SCH2.2 Ondes et imagerie médicale humaine 1

1. Comment fonctionne un sonar ? Les sonars permettent de fournir des informations très importantes, comme par exemple la distance le séparant des obstacles autour de lui où la taille d’un objet. De plus, ils utilisent un principe de fonctionnement que l’on retrouve dans la nature chez certains animaux pour se localiser, comme par exemple la chauve-souris (écholocation) : la « mesure » de la durée du parcours d’une onde ultrasonore réfléchie sur les obstacles permet de « calculer » leurs positions et leurs tailles. Vous allez utiliser une animation sous le Z/Mme Druez/seconde/SAD2.2.2. Dans l’animation le bateau d’un sonar. Un émetteur émet une impulsion ultrasonore en direction du fond de la mer (signal bleu).Cette onde se propage à travers l’eau jusqu’à ce qu’elle rencontre un obstacle. Alors, elle se réfléchit sur cet obstacle et revient vers le bateau. Un récepteur réceptionne alors le signal de retour (impulsion rouge). Voir schéma ci-dessous.

Q1. Sur le schéma ci-dessus, dessiner la distance D qui sépare le bateau du fond de la mer. Faites en sorte que cela soit bien visible avec un crayon de couleur adéquat. Q2. Où peut-on repérer le temps de parcours de l’onde ultrasonore sous l’eau ? Expliquez votre choix et dessinez ce temps de parcourt Δt sur le schéma ci-dessus ? Δt est le temps de parcourt de l’onde ultrasonore dans l’eau donc c’est le temps que met l’onde entre l’émission en bleue et la réception en rouge. Elle correspond à l’écart entre ces deux impulsions. La durée Δt de l’aller-retour 2D parcouru par l’onde ultrasonore se repère sur l’écran représentant les deux impulsions (la bleue émise et la rouge reçue). Elle correspond à l’écart entre ces deux impulsions. Q3. Ce temps de parcourt, est-il le temps de parcourt de la distance D ? Expliquez. Le temps de parcourt fait un aller et retour donc pour la distance parcourue sera de 2D. Plus la profondeur D sera grande, plus la distance parcourue 2D sera grande, et donc plus le temps Δt mis pour la parcourir sera grand, et enfin plus les deux impulsions seront écartées.

E4. Ouvrir l’ordinateur, aller sur « Z/ Mme Druez/seconde ouvrir l’animation sur le sonar. Aide : Penser à cliquer sur la flèche pour agrandir l’écran avec la mer et déplacer convenablement vos poissons à la limite de la propagation visible de l’onde en noir…

Q5. Répondez à la question n°1 : « Déterminer la vitesse de propagation (en m/s) de l’onde ultrasonore dans l’eau ». Justifier avec formules et calculs.

Pour connaître la vitesse de propagation de l’onde dans l’eau il faut connaître la distance parcourue et le temps de parcours. Ici, il faut déplacer le bateau à un endroit où la profondeur est connue : ici à 114 m. Attention pensez que la distance parcourue par l’onde correspond à un aller et un retour 2D soit : 2 × 114 = 228 m On va ensuite mesurer la durée Δt de ce parcours : On lit 3 carreaux d’écart entre les deux impulsions : Δt = 3 × 50 ms = 150 ms = 0,15 s.

v = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑜𝑢𝑟𝑢𝑒

𝑑𝑢𝑟é𝑒 𝑑𝑢 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑜𝑢𝑟𝑡 =

2𝐷

∆𝑡

A.N. : v = 2×114

0,15 soit v = 1520 m.s-1 soit 1,5.103 m.s-1

Dans l’eau, les ondes ultrasonores se déplacent à environ 1500 m.s-1.

CORRIGE SAD2.2.2

SCH2.2 Ondes et imagerie médicale humaine 2

Q6. Revenez sur l’animation et répondez à la question n°2 : « Quelle est la valeur de la profondeur maximale (en m) dans la zone explorée par le navire ? » avec justification par formule et calcul. Nous allons déplacer le bateau au-dessus de l’endroit le plus profond. On repère cet endroit en déplaçant le bateau de sorte que l’écart entre les deux impulsions soit maximal. On mesure la durée Δt de ce parcours : On lit 8 carreaux d’écart entre les deux impulsions : Δt = 8 × 50 ms = 400 ms = 0,40 s.

v = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑜𝑢𝑟𝑢𝑒

𝑑𝑢𝑟é𝑒 𝑑𝑢 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑜𝑢𝑟𝑡 =

2𝐷

∆𝑡 donc on a 2D = v × Δt

soit D = 𝑣×∆𝑡

2 A.N. : D

1 520 × 0,40

2 soit D = 304 m soit 3,0.102 m

Q7. Revenez sur l’animation et répondez à la question n°3 : « A quelle profondeur (en m) les poissons se déplacent-ils actuellement? ».

Nous allons déplacer le bateau au-dessus du banc de poisson afin que la deuxième impulsion retour (rouge) qui apparaît en plus soit maximale. L’onde ultrasonore se réfléchit toujours sur le fond mais maintenant, elle se réfléchit aussi sur le banc de poisson. On mesure la durée Δt du parcours aller-retour entre le bateau et les poissons : On lit 2 carreaux d’écart entre les deux impulsions : Δt = 4,2 × 50 ms = 210 ms = 0,21 s.

v =𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑜𝑢𝑟𝑢𝑒

𝑑𝑢𝑟é𝑒 𝑑𝑢 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑜𝑢𝑟𝑡 =

2𝐷

∆𝑡 soit 2D = v × Δt soit D =

𝑣×∆𝑡

2

A.N. : D =1 520 × 0,21

2 soit D = 156,7 m soit 1,5.102 m

2. Comment fonctionne l’échographie ? L’échographie est une technique d’imagerie médicale récente, âgée d’à peine vingt ans. Cette technique permet d’explorer toutes sortes d’organes sans avoir recours à une intervention chirurgicale. L’examen dure 15 à 30 minutes et il permet d’établir un diagnostic rapide. L’échographie permet par exemple de visualiser les os d’un fœtus et de les mesurer. E8. Aller sous le « Z / Mme Druez/seconde et ouvrir l’animation sur l’échographie. Accédez au menu dessin puis dessinez une forme quelconque correspondant à un gaz. Déplacez l’émetteur. Q9. L’onde ultrasonore est-elle renvoyée par le gaz ? Quelle est la couleur d’une matière gazeuse à l’échographie ? Même question pour un solide, un liquide homogène, milieu hétérogène.

La couleur d’un solide est noir, d’un milieu hétérogène est gris foncé, d’un liquide homogène est gris clair et d’un gaz est blanc.

Un solide renvoie un pique un peu élargi puis plus rien.

Vidéo 3 Animation 3

D Δt

Solide Milieu Hétérogène

SCH2.2 Ondes et imagerie médicale humaine 3

Un milieu hétérogène renvoie un pic non élargi et des ondes en continue mais d’amplitude plus petite que le premier pic de retour.

Un liquide homogène renvoie un pic non élargi puis plus rien.

Un gaz ne renvoie rien toute l’onde est transmise.

Q10. Légender l’oscillogramme ci-dessous (vous pouvez annoter sur l’oscillogramme), en y notant sur le

signal de réception à quel milieu correspond chaque partie. Justifier votre légende grâce à un petit

paragraphe argumenté.

Il est très difficile de différencier dans cette échographie, le milieu gazeux et le liquide homogène. Le milieu hétérogène étant facilement identifiable par un retour d’onde continue, ainsi que le solide avec son pic élargi, le reste de l’échographie n’est pas facilement identifiable.

Liquide homogène

Gaz

M. H. M. H. M. H.

S. L. H. ou G.

L. H. ou G.