Document du professeur 1/10 Niveau 2 nde THEME : LA SANTE Physique Chimie PROPAGATION DES ONDES ULTRASONORES Programme : BO spécial n 4 du 29/04/10 LA SANTE NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUES Le diagnostic médical : l analyse de signaux périodiques, l utilisation de l imagerie et des analyses permettent d établir un diagnostic. Des exemples seront pris dans le domaine de la santé (électrocardiogramme, électroencéphalogramme, radiographie, échographie, fibroscopie ) Signaux périodiques : période, fréquence, tension maximale, tension minimale. Connaître et utiliser les définitions de la période et de la fréquence d un phénomène périodique. Identifier le caractère périodique d un signal sur une durée donnée. Déterminer les caractéristiques d un signal périodique. Ondes sonores, ondes électromagnétiques. Domaines de fréquences Extraire et exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs fréquences en fonction de l application médicale. Connaître une valeur approchée de la vitesse du son dans l air. Pré requis : o Utilisation de l oscilloscope, du GBF. o Connaissance de la période et de la fréquence, de l amplitude d une tension alternative. o Relation v = d / t Mots-clé o Période o Fréquence o Propagation o Vitesse o Ultrasons, échographie o Emission, réception Liste de matériel : Poste élève o Oscilloscope numérique 2 x 50 MHz Ref. : 06123 o Générateur de fonctions amplifié 4 MHz Ref. : 04729 o Générateur de salves : GENEPULSE Ref. : 03028 o Emetteur Ultrason ( 1) Ref. : 05226 o Récepteurs Ultrason ( 2) Ref. : 05225 o Rail de 50 cm Ref. : 03232 o Alimentation symétrique ±15 V Ref. : 01985 Remarque et astuces : o On pourra travailler avec un oscilloscope classique, mais si on ne possède pas la fonction PRETRIG, la mesure du retard des salves est plus délicate à cause du déclenchement sur l une des voies. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 1)
Document du professeur 2/10 o o o L oscilloscope numérique utilisé permet des mesures rapides de période, fréquence et amplitude et ses curseurs permettent la détermination directe des amplitudes et retards. Concernant l activité 3, paragraphe 2, il sera certainement nécessaire d adapter les sensibilités verticales pour obtenir un oscillogramme lisible. Cela se fera au coup par coup. Concernant la mesure de la vitesse des ultrasons dans l air, on peut aussi faire plusieurs mesures pour plusieurs valeurs de la distance R1-R2, et effectuer une moyenne des résultats obtenus ou utiliser une représentation graphique. Prolongements possibles : Histoire des sciences SPALLANZANI (1794) est le premier à supposer l existence d ultrasons. Les chauves-souris ont toujours intrigué les chercheurs par leur capacité à voler dans les endroits sombres, voire totalement obscurs, qui ne permettent pas à l'œil de distinguer l'environnement. Leurs déplacements aisés dans le noir complet ont donc provoqué de nombreux questionnements. Au 18ème siècle SPALLANZANI et JURINE tentent de percer le mystère de ce fameux «sixième sens». Ils font des expériences sur les chauvessouris au cours desquelles ils ferment leurs yeux avec des boules de glu ou leur brûlent avec des aiguilles chauffées au rouge afin qu'ils deviennent inutilisables et que par conséquent, les chauves-souris n'aient plus la vue. Malgré cela les deux hommes ont constaté que les chauves-souris se déplaçaient toujours avec la même aisance dans les endroits sombres. Ils ont alors poursuivit leurs recherches, cette fois ci en bouchant les conduits auditifs des chauves souris avec de la cire. Ils constatent alors que les animaux perdent toute perception de leur environnement! En 1798, ils arrivent à cette hypothèse : «Chez les chauves souris, la vue n'est pas indispensable pour se diriger. L'ouïe semble remplacer la vue pour leur permettre de détecter des objets et leur fournir les informations pour se déplacer et éviter les obstacles». GALTON (1883) en est le découvreur. C'est en 1883 que le physiologiste anglais Francis GALTON invente un "sifflet à ultrasons". En soufflant dans ce sifflet, l'homme ne perçoit rien alors que les chiens réagissent! Mais c'est surtout la découverte en 1880, de la piézo-électricité, par les frères Pierre et Jacques CURIE, qui a permis après 1883, de produire facilement des ultrasons et de les utiliser. Triplet de LANGEVIN et céramiques piézoélectriques. Paul LANGEVIN, le premier, eut l'idée d'appliquer à la production et à la réception d'ultrasons le phénomène de la piézo-électricité, découvert par Pierre et Jacques CURIE. Excités par un courant électrique de haute fréquence, le quartz et les autres cristaux piézo-électriques (sel de Seignette, niobate de lithium, tartrates et phosphates de potassium ou d'ammonium, etc...) vibrent mécaniquement à la même fréquence. Ces vibrations sont surtout intenses lorsqu'une des dimensions du cristal favorise la résonance : dans le mode fondamental, une lame de quartz épaisse de 2,85 mm vibre en demi-onde à la fréquence de 1 mégahertz. La même plaque vibrerait, sur des modes plus élevés, jusqu'à des fréquences hypersonores ; des lames très minces de niobate de lithium sont utilisées sur leur mode fondamental à 200, voire 400 mégahertz. Par ailleurs, à l'aide de films piézo-électriques provenant de l évaporation d'oxyde de zinc (ZnO), on peut émettre des vibrations mécaniques allant jusqu'à plusieurs gigahertz, les longueurs d'onde associées étant de l'ordre du micromètre En 1915, durant la première guerre mondiale, Paul LANGEVIN met au point la détection des sous-marins au moyen des ultrasons, ouvrant ainsi un champ d'applications à ces vibrations non audibles... Utilisation diverses Écholocation chez les animaux et application au sonar. Répulsion des nuisibles. Echographie et thérapies ultrasoniques (thermothérapie et sonication pour le thème SANTE). Télémétrie et nettoyage par sonication. La «sonication» est l'utilisation d'ultra-sons pour rompre les membranes des cellules, pour nettoyer ou désinfecter du matériel. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 2)
Document du professeur 3/10 Nom : Prénom : Classe : Date : Physique Chimie Thème : La Santé PROPAGATION DES ONDES ULTRASONORES Objectifs : - En prenant pour exemple les ultrasons, identifier le caractère périodique d un signal sur une durée donnée. - Déterminer les caractéristiques d un signal périodique. - Visualiser sur un oscilloscope les signaux électriques images des ultrasons émis et reçu par une sonde. - Mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans l air, notion de retard. L'ultrason est un son, c'est-à-dire une onde mécanique et élastique, qui se propage dans les gaz, les liquides, les tissus mous tels la chair et les organes, ainsi que dans les solides et dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz. Le nom vient du fait que leur fréquence est trop élevée pour être audible pour l'oreille humaine : le son est trop aigu. De la même façon que les infrasons désignent les sons dont la fréquence est trop faible pour être perceptible par l'oreille humaine. Les premières études sur les ultrasons n'étaient pas appliquées à la médecine, mais visaient à permettre la détection des sous-marins à l'occasion de la Première Guerre mondiale. En 1951, deux britanniques, le médecin J.J. WILD et l électronicien J. REID, présentèrent à la communauté médicale un nouvel appareil : l'échographe. Il était destiné à la recherche des tumeurs cérébrales mais fera carrière dans l'obstétrique. L'usage en obstétrique date du début des années 1970 avec les appareils permettant de capter les bruits du cœur fœtal. Sources : Wikipédia Source: lmc.ac-grenoble.fr Source: sousmarin.chez.com/sonar.htm PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 3)
Document du professeur 4/10 ACTIVITÉ 1 : Réception des ultrasons et visualisation du signal correspondant. 1. Le montage : Placer sur le rail d étude, un émetteur (E) et un récepteur (R1) d ultrasons face à face à une vingtaine de centimètres l un de l autre. Brancher l émetteur aux bornes d un générateur basse fréquence - GBF - délivrant une tension sinusoïdale réglée à son amplitude maximale et de fréquence d environ 30 khz. Relier le GBF à la voie 1 d un oscilloscope. Relier le récepteur à la voie 2 de l oscilloscope de l oscilloscope réglé comme suit : - sensibilité horizontale 10 s, - sensibilité verticale : 500 mv en voie 1 et 200mV en voie 2. - Pour tout le T.P., sur la voie 1, la trace sera représentée en jaune ; sur la voie 2, la trace sera représentée en bleue 2. Les observations : Les deux voies étant en service, qu observe-t-on sur chacune d elles? Sur l entrée reliée à l émetteur, on observe une sinusoïde qui correspond à la tension du GBF. On n observe quasiment rien sur la seconde entrée reliée au récepteur. Que peut-on observer concernant le signal émis par le GBF? Comment appelle-t-on un tel signal? On constate que le signal émis par le GBF se reproduit régulièrement et identiquement à lui-même : il est dit périodique Augmenter progressivement la fréquence du GBF pour atteindre 50kHz. Observer le signal récepteur lorsque la fréquence varie. Conclure concernant l importance de l amplitude du signal reçu. L amplitude du signal récepteur passe par un maximum pour une fréquence proche de 40 khz. L efficacité du dispositif est limitée en fréquence. Représentez dans les cadres ci-dessous les oscillogrammes observés A 30kHz Autour de 40kHz A 46kHz Conclusion L amplitude du signal récepteur passe par un maximum pour une fréquence proche de 40 khz. L efficacité du dispositif est limitée en fréquence. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 4)
Document du professeur 5/10 Revenir à la valeur de fréquence qui donne l amplitude maximale du signal récepteur. Combien de périodes entières du signal émetteur sont visibles sur l écran dans ces conditions de réglage? On peut voir 4 périodes. Comparer les périodes des deux signaux émetteur et récepteur. La sensibilité horizontale étant la même pour les deux voies de l oscilloscope, et la distance horizontale entre deux maxima (crêtes) étant la même (2,5div) pour les deux courbes, on peut affirmer que les deux signaux ont même période T. ACTIVITÉ 2 : Mesure des grandeurs caractéristiques de signaux périodiques. On travaillera sur l oscillogramme autour de 40 khz Mesurer avec le plus de précision possible la valeur de la période T r du signal récepteur. Pour 4 périodes, on dénombre 10 divisions ce qui correspond à un temps θ = 10 10 µs = 100 µs, compte tenu de la sensibilité horizontale. Une période T r vaut donc : T r = 100/4 = 25µs environ, soit 25.10-6 s. Calculer la valeur de la fréquence «f» du signal récepteur et conclure. f = 1/T soit f = 1/(25 10-6 ) = 40 000 Hz = 40 khz. Les ondes sonores parvenant au récepteur correspondent à celles émise par le récepteur. Mesurer les amplitudes des 2 signaux émetteur et récepteur, conclure. Pour le signal émis, U max émis correspond à 3 divisions soit U max émis = 1 500 mv = 1,5 V, compte tenu de la sensibilité verticale de la voie 1. Pour le signal reçu, U max reçu correspond à 1 division soit U max reçu = 200 mv = 0,2 V compte tenu de la sensibilité verticale de la voie 2. L amplitude du signal reçu est plus faible que celle du signal émis, cela est dû aux pertes au cours de la propagation. Sans toucher au GBF, régler la sensibilité horizontale de l oscilloscope à 5µs, comment les signaux changent-ils? Recalculer la période de ces signaux. La largeur d un motif du signal augmente. En calculant la période, comme fait précédemment, on retrouve T = 25µs! Les réglages de l oscilloscope ne font pas varier les caractéristiques du signal : l oscilloscope est un instrument de mesure et seul le GBF permet de régler le signal. Choisir sur le GBF un signal triangulaire. Observer l oscillogramme et conclure sur le rôle du GBF. C est bien le GBF qui permet le réglage du signal. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 5)
Document du professeur 6/10 ACTIVITÉ 3 : Estimation de la vitesse de propagation des ultrasons dans l air. 1. Notion de retard, durée de propagation : 1.1 Les réglages et le montage Régler l oscilloscope comme suit : Sensibilité horizontale 10µs, Sensibilité verticale voie 1 : 500mV, Sensibilité verticale voie 2 : 200mV. Placer un second récepteur (R2) sur le rail à une vingtaine de centimètres derrière le premier : on a alors «distance R1-R2» = 20cm. Brancher R1 sur la première voie de l oscilloscope en remplacement du GBF et R2 sur la seconde voie de l oscilloscope. 1.2 Les observations Représentez l oscillogramme avec la «distance R1-R2» = 20cm, le GBF alimentant l émetteur à la fréquence f = 40 khz : R1-R2 20 cm Qu observe-t-on sur l écran? On observe deux sinusoïdes de même fréquence mais décalées horizontalement : le maximum de l une est en retard sur le maximum de l autre. Ces sinusoïdes sont les signaux électriques images des ultrasons reçus par R1 et par R2. À quoi est dû le décalage, c'est-à-dire le retard, entre les deux courbes? Le retard correspond à la durée de temps t nécessaire pour que les ultrasons se propagent de R1 à R2, sur la distance R1-R2. Augmenter la distance R1-R2 à environ 40cm, représenter l oscillogramme et indiquer le changement observé. R1-R2 40 cm PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 6)
Document du professeur 7/10 Le retard «augmente». Le montage montre que c est la courbe bleue visualisant le signal reçu par R2 qui est en retard sur celle (en jaune) visualisant le signal reçu par R1 2. Vitesse de propagation dans l air : 2.1 Le montage Alimenter maintenant l émetteur (E) par le GBF à travers le générateur de salves GENEPULSE, les récepteurs restant connectés comme précédemment aux voies 1 et 2 de l oscilloscope. Régler la sensibilité horizontale de l oscilloscope à 1ms. 2.2 Les observations Que constate-t-on pour les salves d ultrasons reçues par R1 sur la voie 1 et par R2 sur la voie 2. Elles sont décalées dans le temps, R2 reçoit les ultrasons après un retard t qui correspond à la propagation des ondes sur la distance R1R2. En reproduisant les oscillogrammes, vérifier que le retard augmente avec la distance R1R2. Pour cela, il suffit d éloigner R2 de R1, et d observer que les salves s écartent elles aussi. R1R2 10 cm R1R2 30 cm R1R2 50 cm Après avoir rappelé l expression de la vitesse de propagation de l onde en fonction de la distance «d» parcourue et de la durée t de ce parcours, proposer un protocole expérimental pour déterminer la valeur de la vitesse de propagation des ultrasons dans l air.. Pour une distance R1-R2 connue exactement, mesurer sur l oscillogramme la durée de propagation t correspondante. En utilisant l expression ci-dessus, on peut calculer la vitesse. L oscillogramme pour d(r1-r2) ayant été reproduit ci-dessous, calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l air. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 7)
Document du professeur 8/10 d (R1-R2) = 40 cm = 40.10-2 m t = 1,2 1,000 ms = 1,2.10-3 s A.N. : v = = 3,3.10 2 m.s -1 On remarquera que les ultrasons se propagent dans l air à la même vitesse que les sons audibles PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 8)
Document du professeur 9/10 EXERCICE D APPLICATION : On utilise un signal électrique dont l oscillogramme (1) est donné ci-dessous pour alimenter un émetteur ultrasonore. (1) 1. En observant le bandeau du bas de l écran de l oscilloscope, indiquer les sensibilités utilisées sur l oscilloscope. Sensibilité verticale : 3,00 V par division Sensibilité horizontale : 10,00 µs par division 2. Repérer une période du signal? Calculer cette période T. En déduire sa fréquence f. T est représentée par 3,3 divisions donc T = 3,3 10.10-6 = 3,3.10-5 s. f = 1/T donc f = 1/(3,3.10-5 ) = 3,0.10 4 Hz 3. Calculer la valeur maximale de ce signal. Ce signal a une amplitude correspondant à 3,5 divisions, on en déduit donc que U max = 3,5 3,00 = 10,5 V PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 9)
Document du professeur 4. Deux récepteurs ultrasonores sont placés dans l eau, l un derrière l autre, séparés par une distance d = 3,6 m. Le récepteur R1 est plus proche de la source que le récepteur R2 et l ensemble «émetteur - récepteur R1 - récepteur R2» est aligné. Les récepteurs reçoivent le signal ultrasonore émis en salves par l émetteur. On obtient l oscillogramme (2). (2) a. Quelle est la courbe correspondant au signal reçu par le récepteur le plus proche de l émetteur? Justifier. La courbe reçue sur la voie 1 correspond au récepteur le plus proche, en effet ce récepteur étant plus proche de la source, il reçoit le signal en avance par rapport au second récepteur. b. Avec quel retard t le second récepteur reçoit-il le même signal? On peut mesurer un retard correspondant à 2,3 divinisions, qui donne le temps t = 2,3 ms = 2,3.10-3 s, compte tenu de la sensibilité horizontale. c. À quoi correspond le décalage mesuré t entre les signaux reçus par les deux récepteurs? Il correspond à la durée de propagation entre les deux récepteurs, à la vitesse v. d. Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l eau. La comparer à la vitesse de propagation dans l air. v = d/ t, ce qui donne v = 3,6/(2,3.10-3 ) = 1,6.10 3 m.s -1 Les ultrasons, comme le son qui se déplace à la même vitesse, se propagent bien plus vite dans l eau que dans l air. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 10)