Technique

UDV 2D/3D

Vélocimétrie ultrasonore 2D/3D

Contexte

La technique de mesure par vélocimétrie Doppler ultrasonore 2D ou 3D permet de mesurer simultanément deux composantes de vitesse (U et W) ou trois composantes de vitesse (U, V et W) le long d’une ligne.

L’UDV-2D et l’UDV-3D possèdent tous les avantages de la vélocimétrie Doppler ultrasonore classique, notamment la capacité de réaliser des mesures dans des liquides non translucides. L’une des propriétés les plus intéressantes de ces techniques, comparées à d’autres méthodes permettant de mesurer simultanément plusieurs composantes de vitesse, est leur fonctionnement en temps réel. Seules quelques dizaines de millisecondes sont nécessaires pour calculer et afficher un profil complet de vitesse 2D ou 3D.

Configuration des transducteurs pour la vélocimétrie Doppler ultrasonore 2D

Configuration des transducteurs en 2D

L’UDV-2D repose sur un système de 3 transducteurs. Un seul transducteur est utilisé comme émetteur. Les deux autres sont utilisés comme récepteurs.

Pour les mesures UDV-2D, les trois transducteurs sont disposés comme indiqué sur la figure ci-contre. Les deux récepteurs sont placés de part et d’autre de l’émetteur et à la même distance de celui-ci. Les axes des faisceaux ultrasonores se croisent au même point et sont contenus dans un même plan.

Les centres des éléments piézoélectriques de ces trois transducteurs ne sont pas nécessairement alignés sur l’axe X. Cette configuration permet de mesurer les vitesses le long du faisceau ultrasonore de l’émetteur en de nombreux points. Les profondeurs auxquelles les mesures sont possibles dépendent de la géométrie du faisceau ultrasonore, des distances entre les transducteurs et de l’angle des récepteurs (angle entre le faisceau de l’émetteur et celui d’un récepteur).

Chaque couple émetteur-récepteur fournit une composante de vitesse. Ces composantes sont traitées par le logiciel UDOP qui restitue les composantes de vitesse dans le système de coordonnées cartésiennes.

Configuration des transducteurs en 3D

Pour les mesures UDV-3D, une configuration similaire à celle du mode 2D est utilisée, comme illustré sur la figure. Un transducteur central émet les impulsions ultrasonores et trois transducteurs latéraux, disposés uniformément (à 120 degrés) autour de l’émetteur, reçoivent les échos. Les centres des éléments piézoélectriques de ces quatre transducteurs ne sont pas nécessairement situés dans le même plan XY.

Chaque couple émetteur-récepteur fournit une composante de vitesse. Ces composantes sont traitées par le logiciel UDOP qui restitue les composantes de vitesse dans le système de coordonnées cartésiennes.

Configuration des transducteurs pour la vélocimétrie Doppler ultrasonore 3D
Volume d’échantillonnage et résolution spatiale en UDV 2D/3D

Résolution spatiale en UDV 2D/3D

En UDV 2D/3D, la définition des dimensions latérales du volume d’échantillonnage n’est pas aussi simple qu’en 1D. Cela résulte principalement des différentes interactions entre les faisceaux ultrasonores. L’émission par un transducteur et la réception des échos par un autre impliquent que la position du centre des volumes d’échantillonnage et leur dimension radiale varient selon la profondeur de mesure.

Comme l’UDV 2D/3D utilise 2 ou 3 couples émetteur-récepteur, pour une profondeur donnée, plusieurs volumes d’échantillonnage interviennent. Des mesures correctes ne sont donc possibles que si le champ d’écoulement est identique dans chacun de ces volumes. Dans ce cas, les volumes d’échantillonnage correspondant à une profondeur donnée peuvent être combinés en un seul volume global, de dimension beaucoup plus grande qu’en 1D.

Logiciel de simulation UDV 2D/3D

Comme il est essentiel de positionner correctement les sondes, un logiciel de simulation est proposé pour aider à la sélection de la géométrie, du type de transducteurs et des paramètres de fonctionnement pour les mesures UDV-2D et UDV-3D. Ce logiciel permet également de simuler le comportement en 1D.

L’écoulement est simulé par une source unique de particules, qui émet des particules dans toutes les directions. Le champ d’écoulement est défini par la position de cette source, et la plage de vitesses est fixée par la vitesse à laquelle les particules sont émises.

L’outil de simulation donne une estimation de la dimension latérale du volume d’échantillonnage global (bordure verte sur la figure). Il permet de comparer la vitesse mesurée à partir du déplacement des particules avec la vitesse réelle de leur mouvement.

Il montre également l’influence de paramètres tels que l’angle des récepteurs.

Résultat du logiciel de simulation UDV 2D/3D