Application des ondes acoustiques : le sonar et l'échographie
Introduire la notion d’impédance acoustique caractéristique.
Présenter des applications des ondes acoustiques dans d'autres domaines que l’audition.
Expliquer les contraintes technologiques liées à ces applications.
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.






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









avec




• Si

Remarque : L’emploi des impédances acoustiques caractéristiques suppose que les milieux de propagation soient infinis. Cependant, de nombreux cas d’acoustiques prennent en compte des effets géométriques. On utilise alors la notion d’impédance acoustique, définie par :


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

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


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.
Impédances acoustiques caractéristiques de quelques matériaux :
Milieu |
Impédance : ![]() ![]() |
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.
Dans ce cas, le coefficient de transmission air/peau vaut :

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 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...



L'impédance est exprimée en

• Le coefficient de réflexion R et de transmission T à l’interface entre deux milieux 1 et 2 s’écrit comme :


• Les ondes acoustiques sont des ondes mécaniques dont il existe des applications autres que l'audition.
Par exemple, le sonar utilise la propagation des ondes acoustiques dans un milieu supposé homogène et isotrope afin de mesurer des distances. C’est une technique d’écholocalisation.
L’échographie utilise quant à elle le fait que les obstacles rencontrés par les ondes vont les réfléchir de manière différente, autorisant une cartographie de la zone étudiée, notamment en médecine.

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