Thesis by EUDE Muriel
Experimental study of ultrasound wave propagation in an attenuating heterogeneous medium.
Defended on 20 january 2004
For media containing multiple heterogeneities, current echographic systems can produce very fuzzy images. In fact, their software does not take into account the multiple scattering phenomena occurring between each small reflector embedded into the medium. Neglecting theses multiple scattered echoes leads to loss of information about the medium, such as that concerning density, size, nature and distribution of the heterogeneities. Acoustic multiple scattering theoretical formulations, by taking echoes between reflectors into account, give access to all these physical parameters. Inserting these analytical models into echographic software will greatly improve image quality and give additional information on the medium. Toward this objective, a first approach is the experimental study of the interaction between a plane wave travelling into a fluid and a set of hard inclusions. Then, the resulting experimental transmitted and reflected sound amplitudes can be compared with the theoretically predicted ones. For this purpose, we have designed an acoustical bench that allows us to make multiple scattering measurements. Experiments are conducted on Agar-agar samples containing three-dimensional distributions of spherical scatterers 1mm in diameter. Parameters such as sample thickness, scatterer distribution density and randomness, are all under control. For several sample thicknesses and scatterer distribution densities, the reflection and transmission coefficients are measured on a wide frequency range. Our experimental results are compared with the predictions of a new multiple scattering model that allows the analytical calculation of the transmission and reflection of an ultrasonic plane wave respectively through and on a slab containing a homogeneous random distribution of scatterers. The agreement between the experimental and theoretical approaches validates the latter. Following this study, it is now possible to handle the inverse problem: identifying unknown parameters of samples by matching experimental measurements and theoretical results.
Étude expérimentale de la propagation d’une onde acoustique dans un milieu atténuant en présence d’hétérogénéités.
Soutenue le 20 January 2004
Les systèmes échographiques actuels fournissent des images difficiles à interpréter en présence d’hétérogénéités. En effet, les logiciels de calcul intégrés à l’échographe ne prennent pas en compte les phénomènes de diffusion multiple qui s’établissent entre chaque réflecteur. Négliger ces multiples échos diffus conduit à perdre des informations concernant la structure des milieux, telles que la densité, la taille, la composition et la distribution des hétérogénéités. Les théories acoustiques de diffusion multiple, en tenant compte du jeu complexe des échos entre chaque réflecteur, permettent d’extraire de telles données. Ainsi, intégrer des modèles de diffusion multiple dans les systèmes échographiques classiques conduirait d’une part à l’amélioration de la qualité des images et d’autre part à l’acquisition de nouvelles données concernant la nature des milieux. Dans ce but, une première approche consiste à étudier expérimentalement les interactions entre une onde plane se propageant dans un milieu fluide et une distribution d’inclusions solides afin de prédire les réflexions et transmissions résultantes. Pour cela, nous avons conçu et réalisé un banc de diffusion acoustique. Les expériences sont menées sur des échantillons d’agar-agar contenant des distributions tridimensionnelles de diffuseurs sphériques de 1mm de diamètre. L’épaisseur des échantillons, la densité et la répartition des diffuseurs sont des paramètres maîtrisés. Pour différentes concentrations de diffuseurs et différentes épaisseurs d’échantillons, les coefficients de réflexion et de transmission sont mesurés sur une large bande de fréquence. Nos résultats expérimentaux sont confrontés aux prédictions d’un nouveau modèle de diffusion multiple qui permet d’évaluer analytiquement la transmission et la réflexion d’une onde plane ultrasonore de part et d’autre d’une région comportant une distribution aléatoire homogène de diffuseurs. L’accord expérience / théorie valide sans ambiguïté ce modèle. Suite à cette étude, il est maintenant possible de traiter partiellement le problème inverse en identifiant les propriétés d’échantillons inconnus par corrélation des mesures expérimentales et prédictions théoriques.
Defended on 20 january 2004
For media containing multiple heterogeneities, current echographic systems can produce very fuzzy images. In fact, their software does not take into account the multiple scattering phenomena occurring between each small reflector embedded into the medium. Neglecting theses multiple scattered echoes leads to loss of information about the medium, such as that concerning density, size, nature and distribution of the heterogeneities. Acoustic multiple scattering theoretical formulations, by taking echoes between reflectors into account, give access to all these physical parameters. Inserting these analytical models into echographic software will greatly improve image quality and give additional information on the medium. Toward this objective, a first approach is the experimental study of the interaction between a plane wave travelling into a fluid and a set of hard inclusions. Then, the resulting experimental transmitted and reflected sound amplitudes can be compared with the theoretically predicted ones. For this purpose, we have designed an acoustical bench that allows us to make multiple scattering measurements. Experiments are conducted on Agar-agar samples containing three-dimensional distributions of spherical scatterers 1mm in diameter. Parameters such as sample thickness, scatterer distribution density and randomness, are all under control. For several sample thicknesses and scatterer distribution densities, the reflection and transmission coefficients are measured on a wide frequency range. Our experimental results are compared with the predictions of a new multiple scattering model that allows the analytical calculation of the transmission and reflection of an ultrasonic plane wave respectively through and on a slab containing a homogeneous random distribution of scatterers. The agreement between the experimental and theoretical approaches validates the latter. Following this study, it is now possible to handle the inverse problem: identifying unknown parameters of samples by matching experimental measurements and theoretical results.
Étude expérimentale de la propagation d’une onde acoustique dans un milieu atténuant en présence d’hétérogénéités.
Soutenue le 20 January 2004
Les systèmes échographiques actuels fournissent des images difficiles à interpréter en présence d’hétérogénéités. En effet, les logiciels de calcul intégrés à l’échographe ne prennent pas en compte les phénomènes de diffusion multiple qui s’établissent entre chaque réflecteur. Négliger ces multiples échos diffus conduit à perdre des informations concernant la structure des milieux, telles que la densité, la taille, la composition et la distribution des hétérogénéités. Les théories acoustiques de diffusion multiple, en tenant compte du jeu complexe des échos entre chaque réflecteur, permettent d’extraire de telles données. Ainsi, intégrer des modèles de diffusion multiple dans les systèmes échographiques classiques conduirait d’une part à l’amélioration de la qualité des images et d’autre part à l’acquisition de nouvelles données concernant la nature des milieux. Dans ce but, une première approche consiste à étudier expérimentalement les interactions entre une onde plane se propageant dans un milieu fluide et une distribution d’inclusions solides afin de prédire les réflexions et transmissions résultantes. Pour cela, nous avons conçu et réalisé un banc de diffusion acoustique. Les expériences sont menées sur des échantillons d’agar-agar contenant des distributions tridimensionnelles de diffuseurs sphériques de 1mm de diamètre. L’épaisseur des échantillons, la densité et la répartition des diffuseurs sont des paramètres maîtrisés. Pour différentes concentrations de diffuseurs et différentes épaisseurs d’échantillons, les coefficients de réflexion et de transmission sont mesurés sur une large bande de fréquence. Nos résultats expérimentaux sont confrontés aux prédictions d’un nouveau modèle de diffusion multiple qui permet d’évaluer analytiquement la transmission et la réflexion d’une onde plane ultrasonore de part et d’autre d’une région comportant une distribution aléatoire homogène de diffuseurs. L’accord expérience / théorie valide sans ambiguïté ce modèle. Suite à cette étude, il est maintenant possible de traiter partiellement le problème inverse en identifiant les propriétés d’échantillons inconnus par corrélation des mesures expérimentales et prédictions théoriques.
