Acoustique et Ultrasons
Du son à l'échographie : comprendre et utiliser les ondes acoustiques pour l'analyse et le contrôle.
Objectifs du Chapitre
I. Ondes Acoustiques
1.1 Nature et caractéristiques
Les ondes acoustiques sont des ondes mécaniques longitudinales : compression et dilatation du milieu dans la direction de propagation.
f < 20 Hz
20 Hz - 20 kHz
f > 20 kHz
1.2 Grandeurs fondamentales
| Milieu | Célérité (m/s) | Impédance Z (kg/m²/s) |
|---|---|---|
| Air (20°C) | 343 | 415 |
| Eau | 1480 | 1,48 × 10⁶ |
| Tissus mous | 1540 | 1,63 × 10⁶ |
| Os | 3500 | 7,8 × 10⁶ |
| Acier | 5900 | 45 × 10⁶ |
1.3 Intensité et niveau sonore
Intensité acoustique
Seuil d'audition I₀ = 10⁻¹² W/m²
Niveau sonore
Seuil de douleur ≈ 120 dB
II. Phénomènes de Propagation
2.1 Réflexion et transmission
À l'interface entre deux milieux d'impédances Z₁ et Z₂, une partie de l'onde est réfléchie, l'autre transmise.
Coefficient de réflexion
Coefficient de transmission
Plus la différence d'impédance est grande, plus la réflexion est importante (base de l'échographie).
2.2 Atténuation
α = coefficient d'atténuation (Np/m ou dB/cm)
L'atténuation augmente avec la fréquence. Compromis résolution/pénétration en échographie.
2.3 Effet Doppler
Décalage de fréquence lorsque la source ou le récepteur est en mouvement.
Application : mesure de vitesse sanguine (Doppler vasculaire).
III. Techniques Ultrasonores
3.1 Génération et détection
Transducteurs piézoélectriques
Cristaux (quartz, PZT) qui convertissent l'énergie électrique en mécanique et inversement.
Pression → tension (réception)
Tension → déformation (émission)
3.2 Modes d'imagerie
Mode A (Amplitude)
Signal 1D : amplitude des échos en fonction du temps/profondeur. Mesure d'épaisseur, CND.
Mode B (Brillance)
Image 2D en niveaux de gris. Balayage du faisceau pour construire l'image. Échographie médicale standard.
Mode M (Mouvement)
Position des interfaces en fonction du temps. Échographie cardiaque (valves).
Doppler couleur
Superposition de l'information de flux (vitesse/direction) sur l'image B. Rouge = vers la sonde, bleu = s'éloigne.
3.3 Résolution
Résolution axiale
Ra ≈ λ/2 = c/(2f). Augmente avec f mais pénétration diminue.
Résolution latérale
Dépend de la taille du faisceau. Meilleure au point focal.
IV. Applications
🏥 Médical
- • Échographie obstétricale, abdominale
- • Doppler vasculaire (artères, veines)
- • Échocardiographie
- • Lithotritie (destruction de calculs)
🏭 Industriel (CND)
- • Détection de défauts (fissures, inclusions)
- • Mesure d'épaisseur
- • Contrôle de soudures
- • Caractérisation de matériaux
🔬 Laboratoire
- • Nettoyage par ultrasons
- • Homogénéisation, émulsification
- • Sonication (lyse cellulaire)
📏 Métrologie
- • Débitmètres à ultrasons
- • Télémétrie (distance)
- • Niveau de cuve
V. Pièges à Éviter
❌ Confondre intensité et niveau
I en W/m² (linéaire), L en dB (logarithmique). Doubler I = +3 dB.
❌ Oublier le couplant
Gel échographique indispensable pour éliminer l'interface air/peau (99,9% réflexion sinon).
❌ Négliger l'atténuation
Plus f élevée = meilleure résolution mais moindre pénétration. Adapter f à la profondeur.
❌ Angle Doppler = 90°
Si θ = 90°, cos(θ) = 0, donc Δf = 0 : pas de signal Doppler perpendiculaire au flux.
