency acoustic microscopy techniques. The knowledge of acoustic properties allows us to interpret, to model and to predict the acoustic responses got from the coated systems. In particular, in the case of the low frequency acoustic microscopy we have modelled the V(z) response of the systems using a method based on decomposition of the field radiated by the transducer in his plane waves angular spectrum. At last the coatings used like thermal barrier are tested at high temperature submitting them to repetitive thermal solicitations. The coating damage at its interface and the acoustic properties evolution are followed by the previously developed techniques

Le contexte de ce travail repose sur l'étude des instabilités de combustion au sein des moteurs-fusées à propergols liquides. Cette étude se concentre sur les effets des champs acoustiques transverses de haute amplitude sur l'injection coaxiale en conditions non-réactives. La réponse acoustique du système d'injection est dépendante des propriétés locales du champ acoustique dans la cavité d'injection. La modification du processus d'atomisation, induit par le champ acoustique, a été analysée dans des configurations simples et multiinjection. Des expériences ont été menées pour des régimes d'atomisation de faibles et hauts nombres de Weber. Trois phénomènes ont été observés: un aplatissement du jet, une amélioration du processus d'atomisation et la déviation du système liquide. La combinaison de ces trois phénomènes en configuration multi-injection résulte en un phénomène de regroupement de gouttes. En présence de combustion, un tel regroupement pourraitmener à un dégagement de chaleur non-uniforme susceptible de déclencher ou d'entretenir des instabilités de combustion. Un modèle théorique basé sur les équations d'acoustique non-linéaire a été développé pour donner les expressions générales de pression de radiation et de forces de radiations résultantes appliqué aux objets sphériques et cylindriques en champ stationnaire ou progressif. Le modèle a été utilisé pour interpréter et quantifier les observations expérimentales en configurations liquide/gaz, trans-critique/super-critique et gaz/gaz, et a permis de montrer que le nombre de Helmholtz qui caractérise le champ acoustique, et le rapport de densité qui caractérise les deux milieux, sont deux paramètres cruciaux. Les principales conclusions montrent que le phénomène observé peut être interprété comme résultant de l'acoustique non-linéaire, dont le paramètre clé étant le ratio de densité. Cela exige que la couche séparant les deux milieux, vue comme une interface, ne doive pas être réduite uniquement à une interface liquide/gaz
The context of this work relies to high frequency combustion instabilities in Liquid Rocket Engines (LRE). The present research focuses on the effects of high amplitude transverse acoustic fields on non-reactive coaxial injection. The acoustic response of injection domes is found to be dependent on the local properties of the acoustic field in the injection cavity. The modification of the atomization process, induced by the acoustic field, has been analyzed in single and multi-injection configurations. Experiments were performed from low to high Weber number atomization regimes. Three phenomena are observed: jet flattening, improvement of the atomization process and deviation. The combination of these phenomena in multi-injection configurations leads to a droplet clustering phenomenon. In the presence of combustion, such a clustering could lead to non-uniform heat release rate which can trigger or sustain combustion instabilities. A theoretical model based on non-linear acoustics has been developed, providing general expressions of radiation pressure and resulting radiation force, for spherical and cylindrical objects in standing and progressive wave field. The model has been successfully used to interpret and quantify experimental observations in liquid/gas, trans-critical/super-critical and gas/gas configurations and showed that the Helmholtz number α characterizing the acoustic field and the density ratio η characterizing the two media are two parameters of importance. The major conclusions are that the observed phenomena can be interpreted as resulting from non-linear acoustics, the key feature being the density ratio. It is claimed that the layer separating the two media, seen as an interface, does not need to be restricted only to a liquid/gas interface