CH620997A5 - - Google Patents
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Description
La présente invention a donc pour objet un appareil destiné à mesurer certaines caractéristiques mécaniques d'un milieu susceptible de transmettre une vibration, ledit milieu pouvant être avantageusement la peau d'un sujet vivant, ledit appareil comportant un organe générateur émetteur d'une perturbation mécanique et un organe récepteur séparé dudit émetteur d'une certaine distance, l'organe récepteur étant constitué d'au moins une source lumineuse associée à deux cellules réceptrices photosensibles écartées l'une de l'autre, caractérisé par le fait que la ou les sources lumineuses envoient un rayonnement sur la surface du milieu à tester, les cellules photosensibles recevant ledit rayonnement après réflexion sur la surface du milieu à tester.
Dans un mode préféré de réalisation, la perturbation est une vibration; on peut avantageusement faire en sorte que la perturbation soit une impulsion brève; l'organe générateur émetteur de perturbation est un petit marteau venant frapper la surface du matériau à tester; le marteau frappe une seule fois à chaque essai sur la surface du milieu à tester; la force de frappe du marteau est réglable en fonction du matériau à tester et de la distance existant entre l'organe récepteur et l'organe émetteur; la distance existant entre les cellules photosensibles réceptrices et la surface du matériau à étudier est réglable; le réglage de la distance entre les cellules réceptrices et le milieu à étudier est effectué de façon que la variation de l'intensité lumineuse reçue par chaque cellule soit sensiblement proportionnelle à la variation de la distance existant entre la cellule réceptrice et la surface du matériau mis en vibration ; la ou les sources lumineuses de l'organe récepteur émettent un rayonnement dans seulement une partie du spectre, par exemple un rayonnement rouge; chaque cellule photosensible repère le passage de la première onde dans la zone de réflexion, qui lui correspond, cette onde provenant de la vibration qui se propage à partir du point du matériau qui a été frappé par le marteau, une chaîne électronique commandée par la cellule réceptrice permettant de déclencher un comptage de tfcmps au moment du passage de ladite première onde sur la première cellule atteinte et d'arrêter ledit comptage au moment où la réception de la deuxième cellule commence à être perturbée par le passage de ladite première onde; les chaînes électroniques associées aux deux cellules réceptrices sont identiques; la chaîne électronique associée à chaque cellule réceptrice comporte deux voies identiques connectées aux deux entrées d'une porte OU, l'une de ces voies permettant de repérer l'augmentation de la distance du matériau par rapport à la cellule et l'autre voie permettant de repérer la diminution de ladite distance; le comptage de temps n'est déclenché par le passage d'une vibration au droit d'une cellule que dans la mesure où l'on a provoqué antérieurement le fonctionnement du marteau générateur de vibrations; le fonctionnement du marteau générateur de vibrations est déclenché par un bouton-poussoir manœuvré manuellement, le comptage pouvant s'effectuer pendant toute la période au cours de laquelle l'utilisateur appuie sur le bouton-poussoir, le relâchement du bouton-poussoir provoquant un signal de retour à l'état initial envoyé sur deux monostables qui reçoivent chacun les signaux provenant du bouton-poussoir et respectivement de l'une des cellules réceptrices, les sorties de ces deux monostables alimentant les deux entrées d'une porte OU exclusif dont la sortie commande une horloge associée à un dispositif d'affichage.
Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur le dessin annexé.
Sur ce dessin ;
la fig. 1 représente schématiquement l'appareil selon l'invention;
la fig. 2 représente schématiquement le premier étage du circuit de transformation associé à chacune des cellules réceptrices;
la fig. 3 représente le schéma-bloc des deux chaînes électroniques commandées par chacune des deux cellules réceptrices, ces deux chaînes se rejoignant pour commander une horloge permettant un comptage de temps ;
la fig. 4 représente la forme des signaux en différents points du circuit électronique permettant le comptage du temps de propagation.
En se référant au dessin, on voit que l'on a désigné par 1 le bras d'un sujet vivant sur lequel on veut effectuer une mesure du module élastique de la peau. Le bras 1 n'a été représenté que partiellement; l'appareil comporte une gouttière 2 dans laquelle le sujet soumis au test dispose son bras, ladite gouttière évitant tout mouvement du bras du sujet. L'organe générateur émetteur de vibrations est séparé de la gouttière 2, mais son éloignement par rapport au matériau à tester est réglable grâce à une vis 4, qui permet le coulissement par rapport au support 3 d'une glissière 5. La glissière 5 porte un axe 6 autour duquel est articulée une tige 7 dont une extrémité porte un marteau 8 en forme de demi-sphère ; à l'autre extrémité de la tige 7 se trouve une pastille de ferrite 9 disposée en vis-à-vis du noyau 10 d'une bobine électromagnétique dont le bobinage 11 est alimenté sur commande de l'expérimentateur. Le noyau 10 est porté par la glissière 5. La tige 7 est soumise à l'action d'un ressort de compression 12 qui agit de façon à provoquer l'écartement de la pastille 9 et du noyau 10, dans le cas où l'attraction magnétique provoquée par l'alimentation du bobinage 11 n'existe pas.
L'alimentation du bobinage 11 est commandée par la main 13 de l'expérimentateur au moyen d'un bouton-poussoir 14 qui permet la fermeture d'un contacteur associé à un monostable 15. Le monostable 15 commande un étage d'amplification 16 comportant un transistor 17 dont la base est reliée au monostable 15, le transistor 17 étant débloqué au moment où l'on agit sur le bou-ton-poussoir 14 et permettant ainsi la connexion à la masse de celle des extrémités de l'enroulement 11 qui n'est pas reliée au pôle positif de l'alimentation électrique.
L'organe récepteur est fixé sur un bâti séparé de celui de l'organe générateur d'impulsion pour éviter toute vibration
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parasite véhiculée par un socle commun. Le réglage de la position de l'organe récepteur par rapport à la surface de la peau du bras 1 s'effectue par coulissement vertical commandé par la vis 20.
L'organe récepteur est constitué, d'une part, de deux cellules photosensibles 21 et 22 identiques constituées de phototransistors, et, d'autre part, d'une source lumineuse froide (type LED) 23 émettant une lumière d'intensité réglable qui peut avoir une pulsation allant jusqu'à 1 MHz. Dans le cas d'une lumière puisée de porteuse déterminée, un dispositif démodulateur est adjoint aux cellules réceptrices. La source 23 émet vers le bras 1 une lumière rouge qui se réfléchit sur la surface de la peau du bras et est reçue dans chacune des deux cellules 21 et 22. On peut, bien entendu, utiliser plusieurs sources lumineuses et, en particulier, faire en sorte que les plans de réflexion de lumière soient parallèles et perpendiculaires à une droite passant par le marteau 8 dans sa position de frappe et par les deux cellules réceptrices 21 et 22. On a constaté que l'on obtenait de bons résultats en utilisant une source lumineuse fournissant un faisceau lumineux ayant une intensité lumineuse moyenne de 35 med et en disposant la source lumineuse et les cellules réceptrices 21 et 22 à une distance d'environ 4 mm de la surface de la peau à étudier. L'intensité lumineuse réfléchie est, dans ces conditions, sensiblement proportionnelle à la distance commune adoptée pour la source lumineuse et pour les cellules réceptrices par rapport à la peau à étudier, le coefficient de proportionnalité étant important. Le choix de cette distance a une influence non négligeable sur la sensibilité de l'appareil.
Chacune des cellules 21 et 22 est associée à un premier étage de transformation désigné par 24 dans son ensemble. La fig. 2 représente le détail du premier étage 24 associé à la cellule 21,
dans le cas où le faisceau de lumière est un faisceau continu, les étages de transformation associés à chacune des deux cellules étant identiques.
On voit que le collecteur du phototransistor 21, qui constitue' la cellule réceptrice, est relié à un premier étage d'amplification désigné par 25 dans son ensemble, alors que l'émetteur est relié par une résistance 26 et un condensateur 27 à la masse. L'alimentation positive est également reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 28, au collecteur du photo transistor 21. L'amplificateur 25 comprend un transistor 29, dont la base est reliée par un condensateur 30 au collecteur de la cellule 21.
La sortie de l'amplificateur 25 s'effectue par le collecteur du transistor 29; elle est envoyée sur un filtre passe-bas 31 constitué d'une résistance 32 et d'un condensateur 33. Ce filtre passe-bas atténue toutes les fréquences supérieures à 1 kHz. La sortie du filtre 31 est envoyée sur un filtre passe-haut 34 constitué d'un amplificateur opérationnel 35; ledit filtre atténue fortement toutes les fréquences inférieures à 10 Hz, lesdites fréquences correspondant à ce que l'on peut considérer comme un bruit biologique dans l'étude de la peau. La sortie de l'amplificateur opérationnel 34 est envoyée sur un étage d'amplification 36 constitué également d'un amplificateur opérationnel 37 monté de façon convenable, ledit amplificateur permettant d'obtenir un gain de 10 entre 10 Hz et 200 Hz. La sortie de ce premier étage de transformation 24 s'effectue par une borne Ai pour la cellule 21 et A2 pour la cellule 22. Lorsqu'une onde provoquée par un coup frappé par le marteau 8 se propage en direction de l'organe récepteur et qu'elle arrive au droit de la cellule 21, cette onde provoque une modification de la distance de la peau par rapport à la cellule 21 dans la zone où s'effectue la réflexion de lumière et il en résulte une variation de l'intensité reçue par le phototransistor 21, ce qui se traduit, après le passage à travers le premier étage de transformation 24, par une oscillation du type de celle représentée à la première ligne de la fig. 4.
Dans le dispositif selon l'invention, la relation linéaire existant entre la distance des cellules à la surface du matériau, d'une part, et l'intensité lumineuse reçue par le capteur, d'autre part, permet de visualiser, sous forme de signal électrique, la totalité de la perturbation se propageant au droit de la zone de mesure.
Après l'étage de transformation 24, donc en Ai et A2, l'oscillation obtenue, représentée à la première ligne de la fig. 4, est l'image exacte de la perturbation mécanique en surface.
Le signal en Ai et A2 peut donc être directement enregistré et traité par des moyens appropriés pour en calculer tous les éléments.
Cependant, dans un mode de fonctionnement particulier où le paramètre préférentiel est la vitesse de propagation, on veut repérer l'arrivée dans la zone de réflexion de la première onde propagée; il est néanmoins nécessaire de prévoir un seuil de sensibilité qui correspond à une variation au-dessous de laquelle on considère qu'il n'y a pas une arrivée d'onde. Ces seuils de sensibilité ont été désignés (+a) et (—a) sur la première ligne du graphique de la fig. 4. On veut également repérer l'arrivée de la première onde, que cette onde corresponde à une diminution ou à une augmentation de l'intensité reçue par la cellule. On envoie donc le signal obtenu au point Ai sur l'une des entrées de deux comparateurs 38 et 39, l'autre entrée de ces deux comparateurs étant soumise à une tension réglable obtenue par un potentiomètre réglable 40,41 respectivement, ces tensions réglables correspondant aux seuils (+a) et (—a) précités. Les comparateurs 38 et 39 délivrent sur leur sortie respective Si et Ti des signaux qui sont représentés respectivement sur les deuxième et troisième lignes de la fig. 4. Le signal en Si est normalement au niveau +1 et passe au niveau zéro lorsque le signal en Ai a une valeur inférieure au seuil —a; le signal en Ti est normalement au niveau +1 et passe au niveau zéro lorsque le signal en Ai est supérieur au seuil +a. Le signal fourni sur la borne A2 est traité de façon identique et fournit donc sur les bornes S2 et T2 des signaux analogues à ceux qui sont obtenus sur les bornes Si et Ti, à cette différence près que ces signaux ne sont pas produits au même moment, puisque la perturbation n'arrive sur la cellule 22 qu'un certain temps après son arrivée sur la cellule 21.
Les signaux produits en Si, Ti, S2, T2 sont envoyés dans un circuit de mise en forme 42 constitué d'un trigger de Schmidt. Ce trigger de Schmidt inverse également le sens de variation des signaux. Ainsi, à la sortie de ce trigger, le signal correspondant à Si passe du niveau zéro au niveau 1, et le signal correspondant à Ti passe du niveau zéro au niveau 1. Les deux sorties correspondant aux bornes Si et Ti sont envoyées sur les deux entrées d'une porte OU 43 ; il en est de même pour les signaux correspondant aux bornes S2 et T2. La sortie de chacune des portes OU 43 est envoyée sur un monostable 44 qui reçoit également les signaux émis sur une borne I de l'interrupteur 14.
Lorsque l'expérimentateur appuie sur le bouton-poussoir 14, le signal en I passe du niveau zéro au niveau 1. Lorsque l'une quelconque des bornes Si ou Ti passe au niveau zéro, la sortie de la porte 43 passe au niveau 1. La première fois que les deux entrées du monostable 44 se trouvent simultanément au niveau 1, le monostable 44 bascule et sa sortie passe du niveau 1 au niveau zéro. Dans l'exemple qui est représenté sur les trois premières lignes du graphique de la fig. 4, on voit que le signal en Pi, à la sortie du monostable 44 afférent à la cellule 21, bascule au moment du premier front descendant du signal en Sj. Sur le dessin de la fig. 4, on n'a pas représenté les signaux en S2 et T2, mais on a simplement représenté le signal en P2, le passage du niveau +1 au niveau zéro s'effectuant un certain temps après que le même basculement a eu lieu en Pi. Le retour des monostables 44 à l'état initial s'effectue au moment où l'expérimentateur relâche le bouton-poussoir 14, ce relâchement provoquant un signal sur la borne J du bouton-poussoir, ce signal remettant au niveau 1 les sorties en Pi et P2. Compte tenu du décalage très court existant entre les fronts descendants des signaux Pi et P2, d'une part, et de la lenteur du doigt de l'expérimentateur sur le bouton-poussoir 14, d'autre part, la remise à l'état initial s'effec5
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tue toujours bien après le passage des perturbations au droit des deux cellules 21 et 22.
Les sorties des deux monostables 44 sont envoyées sur les deux entrées d'une porte OU exclusif 45, dont la sortie passe du premier flan descendant, c'est-à-dire celui de Pi, et qui revient au 5 niveau zéro au passage du deuxième flan descendant, c'est-à-dire celui de P2. Le signal à la sortie Q est représenté sur la dernière ligne de la fig. 4. Il commande une horloge 47, qui compte le temps pendant toute la durée du créneau du signal Q, et le comptage de l'horloge 47 est affiché sur un dispositif de visualisa- 10 tion 48. On peut ainsi obtenir la mesure en microsecondes du temps de propagation de l'onde de vibration générée par le choc du marteau 8 sur la peau, entre la zone de réflexion afférente à la cellule 21 et celle afférente à la cellule 22. On a constaté que les mesures ainsi effectuées étaient parfaitement reproductibles. 15
Il est clair que l'appareil ici conçu permet d'effectuer une mesure sur les caractéristiques mécaniques de la peau, sans que la peau soit perturbée dans la zone de la mesure, puisque les cellules réceptrices ne sont pas appliquées sur la peau. Par ailleurs, le temps de propagation donné par le dispositif 48 n'est pas entaché d'erreur, puisque le comptage est effectué à partir d'informations provenant de deux voies électroniques identiques montées en parallèle.
Enfin, il est possible d'étudier avec l'appareil selon l'invention des caractéristiques mécaniques de matériaux autres que le module d'Young, par exemple en repérant le passage de deux maxima successifs dans le train d'ondes ou l'évolution de l'amplitude des ondes d'un train d'ondes ; il suffit, dans ce cas, de modifier le circuit électronique associé aux cellules réceptrices pour obtenir une mesure de la caractéristique jugée intéressante.
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3 feuilles dessins
Claims (14)
- 620 9972REVENDICATIONS1. Appareil destiné à mesurer des caractéristiques mécaniques d'un milieu susceptible de transmettre une vibration, notamment la peau d'un sujet vivant, ledit appareil comportant un organe générateur émetteur d'une perturbation mécanique et un organe récepteur séparé dudit émetteur d'une certaine distance, l'organe récepteur étant constitué d'au moins une source lumineuse associée à deux cellules réceptrices photosensibles écartées l'une de l'autre, caractérisé par le fait que la ou les sources lumineuses envoient un rayonnement sur la surface du milieu à tester, les cellules photosensibles recevant ledit rayonnement après réflexion sur la surface du milieu à tester.
- 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la perturbation est une vibration.
- 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la perturbation est une impulsion brève.
- 4. Appareil selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'organe générateur émetteur de perturbation est un petit marteau venant frapper la surface du milieu à tester.
- 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le marteau frappe une seule fois à chaque essai sur la surface du milieu à tester.
- 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la force de frappe du marteau est réglable.
- 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la distance existant entre les cellules photosensibles réceptrices et la surface du milieu à étudier est réglable.
- 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la ou les sources lumineuses de l'organe récepteur émettent un rayonnement dans seulement une partie du spectre lumineux, par exemple un rayonnement rouge.
- 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la ou les sources lumineuses de l'organe récepteur émettent un rayonnement continu ou puisé avec une fréquence de répétition allant jusqu'à 1 MHz.
- 10. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que chaque cellule photosensible repère le passage de la première onde dans la zone de réflexion, qui lui correspond, cette onde provenant de la vibration qui se propage à partir du point du milieu qui a été frappé par le marteau, une chaîne électronique commandée par la cellule réceptrice permettant de déclencher un comptage de temps au moment du passage de ladite première onde sur la première cellule atteinte et d'arrêter ledit comptage au moment où la réception de la deuxième cellule commence à être perturbée par le passage de ladite première onde.
- 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les chaînes électroniques associées aux deux cellules réceptrices sont identiques.
- 12. Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la chaîne électronique associée à chaque cellule réceptrice comporte deux voies identiques connectées aux deux entrées d'une porte OU, l'une de ces voies permettant de repérer l'augmentation de la distance du matériau par rapport à la cellule et l'autre voie permettant de repérer la diminution de ladite distance.
- 13. Appareil selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé par le fait que le comptage de temps n'est déclenché par le passage d'une vibration au droit d'une cellule que dans la mesure où l'on a provoqué antérieurement le fonctionnement du marteau générateur de vibrations.
- 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le fonctionnement du marteau générateur de vibrations est déclenché par un bouton-poussoir manœuvré manuellement, le comptage pouvant s'effectuer pendant toute la période au cours de laquelle l'utilisateur appuie sur le bouton-poussoir, le relâchement du bouton-poussoir provoquant un signal de retour à l'état initial envoyé sur deux monostables qui reçoivent chacun les signaux provenant du bouton-poussoir et respectivement de l'une des cellules réceptrices, les sorties de ces deux monostables alimentant les deux entrées d'une porte OU exclusif dont la sortie commande une horloge associée à un dispositif d'affichage.On sait que, pour déterminer la nature de certains traitements dermatologiques ou pour constater les effets de certains traitements dermatologiques, on est amené à rechercher certaines caractéristiques spécifiques de la peau et à étudier leur évolution dans le temps et éventuellement les relations qu'elles peuvent avoir entre elles. L'une des caractéristiques importantes de la peau est le volume de la sécrétion sébacée par unité de surface et l'on a déjà proposé, à cet égard, divers dispositifs de mesure. Une autre caractéristique importante de la peau est son élasticité que l'on peut repérer en déterminant le module élastique d'une peau (module d'Young).Pour déterminer le module élastique de la peau d'un sujet vivant, on peut penser à utiliser les dispositifs actuellement existants étudiant la vitesse de propagation d'une onde mécanique entre un point d'émission de l'onde et un point de réception éloigné d'une distance connue du point d'émission. En général, on envoie sur l'échantillon à étudier un train d'ondes de faible amplitude et de haute fréquence produit par un vibrateur à quartz. La propagation de ce train d'ondes dans le matériau, que l'on étudie, est possible, malgré la haute fréquence des vibrations transmises, si le matériau n'est pas trop amortisseur; malheureusement, dans le cas de la peau, on éprouve à ce sujet des difficultés non négligeables, car le coefficient d'amortissement est fort important. En outre, les dispositifs actuellement connus fonctionnant à ultrasons ne permettent pas de réaliser des mesures localisées à la surface des matériaux. Les ultrasons se propagent dans la masse de l'ensemble étudié et donnent lieu à des réflexions multiples devant être interprétées. Ainsi, une mesure en surface in vivo n'est-elle pas concevable par les techniques classiques. A l'inverse, l'appareil selon l'invention crée une perturbation mécanique en surface à laquelle le matériau répond selon son amortissement et sa fréquence propres. Le dispositif d'excitation n'impose pas une fréquence de travail. L'analyse de la réponse ne peut être que plus riche en renseignements.Par ailleurs, dans les dispositifs connus, la mesure du temps de propagation du train d'ondes dans l'échantillon étudié s'effectue d'une façon telle que le temps mesuré est égal au temps de propagation dans le matériau étudié, augmenté de l'écart existant entre le début du comptage et le début de l'émission de la vibration ajouté à l'écart existant entre l'arrivée de la vibration sur le récepteur et la fin du comptage sur l'horloge. On voit donc que l'on introduit une difficulté supplémentaire, car, pour avoir le temps de propagation de l'onde dans le matériau étudié, il faut retrancher les temps afférents aux voies de transmission à l'émission et à la réception.Enfin, un autre inconvénient des dispositifs actuellement connus du type ci-dessus indiqué provient du fait que, pour transmettre les vibrations dans le matériau étudié au niveau de l'émetteur et pour les recevoir au niveau du récepteur, il est nécessaire d'appliquer l'émetteur et le récepteur sur l'échantillon soumis à l'essai. Or, dans le cas de mesures effectuées sur la peau, il convient de remarquer que la peau est un tissu vivant et que l'application d'un émetteur ou d'un récepteur sur sa surface modifie localement ses propriétés, par exemple en empêchant la perte d'eau.On constate donc que les dispositifs existants basés sur le repérage d'un temps de propagation d'ondes, entre un émetteur et un récepteur, sont assez peu susceptibles d'être appliqués de façon satisfaisante à la mesure du module d'élasticité de la peau. La présente invention conduit à la conception d'un appareil permet51015202530354045505560653620 997tant de déterminer les caractéristiques mécaniques de la peau et, en particulier, le module élastique, en étudiant la propagation d'une onde de vibrations provoquée à la surface de la peau. L'appareil ici conçu provoque, dans une première zone de peau, une perturbation génératrice d'une vibration qui se propage à la surface de la peau et étudie ladite propagation dans une deuxième zone distante de la zone directement perturbée. Par ailleurs, l'appareil repère le passage d'une vibration au droit d'un point sans appliquer l'organe récepteur directement sur la peau. Dans ces conditions, on conçoit que, dans la zone où s'effectue la mesure, la peau ne soit aucunement perturbée et conserve, au cours des essais, des caractéristiques parfaitement constantes. Enfin, l'appareil est capable d'analyser entièrement la perturbation se propageant à la surface en donnant d'une manière générale sa forme, son amplitude, sa fréquence propre et de transcrire le signal reçu dans son ensemble sur un enregistreur rapide approprié. Dans un mode de réalisation particulier, si on s'intéresse en premier lieu au temps de propagation, l'appareil selon l'invention détecte le passage de vibrations en deux points écartés l'un de l'autre d'une longueur connue; les voies de mesure afférentes aux récepteurs disposés en chacun de ces deux points sont identiques, de sorte que le temps mesuré pour la propagation de la vibration du premier au second récepteur n'est entaché d'aucune erreur due à des écarts de transmission entre des voies électroniques différentes.Il est clair que l'appareil, qui donne des résultats particulièrement intéressants dans le cas des mesures effectuées sur la peau d'un sujet vivant, peut être utilisé pour mesurer les caractéristiques mécaniques de tout matériau susceptible de transmettre une vibration mécanique: on sait que l'étude de la transmission des vibrations permet de déterminer de nombreuses caractéristiques des matériaux où se propagent lesdites vibrations et en particulier le module élastique.
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