TP n 3 : principe de l échographie

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1 0,5 TP n 3 : principe de l échographie. Qu est-ce qu un son? Un micro(phone) est capable de transformer un son en une tension électrique. Un permet d observer sur son écran les variations d une tension électrique U (axe vertical) en fonction du temps t (axe horizontal). La tension électrique délivrée par le micro est très faible et il est nécessaire de l amplifier avant de l envoyer sur l. Quelqu un parle devant le micro. Qu observe-t-on sur l? Un diapason est placé devant le micro. Comment est-il constitué? 0,5 Que faut-il faire pour qu il émette un son? Que se passe-t-il alors? Quel est le rôle de la caisse en bois? Dessine la courbe observée sur l écran en précisant les calibres utilisés, qui correspondent aux échelles sur chaque axe de l écran. diapason micro amplificateur Calibre horizontal (base de temps) : Calibre vertical : La courbe observée sur l écran se reproduit de façon identique à intervalles de temps réguliers appelés période et notés T. Sa période mesure carreaux sur l écran. Chaque carreau correspond à. Donc T =. x.. = Le nombre de périodes par seconde s appelle fréquence, notée F F = T avec T en s et F en Hz (hertz) La fréquence du son émis par le diapason est: La courbe observée sur l écran correspond à une tension électrique qui varie entre deux valeurs symétriques par rapport à la ligne médiane de l écran (qui doit correspondre à une tension nulle). On note ces valeurs +U max et U max, et on appelle U max : amplitude de la tension observée. Pour mesurer U max, il faut : * appliquer une tension nulle à l entrée de l en mettant le commutateur voie A sur la position 0 * amener la ligne horizontale observée au milieu de l écran grâce au bouton * remettre le commutateur en position «mesure» sur * l amplitude mesure carreaux sur l écran. Chaque carreau correspond à. donc U max =. x.. =

2 0,5 On remplace le diapason par une autre source sonore : un haut-parleur relié à un générateur basse fréquence (G.B.F.) Que fait la membrane du haut-parleur lorsqu il émet un son? G.B.F. Haut-parleur,5,5 Le G.B.F. permet de modifier la fréquence du son émis par le haut-parleur. Quelle est la fréquence la plus basse que l oreille humaine est capable d entendre (son grave)? Quelle est la fréquence la plus haute que l oreille humaine est capable d entendre (son aigu)? Quelle est la fréquence pour laquelle l oreille est la plus sensible? Décris une expérience qui montre qu un son ne peut pas se propager dans le vide : La lumière peut-elle se propager dans le vide? justifie ta réponse. Un son peut-il se propager dans l eau? dans les métaux? dans le plastique? justifie ta réponse.. Propriétés des ultrasons (U.S.) : Les ultrasons sont des sons de fréquence supérieure à 0 000Hz, donc inaudibles pour l oreille humaine mais perçus par certains animaux comme les chauves-souris qui les utilisent pour se repérer dans l espace. Tu disposes sur ta paillasse d un émetteur d U.S. alimenté par un générateur de tension continue. Il émet des salves d U.S. de façon périodique, c'est-à-dire de façon répétitive à intervalles de temps réguliers. Une salve correspond à des U.S. émis pendant une durée très brève. silence salve En face de l émetteur se trouve un récepteur d U.S. La distance entre l émetteur et le récepteur est notée d. Salve reçue par le Récepteur X Récepteur Emetteur d A B Impulsion émise par l émetteur Lorsque l émetteur commence à émettre une salve, il envoie sur la voie A de l une impulsion. La salve d U.S. se propage dans l air à la vitesse V entre l émetteur et le récepteur. Il lui faut une durée t pour parcourir la distance qui sépare l émetteur du récepteur. Lorsque le récepteur reçoit la salve, celle-ci apparaît sur l écran, mais décalée vers la droite de X carreaux. Le temps mis par la salve pour parcourir la distance qui sépare l émetteur du récepteur se calcule en multipliant X par le calibre de la base de temps. Dans cet exemple, X=5,5carreaux calibre de la base de temps : 0,0ms/carreaux t =5,5x0,0=,ms Attention! le petit haut-parleur qui émet les U.S. et le petit micro qui les reçoit sont chacun décalés de,0cm par rapport au bord de l émetteur et du récepteur. Donc la distance D réellement parcourue par les ultrasons est égale à d +,0cm.

3 Complète le tableau suivant après avoir effectué les mesures nécessaires.,5 d mesuré sur le mètre ruban en cm D = distance parcourue par les U.S. = d+,0 en cm X en carreaux t = Xx0,0 en ms La mesure correspondant à D = 0 ne peut pas être faite pourquoi? Essaye de justifier par un raisonnement simple que si D=0,0 cm, alors t=0,0ms. Trace ci-dessous le graphe représentant les variations de la distance D parcourue par les ultrasons en 4 fonction de la durée t nécessaire pour parcourir cette distance. Aux erreurs de mesure près, ces points sont alignés sur une droite passant par l origine du repère. Calcule le coefficient directeur de cette droite en expliquant ta méthode. On le notera a. Quelle est son unité? Quelle est l équation de la droite obtenue? Déduis-en la valeur de la vitesse V des ultrasons dans l air. 3

4 3. Transmission et réflexion des ultrasons par différents matériaux : Rappels : lorsqu un rayon lumineux rencontre un dioptre, une partie de la lumière est réfléchie par le dioptre tandis qu une autre partie est transmise et traverse le dioptre. Il peut même arriver que la totalité de la lumière soit réfléchie par le dioptre qui se comporte alors comme un miroir. Rappelle la définition d un dioptre : De la même façon, lorsqu une salve d ultrasons qui se propage dans l air rencontre un autre matériau, une partie de l onde est réfléchie tandis qu une autre partie traverse le matériau. Tu disposes sur ta paillasse de plusieurs objets correspondant à différents matériaux : métal, tissu, papier, mousse, polystyrène tu peux aussi tester ta main! En utilisant le matériel du TP précédent, propose un protocole dans le but de classer ces objets, de celui qui transmet le mieux les US jusqu à celui qui les transmet le moins bien. Fais ci-dessous un schéma du montage à réaliser pour cela: Classement obtenu : On souhaite maintenant classer ces objets de celui qui réfléchit le mieux les ultrasons jusqu à celui qui les réfléchit le moins bien. Fais ci-dessous un schéma du montage à réaliser pour cela, puis décris le protocole : Classement obtenu : Compare ces deux classements et conclue : 4. Principe de l échographie : Place l émetteur et le récepteur côte à côte et face à l écran métallique, de façon à ce que les salves d ultrasons émises par l émetteur soient réfléchies par la plaque métallique vers le récepteur. La distance entre l émetteur et l écran sera ajustée à 0,0cm. Fais ci-contre un schéma en vue de dessus de ce dispositif, en représentant seulement l émetteur, le récepteur, et l écran: Règle le calibre vertical voie B, de façon à obtenir sur l écran une courbe ayant une amplitude de carreaux environ. Représente ci-contre l allure de la courbe observée en voie B : Intercale sur le trajet des ultrasons le tissu fixé sur le cadre en bois. Appelle ton professeur pour vérifier Comment est modifiée la courbe observée voie B? Représente-la sous la précédente, en respectant la même échelle : Modifications observées: 4

5 Déplace le tissu entre l émetteur et l écran métallique. Que constates-tu alors, au niveau de la courbe observée voie B? Explique comment il est possible, à partir des courbes obtenues sur l de déterminer la distance L entre l émetteur (ou le récepteur puisqu ils sont côte à côte) et l écran métallique d une part, ainsi que la distance L entre l émetteur et le tissu d autre part : Remplace le tissu par une plaque de polystyrène et recommence les expériences précédentes les observations sont-elles les mêmes? Si non, explique pourquoi. Exercice n : On refait le montage du paragraphe en plaçant devant un micro un haut-parleur alimenté par un générateur basse fréquence (GBF) Le calibre vertical est de 5,0V par carreau Le calibre horizontal (base de temps) est de 5,0ms par carreau.. Calcule l amplitude, la période et la fréquence de la tension électrique observée sur l.. Le son émis par le haut parleur est-il grave ou aigu? Est-ce un ultrason? Exercice n : On réalise le montage ci-contre, et on obtient sur l la courbe ci-dessous : Métal Le calibre vertical est de 0mV par carreau. Le calibre horizontal (base de temps) est de 0,50ms par carreau. La vitesse des ultrasons dans l air est de 340m.s. L émetteur envoie une impulsion sur la voie A de l en même temps qu il émet une salve vers la plaque en métal.. Explique pourquoi le récepteur reçoit salves alors que l émetteur n en a émis qu une. Tissu L Emetteur L Récepteur Ondes reçues par le Récepteur Impulsion émise par l émetteur. Combien de temps après l émission de la salve par l émetteur, le récepteur reçoit-il la première salve? Même question pour la deuxième salve reçue. 3. Déduis-en la distance L entre l émetteur et le tissu, puis la distance L entre l émetteur et l écran en métal. Attention : les ultrasons parcourent fois cette distance avant de parvenir au récepteur. 4. Détermine les amplitudes des salves reçues par le récepteur. Pourquoi sont-elles différentes? 5

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