⚛ Physique-chimie pour la santé · Physique Première STI2S · Chapitre 2

Ondes sonores et échographie

Ondes sonores et ultrasons, période, fréquence, longueur d'onde, célérité, réflexion et principe de l'échographie, niveau sonore et protection auditive.

1. Ondes sonores

Définition

Une onde sonore est une onde mécanique : une vibration qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel (elle ne se propage pas dans le vide). Elle est caractérisée par :

sa fréquence $f$ (Hz) et sa période $T = \dfrac{1}{f}$ (s) ;
sa célérité $v$ (m/s) : environ $340$ m/s dans l'air, $1\,500$ m/s dans l'eau, $1\,540$ m/s dans les tissus mous, $3\,500$ m/s dans les os ;
sa longueur d'onde $\lambda = v \times T = \dfrac{v}{f}$ (m).

Domaine	Fréquences	Exemples
Infrasons	$\lt 20$ Hz	séismes, éléphants
Sons audibles	$20$ Hz à $20$ kHz	voix, musique
Ultrasons	$\gt 20$ kHz	échographie ($1$ à $20$ MHz), chauves-souris

2. L'échographie

Propriété

À chaque interface entre deux tissus différents, une partie des ultrasons est réfléchie (écho), le reste continue. La sonde, à la fois émettrice et réceptrice, mesure la durée $\Delta t$ entre l'émission et le retour de chaque écho.

Principe de l'échographie : à chaque interface entre deux tissus, une partie des ultrasons est réfléchie vers la sonde.

Méthode · Calculer une profondeur

L'onde fait un aller-retour : $$d = \dfrac{v \times \Delta t}{2}$$

Signal reçu par la sonde : l'impulsion émise (bleu) puis deux échos (orange) à 10 µs et 24 µs.

Exemple

Sur le signal ci-dessus, le premier écho revient après $\Delta t = 10\ \mu\text{s}$ : $d = \dfrac{1\,540 \times 10 \times 10^{-6}}{2} \approx 7{,}7$ mm. Le second après $24\ \mu\text{s}$ : $d \approx 18{,}5$ mm.

Attention · Gel et fréquence

On applique un gel entre la sonde et la peau : sans lui, l'air réfléchirait presque tous les ultrasons. Plus la fréquence est élevée, plus $\lambda$ est petite et l'image précise, mais moins les ultrasons pénètrent en profondeur.

Expérience · Mesurer la célérité des ultrasons dans l'air

Matérielémetteur d'ultrasons ($40$ kHz), deux récepteurs, oscilloscope, règle graduée.

ProtocoleOn place les deux récepteurs côte à côte devant l'émetteur : leurs signaux sont en phase. On éloigne lentement le second récepteur en comptant $10$ retours en phase, et l'on mesure le déplacement.

ObservationLe déplacement mesuré vaut $8{,}5$ cm pour $10$ longueurs d'onde.

Interprétation$\lambda = 8{,}5$ mm et $v = \lambda \times f = 8{,}5 \times 10^{-3} \times 40 \times 10^3 = 340$ m/s.

3. Niveau sonore et prévention

Propriété

Le niveau d'intensité sonore $L$ s'exprime en décibels (dB), mesuré au sonomètre. Une exposition prolongée au-delà de $85$ dB endommage les cellules ciliées de l'oreille interne, de façon irréversible. Deux sources identiques ne doublent pas le niveau : il augmente de $3$ dB.

S'entraîner

Exercices corrigés

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Longueur d'onde

★☆☆

Une sonde émet des ultrasons de $5{,}0$ MHz dans les tissus ($v = 1\,540$ m/s). Calculer leur longueur d'onde.