Mesurer l’absorption et la diffusion des ultrasons dans des matériaux géologiques

Faire la part respective de l’absorption intrinsèque et de la diffusion dans l’atténuation que subissent les ultrasons dans les milieux hétérogènes est un enjeu important, depuis la caractérisation des matériaux (polycristaux, roches poreuses, ciments) jusqu’aux applications en géophysiques. Des chercheurs de l’Institut Langevin (ESPCI Paris, Université PSL, CNRS) et de l’Université chinoise du pétrole (Qingdao) ont abordé cette question en se basant sur l’équation du transfert radiatif résolue par des simulations de Monte Carlo [1].

Ils ont ainsi mis en évidence un comportement de transport « anormal » dans des échantillons de taille finie où le pic balistique et le pic de diffusion, que l’on bien distingue dans un milieu infini (Fig. 1), fusionnent en un seul pic. Ce phénomène peut fausser considérablement le processus d’inversion des données et conduire ainsi à une surestimation du libre parcours moyen élastique (distance moyenne entre deux événements de diffusion) de plus de 200 %.

Ils ont toutefois montré que ce problème pouvait être contourné en mesurant la transmission des ultrasons avec une détection hors axe. Le libre parcours moyen élastique déterminé avec cette méthode dans un échantillon de granit polycristallin est cohérent avec la valeur prédite à partir de la longueur de corrélation des fluctuations de vitesse des ondes de cisaillement, elle-même déduite d’une analyse d’image (Fig. 2).


Fig. 1 : profil de la densité d’énergie évalué pour différentes distance L entre la source et le récepteur dans un milieu hétérogène infini (en noir : prédictions analytiques ; en rouge : résultats d’une simulation de Monte Carlo).


[1] Hao Zhou, Xiaoping Jia, Li-Yun Fu and Arnaud Tourin
Monte Carlo simulation of ultrasound scattering and absorption in finite-size heterogeneous materials
Phys. Rev. Applied 16, 034009 (2021)

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