S'intéressant aux chauves-souris qui peuvent se déplacer dans l'obscurité, Lazzaro Spallanzani, biologiste italien, et Louis Jurine, médecin chirurgien suisse décident d'en percer le mystère. Ils pratiquent alors plusieurs expériences sur elles : une première où ils les aveuglent avec de la glue ou au fer rouge et une seconde où ils leur bouchent les oreilles avec de la cire. Ils remarquent alors que le déplacement des chauves-souris aveuglées n'est pas altéré contrairement à celui des sourdes. Jurine en conclut : "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." C'est ainsi qu'en 1794 les deux scientifiques résolvent le secret du sixième sens des chauves-souris et soupçonnent pour la première fois l'existence des ultrasons à travers l'écho-location. L'hypothèse sera vérifiée en 1883 par Francis Galton, physiologiste anglais qui invente un sifflet à ultrasons.
Un siècle plus tard en 1915 après le naufrage du Titanic, la première ébauche du sonar est développée par le canadien Reginald Fessenden puis améliorée par Langevin, physicien français, inventant le "Triplet de Langevin". La première application médicale apparait dans les années 1920 pour traiter les sportifs, l’arthrite et les rhumatismes. Dans les années 1940, Karl Dussik, neurologiste allemand, utilise pour la première fois les ultrasons comme outil de diagnostic afin de détecter des tumeurs cérébrales.
II) Définition
L'ultrason est une onde ultrasonore élastique. Sa fréquence est comprise entre 15 kHz et plusieurs centaines de MHz. Au-dessus des ultrasons, il y a les hyper-sons et en-dessous, il y a les infrasons. Mais c’est aussi une onde longitudinale, c’est-à-dire une onde pour laquelle la déformation du milieu se fait dans la même direction que la propagation de l’onde. Il produit un son inaudible pour l’oreille humaine, c’est-à-dire un son très aigu, d’où son nom d’ultrason.
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| Les différents domaines des ondes sonores |
Les ultrasons se réfléchissent sur l’obstacle qu’ils rencontrent et signalent sa présence ainsi que sa distance que l’on déduit de la mesure du temps de l’aller-retour mis par les ondes : C’est le repérage d’obstacles. C’est en 1917 que le physicien Langevin met au point le premier projecteur ultrasonore permettant d’obtenir des faisceaux intenses et bien dirigés d’ultrasons. Cette technique était autrefois utilisée pour détecter la présence de sous-marins ennemis ou encore d’icebergs. Le principe de cette méthode est le même que le repérage d’obstacles.
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| Schèma du repérage d'obstaces |
De plus, Langevin a aussi mis au point un générateur d’ultrasons avec comme élément essentiel plusieurs lamelles de quartz, d’orientation, et d’épaisseur rigoureusement identiques, reliées entres elles par deux disques d’acier avec aux bornes de ces disques une source de courant alternatif. Cet ensemble est nommé : Triplet de Langevin. Ces lames présentent la propriété de pouvoir se déformer à la même fréquence que celle de la tension qui leur est appliquée. Elles vont produire des vibrations mécaniques qui sont transmises au milieu dans lequel se trouve le générateur.
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| Paul Langevin (1872-1946) |
Un exemple de générateur mécanique d'ultrasons est le « sifflet pour chien » qui émet un son qui excède de peu la limite de perception de l’oreille humaine. Cet élément est composé d’un dispositif résonnant que l’on excite par un jet de fluides (liquides, gaz). Son domaine de fonctionnement est inférieur à 50 kHz pour une puissance de 100 Watts maximum. Les générateurs mécaniques peuvent aussi être comparés avec les émetteurs biologiques. En effet de nombreuses espèces animales émettent des signaux ultrasonores de communication (ou d’écho-location) comme par exemple les chauves-souris ou les poissons qui détectent les obstacles à l’aide de « clicks » (de 20 à 200 kHz) qu’ils émettent et dont ils perçoivent les échos grâce à leurs organes spécialisés.
Les détecteurs d’ultrasons les plus employés sont les électromagnétiques, comme les sondes d'échographie ou les capteurs. Ils couvrent tout le spectre ultrasonore.
III) Propriétés physiques
Les ultrasons ont les mêmes propriétés que les ondes sonores (= ondes mécanques): elles se propagent sous forme sinusoïdale (c'est-à-dire que l'onde sonore ondule) dans les milieux solides, liquides ou gazeux, mais pas dans l'air, et sa vitesse dépend de ce milieu. C’est une onde longitudinale. Nous avons trouvé une vidéo qui montre bien ces effets, cliquez sur ce lien pour y accéder : http://www.dailymotion.com/video/x82sxm_ultrasons-dans-l-eau_tech?search_algo=2
La vitesse des ultrasons ne varie pas selon la fréquence de l'ultrason mais en fonction de la nature du milieu traversé. Le milieu change de pression lorsqu'il est traversé par des ultrasons.
Nous avons fait quelques expériences pour mettre en évidence les principales propriétés des ultrasons.
Le matériel utilisé est le même dans les deux premières expériences :
- oscilloscope,
- générateur d'ultrasons,
- émetteur et récepteur d'ultrasons.
Dans la troisième, on y ajoutera une plaque métallique, un morceau de carton et notre main.
Expérience 1 : On cherche à savoir comment se propage les ultrasons : sont-t-ils directifs ou non ?
Brancher l’émetteur au générateur d’ultrasons.
Brancher l’émetteur et le récepteur respectivement sur les voies A et B de l’oscilloscope.
Déplacer le récepteur d'ultrasons sur un arc de cercle dont le centre est l'émetteur et observer sur l'oscilloscope.
Bien régler l’oscilloscope du point de vue sensibilité.
Bien régler l’oscilloscope du point de vue sensibilité.
Observation :
On observe que plus l’angle formé par le récepteur et l’émetteur est important, plus le signal est faible.
Conclusion :
Conclusion :
On peut donc conclure qu’un faisceau d’ultrasons est directif.
Expérience 2 : On cherche à étudier la propagation et l’absorption des ultrasons dans l’air.
Brancher l’émetteur au générateur d’ultrasons.
Brancher l’émetteur et le récepteur respectivement sur les voies A et B de l’oscilloscope.
Placer l’émetteur et le récepteur l’un en face de l’autre et collés l’un contre l’autre.
Éloigner progressivement le récepteur de l’émetteur le long de l’axe de l’émetteur.
Observations:
On observe que quand la distance entre l’émetteur et le récepteur augmente, l’intensité du signal diminue.
On remarque aussi qu’au-delà d'environ 2 mètres, le récepteur ne détecte plus les ultrasons émis par l’émetteur.
Conclusion :
Conclusion :
On peut donc conclure que l’air absorbe beaucoup plus les ultrasons que les liquides.Cela se vérifie en échographie prénatale car le foetus est entouré de liquide amniotique.
Expérience 3 :
Protocole d'expérimentation :
Brancher l’émetteur au générateur d’ultrasons.
Brancher l’émetteur et le récepteur respectivement sur les voies A et B de l’oscilloscope.
1) Placer côte à côte et dans le même sens l'émetteur et le récepteur d'ultrasons. Observer.
2) Ajouter, face aux deux transducteurs (=émetteur et récepteur), une plaque métallique puis un carton, et ensuite la main. Observer.
3) Tourner légèrement le récepteur pour qu'il fasse un petit angle avec l'émetteur. Observer.
Observations :
1)Il n'y a presque pas de signal sur l'oscilloscope.
2)Avec les trois obstacles, on remarque la présence d'un signal sur l'oscilloscope.
3)Le signal reçu augmente.
Conclusion :
On en conclut que le faisceau d'ultrasons se réfléchit sur les obstacles.
Avec ces trois expériences, nous avons dégagé les propriétés suivantes :
- Un faisceau d'ultrasons est directif.
- La distance maximum de détection des ultrasons est d'environ 2m dans l’air qui absorbe donc beaucoup les ultrasons.
- Le phénomène de réflexion s'applique aux ultrasons.
Grâce à d'autres expériences, on a découvert que les ultrasons avaient une vitesse de propagation de 340 m/s dans l'air et de près de 1500 m/s dans l'eau.
