FR3074353B1 - THREE-DIMENSIONAL IMAGING SYSTEM FOR ACOUSTIC PRESSURE WAVES - Google Patents
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Abstract
Le domaine technique de l'invention est celui des systèmes d'imagerie tridimensionnelle d'ondes de pression acoustiques destinés à mesurer les caractéristiques acoustiques d'au moins un dispositif acoustique. Le système selon l'invention comporte au moins : un dispositif interférométrique optique à rétroaction dont la diode laser (1) et le système optique (4) rétroréfléchissant sont montés sur une structure mécanique (20) rigide et commune ; un ensemble de déplacement motorisé (21, 22, 23, 24, 25) de la structure mécanique rigide, ledit ensemble de déplacement comportant deux organes de translation (21, 22) et un organe de rotation (23) agencés de façon à déplacer cette structure mécanique selon deux axes perpendiculaires et à la faire tourner d'au moins 180 degrés autour du second axe, les déplacements en translation et en rotation étant connus ; des moyens d'analyse informatique agencés de façon à réaliser une transformée de Radon sur un ensemble de mesures enregistré par les moyens de stockage.The technical field of the invention is that of three-dimensional acoustic pressure wave imaging systems intended to measure the acoustic characteristics of at least one acoustic device. The system according to the invention comprises at least: a feedback optical interferometric device of which the laser diode (1) and the retroreflective optical system (4) are mounted on a rigid and common mechanical structure (20); a motorized movement assembly (21, 22, 23, 24, 25) of the rigid mechanical structure, said displacement assembly comprising two translation members (21, 22) and a rotational member (23) arranged so as to displace this mechanical structure along two perpendicular axes and to rotate at least 180 degrees about the second axis, the translation and rotation movements being known; computer analysis means arranged to perform a Radon transform on a set of measurements recorded by the storage means.
Description
Système d’imagerie tridimensionnelle d’ondes de pression acoustiquesThree-dimensional acoustic pressure wave imaging system
Le domaine de l’invention est celui des systèmes permettant de mesurer, de caractériser et de visualiser la propagation des ondes de pression acoustique. La caractérisation de ce type d’ondes intéresse un grand nombre de domaines techniques liés aux ondes sonores. On citera, à titre d’exemples, la simulation des différents transducteurs du son, la mesure, l’identification et la propagation de sources de son ou de bruit de toute nature pour la recherche fondamentale, l’industrie, les produits grand public ou la connaissance du vivant.The field of the invention is that of systems for measuring, characterizing and visualizing the propagation of acoustic pressure waves. The characterization of this type of wave involves a large number of technical fields related to sound waves. By way of example, mention may be made of the simulation of the various sound transducers, the measurement, identification and propagation of sources of sound or noise of any kind for basic research, industry, consumer products or knowledge of the living.
Il est connu de mesurer le son au moyen de différents microphones. Cependant, ces systèmes ne permettent pas de visualiser la propagation des ondes de pression acoustique, chaque microphone réalisant une mesure locale.It is known to measure sound using different microphones. However, these systems do not make it possible to visualize the propagation of the sound pressure waves, each microphone performing a local measurement.
On sait que la propagation des ondes de pression acoustiques entraîne de faibles variations de l’indice de réfraction de l’air ou du gaz traversé et, par conséquent, a des effets acousto-optiques. Un trajet optique disposé sur le parcours des ondes acoustiques voit sa longueur optique légèrement modifiée par le passage de l’onde. Pour donner un ordre de grandeur, le changement de chemin optique est de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres pour des longueurs traversées de quelques centimètres. L’utilisation de méthodes optiques pour mesurer des effets acoustiques présentent de nombreux avantages. En effet, il existe différentes techniques optiques permettant de mesurer de très faibles différences de trajet. Par ailleurs, les techniques optiques sont non intrusives et n’interférent pas avec le phénomène acoustique à mesurer.It is known that the propagation of acoustic pressure waves causes small variations in the refractive index of the air or gas passed through and, consequently, has acousto-optical effects. An optical path arranged on the path of the acoustic waves sees its optical length slightly modified by the passage of the wave. To give an order of magnitude, the change in optical path is of the order of a few tens of nanometers for lengths crossed by a few centimeters. There are many advantages to using optical methods to measure acoustic effects. In fact, there are different optical techniques making it possible to measure very small path differences. Furthermore, optical techniques are non-intrusive and do not interfere with the acoustic phenomenon to be measured.
Différentes techniques optiques ont été proposées. Une des principales techniques utilisées est la vibrométrie laser sans contact ou « LDV », acronyme de « Laser Doppler Vibrometry ». On se reportera aux publications de L. Zipser et al. intitulée « Reconstructing two-dimensional acoustic objects fields by use of digital phase conjugation of scanning laser vibrometry recordings », Appl. Opt. 42, 5831-5838 (2003), de R. Malkin et al. intitulée « A simple method for quantitative imaging of 2D acoustic fields using refracto-vibrometry » J. Sound Vib. 333, 4473-4482 (2014) et de A. Torras-Rosell et al., intitulée « Sound field reconstruction using acousto-optic tomography » J. Acoust. Soc. Am. 131, 3786-3793 (2012) pour toutes informations complémentaires sur cette technique. Cependant, cette technique nécessite un interféromètre dont l’encombrement peut être important et qui reste sensible aux perturbations mécaniques.Different optical techniques have been proposed. One of the main techniques used is contactless laser vibrometry or "LDV", acronym for "Laser Doppler Vibrometry". Reference is made to the publications of L. Zipser et al. entitled "Reconstructing two-dimensional acoustic objects fields by use of digital phase conjugation of scanning laser vibrometry recordings", Appl. Opt. 42, 5831-5838 (2003), of R. Malkin et al. entitled "A simple method for quantitative imaging of 2D acoustic fields using refracto-vibrometry" J. Sound Vib. 333, 4473-4482 (2014) and by A. Torras-Rosell et al., Entitled “Sound field reconstruction using acousto-optic tomography” J. Acoust. Soc. Am. 131, 3786-3793 (2012) for all additional information on this technique. However, this technique requires an interferometer, the bulk of which can be significant and which remains sensitive to mechanical disturbances.
Une seconde technique optique appelée « Interférométrie optique à rétroaction », connue sous les abréviations « OFI » signifiant « Optical Feedback Interferometry » ou « SMI » signifiant « Self Mixing Interferometry » ou « LFI » signifiant « Laser Feedback Interferometry » ou « LOFI » signifiant « Laser Optical Feedback Interferometry » ne présente pas les inconvénients précédents. Cette technique est illustrée sur la figure 1. Le dispositif mis en œuvre comporte essentiellement une unité d’émission comportant une diode laser 1 pilotée par une unité d’alimentation 10 et une photodiode 2 couplée avec cette diode laser 1 et qui reçoit une partie du flux lumineux émis par la diode laser. Le courant reçu par cette photodiode est converti par un amplificateur transimpédance 11, connu sous l’acronyme « TIA ». Le signal de sortie du TIA est ensuite traité.A second optical technique called “Optical feedback interferometry”, known under the abbreviations “OFI” meaning “Optical Feedback Interferometry” or “SMI” meaning “Self Mixing Interferometry” or “LFI” meaning “Laser Feedback Interferometry” or “LOFI” meaning "Laser Optical Feedback Interferometry" does not have the above drawbacks. This technique is illustrated in FIG. 1. The device implemented essentially comprises an emission unit comprising a laser diode 1 controlled by a power supply unit 10 and a photodiode 2 coupled with this laser diode 1 and which receives part of the luminous flux emitted by the laser diode. The current received by this photodiode is converted by a transimpedance amplifier 11, known by the acronym "TIA". The TIA output signal is then processed.
Le dispositif comporte également une lentille de collimation 3 disposée devant la diode laser 1 et un système rétro-réflectif 4 disposé à une certaine distance L de la diode laser et qui renvoie une partie de la lumière collimatée émise vers la diode laser. Ce système peut être un miroir plan ou tout autre type de catadioptre. L’ensemble diode-laser-réflecteur, réalisant une cavité optique dite externe par opposition à la cavité propre du laser dite interne, est disposé de façon que l’onde acoustique 6 à mesurer se propage entre la diode laser et le système rétro-réflectif. Cette onde acoustique 6 est, par exemple, émise par un haut-parleur 5. Elle est représentée par des vagues concentriques en pointillés sur la figure 1.The device also comprises a collimating lens 3 disposed in front of the laser diode 1 and a retro-reflective system 4 disposed at a certain distance L from the laser diode and which returns part of the collimated light emitted towards the laser diode. This system can be a flat mirror or any other type of reflector. The diode-laser-reflector assembly, producing a so-called external optical cavity as opposed to the proper cavity of the so-called internal laser, is arranged so that the acoustic wave 6 to be measured propagates between the laser diode and the retro-reflective system . This acoustic wave 6 is, for example, emitted by a loudspeaker 5. It is represented by concentric waves in dotted lines in FIG. 1.
Le principe de fonctionnement est le suivant. La propagation des ondes acoustiques modifie l’indice de l’air ou du milieu gazeux qui se trouve entre la diode laser et le système. Le faisceau rétroréfléchi issu de la diode laser lorsqu’il revient sur la diode laser a donc subi un trajet optique dont la durée dépend de cette variation de l’indice du milieu traversé. Plus précisément, cette durée τ est la somme d’une durée constante το et d’une durée variable δτ. Elle vaut :The operating principle is as follows. The propagation of acoustic waves changes the index of the air or gaseous medium that is between the laser diode and the system. The retroreflected beam from the laser diode when it returns to the laser diode has therefore undergone an optical path, the duration of which depends on this variation in the index of the medium traversed. More precisely, this duration τ is the sum of a constant duration το and a variable duration δτ. She wants :
AvecWith
EtAnd
n étant l’indice optique moyen sur le trajet des faisceaux en l’absence d’ondes acoustiques, c étant la vitesse de la lumière et δη la variation d’indice moyenne due à la propagation de l’onde acoustique.n being the average optical index on the path of the beams in the absence of acoustic waves, c being the speed of light and δη the variation of average index due to the propagation of the acoustic wave.
Un rayonnement laser est étroitement dépendant de la cavité optique comportant le milieu amplificateur. Le système rétro-réflectif modifie les caractéristiques optiques de cette cavité. Le rayonnement rétroréfléchi interfère ainsi avec l’onde de la cavité interne et modifie la puissance émise Po par la diode laser.Laser radiation is closely dependent on the optical cavity comprising the amplifying medium. The retro-reflective system modifies the optical characteristics of this cavity. The retroreflected radiation thus interferes with the wave of the internal cavity and modifies the power emitted Po by the laser diode.
La puissance émise mesurée par la photodiode PF est donc modulée par ce faisceau rétroréfléchi. On a la relation :The transmitted power measured by the photodiode PF is therefore modulated by this retroreflected beam. We have the relation:
m correspond à une modulation d’indice dépendant à la fois de la longueur L de la cavité externe et de la puissance du faisceau rétroréfléchi, ©f correspond à la fréquence d’émission du laser.m corresponds to an index modulation depending on both the length L of the external cavity and the power of the retroreflected beam, © f corresponds to the emission frequency of the laser.
La puissance mesurée par la photodiode dépend donc du retard δτ. On peut ainsi déterminer la variation d’indice optique due à l’onde acoustique et en déduire ses caractéristiques. L’avantage de cette méthode, par rapport à d’autres méthodes optiques est sa simplicité de mise en œuvre et sa robustesse.The power measured by the photodiode therefore depends on the delay δτ. We can thus determine the variation in optical index due to the acoustic wave and deduce its characteristics. The advantage of this method, compared to other optical methods, is its simplicity of implementation and its robustness.
On trouvera dans la publication intitulée « Imaging of acoustic fields using optical feedback inteferometry” de K. Bertling et al, Optics express, Vol. 22, Issue 24, pp 30346-30356 (2014) des informations complémentaires sur cette technique de mesure. L’inconvénient de cette méthode est qu’elle ne permet de mesurer que des variations d’indice moyen sur toute la distance L. Il est impossible de réaliser une mesure locale de l’onde de pression acoustique.The publication entitled “Imaging of acoustic fields using optical feedback inteferometry” by K. Bertling et al, Optics express, Vol. 22, Issue 24, pp 30346-30356 (2014) for additional information on this measurement technique. The disadvantage of this method is that it only measures variations in the average index over the entire distance L. It is impossible to carry out a local measurement of the sound pressure wave.
Le système d’imagerie tridimensionnelle d’ondes de pression acoustiques selon l’invention ne présente pas les inconvénients précédents et permet d’établir une cartographie tridimensionnelle des ondes acoustiques de pression en utilisant notamment la transformée de Radon pour déterminer l’intensité des ondes en chaque point et un banc d’enregistrement spécifiquement adapté pour réaliser ces calculs. Plus précisément, l’invention a pour premier objet un système d’imagerie tridimensionnelle d’ondes de pression acoustiques destiné à mesurer les caractéristiques acoustiques d’au moins un dispositif acoustique, ledit système comportant au moins :The three-dimensional acoustic pressure wave imaging system according to the invention does not have the above drawbacks and makes it possible to establish a three-dimensional mapping of the pressure acoustic waves by using in particular the Radon transform to determine the intensity of the waves in each point and a recording bench specifically adapted to carry out these calculations. More specifically, the first object of the invention is a three-dimensional imaging system of acoustic pressure waves intended for measuring the acoustic characteristics of at least one acoustic device, said system comprising at least:
- un dispositif interférométrique optique à rétroaction comportant une diode laser, un moyen de mesure de la puissance émise par ladite diode laser, une optique de collimation, un système optique rétroréfléchissant ou rétrodiffusant, - ladite diode laser et ledit système optique rétroréfléchissant ou rétrodiffusant étant monté sur une structure mécanique rigide et commune, le système optique rétroréfléchissant ou rétrodiffusant étant disposé face à la diode laser de façon qu’une partie ou la totalité du faisceau lumineux émis par la diode laser soit réfléchie ou rétrodiffusée vers elle, - des moyens de commande du moyen de mesure de la puissance émise, des moyens de stockage dudit signal mesuré et des moyens d’analyse informatique dudit signal stocké, - des moyens de synchronisation entre l’émission du ou des dispositifs acoustiques et l’enregistrement du signal, caractérisé en ce que - le système d’imagerie tridimensionnelle comporte un ensemble de déplacement motorisé de la structure mécanique rigide, ledit ensemble de déplacement comportant deux organes de translation et un organe de rotation agencés de façon à déplacer cette structure mécanique selon deux axes perpendiculaires et à la faire tourner d’au moins 180 degrés autour du second axe, les déplacements en translation et en rotation étant connus ; - les moyens d’analyse informatique sont agencés de façon à réaliser une transformée de Radon sur un ensemble de mesures enregistré par les moyens de stockage.an optical feedback interferometric device comprising a laser diode, a means for measuring the power emitted by said laser diode, a collimating optic, a retroreflective or backscattering optical system, said laser diode and said retroreflective or backscattering optical system being mounted on a rigid and common mechanical structure, the retroreflective or backscattering optical system being arranged facing the laser diode so that part or all of the light beam emitted by the laser diode is reflected or backscattered towards it, - control means means for measuring the transmitted power, means for storing said measured signal and means for computer analysis of said stored signal, - means for synchronizing between the emission of the acoustic device (s) and the recording of the signal, characterized in what - the three-dimensional imaging system has u n motorized displacement assembly of the rigid mechanical structure, said displacement assembly comprising two translation members and one rotation member arranged so as to move this mechanical structure along two perpendicular axes and to rotate it at least 180 degrees around the second axis, the displacements in translation and in rotation being known; - the computer analysis means are arranged so as to carry out a Radon transform on a set of measurements recorded by the storage means.
Avantageusement, le système comporte une pluralité de dispositifs interférométriques optiques à rétroaction comportant chacun une diode laser, un moyen de mesure de la puissance émise par chaque diode laser et une optique de collimation ; - Lesdites diodes laser et le système optique rétroréfléchissant ou rétrodiffusant étant montés sur la structure mécanique rigide et commune, le système optique rétroréfléchissant ou rétrodiffusant étant disposé face aux diodes laser de façon qu’une partie ou la totalité des faisceaux lumineux émis par chaque diode laser soit réfléchie ou rétrodiffusée vers elle, - des moyens de commande des moyens de mesure des puissances émises, des moyens de stockage des signaux mesurés et des moyens d’analyse informatique desdits signaux mesurés, - des moyens de synchronisation entre l’émission du ou des dispositifs acoustiques et l’enregistrement des signaux.Advantageously, the system comprises a plurality of optical interferometric feedback devices each comprising a laser diode, a means for measuring the power emitted by each laser diode and a collimation optic; - Said laser diodes and the retroreflective or backscattering optical system being mounted on the rigid and common mechanical structure, the retroreflective or backscattering optical system being arranged opposite the laser diodes so that part or all of the light beams emitted by each laser diode either reflected or backscattered towards it, - means for controlling the means for measuring the transmitted powers, means for storing the measured signals and means for computer analysis of said measured signals, - means for synchronizing between the emission of the acoustic devices and signal recording.
Avantageusement, le moyen de mesure de la puissance émise par chaque diode laser est une photodiode associée à des moyens d’amplification, le système d’imagerie tridimensionnelle comportant un filtre passe bande disposé à la sortie des moyens d’amplification, la bande passante dudit filtre étant centrée sur la bande spectrale d’émission du dispositif acoustique à mesurer.Advantageously, the means for measuring the power emitted by each laser diode is a photodiode associated with amplification means, the three-dimensional imaging system comprising a band pass filter disposed at the output of the amplification means, the pass band of said filter being centered on the emission spectral band of the acoustic device to be measured.
Avantageusement, la structure mécanique rigide est un châssis comportant une pièce mécanique en forme de U, chaque diode laser étant solidaire d’une des branches du U, le système optique rétroréfléchissant étant solidaire de la seconde branche du U, la structure mécanique étant raccordée à l’ensemble de déplacement motorisé par la base du U.Advantageously, the rigid mechanical structure is a chassis comprising a U-shaped mechanical part, each laser diode being integral with one of the branches of the U, the retroreflective optical system being integral with the second branch of the U, the mechanical structure being connected to the displacement unit motorized by the base of the U.
Avantageusement, chaque diode laser est un laser à rétroaction répartie ou laser DFB émettant dans le rouge ou le proche infrarouge. L’invention a pour second objet un procédé de réalisation d’imagerie tridimensionnelle d’ondes de pression acoustiques issues d’au moins un dispositif acoustique d’émission fonctionnel, ledit procédé mettant en œuvre un système d’imagerie tridimensionnelle comportant l’une des caractéristiques précédentes, caractérisé en ce que, le dispositif acoustique émettant à une fréquence connue à laquelle correspond une période connue, le procédé comporte au moins une étape d’enregistrement, pour chaque position selon le premier axe, pour chaque position selon le second axe et pour chaque rotation selon le second axe, d’une pluralité de signaux de mesure issus de chaque moyen de mesure de la puissance émise enregistrés à des instants correspondant à des phases différentes de la période, la reconstitution par les moyens d’analyse informatique d’une image tridimensionnelle de la propagation des ondes acoustiques se faisant pour des signaux correspondant à la même phase du signal acoustique émis.Advantageously, each laser diode is a distributed feedback laser or DFB laser emitting in the red or near infrared. The second object of the invention is a method for performing three-dimensional imaging of acoustic pressure waves from at least one functional acoustic emission device, said method implementing a three-dimensional imaging system comprising one of the previous characteristics, characterized in that, the acoustic device emitting at a known frequency to which a known period corresponds, the method comprises at least one recording step, for each position along the first axis, for each position along the second axis and for each rotation along the second axis, of a plurality of measurement signals originating from each means for measuring the emitted power recorded at times corresponding to different phases of the period, the reconstitution by the computer analysis means of a three-dimensional image of the propagation of acoustic waves occurring for corresponding signals during the same phase of the acoustic signal emitted.
Avantageusement, le nombre de phases différentes est égal à 3 ou 4.Advantageously, the number of different phases is equal to 3 or 4.
Avantageusement, plusieurs signaux correspondant à une même phase sont enregistrés pour être moyennés.Advantageously, several signals corresponding to the same phase are recorded to be averaged.
Avantageusement, le procédé comporte une étape de calcul dans laquelle la transformée de Radon s’applique sur un ensemble de signaux de mesure, ledit ensemble appelé sinogramme, les mesures étant réalisées dans un plan unique, chaque sinogramme comportant une pluralité de sous-ensembles de mesures, chaque sous-ensemble étant réalisé pour une position fixe en translation de la structure mécanique rigide et une pluralité de positions en rotation agencé de façon à couvrir un champ angulaire de 180 degrés, chaque sous-ensemble différant des autres sous-ensembles par un changement de position en translation dans ledit plan de la structure mécanique rigide. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :Advantageously, the method comprises a calculation step in which the Radon transform is applied to a set of measurement signals, said set called a sinogram, the measurements being carried out in a single plane, each sinogram comprising a plurality of subsets of measurements, each sub-assembly being produced for a fixed position in translation of the rigid mechanical structure and a plurality of rotational positions arranged so as to cover an angular field of 180 degrees, each sub-assembly differing from the other sub-assemblies by a change of position in translation in said plane of the rigid mechanical structure. The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows given without limitation and thanks to the appended figures among which:
La figure 1 représente le principe général de la technique appelée « Interférométrie optique à rétroaction » ;FIG. 1 represents the general principle of the technique called "optical feedback interferometry";
La figure 2 représente le principe général de l’enregistrement de mesures destinées à une transformée de Radon ;Figure 2 shows the general principle of recording measurements for a Radon transform;
La figure 3 représente une vue générale du système d’imagerie tridimensionnelle d’ondes de pression acoustiques selon l’invention ;FIG. 3 represents a general view of the three-dimensional imaging system of acoustic pressure waves according to the invention;
La figure 4 représente le traitement du signal mesuré par la photodiode ;FIG. 4 represents the processing of the signal measured by the photodiode;
La figure 5A représente les courbes de niveau d’intensité d’une onde acoustique émise par un haut-parleur dans un plan donné disposé dans le champ de propagation de ladite onde acoustique ;FIG. 5A represents the intensity level curves of an acoustic wave emitted by a loudspeaker in a given plane arranged in the propagation field of said acoustic wave;
La figure 5B représente la variation d’intensité de l’onde acoustique dans un plan de coupe.FIG. 5B represents the variation in intensity of the acoustic wave in a section plane.
Le système d’imagerie tridimensionnelle d’ondes de pression acoustiques selon l’invention repose sur deux principes qui sont l’utilisation de l’interférométrie optique à rétroaction pour les mesures initiales et l’utilisation de la transformée de radon pour l’exploitation desdites mesures.The three-dimensional imaging system of acoustic pressure waves according to the invention is based on two principles which are the use of optical feedback interferometry for initial measurements and the use of the radon transform for the exploitation of said measures.
Le principe de l’interférométrie optique à rétroaction a été exposé plus haut. Comme on l’a vu, elle permet de faire une mesure moyenne le long d’une distance séparant les organes d’émission d’un système optique rétroréfléchissant.The principle of optical feedback interferometry has been explained above. As we have seen, it makes it possible to make an average measurement along a distance separating the emission organs from a retroreflective optical system.
La transformée de radon permet, à partir des mesures précédentes d’obtenir une cartographie tridimensionnelle de l’onde acoustique. Son principe repose sur le théorème de projection de Radon qui établit la possibilité de reconstituer une fonction réelle à deux variables assimilable à une image à l'aide de la totalité de ses projections selon des droites concourantes. Ce principe est illustré sur la figure 2 qui représente, dans un même plan de coupe (x, y) une onde acoustique 6 que l’on cherche à caractériser. Cette onde est représentée par des anneaux concentriques en pointillés. Le dispositif interférométrique (1, 4) est disposé de sorte que l’onde acoustique 6 passe à travers l’intervalle de mesure correspondant à la longueur de la cavité externe. Cet intervalle de mesure est noté L.The radon transform allows, from previous measurements, to obtain a three-dimensional mapping of the acoustic wave. Its principle is based on the Radon projection theorem which establishes the possibility of reconstructing a real function with two variables comparable to an image using all of its projections according to concurrent lines. This principle is illustrated in FIG. 2 which represents, in the same section plane (x, y) an acoustic wave 6 which we seek to characterize. This wave is represented by concentric dotted rings. The interferometric device (1, 4) is arranged so that the acoustic wave 6 passes through the measurement interval corresponding to the length of the external cavity. This measurement interval is noted L.
Pour réaliser la transformée de Radon, il est nécessaire de réaliser pour différents points M des mesures en rotation sur une demi-circonférence, les rotations tournant autour d’un axe commun perpendiculaire au plan (x, y) et centré sur le point M comme on le voit sur la partie gauche de la figure 2. Les parties en pointillés représentent la position du dispositif interférométrique après une rotation d’un angle Θ. Les différents points de mesure M étant tous sur un même axe de translation et séparés de la distance r comme on le voit sur la partie droite de la figure 2. Sur cette figure, les parties en pointillés représentent la position du dispositif interférométrique après une translation r. Le balayage en translation doit être suffisant pour caractériser l’onde acoustique. Chaque point de mesure est donc caractérisé par un angle de rotation 0ket une translation pj. A un instant t, chaque puissance mesurée Pkj est donc proportionnelle à la variation d’indice optique δη dans l’intervalle L traversé selon la relation :To carry out the Radon transform, it is necessary to carry out for different points M measurements in rotation on a half-circumference, the rotations turning around a common axis perpendicular to the plane (x, y) and centered on the point M as it can be seen on the left-hand side of FIG. 2. The dotted parts represent the position of the interferometric device after a rotation by an angle Θ. The different measurement points M are all on the same axis of translation and separated by the distance r as can be seen on the right-hand part of FIG. 2. In this figure, the dotted parts represent the position of the interferometric device after a translation. r. The translational scanning must be sufficient to characterize the acoustic wave. Each measurement point is therefore characterized by an angle of rotation 0ket a translation pj. At an instant t, each measured power Pkj is therefore proportional to the variation of optical index δη in the interval L crossed according to the relationship:
A partir de ces différentes puissances mesurées dans un même plan de coupe, l’ensemble de ces mesures étant appelé sinogramme, en utilisant la transformée de radon, il est possible de déterminer l’indice optique n(x, y) en chaque point du plan de coupe. En réalisant des séries de mesure dans différents plans de coupe situés à des hauteurs différentes, il est alors possible de reconstituer l’image tridimensionnelle de l’onde acoustique. La résolution de l’image dépend des pas de mesure en translation et en rotation.From these different powers measured in the same section plane, all of these measurements being called a sinogram, using the radon transform, it is possible to determine the optical index n (x, y) at each point of the cutting plane. By performing series of measurements in different section planes located at different heights, it is then possible to reconstruct the three-dimensional image of the acoustic wave. The resolution of the image depends on the measurement steps in translation and in rotation.
Le système d’imagerie tridimensionnelle d’ondes de pression acoustiques selon l’invention comporte les différents moyens permettant d’assurer les mesures en rotation et en translation permettant de réaliser la transformée de Radon. L’ensemble des mesures peut être assuré par un seul interféromètre optique à rétroaction comportant une seule diode laser. Pour diminuer le temps de mesure, il est possible de monter en parallèle plusieurs diodes laser émettant simultanément ou l’une après l’autre. Le nombre de diodes laser peut être suffisant pour couvrir totalement un plan de mesure.The three-dimensional acoustic pressure wave imaging system according to the invention comprises the various means making it possible to ensure the measurements in rotation and in translation making it possible to carry out the Radon transform. All of the measurements can be carried out by a single optical feedback interferometer comprising a single laser diode. To reduce the measurement time, it is possible to mount several laser diodes emitting simultaneously or one after the other. The number of laser diodes may be sufficient to completely cover a measurement plane.
Dans ce cas, le système optique rétroréfléchissant ou rétrodiffusant peut être commun à l’ensemble des diodes laser ou ceIn this case, the retroreflective or backscattering optical system may be common to all of the laser diodes or whatever.
système optique peut comprendre des sous-ensembles optiques autonomes dédiés chacun à une diode laser.optical system can include autonomous optical sub-assemblies each dedicated to a laser diode.
Dans l’exemple de réalisation de la figure 3, le système selon l’invention comporte, - un seul dispositif interférométrique optique à rétroaction comportant une diode laser 1, une photodiode associée, une optique de collimation 3, un système optique rétroréfléchissant 4, - une structure mécanique rigide 20 sur laquelle sont montés la diode laser 1 et le système optique rétroréfléchissant 4, - un ensemble de déplacement motorisé de la structure mécanique rigide, ledit ensemble de déplacement comportant deux organes de translation et un organe de rotation agencés de façon à déplacer cette structure mécanique selon deux axes perpendiculaires et à la faire tourner d’au moins 180 degrés autour du second axe, les déplacements en translation et en rotation étant connus ; - des moyens de commande 10 de ladite diode laser ; - des moyens d’amplification 11, des moyens de filtrage 12 et des moyens de stockage 13 des signaux issus de la photodiode, - des moyens de commande de l’ensemble de déplacement, - des moyens de commande 41 du dispositif acoustique 40, - des moyens de synchronisation entre l’émission du ou des dispositifs acoustiques et l’enregistrement du signal issu de la photodiode, - des moyens d’analyse informatique dudit signal amplifié, les moyens d’analyse informatique étant agencés de façon à réaliser une transformée de Radon sur un ensemble de mesures enregistré par les moyens de stockage.In the embodiment of FIG. 3, the system according to the invention comprises, - a single optical interferometric feedback device comprising a laser diode 1, an associated photodiode, collimation optics 3, a retroreflective optical system 4, - a rigid mechanical structure 20 on which are mounted the laser diode 1 and the retro-reflecting optical system 4, - a motorized displacement assembly of the rigid mechanical structure, said displacement assembly comprising two translation members and a rotation member arranged so as to move this mechanical structure along two perpendicular axes and make it rotate at least 180 degrees around the second axis, the displacements in translation and in rotation being known; - control means 10 for said laser diode; - amplification means 11, filtering means 12 and means 13 for storing signals from the photodiode, - means for controlling the displacement assembly, - control means 41 for the acoustic device 40, - synchronization means between the emission of the acoustic device (s) and the recording of the signal from the photodiode, - computer analysis means of said amplified signal, the computer analysis means being arranged so as to carry out a transform of Radon on a set of measurements recorded by the storage means.
Les différents moyens de pilotage du système, de commande des différents éléments, de traitement et de mise en forme des données et de présentation des résultats sont regroupés dans une unité centrale 30 de type ordinateur de bureau. Les calculs informatiques nécessaires à l’établissement des transformées de radon peuvent être assurés par des processeurs standard.The various means of piloting the system, controlling the various elements, processing and formatting of the data and presentation of the results are grouped together in a central unit 30 of the desktop computer type. The computer calculations required to establish radon transforms can be performed by standard processors.
Ces différents éléments sont détaillés ci-dessous.These various elements are detailed below.
Le dispositif interférométrique comporte une diode laser 1. A titre d’exemple, la diode laser est un laser à rétroaction répartie ou laser dit « DFB », acronyme signifiant « Distributed FeedBack » émettant dans le rouge ou le proche infrarouge. La focale de l’optique de collimation 3 est adaptée de façon que le faisceau de sortie soit un faisceau de lumière parallèle ou convergent. Dans le cas d’un faisceau convergent, le point de convergence est généralement au niveau du système optique réfléchissant ou diffusant. Son diamètre maximal fait environ 1 millimètre. L’émission de la diode laser peut être pilotée à partir de l’unité centrale 30 comme indiqué sur la figure 3.The interferometric device comprises a laser diode 1. By way of example, the laser diode is a distributed feedback laser or laser called "DFB", acronym meaning "Distributed FeedBack" emitting in red or near infrared. The focal length of the collimating optics 3 is adapted so that the output beam is a parallel or convergent beam of light. In the case of a convergent beam, the point of convergence is generally at the level of the reflecting or scattering optical system. Its maximum diameter is about 1 millimeter. The emission of the laser diode can be controlled from the central unit 30 as shown in FIG. 3.
Le système optique 4 est disposé face à la diode laser de façon qu’une partie ou la totalité du faisceau lumineux émis par la diode laser soit réfléchie vers elle. Ce système optique peut être rétroréfléchissant. Il s’agit, dans ce cas, d’un simple miroir plan ou d’un système catadioptre permettant de renvoyer les rayons lumineux vers le laser quelque soit leur direction initiale. Ce système optique peut être un objet diffusant la lumière. II est, dans ce cas, important que la diffusion de la lumière se fasse préférentiellement dans la direction d’incidence.The optical system 4 is arranged facing the laser diode so that part or all of the light beam emitted by the laser diode is reflected towards it. This optical system can be retroreflective. In this case, it is a simple plane mirror or a reflector system allowing the light rays to be returned to the laser whatever their initial direction. This optical system can be an object diffusing light. In this case, it is important that the light scattering preferably takes place in the direction of incidence.
Le signal réfléchi est reçu par un moyen de mesure de la puissance émise par la diode laser. Cette mesure peut être faite directement sur la tension d’adressage de la diode laser. Généralement, comme représenté en figure 3, on utilise, comme moyen de mesure, une photodiode associée à la diode laser. Comme représenté en figure 4, le courant reçu par cette photodiode est converti par un amplificateur transimpédance TIA 11, puis filtré par un filtre passe bande 12 disposé à la sortie de l’amplificateur, la bande passante du filtre étant centrée sur la bande spectrale d’émission du dispositif acoustique à mesurer. Ce signal filtré est ensuite stocké dans l’unité de stockage 13, puis envoyé à l’unité centrale 30 pour traitement.The reflected signal is received by a means for measuring the power emitted by the laser diode. This measurement can be made directly on the addressing voltage of the laser diode. Generally, as shown in FIG. 3, a photodiode associated with the laser diode is used as the measurement means. As shown in FIG. 4, the current received by this photodiode is converted by a TIA transimpedance amplifier 11, then filtered by a bandpass filter 12 disposed at the output of the amplifier, the passband of the filter being centered on the spectral band d emission of the acoustic device to be measured. This filtered signal is then stored in the storage unit 13, then sent to the central unit 30 for processing.
La structure mécanique 30 est un châssis comportant une pièce mécanique préférentiellement en forme de U, la diode laser et sa photodiode étant solidaire d’une des branches du U, le système optique rétroréfléchissant étant solidaire de la seconde branche du U. La structure mécanique est raccordée à l’ensemble de déplacement motorisé par la base du U. l’écartement entre les deux branches du U fixe la distance L séparant la diode laser du système optique rétroréfléchissant. La structure peut éventuellement être un carré fermé. La configuration choisie doit être telle que la structure soit parfaitement rigide et n’interfère pas ou peu avec les ondes de pression acoustiques à mesurer. A titre d’exemple, la figure 3 représente un exemple de réalisation d’un ensemble de déplacement motorisé de la structure mécanique rigide selon l’invention. Cet ensemble est référencé dans un repère orthogonal (X, Y, Z). D’autres agencements sont possibles permettant d’obtenir les mêmes fonctions de déplacement. L’ensemble de déplacement motorisé comporte deux platines motorisées en translation 21 et 22 et une platine motorisée 23 en rotation. Elles sont représentées en pointillés sur la figure 3. La structure mécanique se déplace dans un plan (X, Y). Elle est solidaire d’un premier rail de guidage 24 piloté par une première platine en translation 21 qui assure le déplacement de la structure selon l’axe Z. Ce premier rail de guidage est solidaire d’un second rail de guidage 25 piloté par la seconde platine en translation qui assure un déplacement selon une direction r comprise dans le plan (X, Y).The mechanical structure 30 is a chassis comprising a mechanical part preferably in the form of a U, the laser diode and its photodiode being integral with one of the branches of the U, the retroreflective optical system being integral with the second branch of the U. The mechanical structure is connected to the motorized displacement assembly by the base of the U. the spacing between the two branches of the U fixes the distance L separating the laser diode from the retroreflective optical system. The structure can possibly be a closed square. The configuration chosen must be such that the structure is perfectly rigid and has little or no interference with the acoustic pressure waves to be measured. By way of example, FIG. 3 represents an exemplary embodiment of a motorized displacement assembly of the rigid mechanical structure according to the invention. This set is referenced in an orthogonal coordinate system (X, Y, Z). Other arrangements are possible allowing the same movement functions to be obtained. The motorized displacement assembly comprises two motorized plates in translation 21 and 22 and a motorized plate 23 in rotation. They are shown in dotted lines in FIG. 3. The mechanical structure moves in a plane (X, Y). It is integral with a first guide rail 24 piloted by a first plate in translation 21 which moves the structure along the axis Z. This first guide rail is integral with a second guide rail 25 piloted by the second plate in translation which ensures a displacement in a direction r included in the plane (X, Y).
La course des platines en translation est liée au volume que l’on souhaite étudier autour de la source sonore. Cette course est généralement de quelques centaines de millimètres. Le pas dépend de la précision souhaitée. Plus le pas est fin, plus la durée de la mesure est longue. Pour rester dans des durées d’enregistrement raisonnables, il est préférable que le pas reste supérieur au millimètre.The course of the translational stages is linked to the volume that we want to study around the sound source. This stroke is generally a few hundred millimeters. The pitch depends on the desired precision. The finer the step, the longer the duration of the measurement. To stay within reasonable recording times, it is preferable that the pitch remains greater than one millimeter.
Cet ensemble mécanique en translation est monté sur une platine en rotation 23 qui assure une rotation Φ selon un axe de rotation parallèle à l’axe Z. la course en rotation est de 180 degrés de façon à balayer tout l’espace. En effet, il n’est pas nécessaire de balayer un l’espace sur 360 degrés de champ dans la mesure où les organes d’émission et de réflexion sont interchangeables. Là encore, le pas de rotation est un compromis entre précision des mesures et durée de la mesure. Le dispositif acoustique 40 est monté de façon à émettre au voisinage de cet axe de rotation de la platine en rotation, il est piloté par un générateur acoustique 41. L’émission acoustique est représentée par des anneaux concentriques en pointillés sur la figure 3.This mechanical assembly in translation is mounted on a rotating plate 23 which provides a rotation Φ along an axis of rotation parallel to the axis Z. the rotation stroke is 180 degrees so as to sweep all the space. Indeed, it is not necessary to scan a space over 360 degrees of field since the emission and reflection organs are interchangeable. Here again, the pitch of rotation is a compromise between precision of the measurements and duration of the measurement. The acoustic device 40 is mounted so as to emit in the vicinity of this axis of rotation of the rotating plate, it is controlled by an acoustic generator 41. The acoustic emission is represented by concentric dotted rings in FIG. 3.
Les déplacements des platines sont commandés à partir de cartes électroniques de commande qui peuvent être rassemblées dans l’unité centrale 30 comme représenté sur la figure 3. Ce boîtier central enregistre les positions des trois platines pour chaque mesure.The movements of the stages are controlled from electronic control cards which can be assembled in the central unit 30 as shown in FIG. 3. This central box records the positions of the three stages for each measurement.
Le processus de mesures d’un phénomène acoustique est le suivant. Le dispositif acoustique émet à une fréquence connue à laquelle correspond une période connue.The process for measuring an acoustic phenomenon is as follows. The acoustic device emits at a known frequency to which a known period corresponds.
Pour que la reconstitution tridimensionnelle de l’onde acoustique soit pertinente, il est essentiel que les différents points de mesure correspondent à la même phase de l’onde acoustique. SI faut donc connaître, en chaque point de mesure, la variation d’amplitude dans le temps de l’onde acoustique.For the three-dimensional reconstruction of the acoustic wave to be relevant, it is essential that the different measurement points correspond to the same phase of the acoustic wave. IF it is therefore necessary to know, at each measurement point, the variation in amplitude over time of the acoustic wave.
Pour déterminer cette variation d’amplitude en chaque point, l’unité centrale lance une séquence d’enregistrements de mesures. Cette séquence consiste à mesurer, pour chaque position de la structure mécanique selon le premier axe de translation, pour chaque position selon le second axe de translation et pour chaque rotation selon le second axe, une pluralité de signaux de mesure issus de la photodiode enregistrés à des instants correspondant à des phases différentes de la période du signal acoustique, la reconstitution par les moyens d’analyse informatique d’une image tridimensionnelle de la propagation des ondes acoustiques se faisant pour des signaux correspondant à la même phase du signal acoustique émis.To determine this variation in amplitude at each point, the central unit starts a sequence of measurement records. This sequence consists in measuring, for each position of the mechanical structure along the first translation axis, for each position along the second translation axis and for each rotation along the second axis, a plurality of measurement signals from the photodiode recorded at instants corresponding to different phases of the acoustic signal period, the reconstitution by computer analysis means of a three-dimensional image of the propagation of the acoustic waves taking place for signals corresponding to the same phase of the acoustic signal emitted.
Selon le critère de Shannon, la fréquence d’échantillonnage doit être au moins égale au double de la fréquence maximale émise par le dispositif acoustique. En pratique, on réalise au moins trois ou quatre mesures par période. Par exemple, si le signal d’émission du dispositif acoustique comporte une fréquence unique à 40 KHz, sa période est donc de 25 millisecondes. Il faut donc réaliser des mesures toutes les 6 à 8 millisecondes. Ce critère s’applique également à des sons ou des bruits complexes.According to Shannon's criterion, the sampling frequency must be at least twice the maximum frequency emitted by the acoustic device. In practice, at least three or four measurements are made per period. For example, if the emission signal from the acoustic device has a single frequency at 40 KHz, its period is therefore 25 milliseconds. Measurements must therefore be made every 6 to 8 milliseconds. This criterion also applies to complex sounds or noises.
Il est ensuite facile connaissant l’amplitude en chaque point à plusieurs instants différents de reconstituer l’amplitude complète de l’onde en fonction du temps en ce point.It is then easy, knowing the amplitude at each point at several different times, to reconstruct the complete amplitude of the wave as a function of time at this point.
Il est également possible d’enregistrer plusieurs signaux correspondant à une même phase. Ces signaux sont ensuite moyennés de façon à diminuer le bruit.It is also possible to record several signals corresponding to the same phase. These signals are then averaged so as to reduce noise.
On peut donc établir des fichiers de points représentatifs de l’amplitude de l’onde à un instant donné. Ces fichiers sont établis dans différents plans parallèles. Chaque fichier correspondant à un plan est appelé sinogramme. Il correspond à des points de mesure enregistrés pour une pluralité de translations dans un même plan et une pluralité de rotations couvrant un demi-cercle. On peut appliquer, à chaque fichier la transformée de Radon et en déduire ainsi, dans un plan de mesure, les variations d’indice optique, puis les variations de pression de l’onde acoustique en chaque point. A titre d’exemple, la figure 5A représente, dans une zone limitée à un cercle, des courbes de niveau représentatives des variations de pression d’une onde acoustique dans un plan situé au-dessus de la source d’émission. Chaque courbe de niveau est séparée de la suivante d’une même valeur. La figure 5B représente selon un axe X-X’ les variations de pression P de l’onde acoustique le long de cet axe. L’ensemble des plans de mesure superposés permet de déterminer la représentation tridimensionnelle de la propagation de l’onde acoustique émise.We can therefore establish point files representative of the amplitude of the wave at a given time. These files are established in different parallel planes. Each file corresponding to a plan is called a sinogram. It corresponds to measurement points recorded for a plurality of translations in the same plane and a plurality of rotations covering a semicircle. The Radon transform can be applied to each file and in this way deduce, in a measurement plane, the variations in optical index, then the variations in pressure of the acoustic wave at each point. By way of example, FIG. 5A represents, in an area limited to a circle, contour lines representative of the variations in pressure of an acoustic wave in a plane located above the emission source. Each level curve is separated from the next by the same value. FIG. 5B represents along an axis X-X ’the variations in pressure P of the acoustic wave along this axis. All of the superimposed measurement planes make it possible to determine the three-dimensional representation of the propagation of the acoustic wave emitted.
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