Technique

VDU 2D/3D

Vélocimétrie ultrasonore 2D/3D

L'origine de la technique

La vélocimétrie Doppler ultrasonore multidimensionnelle est issue de la vélocimétrie ultrasonore traditionnelle. Elle en conserve tous les avantages, à savoir le principal, qui consiste à offrir simultanément une information de vitesse et de profondeur.
Elle permet d'accroître la connaissance du champ de vitesse en mesurant simultanément plusieurs composantes du vecteur vitesse le long d'une ligne.

Une des propriétés remarquables de cette technique est qu'elle permet de mesurer en temps réel l'évolution du vecteur vitesse, et donc de suivre et d'étudier des écoulements non sationnaires. Seules quelques dixaines de millisecondes sont nécessaires à l'obention d'un profil de vitesse.

Le mode 2D

Un transducteur central émet une impulsion ultrasonore. Plutôt que d'analyser le signal d'écho par le même transducteur, les échos sont analysés simultanément par deux transducteurs placés de part et d'autre du transducteur émetteur.
De cette vision stéréoscopique il est possible de reconstruire les différentes composantes du vecteur vitesse pour tous les volumes de mesure situés à l'intérieur de l'intersection des champs ultrasonores de l'émetteur et d'un récepteur.

La géométrie des champs ultrasonores est primordiale. Pour son bon fonctionnement il est nécessaire de garantir:

  • que les axes de tous les champs ultrasonores (émetteur et récepteurs) se coupent en un point unique.
  • que les angles entre l'axe du champ ultrasonore d'un récepteur et celui de l'émetteur soit identiques.

Le mode 3D

Pour le mode 3D, le même type d'arrangment des transducteurs est utilisé. Un transducteur central émet les impulsions ultrasonores et trois tranducteurs latéraux, distribués uniformément autour du tranducteur émetteur (120 degrés), captent les échos issus des particules. Notez que les centres des 4 éléments piezos ne doivent par nécessairement se situer dans le même plan.

Chaque couple émetteur-récepteur délivre un profil. Les trois profils sont alors utilisés pour extraire les 3 composantes du vecteur vitesse qui sont livrées dans un système cartésien dont l'origine est placée au centre du transducteur émetteur.

Résolution spatiale en mode VDU 2D/3D

En VDU 2D/3D, la détermination des dimensions des volumes de mesure n'est pas aussi simple qu'en mode 1D, ceci en raison de la manière dont les champs ultrasonores interagissent entre eux.
Emettre sur un transducteur et capter le signal d'écho sur un autre implique que les positions des centres des volumes de mesure ainsi que leurs dimensions latérales évoluent en fonction de la profondeur.

Etant donné que la technique utilise 2 à 3 couples d'émetteur-récpeteur, il existe plus d'un volume de mesure associé à la mesure d'une information à une profondeur donnée. Le volume de mesure qui doit donc être associé à cette profondeur doit comprendre tous les volumes de mesures utilisés. Ce volume de mesure global est par conséquent beaucoup plus grand qu'en vélocimétrie classique 1D.

Logiciel de simulation VDU 2D/3D

Etant donné qu'il est primordial de placer les champs ultrasonores de manière correcte, un logiciel de simulation permet d'étudier et d'évaluer l'influence du choix des sondes et de la manière dont elles sont placées. Noter que ce logiciel permet également la simulation 1D,

L'écoulement est simulé par une source ponctuelle de particules qui émet des particules dans toutes les directions à des vitesses variables en foncion de la direction. Un modèle d'écoulement est alors déterminé par une position judicieuse de la source de particules.

La simulation donne une idée précise des dimensions latérales des volumes de mesure (en vert dans la figure) et permet de comparer les profils mesurés aux profils réels.