Seconde_Thème 2_LA SANTE AE 12_Les ondes sonores : l’échographie

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LES ONDES SONORES - Exemple de l’échographie

Objectifs : - Pratiquer une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d’exploration et d’influence des propriétés des milieux de propagation.

- Mettre en œuvre un protocole.

Le médecin de Mme Sick souhaite vérifier l’état de santé de son foie. Pour cela, il lui préconise une échographie.

Document 1 : Présentation de l’échographie

La technique de l’échographie, sonore ou ultrasonore, est une méthode d’exploration apparue en 1955, grâce à la technologie du sonar, développé par les marins dès 1915. Comme son nom l’indique, elle repose sur le principe de réflexion du son : l’écho.

Plusieurs régions de l’organisme peuvent ainsi être explorées : l’abdomen, les systèmes urinaire et génital, les reins, le foie ou encore le cœur. Le plus connu reste le suivi d’une grossesse.

Rq : Les ultrasons sont aussi utilisés en surface pour soigner les inflammations au niveau des ligaments, des tendons …

Document 2 : Le principe de l’échographie

Théorie : Une impulsion d’ultrasons est envoyée dans le corps. A chaque interface rencontrée (changement

de milieu : graisse, os, liquide …), une partie des ultrasons est réfléchie et renvoyée vers l’émetteur, l’autre partie continue de progresser dans le corps jusqu’à la prochaine interface en étant partiellement absorbée par le milieu. La mesure de durée des différents trajets aller-retours permet de repérer la position de ces différentes interfaces.

L’eau favorise la transmission des ultrasons, contrairement à l’air. Les os et les poumons, qui contiennent de l’air, absorbent les ultrasons et « cachent » les organes situés en-dessous.

Pratique :

On place une sonde sur la région à examiner après avoir appliqué un gel sur la sonde. Dans cette sonde sont

placés un émetteur (E) et un récepteur (R) d’ultrasons inoffensifs pour le patient. Quand l’émetteur émet une

salve d’ultrasons, ceux-ci pénètrent les tissus jusqu’à ce qu’ils rencontrent une structure entraînant sa réflexion :

les ultrasons sont en partie absorbés par les éléments qui compose ladite structure et en partie réfléchis.

=> La réflexion de la salve la renvoie en direction de la sonde comme le serait un faisceau de lumière arrivant perpendiculairement sur un miroir. Plus la structure provoquant la réflexion est éloignée de la sonde, plus le signal réfléchi mettra du temps à revenir. L’écho qui en résulte est enregistré et donne des informations sur la position et la densité des tissus rencontrés.

Deux grandeurs sont mesurées puis interprétées informatiquement :

- l’amplitude du signal reçu qui dépend du changement de milieu. Par exemple, entre deux tissus mous, il y a peu de réflexion mais entre un tissu mou et un os, la réflexion est importante. Sur une échographie, les tissus qui ne renvoient pas d’échos paraissent noirs alors que ceux qui réfléchissent totalement les ultrasons paraissent blancs. Les nuances de gris correspondent à des réflexions partielles, plus ou moins importantes ;

- la mesure de la durée qui sépare l’émission de la réception de chaque écho permet, connaissant la célérité des ondes ultrasonores dans le milieu observé, de déterminer les dimensions de l’organe observé.

Document 3 : Salve, durée et amplitude

Une salve d’ultrasons est un paquet d’ultrasons.

Pour mesurer la durée entre l’émission et la Réception des ondes ultrasonores ou l’amplitude du signal, on utilise un oscilloscope. Voici quelques rappels ci-contre :

Amplitude de l’émission

Début de l’émission (E)

Début de la réception (R)

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Document 4 : Mise en place préliminaire

Placer l’émetteur et le récepteur d’ultrasons face à face, à une

dizaine de centimètres l’un de l’autre (au minimum).

Alimenter l’émetteur d’ultrasons et positionner les commutateurs

pour obtenir des petits créneaux afin d’envoyer des salves d’ultrasons.

Relier le récepteur à la voie 2 de l’oscilloscope et le régler pour

visualiser le signal qui traduit la réception des salves (paquets d’ondes) ultrasonores comme dans le document 3.

Document 5 : Relation entre vitesse, distance et durée

La vitesse v d’une onde correspond au rapport de la distance d parcourue (en mètre) par l’onde sur la durée Δt (en seconde) du parcours. Elle s’exprime en mètre par seconde (m.s-1 ou m/s).

Expression littérale : 𝒗 =𝒅

∆𝒕

I. Détermination expérimentale de la vitesse des ultrasons dans l’air.

a. En vous aidant des documents 3, 4 et 5 ainsi que du montage réalisé devant vous, proposer un protocole

expérimental permettant de déterminer la vitesse des ultrasons dans l’air avec le maximum de précision.

On s’attachera à réaliser un ou plusieurs schémas. Faire vérifier votre protocole par le professeur.

b. Mettre en œuvre le protocole proposé et relever toutes les valeurs expérimentales utiles.

c. Déterminer, en détaillant vos calculs, la vitesse des ultrasons dans l’air v.

d. La valeur théorique de la vitesse des ultrasons dans l’air est égale à : 𝒗 = 𝟐𝟎 × √(𝟐𝟕𝟑 + 𝜽)

avec 𝜽 est la température en °C

Mesurer la température et calculer cette valeur théorique.

e. Pour savoir si le résultat de notre expérience est cohérent, il faut calculer l’écart relatif : 𝒆 =|𝒗𝒕𝒉é𝒐−𝒗𝑬𝒙𝒑|

𝒗𝒕𝒉é𝒐 .

La valeur expérimentale que vous avez trouvée pour la vitesse des ultrasons dans l’air est-elle en

accord avec la théorie sachant que c’est le cas si l’écart relatif est inférieur à 10 % ?

Quelles peuvent être les sources d’erreur à l’origine de cet écart ?

II. Absorption de quelques matériaux.

On dispose de plusieurs matériaux (ou milieux) : plaque en bois ou carton, éponge,

mouchoirs ou papier essuie-tout.

a. En vous aidant des documents et du travail précédent, proposer un protocole expérimental en quelques

lignes permettant de déterminer si le matériau transmet les ondes ultrasonores. Noter vos résultats.

Faire vérifier votre protocole par le professeur.

b. Proposer un nouveau protocole, toujours en quelques lignes, permettant de déterminer si le matériau

réfléchit les ondes ultrasonores. Noter vos résultats.

Faire vérifier votre protocole par le professeur.

c. On peut ainsi modéliser ainsi le principe de l’échographie. Quel matériau joue le rôle de la peau ? celui

d’un tissu mou ? celui d’un os (ou d’un poumon) ? Justifier les réponses en vous aidant des documents.