Les ultrasons - Académie de Lyon

PRESENTATION
Titre
Les Ultrasons
Type d'activité
Activité documentaire
Objectifs de
l’activité
Étudier les principaux dispositifs d'émission et de détection des ondes
utrasonores. Approche historique et technologique.
Références par
rapport au
programme
Classe de terminale – Enseignement de spécialité
Thème : Son
Remarques
Académie de Lyon
Lycée de l'Astree
FICHE ELEVES
Activité documentaire – Les ultrasons
Document n°1 :
Est représenté ci-dessous le spectre visible de la lumière :
f (Hz)
 (nm)
400
600
800
Couleur
Violet
Bleu
Vert
Jaune
Orange
λ (nm)
400
470
550
590
630
Rouge
800
Document n°2 :
L’oreille humaine peut percevoir des ondes sonores dont les fréquences sont comprises entre 20Hz et
20kHz
Document n°3 :
Les ultrasons sont des vibrations acoustiques de fréquence trop élevée pour produire une sensation
auditive.
Un ultrason correspond à une fréquence supérieure à 20 000 Hz ; il est, par rapport aux sons audibles, ce
que les radiations ultraviolettes sont aux radiations visibles du spectre.
La production des ultrasons
Ce n'est qu'en 1917, sous l'influence des nécessités pressantes de la lutte anti-sous-marine, qu'est apparu
le premier générateur d'ultrasons. Actuellement trois phénomènes sont utilisés ; dans les trois cas
l'énergie électrique transportée par des courants alternatifs de fréquence élevée est transformée en
énergie mécanique (oscillations d'un système mécanique).
Les générateurs piézoélectriques
La piézoélectricité a été utilisée par Langevin pour réaliser un générateur d'ultrasons dans lequel
l'élément essentiel est constitué par une sorte de mosaïque de lamelles de quartz, d'orientation et
d'épaisseur rigoureusement identiques, collées entre deux disques d'acier. L'ensemble est appelé un
triplet. On relie les deux disques métalliques aux deux bornes d'une source de courant alternatif. Les
lames de quartz présentent la propriété de se déformer à la même fréquence que celle de la tension qui
leur est appliquée. Elles produisent des vibrations mécaniques qui sont transmises au milieu dans lequel
se trouve l'appareil.
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Les émetteurs magnétostrictifs
Les émetteurs magnétostrictifs constituent une application d'une propriété des corps ferromagnétiques
qui consiste en une variation des dimensions du corps lorsque celui-ci est placé dans un champ
magnétique variable (magnétostriction). Par exemple, on peut utiliser un empilement de tôles de nickel
et le placer à l'intérieur de deux enroulements, l'un parcouru par un courant continu (pour obtenir un
champ magnétique constant convenable), l'autre parcouru par un courant alternatif (pour produire un
champ magnétique variable). Le champ résultant permet d'obtenir une contraction relative assez
importante et donc une vibration d'amplitude assez grande. Ces émetteurs sont très robustes mais ils ne
permettent pas de produire des ultrasons de fréquence supérieure à 50 000 Hz.
L'électrostriction
L'électrostriction de certaines céramiques (titanate de baryum, zirconate de baryum ou de plomb)
consiste en une variation des dimensions du corps lorsque celui-ci est placé dans un champ électrique
variable. L'utilisation de cette propriété permet d'obtenir des vibrations ultrasonores.
La détection des ultrasons
La détection et la mesure des ultrasons sont réalisées au moyen d'appareils divers. Les phénomènes
piézoélectriques, magnétostrictifs et électrostrictifs étant réversibles, les dispositifs utilisés à l'émission
peuvent constituer des récepteurs. Dans ce cas, les vibrations mécaniques engendrent une tension
électrique de même fréquence que les ultrasons à détecter et c'est cette tension qui est étudiée. Les
ultrasons exercent une pression de radiation qui devient appréciable quand l'énergie de rayonnement est
suffisamment grande. La poussée qui est alors exercée sur une petite palette de surface connue peut être
mesurée. Les ultrasons sont aussi détectés au moyen de différents dispositifs interférométriques ou
d'appareils conçus pour étudier les ondes stationnaires.
Les applications des ultrasons
Le repérage d'obstacles
En 1917, Langevin met au point le premier projecteur ultrasonore permettant d'obtenir des faisceaux
suffisamment intenses et bien dirigés ; cet appareil est destiné à détecter les sous-marins ennemis. Le
principe de cette méthode est simple : les ultrasons se réfléchissent sur un obstacle et reviennent à leur
point de départ en produisant un écho : connaissant, d'une part, le temps séparant l'émission de l'onde et
la réception de l'écho, d'autre part la vitesse de l'ultrason dans l'eau de mer (environ 1 500 m/s), il est
facile de déduire la distance de l'obstacle dans la direction du faisceau. Cette méthode a été adaptée à
d'autres problèmes : repérage d'obstacles tels que les icebergs, sondage, téléphonie sous-marine,
repérage des bancs de poissons. Lors de la guerre de 1939-1945, le problème du repérage des sousmarins est redevenu d'actualité et de nombreux appareils appelés « asdics » puis « sonars » ont été
construits.
L'utilisation industrielle
En métallurgie, les ultrasons sont utilisés pour le dégazage des métaux, pour la détection de défauts,
pour l'usinage et la soudure de certains matériaux. Pour le perçage, un foret solidaire de la partie mobile
d'un générateur d'ultrasons effectue des mouvements de va-et-vient à la fréquence des ultrasons. Bien
que facilitée par la présence d'une pâte abrasive, cette opération est cependant relativement lente. Une
précision de quelques micromètres est obtenue très facilement. De surcroît les matières les plus dures
peuvent être percées par ce moyen.
Les ultrasons sont employés également pour l'amélioration des émulsions photographiques, la
stérilisation de certains liquides, notamment du lait, la prospection de gisements minéraux, la
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déflagration d'explosifs commandée à distance, le nettoyage de certains corps et la soudure entre elles de
matières plastiques souples ou rigides. Au point de vue médical, des succès ont déjà été obtenus dans le
traitement des névralgies, de certains spasmes d'origine neurovégétative, de certaines formes
d'artériosclérose. Les ultrasons ont été utilisés pour déterminer des lésions localisées de certains organes
ou tissus (les ultrasons sont plus ou moins absorbés durant leur trajet à travers les tissus humains). Cette
méthode d'étude a notamment été employée pour la recherche d'anomalies dans la boîte crânienne, au
niveau des cordes vocales, pour l'observation de l'œil et pour des observations gynécologiques (en début
de grossesse). Des cannes spéciales pour aveugles contiennent un émetteur d'ultrasons ; un récepteur
recevant les ondes réfléchies par un obstacle utilise leur énergie pour la production de sons audibles.
Texte issu de l’encyclopédie « Larousse » en ligne
http://www.larousse.fr/encyclopedie/ehm/ultrasons/181001
Questions :
1.a. Dans le document n°1, compléter les deux carrés avec IR (pour Infrarouge) et UV (pour
Ultraviolet).
1.b. On rappelle que les valeurs de longueurs d’onde sont données dans le vide. Quelle est la célérité
de la lumière dans le vide (dans le SI avec 2 chiffres significatifs) ?
1.c. Calculez alors les fréquences correspondantes pour les couleurs rouge et violette.
1.d. Commenter alors la phrase du document n°3 : « Un ultrason correspond à une fréquence
supérieure à 20 000 Hz ; il est, par rapport aux sons audibles, ce que les radiations ultraviolettes
sont aux radiations visibles du spectre. »
2.
Effectuer un schéma légendé qui permet d’illustrer comment l’effet piézoélectrique permet de
créer une source d’ondes ultrasonores.
3.
Effectuer un schéma légendé qui permet d’illustrer comment l’effet piézoélectrique permet de
détecter des ondes ultrasonores.
4.
Exercice
Un sonar utilise un émetteur-récepteur qui envoie de brèves impulsions d’ondes de fréquence 40 kHz.
La vitesse de propagation de ces ondes dans l’eau est de 1500 m.s-1.
4.a. Pourquoi peut-on affirmer que les ondes utilisées sont des ultrasons ?
4.b. Ce type d’onde se propagerait-il plus ou moins vite que dans l’air ? A expliquer.
4.c. Ecrire la formule qui lie d, la distance entre le sonar et l’obstacle, Δt, la durée qui sépare
l’émission et la réception et v, la célérité de l’onde.
4.d. Le sonar reçoit un signal réfléchi 0,53 s après l’émission. A quelle distance d se trouve l’obstacle ?
4.e. Pour quelle technique de diagnostic médical un tel type d’onde est-il utilisé ?
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FICHE PROFESSEUR
1.a. Dans le document n°1, compléter les deux carrés avec IR (pour Infrarouge) et UV (pour
Ultraviolet).
Pour des longueurs d’ondes inférieures à 400 nm, on a les UV.
Pour des longueurs d’ondes supérieures à 800 nm on a des IR.
1.b. On rappelle que les valeurs de longueurs d’onde sont données dans le vide. Quelle est la célérité
de la lumière dans le vide (dans le SI avec 2 chiffres significatifs) ?
La célérité de la lumière dans le vide est : c = 3,0.108 m.s-1
1.c. Calculez alors les fréquences correspondantes pour les couleurs rouge et violette.
Calcul pour le rouge :
f = v / λ = 3,0.108 / 800.10-9 = 3,8.1014 Hz (Attention ! 2 chiffres significatifs)
Calcul pour le violet :
f = v / λ = 3,0.108 / 400.10-9 = 7,5.1014 Hz (Attention ! 2 chiffres significatifs)
1.d.
Commenter alors la phrase du document n°3 : « Un ultrason correspond à une fréquence
supérieure à 20 000 Hz ; il est, par rapport aux sons audibles, ce que les radiations ultraviolettes
sont aux radiations visibles du spectre. »
Les ultrasons ont des fréquences supérieures aux sons audibles comme les UV qui ont des fréquences
supérieures aux radiations du visible.
2.
Effectuer un schéma légendé qui permet d’illustrer comment l’effet piézoélectrique permet de
créer une source d’ondes ultrasonores.
Source de courant
alternatif
Disques d’acier
3.
Lamelles de quartz
Les lamelles se déforment et
vibrent avec la même
fréquence que la tension :
cette
vibration
est
communiquée au milieu
environnant : il y a création
d’ultrasons.
Effectuer un schéma légendé qui permet d’illustrer comment l’effet piézoélectrique permet de
détecter des ondes ultrasonores.
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Oscilloscope
Les ultrasons mettent
en
vibration
les
lamelles de quartz qui
vibrent avec la même
fréquence
que
les
ultrasons et créent ainsi
une tension aux bornes
des disques en acier.
L’oscilloscope
permet
de
détecter
la
tension créée
aux bornes des
disques.
4. Exercice :
Un sonar utilise un émetteur-récepteur qui envoie de brèves impulsions d’ondes de fréquence 40 kHz.
La vitesse de propagation de ces ondes dans l’eau est de 1500 m.s-1.
4.a. Pourquoi peut-on affirmer que les ondes utilisées sont des ultrasons ?
La fréquence des ondes est de 40 kHz. Les ondes sont appelées ondes sonores lorsque leurs fréquences
sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz. Au-delà de 20 kHz elles sont qualifiées d’ondes ultrasonores.
4.b. Ce type d’onde se propagerait-il plus ou moins vite dans l’air ? A expliquer.
D’une manière générale, plus le milieu est dense et plus le son se propagera rapidement. Dans l’air, les
ultrasons se propagent donc moins vite que dans l’eau.
Dans l’acier le son se propage entre 5500 et 6000 m.s-1.
4.c.
Écrire la formule qui lie d, la distance entre le sonar et l’obstacle, Δt, la durée qui sépare
l’émission et la réception et v, la célérité de l’onde.
Attention ! La durée Δt correspond en fait à la durée mise par les ultrasons pour parcourir l’aller et le
retour entre le sonar et l’obstacle donc à la durée mise pour parcourir 2d. On en déduit :
2d = v  Δt
4.d. Le sonar reçoit un signal réfléchi 0,53 s après l’émission. A quelle distance d se trouve
l’obstacle ?
d = (1500  0,53) / 2 = 397,5 m
Le résultats doit être donné avec deux chiffres significatifs donc d = 4,0.102 m
4.e.
Pour quelle technique de diagnostic médical un tel type d’onde est-il utilisé ?
Les ultrasons sont aussi utilisés pour réaliser des échographies. On peut ainsi suivre une grossesse mais
son usage est plus général, on peut en effet mesurer la taille d’un organe et diagnostiquer ainsi une
anomalie (tumeur etc).
4.f.
Quels animaux utilisent aussi le principe du sonar pour se repérer ?
Pour explorer leur environnement les chauves-souris et les dauphins émettent des ultrasons d’une
fréquence supérieure à 100 kHz. (D’autres animaux émettent des infrasons pour communiquer comme
les baleines et les éléphants.)
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