Une méthode rhéoacoustique pour détecter un objet dans des sédiments granulaires fortement diffusants

La localisation d’un objet enfoui dans une suspension dense de particules macroscopiques dans un liquide, comme les sables mouvants, est difficile en raison de la forte diffusion des ondes par les particules. De telles suspensions sont optiquement opaques et des méthodes acoustiques sont souvent appliquées. Cependant, la diffusion multiple des ultrasons par les particules (« bruit du matériau ») peut masquer complètement un écho cohérent provenant de l’objet enfoui (Fig. 1).

Pour pallier cette difficulté, des chercheurs à l’Institut Langevin, l’Université Clermont Auvergne et l’Université Paris-Saclay ont mis au point une nouvelle technique basée sur des mesures rhéoacoustiques. Un transducteur standard à élément unique est utilisé (A-scan ou SONAR classique) en combinaison avec un processus de moyennage de configuration. Ces différentes configurations sont obtenues par une pale rotative à distance (Fig. 1a), qui induit un mouvement non-affine de type brownien des particules à proximité de l’objet enfoui.

En faisant la moyenne des signaux acoustiques pour les différentes configurations, nous avons montré que les ultrasons à diffusion multiple peuvent être réduits et qu’un écho cohérent visible se dégage de l’objet enfoui après quelques secondes de rotation de la pale (Fig. 1b). L’efficacité de ce processus peut être améliorée soit en augmentant la vitesse de mélange, soit en diminuant la distance entre la pale et l’objet, ce qui est cohérent avec la rhéologie observée dans une cellule de cisaillement rotative à fond divisé.

Cette méthode constitue un outil efficace et facile à utiliser pour sonder par ultrasons des objets enfouis dans des sédiments marins turbides. De plus, elle peut améliorer la compréhension de la rhéologie des suspensions denses.


Fig. 1. (a) Dessin du dispositif expérimental. Une bille d’acier de diamètre D = 30 mm est immergée dans une suspension dense de billes de verre (d ∼ 600 μm) à une profondeur Z ∼ 30l* (l* d est le libre parcours moyen de transport). Un transducteur ultrasonore (A) est utilisé pour envoyer une courte impulsion et mesurer l’écho de la bille. Différentes configurations de diffusion sont générées par une pale de mélange L = 5 cm à vitesse de rotation Ω = 23 rpm placée à une distance χ = 8 cm. (b) Des traces acoustiques sont ensuite obtenues pour un nombre croissant de signaux moyennés. L’écho cohérent de l’intrus devient visible après quelques dizaines de secondes de mesure, ce qui est encore plus évident dans les spectrogrammes.

Référence :
S. van den Wildenberg, X. Jia, J.-L. Gennisson, and A. Tourin,
Acoustic Localization of an Intruder in a Strongly Scattering Medium,
Phys. Rev. Appl. 18, 064097 (2022)

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