CPHY-214 Signaux Periodiques Fiche Professeur

Document du professeur 1/10

Niveau 2nde

Physique Chimie

THEME : LA SANTE

PROPAGATION DES ONDES ULTRASONORES

Programme : BO spcial n4 du 29/04/10 LA SANTENOTIONS ET CONTENUS COMPTENCES ATTENDUES

Le diagnostic mdical : lanalyse de signaux priodiques, lutilisation de limagerie et des analyses permettent dtablir un diagnostic. Des exemples seront pris dans le domaine de la sant (lectrocardiogramme, lectroencphalogramme, radiographie, chographie, fibroscopie ) Signaux priodiques : priode, frquence, Connatre et utiliser les dfinitions de la priode et de la tension maximale, tension minimale. frquence dun phnomne priodique. Identifier le caractre priodique dun signal sur une dure donne. Dterminer les caractristiques dun signal priodique. Ondes sonores, ondes lectromagntiques. Domaines de frquences Extraire et exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs frquences en fonction de lapplication mdicale. Connatre une valeur approche de la vitesse du son dans lair.

Pr requis : o Utilisation de loscilloscope, du GBF. o Connaissance de la priode et de la frquence, de lamplitude dune tension alternative. o Relation v = d / t Mots-cl o o o o o o

Priode Frquence Propagation Vitesse Ultrasons, chographie Emission, rception

Liste de matriel : Poste lve o Oscilloscope numrique 2 x 50 MHz o Gnrateur de fonctions amplifi 4 MHz o Gnrateur de salves : GENEPULSE o Emetteur Ultrason (1) o Rcepteurs Ultrason (2) o Rail de 50 cm o Alimentation symtrique 15 VRemarque et astuces : o

Ref. : 06123 Ref. : 04729 Ref. : 03028 Ref. : 05226 Ref. : 05225 Ref. : 03232 Ref. : 01985

On pourra travailler avec un oscilloscope classique, mais si on ne possde pas la fonction PRETRIG, la mesure du retard des salves est plus dlicate cause du dclenchement sur lune des voies.

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Propagation des ondes ultrasonores (page 1)


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Loscilloscope numrique utilis permet des mesures rapides de priode, frquence et amplitude et ses curseurs permettent la dtermination directe des amplitudes et retards. Concernant lactivit 3, paragraphe 2, il sera certainement ncessaire dadapter les sensibilits verticales pour obtenir un oscillogramme lisible. Cela se fera au coup par coup. Concernant la mesure de la vitesse des ultrasons dans lair, on peut aussi faire plusieurs mesures pour plusieurs valeurs de la distance R1-R2, et effectuer une moyenne des rsultats obtenus ou utiliser une reprsentation graphique.

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Prolongements possibles : Histoire des sciences SPALLANZANI (1794) est le premier supposer lexistence dultrasons. Les chauves-souris ont toujours intrigu les chercheurs par leur capacit voler dans les endroits sombres, voire totalement obscurs, qui ne permettent pas l'il de distinguer l'environnement. Leurs dplacements aiss dans le noir complet ont donc provoqu de nombreux questionnements. Au 18me sicle SPALLANZANI et JURINE tentent de percer le mystre de ce fameux sixime sens . Ils font des expriences sur les chauvessouris au cours desquelles ils ferment leurs yeux avec des boules de glu ou leur brlent avec des aiguilles chauffes au rouge afin qu'ils deviennent inutilisables et que par consquent, les chauves-souris n'aient plus la vue. Malgr cela les deux hommes ont constat que les chauves-souris se dplaaient toujours avec la mme aisance dans les endroits sombres. Ils ont alors poursuivit leurs recherches, cette fois ci en bouchant les conduits auditifs des chauves souris avec de la cire. Ils constatent alors que les animaux perdent toute perception de leur environnement ! En 1798, ils arrivent cette hypothse : Chez les chauves souris, la vue n'est pas indispensable pour se diriger. L'oue semble remplacer la vue pour leur permettre de dtecter des objets et leur fournir les informations pour se dplacer et viter les obstacles . GALTON (1883) en est le dcouvreur. C'est en 1883 que le physiologiste anglais Francis GALTON invente un "sifflet ultrasons". En soufflant dans ce sifflet, l'homme ne peroit rien alors que les chiens ragissent ! Mais c'est surtout la dcouverte en 1880, de la pizo-lectricit, par les frres Pierre et Jacques CURIE, qui a permis aprs 1883, de produire facilement des ultrasons et de les utiliser. Triplet de LANGEVIN et cramiques pizolectriques. Paul LANGEVIN, le premier, eut l'ide d'appliquer la production et la rception d'ultrasons le phnomne de la pizo-lectricit, dcouvert par Pierre et Jacques CURIE. Excits par un courant lectrique de haute frquence, le quartz et les autres cristaux pizo-lectriques (sel de Seignette, niobate de lithium, tartrates et phosphates de potassium ou d'ammonium, etc...) vibrent mcaniquement la mme frquence. Ces vibrations sont surtout intenses lorsqu'une des dimensions du cristal favorise la rsonance : dans le mode fondamental, une lame de quartz paisse de 2,85 mm vibre en demi-onde la frquence de 1 mgahertz. La mme plaque vibrerait, sur des modes plus levs, jusqu' des frquences hypersonores ; des lames trs minces de niobate de lithium sont utilises sur leur mode fondamental 200, voire 400 mgahertz. Par ailleurs, l'aide de films pizo-lectriques provenant de lvaporation d'oxyde de zinc (ZnO), on peut mettre des vibrations mcaniques allant jusqu' plusieurs gigahertz, les longueurs d'onde associes tant de l'ordre du micromtre En 1915, durant la premire guerre mondiale, Paul LANGEVIN met au point la dtection des sous-marins au moyen des ultrasons, ouvrant ainsi un champ d'applications ces vibrations non audibles...

Utilisation diverses cholocation chez les animaux et application au sonar. Rpulsion des nuisibles. Echographie et thrapies ultrasoniques (thermothrapie et sonication pour le thme SANTE). Tlmtrie et nettoyage par sonication. La sonication est l'utilisation d'ultra-sons pour rompre les membranes des cellules, pour nettoyer ou dsinfecter du matriel. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 2)

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Physique Chimie

Thme : La Sant PROPAGATION DES ONDES ULTRASONORES

Objectifs :En prenant pour exemple les ultrasons, identifier le caractre priodique dun signal sur une dure donne. Dterminer les caractristiques dun signal priodique. Visualiser sur un oscilloscope les signaux lectriques images des ultrasons mis et reu par une sonde. Mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans lair, notion de retard.

L'ultrason est un son, c'est--dire une onde mcanique et lastique, qui se propage dans les gaz, les liquides, les tissus mous tels la chair et les organes, ainsi que dans les solides et dont la frquence est suprieure 20 000 Hz. Le nom vient du fait que leur frquence est trop leve pour tre audible pour l'oreille humaine : le son est trop aigu. De la mme faon que les infrasons dsignent les sons dont la frquence est trop faible pour tre perceptible par l'oreille humaine. Les premires tudes sur les ultrasons n'taient pas appliques la mdecine, mais visaient permettre la dtection des sous-marins l'occasion de la Premire Guerre mondiale. En 1951, deux britanniques, le mdecin J.J. WILD et llectronicien J. REID, prsentrent la communaut mdicale un nouvel appareil : l'chographe. Il tait destin la recherche des tumeurs crbrales mais fera carrire dans l'obsttrique. L'usage en obsttrique date du dbut des annes 1970 avec les appareils permettant de capter les bruits du cur ftal.Sources : Wikipdia

Source: lmc.ac-grenoble.fr

Source: sousmarin.chez.com/sonar.htm

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ACTIVIT 1 : Rception des ultrasons et visualisation du signal correspondant.1. Le montage : Placer sur le rail dtude, un metteur (E) et un rcepteur (R1) dultrasons face face une vingtaine de centimtres lun de lautre. Brancher lmetteur aux bornes dun gnrateur basse frquence - GBF - dlivrant une tension sinusodale rgle son amplitude maximale et de frquence denviron 30 kHz. Relier le GBF la voie 1 dun oscilloscope. Relier le rcepteur la voie 2 de loscilloscope de loscilloscope rgl comme suit : - sensibilit horizontale 10 s, - sensibilit verticale : 500 mV en voie 1 et 200mV en voie 2. - Pour tout le T.P., sur la voie 1, la trace sera reprsente en jaune ; sur la voie 2, la trace sera reprsente en bleue 2. Les observations : Les deux voies tant en service, quobserve-t-on sur chacune delles ? Sur lentre relie lmetteur, on observe une sinusode qui correspond la tension du GBF. On nobserve quasiment rien sur la seconde entre relie au rcepteur. Que peut-on observer concernant le signal mis par le GBF ? Comment appelle-t-on un tel signal ? On constate que le signal mis par le GBF se reproduit rgulirement et identiquement lui-mme : il est dit priodique Augmenter progressivement la frquence du GBF pour atteindre 50kHz. Observer le signal rcepteur lorsque la frquence varie. Conclure concernant limportance de lamplitude du signal reu. Lamplitude du signal rcepteur passe par un maximum pour une frquence proche de 40 kHz. Lefficacit du dispositif est limite en frquence. Reprsentez dans les cadres ci-dessous les oscillogrammes observs A 30kHz Autour de 40kHz A 46kHz

Conclusion Lamplitude du signal rcepteur passe par un maximum pour une frquence proche de 40 kHz. Lefficacit du dispositif est limite en frquence. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 4)


Revenir la valeur de frquence qui donne lamplitude maximale du signal rcepteur. Combien de priodes entires du signal metteur sont visibles sur lcran dans ces conditions de rglage ? On peut voir 4 priodes. Comparer les priodes des deux signaux metteur et rcepteur. La sensibilit horizontale tant la mme pour les deux voies de loscilloscope, et la distance horizontale entre deux maxima (crtes) tant la mme (2,5div) pour les deux courbes, on peut affirmer que les deux signaux ont mme priode T.

ACTIVIT 2 : Mesure des grandeurs caractristiques de signaux priodiques.On travaillera sur loscillogramme autour de 40 kHz Mesurer avec le plus de prcision possible la valeur de la priode Tr du signal rcepteur. Pour 4 priodes, on dnombre 10 divisions ce qui correspond un temps = 10 10 s = 100 s, compte tenu de la sensibilit horizontale. Une priode Tr vaut donc : Tr = 100/4 = 25s environ, soit 25.10-6 s. Calculer la valeur de la frquence f du signal rcepteur et conclure. f = 1/T soit f = 1/(25 10-6) = 40 000 Hz = 40 kHz. Les ondes sonores parvenant au rcepteur correspondent celles mise par le rcepteur. Mesurer les amplitudes des 2 signaux metteur et rcepteur, conclure. Pour le signal mis, Umax mis correspond 3 divisions soit Umax mis = 1 500 mV = 1,5 V, compte tenu de la sensibilit verticale de la voie 1. Pour le signal reu, Umax reu correspond 1 division soit Umax reu = 200 mV = 0,2 V compte tenu de la sensibilit verticale de la voie 2. Lamplitude du signal reu est plus faible que celle du signal mis, cela est d aux pertes au cours de la propagation. Sans toucher au GBF, rgler la sensibilit horizontale de loscilloscope 5s, comment les signaux changent-ils ? Recalculer la priode de ces signaux. La largeur dun motif du signal augmente. En calculant la priode, comme fait prcdemment, on retrouve T = 25s ! Les rglages de loscilloscope ne font pas varier les caractristiques du signal : loscilloscope est un instrument de mesure et seul le GBF permet de rgler le signal. Choisir sur le GBF un signal triangulaire. Observer loscillogramme et conclure sur le rle du GBF. Cest bien le GBF qui permet le rglage du signal.

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ACTIVIT 3 : Estimation de la vitesse de propagation des ultrasons dans lair.1. Notion de retard, dure de propagation : 1.1 Les rglages et le montage Rgler loscilloscope comme suit : Sensibilit horizontale 10s, Sensibilit verticale voie 1 : 500mV, Sensibilit verticale voie 2 : 200mV. Placer un second rcepteur (R2) sur le rail une vingtaine de centimtres derrire le premier : on a alors distance R1-R2 = 20cm. Brancher R1 sur la premire voie de loscilloscope en remplacement du GBF et R2 sur la seconde voie de loscilloscope.

1.2 Les observations Reprsentez loscillogramme avec la distance R1-R2 = 20cm, le GBF alimentant lmetteur la frquence f = 40 kHZ : R1-R2 20 cm

Quobserve-t-on sur lcran ? On observe deux sinusodes de mme frquence mais dcales horizontalement : le maximum de lune est en retard sur le maximum de lautre. Ces sinusodes sont les signaux lectriques images des ultrasons reus par R1 et par R2. quoi est d le dcalage, c'est--dire le retard, entre les deux courbes ? Le retard correspond la dure de temps t ncessaire pour que les ultrasons se propagent de R1 R2, sur la distance R1-R2. Augmenter la distance R1-R2 environ 40cm, reprsenter loscillogramme et indiquer le changement observ. R1-R2 40 cm

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Le retard augmente . Le montage montre que cest la courbe bleue visualisant le signal reu par R2 qui est en retard sur celle (en jaune) visualisant le signal reu par R1

2. Vitesse de propagation dans lair : 2.1 Le montage Alimenter maintenant lmetteur (E) par le GBF travers le gnrateur de salves GENEPULSE, les rcepteurs restant connects comme prcdemment aux voies 1 et 2 de loscilloscope. Rgler la sensibilit horizontale de loscilloscope 1ms.

2.2 Les observations Que constate-t-on pour les salves dultrasons reues par R1 sur la voie 1 et par R2 sur la voie 2. Elles sont dcales dans le temps, R2 reoit les ultrasons aprs un retard t qui correspond la propagation des ondes sur la distance R1R2. En reproduisant les oscillogrammes, vrifier que le retard augmente avec la distance R1R2. Pour cela, il suffit dloigner R2 de R1, et dobserver que les salves scartent elles aussi. R1R2 10 cm R1R2 30 cm R1R2 50 cm

Aprs avoir rappel lexpression de la vitesse de propagation de londe en fonction de la distance d parcourue et de la dure t de ce parcours, proposer un protocole exprimental pour dterminer la valeur de la vitesse de propagation des ultrasons dans lair.

. Pour une distance R1-R2 connue exactement, mesurer sur loscillogramme la dure de propagation t correspondante. En utilisant lexpression ci-dessus, on peut calculer la vitesse. Loscillogramme pour d(R1-R2) ayant t reproduit ci-dessous, calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans lair.

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d (R1-R2) = 40 cm = 40.10-2 m

t = 1,2 1,000 ms = 1,2.10-3 sA.N. :

v=

= 3,3.102 m.s-1

On remarquera que les ultrasons se propagent dans lair la mme vitesse que les sons audibles

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EXERCICE DAPPLICATION : On utilise un signal lectrique dont loscillogramme (1) est donn ci-dessous pour alimenter un metteur ultrasonore.

(1)

1. En observant le bandeau du bas de lcran de loscilloscope, indiquer les sensibilits utilises sur loscilloscope. Sensibilit verticale : 3,00 V par division Sensibilit horizontale : 10,00 s par division 2. Reprer une priode du signal ? Calculer cette priode T. En dduire sa frquence f. T est reprsente par 3,3 divisions donc T = 3,310.10-6 = 3,3.10-5 s. f = 1/T donc f = 1/(3,3.10-5) = 3,0.104 Hz 3. Calculer la valeur maximale de ce signal. Ce signal a une amplitude correspondant 3,5 divisions, on en dduit donc que Umax = 3,5 3,00 = 10,5 V

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4. Deux rcepteurs ultrasonores sont placs dans leau, lun derrire lautre, spars par une distance d = 3,6 m. Le rcepteur R1 est plus proche de la source que le rcepteur R2 et lensemble metteur - rcepteur R1 - rcepteur R2 est align. Les rcepteurs reoivent le signal ultrasonore mis en salves par lmetteur. On obtient loscillogramme (2).

(2)

a. Quelle est la courbe correspondant au signal reu par le rcepteur le plus proche de lmetteur ? Justifier. La courbe reue sur la voie 1 correspond au rcepteur le plus proche, en effet ce rcepteur tant plus proche de la source, il reoit le signal en avance par rapport au second rcepteur. b. Avec quel retard t le second rcepteur reoit-il le mme signal ? On peut mesurer un retard correspondant 2,3 divinisions, qui donne le temps t = 2,3 ms = 2,3.10-3 s, compte tenu de la sensibilit horizontale. c. quoi correspond le dcalage mesur t entre les signaux reus par les deux rcepteurs ? Il correspond la dure de propagation entre les deux rcepteurs, la vitesse v. d. Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans leau. La comparer la vitesse de propagation dans lair. v = d/t, ce qui donne v = 3,6/(2,3.10-3) = 1,6.103 m.s-1 Les ultrasons, comme le son qui se dplace la mme vitesse, se propagent bien plus vite dans leau que dans lair.

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