Application des ondes acoustiques : le sonar et l'échographie

Ondes acoustiques = ondes mécaniques. On rappelle qu’une onde mécanique est le phénomène de propagation d’une perturbation sans transport de matière, et dans un milieu matériel.

Milieu homogène : cela signifie que les propriétés physiques sont identiques en tout point de ce milieu.
De plus, un milieu est dit isotrope si ses propriétés ne dépendent pas d’une direction privilégiée.

où D (en m), distance parcourue par l’onde pendant un temps (en s); la célérité c (en ) des ondes acoustiques dépend fortement du milieu traversé (l’air: à 20 °C, l'eau:; le fer: ).
Onde réfléchie : rencontrant un changement de milieu (d’un milieu 1 vers un milieu 2), elle peut repartir en sens opposé et/ou être transmise dans le milieu 2.


On se placera dans le cas où l’onde présente une incidence normale : propagation de l’onde perpendiculairement au plan séparant les deux milieux.


Au niveau de l’interface entre les deux milieux, une part de cette puissance est emportée par l’onde réfléchie, et l’autre par l’onde transmise. Les proportions de ces deux parts sont notées respectivement R (coefficient de réflexion), et T (coefficient de transmission). R et T sont compris entre 0 et 1, et .

Si le milieu est dispersif (la célérité dépend de la fréquence), l’impédance acoustique caractéristique dépend elle aussi de la fréquence de l’onde.

• Si , on parle d’adaptation acoustique : l’onde est intégralement transmise au milieu 2. Dans cette configuration .

• Si , l’onde est intégralement réfléchie et ne passe pas dans le milieu 2. Dans ce cas, une des deux impédances est négligeable (ou nulle) par rapport à l’autre.

Le sonar est une application simple des ondes acoustiques.

Principe : émettre une onde acoustique dans un milieu homogène et isotrope. L’onde va se propager jusqu’à rencontrer un obstacle sur lequel elle va rebondir et revenir vers l’émetteur.

Les ondes acoustiques peuvent être vues comme des « rayons » se propageant en ligne droite. Ainsi, la distance D qui sépare l’émetteur de l’obstacle est déterminable si on connaît la célérité c (constante) de l’onde dans le milieu et si on mesure le temps que l’onde met pour faire l’aller et le retour.
Cette distance s’obtient par la formule :


Employé dans l’eau, le sonar émet des ondes acoustiques de quelques kHz qui sont bien adaptées, car elles se propagent dans ce milieu avec peu d’atténuation.

Si le signal était émis en continu, il serait difficile de savoir quel pic de la sinusoïde reçue correspondrait à tel ou tel pic du signal émis. La longueur d’onde vaut en effet pour une onde de 3 kHz, donc largement plus faible que les distances mesurées. La solution technologique est d’émettre des « pulses », c'est-à-dire de n’émettre le signal que par intermittence. Grâce à cela, on sait associer tel pulse reçu avec tel pulse émis, afin de trouver le retard (voir schéma).

Limites :
► La température de l’eau, sa salinité et sa densité peuvent varier en un lieu donné, ce qui influe sur la la célérité de l’onde. Donc la distance est mesurée de manière peu précise.
► Il existe une frontière physique marquée vers les 100 mètres de profondeur entre les eaux chaudes de surface et les eaux froides des profondeurs (thermocline), capable de réfléchir les ondes d'un sonar.

La première utilisation pratique du sonar remonte à la première guerre mondiale, afin de détecter les sous marins ennemis. Une autre utilisation est de mesurer la profondeur de fonds marins.
Le sonar est une méthode d’écholocalisation. Certains animaux marins (dauphins) ou aériens (chauves souris) ont un sonar interne qui leur permet de se repérer, même dans l’obscurité, ou de localiser leurs proies.

Lors d’une échographie, des ondes acoustiques sont émises, se propagent et rebondissent sur les divers obstacles qui sont sur leur chemin. Des matériaux différents présentent des impédances acoustiques caractéristiques différentes. Des échos de différentes intensités selon les matériaux rencontrés seront créés.

Impédances acoustiques caractéristiques de quelques matériaux :

Milieu	Impédance : (en )
Air à 20 °C
Eau à 20 °C
Tissu humain mou
Os
Aluminium
Acier

Grâce aux différences observées entre l’eau, les tissus mous, et les os, l’échographie est ainsi utilisée en imagerie médicale, notamment en obstétrique. Une sonde est appliquée contre la peau du patient, au voisinage de la zone à étudier. La sonde comporte un émetteur à ultrasons, et un capteur qui détecte les échos produits suite aux réflexions des ultrasons sur les organes rencontrés. Les informations collectées sont transmises à un ordinateur qui génère une image 2D de la zone étudiée (sous la forme d’un dégradé de gris). Tout matériau dont l’impédance acoustique caractéristique est très différente de celle de l’eau (milieu le plus courant dans le corps humain) est un obstacle très réflecteur des ondes (air ou os) et apparaîtra en blanc.


Technologiquement, les ultrasons sont émis et captés par des cristaux piézoélectriques. Ces derniers ont la propriété de se déformer (changer de longueur) lorsqu’une tension électrique leur est appliquée. En envoyant un signal électrique alternatif, le cristal émet une onde acoustique de même fréquence. Le phénomène marche dans l’autre sens : un cristal piézoélectrique frappé par une onde acoustique engendre un signal électrique. En conséquence, ces cristaux sont utilisés comme générateurs et récepteurs d’ultrasons.

► En géoscience ( = étude du sous-sol terrestre), des ondes en surface sont émises et se propagent dans le sous-sol, puis rebondissent sur les différentes structures rocheuses. Les échos produits sont enregistrés par des batteries de capteurs disposés en surface. Les données collectées sont traitées par des calculateurs afin de donner une cartographie 2D ou 3D du sous-sol.

► En médecine, réalisées à de basses intensités, les échographies peuvent produire des ultrasons à fortes intensités, comme avec les lithotripteurs. Les ultrasons produits par ces appareils se propagent sans grande atténuation dans les tissus mous du corps humain, jusqu’à rencontrer un obstacle dur. Ils lui communiquent alors une bonne part de leur énergie. Ils sont ainsi employés afin de fragmenter des calculs rénaux.

► Pour le sonar et l’échographie, il est fait appel à l’effet Doppler: en mesurant la variation de fréquence entre l’onde émise et l’onde reçue, on estime la vitesse de l’objet qui a réfléchi l’onde. Pour le sonar, cela permet d’évaluer la trajectoire de la cible. Pour l’échographie médicale, cela fournit des informations complémentaires à l’examen : mouvements du cœur d’un fœtus...