Activit n1 Les ultrasons

PRESENTATION

TitreLes Ultrasons

Type d'activitActivit documentaire

Objectifs de lactivittudier les principaux dispositifs d'mission et de dtection des ondes utrasonores. Approche historique et technologique.

Rfrences par rapport au programmeClasse de terminale Enseignement de spcialit

Thme: Son

Remarques

FICHE ELEVES

Activit documentaire Les ultrasons

Document n1:

Est reprsent ci-dessous le spectre visible de la lumire:

Couleur (nm)

Violet400

Bleu470

Vert550

Jaune590

Orange630

Rouge800

Document n2:

Loreille humaine peut percevoir des ondes sonores dont les frquences sont comprises entre 20Hz et 20kHz

Document n3:

Les ultrasons sont des vibrations acoustiques de frquence trop leve pour produire une sensation auditive.

Un ultrason correspond une frquence suprieure 20000Hz; 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'en1917, sous l'influence des ncessits pressantes de la lutte anti-sous-marine, qu'est apparu le premier gnrateur d'ultrasons. Actuellement trois phnomnes sont utiliss; dans les trois cas l'nergie lectrique transporte par des courants alternatifs de frquence leve est transforme en nergie mcanique (oscillations d'un systme mcanique).

Les gnrateurs pizolectriques

La pizolectricit a t utilise par Langevin pour raliser un gnrateur d'ultrasons dans lequel l'lment essentiel est constitu par une sorte de mosaque de lamelles de quartz, d'orientation et d'paisseur rigoureusement identiques, colles entre deux disques d'acier. L'ensemble est appel un triplet. On relie les deux disques mtalliques aux deux bornes d'une source de courant alternatif. Les lames de quartz prsentent la proprit de se dformer la mme frquence que celle de la tension qui leur est applique. Elles produisent des vibrations mcaniques qui sont transmises au milieu dans lequel se trouve l'appareil.

Les metteurs magntostrictifs

Les metteurs magntostrictifs constituent une application d'une proprit des corps ferromagntiques qui consiste en une variation des dimensions du corps lorsque celui-ci est plac dans un champ magntique variable (magntostriction). Par exemple, on peut utiliser un empilement de tles de nickel et le placer l'intrieur de deux enroulements, l'un parcouru par un courant continu (pour obtenir un champ magntique constant convenable), l'autre parcouru par un courant alternatif (pour produire un champ magntique variable). Le champ rsultant permet d'obtenir une contraction relative assez importante et donc une vibration d'amplitude assez grande. Ces metteurs sont trs robustes mais ils ne permettent pas de produire des ultrasons de frquence suprieure 50000Hz.

L'lectrostriction de certaines cramiques (titanate de baryum, zirconate de baryum ou de plomb) consiste en une variation des dimensions du corps lorsque celui-ci est plac dans un champ lectrique variable. L'utilisation de cette proprit permet d'obtenir des vibrations ultrasonores.

La dtection des ultrasons

La dtection et la mesure des ultrasons sont ralises au moyen d'appareils divers. Les phnomnes pizolectriques, magntostrictifs et lectrostrictifs tant rversibles, les dispositifs utiliss l'mission peuvent constituer des rcepteurs. Dans ce cas, les vibrations mcaniques engendrent une tension lectrique de mme frquence que les ultrasons dtecter et c'est cette tension qui est tudie. Les ultrasons exercent une pression de radiation qui devient apprciable quand l'nergie de rayonnement est suffisamment grande. La pousse qui est alors exerce sur une petite palette de surface connue peut tre mesure. Les ultrasons sont aussi dtects au moyen de diffrents dispositifs interfromtriques ou d'appareils conus pour tudier les ondes stationnaires.

Les applications des ultrasons

Le reprage d'obstacles

En1917, Langevin met au point le premier projecteur ultrasonore permettant d'obtenir des faisceaux suffisamment intenses et bien dirigs; cet appareil est destin dtecter les sous-marins ennemis. Le principe de cette mthode est simple: les ultrasons se rflchissent sur un obstacle et reviennent leur point de dpart en produisant un cho: connaissant, d'une part, le temps sparant l'mission de l'onde et la rception de l'cho, d'autre part la vitesse de l'ultrason dans l'eau de mer (environ 1500m/s), il est facile de dduire la distance de l'obstacle dans la direction du faisceau. Cette mthode a t adapte d'autres problmes: reprage d'obstacles tels que les icebergs, sondage, tlphonie sous-marine, reprage des bancs de poissons. Lors de la guerre de1939-1945, le problme du reprage des sous-marins est redevenu d'actualit et de nombreux appareils appels asdics puis sonars ont t construits.

En mtallurgie, les ultrasons sont utiliss pour le dgazage des mtaux, pour la dtection de dfauts, pour l'usinage et la soudure de certains matriaux. Pour le perage, un foret solidaire de la partie mobile d'un gnrateur d'ultrasons effectue des mouvements de va-et-vient la frquence des ultrasons. Bien que facilite par la prsence d'une pte abrasive, cette opration est cependant relativement lente. Une prcision de quelques micromtres est obtenue trs facilement. De surcrot les matires les plus dures peuvent tre perces par ce moyen.

Les ultrasons sont employs galement pour l'amlioration des mulsions photographiques, la strilisation de certains liquides, notamment du lait, la prospection de gisements minraux, la dflagration d'explosifs commande distance, le nettoyage de certains corps et la soudure entre elles de matires plastiques souples ou rigides. Au point de vue mdical, des succs ont dj t obtenus dans le traitement des nvralgies, de certains spasmes d'origine neurovgtative, de certaines formes d'artriosclrose. Les ultrasons ont t utiliss pour dterminer des lsions localises de certains organes ou tissus (les ultrasons sont plus ou moins absorbs durant leur trajet travers les tissus humains). Cette mthode d'tude a notamment t employe pour la recherche d'anomalies dans la bote crnienne, au niveau des cordes vocales, pour l'observation de l'il et pour des observations gyncologiques (en dbut de grossesse). Des cannes spciales pour aveugles contiennent un metteur d'ultrasons; un rcepteur recevant les ondes rflchies par un obstacle utilise leur nergie pour la production de sons audibles.

Texte issu de lencyclopdie Larousse en ligne

http://www.larousse.fr/encyclopedie/ehm/ultrasons/181001Questions:

1.a.Dans le document n1, complter les deux carrs avec IR (pour Infrarouge) et UV (pour Ultraviolet).

1.b.On rappelle que les valeurs de longueurs donde sont donnes dans le vide. Quelle est la clrit de la lumire dans le vide(dans le SI avec 2 chiffres significatifs)?

1.c.Calculez alors les frquences correspondantes pour les couleurs rouge et violette.

1.d.Commenter alors la phrase du document n3: Un ultrason correspond une frquence suprieure 20000Hz; il est, par rapport aux sons audibles, ce que les radiations ultraviolettes sont aux radiations visibles du spectre.

2.Effectuer un schma lgend qui permet dillustrer comment leffet pizolectrique permet de crer une source dondes ultrasonores.

3.Effectuer un schma lgend qui permet dillustrer comment leffet pizolectrique permet de dtecter des ondes ultrasonores.

4.Exercice

Un sonar utilise un metteur-rcepteur qui envoie de brves impulsions dondes de frquence 40 kHz. La vitesse de propagation de ces ondes dans leau est de 1500 m.s-1.

4.a.Pourquoi peut-on affirmer que les ondes utilises sont des ultrasons?

4.b.Ce type donde se propagerait-il plus ou moins vite que dans lair? A expliquer.

4.c.Ecrire la formule qui lie d, la distance entre le sonar et lobstacle, t, la dure qui spare lmission et la rception et v, la clrit de londe.

4.d.Le sonar reoit un signal rflchi 0,53 s aprs lmission. A quelle distance d se trouve lobstacle?

4.e.Pour quelle technique de diagnostic mdical un tel type donde est-il utilis?

FICHE PROFESSEUR

1.a.Dans le document n1, complter les deux carrs avec IR (pour Infrarouge) et UV (pour Ultraviolet).

Pour des longueurs dondes infrieures 400 nm, on a les UV.

Pour des longueurs dondes suprieures 800 nm on a des IR.

1.b.On rappelle que les valeurs de longueurs donde sont donnes dans le vide. Quelle est la clrit de la lumire dans le vide(dans le SI avec 2 chiffres significatifs)?

La clrit de la lumire dans le vide est: c = 3,0.108 m.s-1

1.c.Calculez alors les frquences correspondantes pour les couleurs rouge et violette.

Calcul pour le rouge:

f = v / = 3,0.108 / 800.10-9 = 3,8.1014 Hz (Attention! 2 chiffres significatifs)

Calcul pour le violet:

f = v / = 3,0.108 / 400.10-9 = 7,5.1014 Hz (Attention! 2 chiffres significatifs)

1.d.Commenter alors la phrase du document n3: Un ultrason correspond une frquence suprieure 20000Hz; il est, par rapport aux sons audibles, ce que les radiations ultraviolettes sont aux radiations visibles du spectre.

Les ultrasons ont des frquences suprieures aux sons audibles comme les UV qui ont des frquences suprieures aux radiations du visible.

2.Effectuer un schma lgend qui permet dillustrer comment leffet pizolectrique permet de crer une source dondes ultrasonores.

SHAPE

3.Effectuer un schma lgend qui permet dillustrer comment leffet pizolectrique permet de dtecter des ondes ultrasonores.

SHAPE

4.Exercice:

Un sonar utilise un metteur-rcepteur qui envoie de brves impulsions dondes de frquence 40 kHz. La vitesse de propagation de ces ondes dans leau est de 1500 m.s-1.

4.a.Pourquoi peut-on affirmer que les ondes utilises sont des ultrasons?

La frquence des ondes est de 40 kHz. Les ondes sont appeles ondes sonores lorsque leurs frquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz. Au-del de 20 kHz elles sont qualifies dondes ultrasonores.

4.b.Ce type donde se propagerait-il plus ou moins vite dans lair? A expliquer.

Dune manire gnrale, plus le milieu est dense et plus le son se propagera rapidement. Dans lair, les ultrasons se propagent donc moins vite que dans leau.

Dans lacier le son se propage entre 5500 et 6000 m.s-1.

4.c.crire la formule qui lie d, la distance entre le sonar et lobstacle, t, la dure qui spare lmission et la rception et v, la clrit de londe.

Attention! La dure t correspond en fait la dure mise par les ultrasons pour parcourir laller et le retour entre le sonar et lobstacle donc la dure mise pour parcourir 2d. On en dduit:

2d = v t

4.d.Le sonar reoit un signal rflchi 0,53 s aprs lmission. A quelle distance d se trouve lobstacle?

d = (1500 0,53) / 2 = 397,5 m

Le rsultats doit tre donn avec deux chiffres significatifs donc d = 4,0.102 m

4.e.Pour quelle technique de diagnostic mdical un tel type donde est-il utilis?

Les ultrasons sont aussi utiliss pour raliser des chographies. On peut ainsi suivre une grossesse mais son usage est plus gnral, on peut en effet mesurer la taille dun organe et diagnostiquer ainsi une anomalie (tumeur etc).

4.f.Quels animaux utilisent aussi le principe du sonar pour se reprer?

Pour explorer leur environnement les chauves-souris et les dauphins mettent des ultrasons dune frquence suprieure 100 kHz. (Dautres animaux mettent des infrasons pour communiquer comme les baleines et les lphants.) (nm)

400

800

600

f (Hz)

Lamelles de quartz

Disques dacier

Source de courant alternatif

Les lamelles se dforment et vibrent avec la mme frquence que la tension: cette vibration est communique au milieu environnant: il y a cration dultrasons.

Oscilloscope

Les ultrasons mettent en vibration les lamelles de quartz qui vibrent avec la mme frquence que les ultrasons et crent ainsi une tension aux bornes des disques en acier.

Loscilloscope permet de dtecter la tension cre aux bornes des disques.

Acadmie de LyonLyce de l'Astree