Prsentation PowerPoint

1
  Bases physiques des ultrasons (BPU)            
  Dr E. Garin MCU-PH, Service de médecine
nucléaire Centre Eugène Marquis
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Plan du cours BPU

• Généralités sur les phénomènes périodiques
• Ondes sonores
• Notion de diffraction
• Propagation dun son/Notion de réflexion et
  réfraction
• Notion dabsorption
• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

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Introduction
Quest-ce quun son - Phénomène physique
vibration dun milieu matériel se propageant de
proche en proche onde mouvement
vibratoire (en 1 point) mouvement
longitudinal (de propagation) - Phénomène
subjectif sensation quen donne loreille Les
sons sont classés en fonction de la vitesse de
propagation des vibrations dans le milieu et de
la détection possible par loreille -
infra-sons, inaudibles, vitesse de propagation
lente - sons audibles, vitesse de propagation
intermédiaire - ultrasons, inaudibles, vitesse
de propagation rapide Le son est un phénomène
périodique
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Exemple dune pierre lancée dans leau
 
t
5
Introduction
Quest-ce quun son - Phénomène physique
vibration dun milieu matériel se propageant de
proche en proche onde mouvement vibratoire
(en 1 point) mouvement longitudinal (de
propagation) - Phénomène subjectif sensation
quen donne loreille Les sons sont classés en
fonction de la vitesse de propagation des
vibrations dans le milieu et de la détection
possible par loreille - infra-sons,
inaudibles, vitesse de propagation lente - sons
audibles, vitesse de propagation intermédiaire -
ultrasons, inaudibles, vitesse de propagation
rapide Le son est un phénomène périodique
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Plan du cour

• Généralités sur les phénomènes périodiques
• Ondes sonores
• Notion de diffraction
• Propagation dun son/Notion de réflexion et
  réfraction
• Notion dabsorption
• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

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Généralités sur les phénomènes périodiques

• 1.1. Définitions
• 1) Période
• 2) Fréquence
• 3) Elongation
• 4) Amplitude
• 5) Vitesse du mouvement vibratoire
• 6) Vitesse de propagation
• 1. 2. Phénomènes sinusoïdaux

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1.1. Définitions
1. Généralités sur les phénomènes
périodiques 1.1. Définitions
Un phénomène périodique est un phénomène qui se
reproduit dans le temps en restant identique à
lui même. Il est caractérisé par différents
paramètres La période T (en s) Cest le temps
au bout duquel le phénomène se reproduit La
fréquence n Cest le nombre de période T par
unité de temps On a n 1/T unité
hertz, (Hz), s-1
9
1. Généralités sur les phénomènes
périodiques 1.1. Définitions
Lélongation u  Elle correspond au mouvement
 u  dune particule en un point donné x du
milieu Lamplitude A Cest la valeur maximale
de lélongation On a u (x,t) Af(t) La
vitesse et laccélération du mouvement vibratoire
Ce sont la vitesse  v  et laccélération
 g  du déplacement dun point du milieu lors du
mouvement vibratoire On a v du/dt
Af(t) g dv/dt d2u/dt2 La vitesse de
propagation ou célérité c Cest la vitesse de
déplacement de londe dans le milieu
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1.2. Phénomènes sinusoïdaux
1. Généralités sur les phénomènes périodiques
1.2. Phénomènes sinusoïdaux

• Ce sont les phénomènes vibratoires les plus
  simples et les plus fréquents
• Ils répondent à léquation suivante
• U (x, t) A sin (w t), avec u
  élongation
• A amplitude
• w pulsation du mouvement,
  exprimée en radien s-1
• La période de la fonction sinus est 2p, la
  période T du mouvement sinusoïdal est telle que
• wT 2p dou w 2p/T 2pn

11
1. Généralités sur les phénomènes périodiques
1.2. Phénomènes sinusoïdaux
Représentation graphique de la fonction
sinusoïdale
T/2
A
- A
T/4
T
Etat vibratoire en un point x en fonction du temps
12

• La vitesse v du mouvement vibratoire sinusoïdal
  peut se calculer
• v du/dt et u A sinwt
• v d(A sin (wt))/dt comme (sin t) cos t,
  et (sin wt) w cos wt Par ailleurs,
  cos t sin (tp/2)
• v Aw cos wt Awsin (wt p/2)
• Comme wT2p, pwT/2 donc v Aw sin w(t
  T/4)
• Laccélération g du mouvement vibratoire
  sinusoïdal peut se calculer
• g dv/dt
• g d (Aw cos wt)/dt, comme (cos t) - sin
  t
• - Aw2 sin wt - w2 u
• Comme sin (t p) - sin t
• g Aw2 sin (wt p) donc g Aw2
  sin w (t T/2)

1. Généralités sur les phénomènes périodiques
1.2. Phénomènes sinusoïdaux
13
1. Généralités sur les phénomènes périodiques
1.2. Phénomènes sinusoïdaux
Notion de phase et de déphasage Le mouvement u
A sin wt passe par la valeur 0 au temps t 0
par choix arbitraire de lorigine des temps Si
un deuxième mouvement u parfaitement identique
au premier est généré avec un décalage dans le
temps j, alors ce mouvement sécrit U A sin
(wt j) Si j est positif on parle davance de
phase Si j est négatif on parle de retard de
phase Si j 0 ou k2p les mouvements sont en
phase ou synchrones Si j p ou (2k 1) p les
mouvements sont en opposition de phase Si j
p/2 ou (2k 1) p/2 les mouvements sont en
quadrature
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1. Généralité sur les phénomènes périodiques
1.2. Phénomènes sinusoïdaux
Valeur moyenne de lélongation U U 1/T
0T A sin wt dt Comme la primitive de sin wt
- ( coswt)/w U A/wT - cos wt0T A/wT - cos
wT cos 0, Sur une période U 0 Sur
une demie période U 1/T /2 0T/2 A sin
wt dt 2A/wT - cos wt0T/2 U 2A/wT - cos
wT/2 cos 0, comme wT 2p U 2A/p
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Plan du cours BPU

• Généralités sur les phénomènes périodiques
• Ondes sonores
• Notion de diffraction
• Propagation dun son/Notion de réflexion et
  réfraction
• Notion dabsorption
• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

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2. Les ondes sonores
2. 1. Généralités 2. 2. Célérité du son 2. 3.
Longueur donde 2. 4. Pression acoustique 2. 5.
Flux dénergie et de puissance 2. 6. Densité
dénergie et de puissance 2. 7. Notion de
décibels absolus et relatifs
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2. Les ondes sonores 1. Généralités
2. 1. Généralités Londe sonore correspond au
mouvement (ébranlement) des particules,
constituant le milieu de propagation, dans la
direction de propagation de londe Cest une
onde longitudinale le mouvement des particules
est parallèle à la direction de propagation de
londe En labsence dobstacle, lébranlement se
propage en ligne droite
La propagation dun son saccompagne dune
ondulation des particules du milieu traversé
autour dun plan déquilibre
18
2. Les ondes sonores 1. Généralités
En labsence dobstacle, lébranlement se propage
en ligne droite La direction de propagation est
le rayon sonore Les rayons issus dune même
source forment un faisceau sonore qui peut être
- parallèle - divergent Les points
présentant le même état vibratoire (cest-à-dire
atteints par londe au même instant) sont sur des
surfaces appelées surfaces dondes, elles sont
- perpendiculaires au rayon sonore - planes
en cas de faisceau parallèle - sphériques en cas
de faisceau divergent
S
S
19
2. Les ondes sonores 1. Généralités
Pour un son pur, le mouvement est
sinusoïdal gt u A sin wt ou u A sin
2pnt Pour un son complexe le mouvement est soit
périodique et non sinusoïdal soit non périodique
(bruit) Théorème de Fourier Toute fonction
périodique peut être représentée sous la forme
dune somme de fonction sinusoïdales de
fréquences multiples dune fréquence n dite
 fréquence fondamentale  gt u A1 sin (2pnt
j1) A2 sin (2p2nt j2 ) A3 sin (2p3nt j3 )
.
20
2. Les ondes sonores 2. Célérité du
son
2. 2. Célérité du son La propagation du son nest
pas instantanée la vibration partie de la
source  S  atteint un point  x  au temps
 t . Le rapport  d/t  défini la célérité
 c  de lébranlement . . S d x
C dépend du milieu dans lequel se propage
lébranlement sonore C raideur/ r Avec
raideur grandeur physique caractérisant la
force de rappel exercée par le milieu pour
ramener à sa position déquilibre tout élément
ayant été déplacé, r masse volumique C 344
ms-1, dans lair sous 1ATM à 20c C 1430 ms-1,
dans leau à 17c C 5000 ms-1, dans laluminium
à 20c
21
2. Les ondes sonores 3. Longueur
donde
2. 3. Longueur donde Cest la distance parcourue
par londe en une période l cT, en m La
longueur donde est fonction du milieu dans
lequel se propage londe sonore Tous les points
séparés les uns des autres par une distance
multiple de l sont en phase
22
2. Les ondes sonores 4. Pression
acoustique
2. 4. Pression acoustique Les particules situées
entre A et B ont un déplacement (elles
séloignent de la source), entre B et C un
mouvement (elles se rapprochent de la
source). Il y a donc une accumulation de
particules et surpression en B et raréfaction en
particules et dépression en A et C. Ces
variations de pression constituent la pression
acoustique  p 
Onde de déplacement longitudinal
Etat vibratoire à un temps t, en fonction de x
x
A
B
C
D
Mouvement des particules
x
x
Quantité de particules
p
23
2. Les ondes sonores 4. Pression
acoustique
En chaque point, P Patm p et pltlt
Patm
24
2. Les ondes sonores 4. Pression
acoustique
En cas de propagation libre sans obstacle la
pression acoustique  p  est définie par p
v r c avec p en P v
vitesse r masse volumique c
célérité Pour des sons très intenses p peut
entraîner une cavitation La pression acoustique
est en avance de T/4 sur le déplacement des
particules P varie de 20.10-5 à 20 Pa
25
2. Les ondes sonores 5. Flux dénergie et de
puissance
2. 5. Flux dénergie et de puissance Puisque
les particules de lespace sont mises en
mouvement elles reçoivent de lénergie. La
surface S1 coupant le faisceau sonore reçoit une
énergie appelée flux dénergie. Si on considère
la quantité dénergie reçue par unité de temps on
parle de flux de puissance. En labsence
dabsorption par le milieu traversé, toute
lénergie transmise par S reste dans le faisceau
et S2 reçoit un flux d énergie identique à S1,
le flux est dit conservatif.
S1
S2
S
26
2. Les ondes sonores 6. Densité dénergie et
de puissance
2. 6. Densité dénergie et de puissance La
densité dénergie est la quantité dénergie reçue
par unité de surface. La densité de puissance est
la quantité de puissance reçue par unité de
surface. En acoustique, la densité de puissance
sappelle puissance surfacique, en
Wcm-2 Lénergie est répartie sur lensemble du
front donde - Si londe est plane (faisceau
parallèle) la densité dénergie par unité de
surface est constante sur le trajet du faisceau
sonore. - Si londe est sphérique (faisceau
divergent) la densité de puissance se répartie
sur une calotte sphérique, elle varie avec
linverse du carré de la distance le long du
trajet de londe W2/W1 d12/d22
2
1
S
d1
d2
27
2. Les ondes sonores 6. Densité dénergie et
de puissance
On montre que lénergie acoustique w v p cos
j Avec j déphasage entre v et p introduit par
un obstacle En labsence dobstacle w
v p
28
2. Les ondes sonores 7. Notion de
décibels absolus et relatifs
7. Notion de décibels absolus et relatifs Le
domaine de variation des puissances surfaciques
pour les sons audibles peut varier de 1 à 1012
environ Pour comparer entre eux deux sons on se
sert dune échelle logarithmique Pour mesurer
lintensité (ou puissance surfacique) dun son en
dB absolus on prend comme référence la puissance
surfacique w0 correspondant au seuil de
laudition à 1000Hz W0 10-12 Wm-2 10-16
Wcm-2 Lintensité I dun son est alors I Bel
log10 w/w0 I dB 10 log10 w/w0
29
2. Les ondes sonores 7. Notion de
décibels absolus et relatifs
Applications numériques 1) Un son de 3 dB a
quelle puissance surfacique? 3dB 10 log10
w/w0 log10 w/w0 0.3 gt w/w0 10 0.3 2 w 2
w0 2 10-12 Wm-2
30
2. Les ondes sonores 7. Notion de
décibels absolus et relatifs
2) Un engin sonore émet un son de 20 dB, quelle
est en dB lintensité du son émis par 10
engins? I1 10 log10 w1/w0 20 Pour un engin
la puissance surfacique est w1, pour 10 engins
identiques la puissance surfacique totale est
10w1 I10 10 log10 10w1/w0 (log (A . B) logA
log B) I10 10 log10 10 10 log10 w1/w0 I10
10 20 30dB
31
2. Les ondes sonores 7. Notion de
décibels absolus et relatifs
Si on calcul lintensité en dB dun son à partir
de sa pression acoustique  p  on a w/w0
(p2/rc ). (rc/p02) car w vp, p vrc et v
p/rc w/w0 (p/p0)2 log10 w/w0 2 log10 p/p0
Donc IdB 20 log10 p/p0 et p0 2 10-5
Pa On a ainsi défini les dB absolus donnant
lintensité dun son par rapport à une référence
universelle w0 ou p0
32
2. Les ondes sonores 7. Notion de
décibels absolus et relatifs
On peut aussi calculer lintensité relative dun
son 2 par rapport à un son 1 (on prend le son 1
comme référence) I2/1 10 log10 w2/w1 I2/1
10 log10 (w2/w0 . w0 /w1) I2/1 10 (log10 w2/w0
- log10 w1/w0) I2/1 I2 dB I1
dB Lintensité relative de 2 sons la
différence de leurs intensités absolues Ex un
son de 25 dB absolus est de 10dB supérieur à un
son de 15 dB Quelques valeurs pour se repérer
0 dB limite daudibilité 20 dB
chuchotement 50 à 60 dB conversation
normale 80 dB rue bruyante 130 à 140 dB
réacteur davion
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• Généralités sur les phénomènes périodiques
• Ondes sonores
• Notion de diffraction
• Propagation dun son/Notion de réflexion et
  réfraction
• Notion dabsorption
• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

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3. Notion de diffraction
En labsence dobstacle le son se propage en
ligne droite. Lexpérience montre quun son peut
contourner un obstacle (on entend les sons émis
derrière un mur) cest la diffraction
La diffraction est due au fait que chaque
particule vibrante se comporte comme une source
sonore
Faisceau direct
Faisceau diffracté
Zone dombre acoustique
Source mur
35
3. Notion de diffraction
Limportance de la diffraction pour un son est
fonction de sa longueur donde l et de la taille
de lobjet diffractant, - si taille ltlt l la
diffraction est très importante et lobstacle ne
fait pas dombre acoustique (grillage) - si
taille gtgt l, la diffraction est négligeable
ombre acoustique importante Dans lair
Les sons plus aigus (n grande, l petite)
sont moins diffracté par un mur donc moins
audibles de lautre coté du mur
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• Ondes sonores
• Notion de diffraction
• Propagation dun son/Notion de réflexion et
  réfraction
• Notion dabsorption
• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

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4. Propagation dun son/Notion de réflexion et
réfraction 4. 1. Propagation dun
son/impédance 4. 2. Réflexion/transmission
38
4. Propagation 1. Impédance
4. 1. Impédance La notion dimpédance traduit la
proportionnalité entre une fonction dexcitation
et leffet quelle produit. Dans le cas de la
propagation dune onde dans un milieu elle
représente laptitude du milieu à transmettre
lénergie transportée par londe. Z
raideur . r , et comme c raideur/r,
Z rc , en kgm-2 s-1 ou rayls On
remarque que Z est indépendante de la fréquence
n Z fait référence à une  résistance  du milieu
matériel à la propagation des ondes sonores.
Plus Z est élevée et plus la variation de
pression acoustique p doit être grande pour
obtenir un déplacement équivalent des particules.
39
4. Propagation 2. Réflexion/réfraction

4. 2. Réfraction/Réflexion Lorsquune onde sonore
provenant dun milieu matériel M1 traverse une
interface séparant ce milieu matériel M1 dun
deuxième milieu matériel M2, on observe quune
partie de londe sonore est réfléchie vers le
milieu M1 et quune autre partie est transmise au
milieu M2 avec un angle différent, le faisceau
transmis est appelé faisceau réfracté
40
4. Propagation 2. Réflexion/Réfraction

qi
qr
Célérité c1
qt
Célérité c2
Il existe une relation entre les angles des
différents faisceaux (relations de Snell,
identiques aux loi de Descartes en optique) qi
qr et sin qi /c1 sin qt /c2 Si qi et qt sont
petit (lt10), sin q qi et on a alors qi . c2
qt . c1
41
4. Propagation 2. Réflexion/Réfraction

Lénergie du faisceau incident se divise entre le
faisceau réfléchi et le faisceau transmis. Le
rapport entre lénergie réfléchie et lénergie
incidente sappelle le coefficient de réflexion
R R dépend de langle dincidence, si qi est
proche de 90 (faisceau incident tangentiel à
linterface) alors R est maximum (tout le
faisceau est réfléchi, il ny a pas de
transmission) Pour une incidence normale
(perpendiculaire à linterface) On a R
(Z2-Z1) / (Z1Z2)2 Remarque - cest cette
propriété de réflexion des ultrasons qui est
exploitée en imagerie avec léchographie - Si
Z1 et Z2 sont proches le faisceau est
principalement transmis - Si Z1 et Z2 sont très
différents le faisceau est principalement
réfléchi
42
4. Propagation 2. Réflexion/Réfraction

-Si Z1 et Z2 sont proches le faisceau est
principalement transmis - Si Z1 et Z2 sont très
différents le faisceau est principalement
réfléchi On peut imaginer des adaptateur
dimpédance permettant au son de passer dun
milieu à un autre milieu dimpédance très
différente ex oreille moyenne
Le rapport entre lénergie transmise et lénergie
incidente sappelle le coefficient de
transmission T On a T 4 Z1Z2 / (Z1
Z2)2 Par ailleurs, R T 1 Remarques ces
deux formules donnant R et T sont symétriques,
elles caractérisent linterface quel que soit le
sens de propagation de londe
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• Ondes sonores
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• Propagation dun son/Notion de réflexion et
  réfraction
• Notion dabsorption
• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

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5. Notion dabsorption

• En réalité le milieu de propagation absorbe une
  certaine quantité dénergie par 3 mécanismes
• - viscosité frottement des molécules les unes
  contre les autres
• - dissipation thermique (cession de chaleur aux
  particules voisines)
• - diffusion sur des sphères petites par rapport
  à l (absorption de londe qui est diffusée dans
  toutes les directions)
• On définie la loi datténuation
• E E0 e-ax
• Avec E énergie à la profondeur x
• E0 énergie initiale du faisceau
• a coefficient datténuation par absorption ou
  pouvoir de pénétration, m-1
• caractérise la capacité du milieu à absorber
  lénergie du faisceau, il est proportionnel au
  carré de la fréquence n, dépend du milieu, et de
  la célérité
• h (2pn)2 / 2rc3 avec h viscosité (Pa s), n
  fréquence (Hz), r masses volumique (kg m-3)
• ? labsorption est dautant plus grande que la
  fréquence est élevée (sons aigus)

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  réfraction
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• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

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6. Effet Doppler-Fizeau
Définition il sagit dune modification de
fréquence lorsque la source et/ou le récepteur
sont en mouvement Soit une source S immobile
émettant un son pur de fréquence n. Un
observateur immobile reçoit ce son à la fréquence
n. Si la source est mobile par rapport à un
observateur fixe, ou que lobservateur est mobile
par rapport à la source, la fréquence reçue par
lobservateur n, est différente de la fréquence
n émise par la source Ex de lobservateur sur
un circuit de F1 A vitesse constante la F1 émet
un son constant de fréquence n constante
Lobservateur perçoit un son aigu quand la
voiture se rapproche et un son grave quand la
voiture est passée devant lui et quelle séloigne
47
6. Effet Doppler-Fizeau
Influence du mouvement de la source dans une cuve
à ondes
48
6. Effet Doppler-Fizeau c

• 1er cas source mobile/observateur immobile
• Par convention v est positive de S vers O
• La fréquence observée n est reliée à la
  fréquence démission n par la formule
• n n ( c / (c-v))
• Si v est lt0 (source qui séloigne) n lt n
• Si v est gt0 (source qui se rapproche) n gt n

v
S d O
49
6. Effet Doppler-Fizeau
2ème cas source immobile/observateur mobile
v
S d o

• Par convention v est négative si lobservateur
  se rapproche de la source
• La fréquence observée n est reliée à la
  fréquence démission n par la formule
• n n ( c v)/c
• Si v est lt0 (observateur qui se rapproche) n gt
  n
• Si v est gt0 (observateur qui séloigne) n lt n

50
6. Effet Doppler-Fizeau
3ème cas de figure la source et lobservateur
sont mobiles n n ( c v)/(c v) Quand
ils se rapprochent n gt n Quand ils séloignent
n lt n Cet effet Doppler-Fizeau est utilisé en
médecine pour mesurer les vitesses découlement
du sang
51
6. Effet Doppler-Fizeau
A N deux voitures roulent dans le même sens
lune à 72km/h, lautre à 108km/h, Avant de
doubler la plus rapide klaxonne (n
300Hz). Calculer la fréquence perçue par les
passagers de la voiture qui se fait
doubler. Source voiture roulant à 108km/h gt v
30m/s Observateurs mobiles à 72km/h gt v 20
m/s Avant le dépassement La source se
rapproche de lobservateur gt v gt0 Lobservateur
séloigne de la source gt v gt0 n n(
c-v)/(c-v) 300 (340-20)/(340-30) 309.6
Hz Au moment du dépassement nn Après le
dépassement La source séloigne gt v lt0, et
lobservateur se rapproche gt vlt0 n n(
c-v)/(c-v) 300 (34020)/(34030) 291.9 Hz
52
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  réfraction
• Notion dabsorption
• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

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7. Applications médicales des ultrasons 7. 1.
Définition 7. 2. Rappels physiques sur les
ultrasons 7. 3. Production des ultrasons 7. 4.
Effets biologiques des ultrasons 7. 5.
Applications diagnostiques 7. 6. Applications
thérapeutiques
54
7. Applications médicales des ultrasons 1.
Définition
7. 1. Définition Les ultrasons sont des ondes
sonores longitudinales de haute fréquence A
lexception de leurs fréquences élevées, ils ne
diffèrent en rien, dun point de vue physique,
avec les ondes acoustiques de fréquences
audibles Remarque les fréquences
utilisées en médecine sont comprises entre 1 et
30 MHz
55
7. Applications médicales des ultrasons
2. Rappels physiques sur les ultrasons

7 .2 . Rappels physiques sur les
ultrasons Rappeler les principales définitions et
lois utiles pour la compréhension de
lutilisation des ultrasons dans le domaine
médical Fréquence n 1/T, en Hz Célérité
c raideur/r en m s-1 Longueur donde l
cT c/n, en m Pression acoustique p
vrc, en Pa Puissance surfacique w vp
p2/rc en Wm-2 Impédance Z rc, en en
kgm-2 s-1 ou rayls
56
7. Applications médicales des ultrasons
2. Rappels physiques sur les ultrasons

qi
qr
qt
Réflexion/réfraction Relation entre les
angles qi qr et (sin qi )/c1 (sin qt
)/c2 Coefficient de réflexion R (Z2-Z1) /
(Z1Z2)2 Coefficient de transmission T 4
Z1Z2 / (Z1 Z2)2
57
7. Applications médicales des ultrasons
3. Production des ultrasons

7. 3. Production des ultrasons Utilisation de
leffet piézo-électrique Si on taille dans un
quartz une lamelle et que lon recouvre ses faces
par une électrode avec différence de potentiel
alternative, on constate que la lamelle subit une
contraction et une dilatation synchrone de la
variation électrique engendrant des ultrasons
selon la fréquence électrique Cet effet est
réversible si on comprime le quartz, il
apparaît une différence de potentiel Le même
élément peut ainsi être à la fois émetteur et
récepteur
58
7. Applications médicales des ultrasons 4.
Effets biologiques des ultrasons
7.4. Effets biologiques des ultrasons Mécanismes
physiques des effets biologiques des
ultrasons Effets thermiques Une certaine
quantité dénergie du faisceau ultrasonore est
absorbée par le milieu et transformée en
chaleur. Lélévation thermique est
proportionnelle à lintensité (puissance
surfacique) du faisceau et à la durée
dexposition Effets mécaniques Micro-courant
les modifications de pression du milieu peuvent
entraîner lapparition de courants de fluides
Cavitation apparition de bulles formées à
partir de gaz dissous ou de vapeur sous leffet
des variations de pressions dues à londe
ultrason. La cavitation survient pour des valeurs
élevées dintensité. A des niveaux dintensité
très élevés des ultrasons la cavitation peut être
responsable dune dissociation de leau avec
production de radicaux libres H et OH
(effondrement des bulles et hyperthermie)
59
7. Applications médicales des ultrasons 4.
Effets biologiques des ultrasons
Ces effets biologiques surviennent pour des
intensités très supérieures à celles utilisées
dans le domaine diagnostique Ils peuvent se
produire pour des intensités gt 1 Wcm-2 Les
appareils utilisés en diagnostique ont des
intensités max de 0.01Wcm-2 à 2MHz Contrairement
aux radiations ionisantes, qui peuvent avoir des
effets biologiques même à faibles doses, les
ultrasons sont parfaitement inoffensifs en
dessous de 1 Wcm-2
60
7. Applications médicales des ultrasons
5. Applications diagnostiques
7. 5. Applications diagnostiques
échographie Cest lutilisation des propriétés
de réflexion/transmission des ultrasons par les
différents tissus de lorganisme Les différents
tissus présentent des célérités variables
61
7. Applications médicales des ultrasons
5. Applications diagnostiques
Les différents tissus présentent des impédances
différentes il y a donc des interfaces sur
lesquelles londe ultrasonore peut se
réfléchir Utilisation dune sonde constituée de
cristaux piézo-électriques permettant lémission
dune onde ultrasonore et le recueil des ondes
réfléchies
62
7. Applications médicales des ultrasons
5. Applications diagnostiques
Il est nécessaire davoir une réflexion pour
pouvoir enregistrer le signal (recueillir le
faisceau réfléchi) mais il est également
nécessaire davoir une transmission pour que le
faisceau incident puisse pénétrer en
profondeur On remarque que le coefficient de
réflexion eau/air est très élevé ? nécessité
déviter toute interposition dair entre la sonde
et le patient (utilisation de gel) ?
impossibilité dexplorer les organes creux,
poumons en particulier
63
7. Applications médicales des ultrasons
5. Applications diagnostiques
Foie, normal
Aorte abdominale
64
7. Applications médicales des ultrasons
5. Applications diagnostiques
Métastases hépatiques lésions hypoéchogènes
65
7. Applications médicales des ultrasons
5. Applications diagnostiques
Cône dombre/ renforcement postérieur Cône
dombre zone vide décho en arrière dune
structure très réfléchissante (ex
calcul) Renforcement postérieur renforcement
des échos en arrière dune zone peu
réfléchissante (liquide, kyste)
Lithiases vésiculaires multiples
66
7. Applications médicales des ultrasons
5. Applications diagnostiques
7. 5. Applications diagnostiques
doppler Leffet doppler est utilisé pour mesurer
la vitesse du sang Les globules rouges présents
dans le sang se déplacent et servent dinterface
pour réfléchir le faisceau ultrasonore. Il se
produit alors une modification de fréquence du
faisceau réfléchi nr n0 Dn La
différence de fréquence est positive si le sang
se rapproche de la source et négative sil
séloigne. Si le sang se déplace dans le même
axe que le faisceau, on a Dn 2 v . n0 /c
ou v vitesse de déplacement du sang
67
7. Applications médicales des ultrasons
5. Applications diagnostiques
Le plus souvent le sang se déplace dans un axe
différent du faisceau Dn 2 v . cos q .n0
/c où v vitesse de déplacement du sang
q angle formé entre le faisceau et

la direction découlement du sang
nr
n0
68
7. Applications médicales des ultrasons
6. Applications thérapeutiques
Lithotripsie extracorporelle But pulvérisation
de calculs par une onde ultrasonore sur une durée
de 30 à 60 mn
69
Plan du cours BPU

• Généralités sur les phénomènes périodiques
• Ondes sonores
• Notion de diffraction
• Propagation dun son/Notion de réflexion et
  réfraction
• Notion dabsorption
• Effet Doppler-Fizeau
• Applications médicales des ultrasons
• Son phénomène subjectif

70
8. Son phénomène subjectif
Le son, message physique objectif, est transformé
par le système auditif en un message sensoriel
subjectif. Cependant certains paramètres
permettent de caractériser ce message sensoriel
- la tonie - la sonie - le timbre
71
8. Son phénomène subjectif
La tonie La tonie correspond à la hauteur du
son, qualité physiologique faisant dire que le
son est grave ou aigu La tonie est
principalement liée à la fréquence n du son. Dn
est la variation minimale de fréquence, appelée
seuil liminaire, pour que les sons de fréquence n
et n Dn soient perçus comme variations de
hauteurs différentes On a observé que - Dn/
n, seuil différentiel relatif de fréquence, est
constant pour une gamme de fréquences allant de
500 à 7000Hz Cette loi Dn/ n constante
sappelle loi de Weber Dn/ n 0.2 à 0.3 en
fonction des individus (1, entraînement) -
chaque variation de hauteur H, correspondant à
une variation de fréquence liminaire, est
constante hypothèse de Fechner
72
8. Son phénomène subjectif
Lapplication de ces deux lois, appelée loi de
Weber-Fechner permet de définir la différence de
hauteur DH perçue entre deux sons de fréquence n1
et n2 Entre 500 et 7000Hz DH H2-H1 1000
log10(n2 / n1) , Et DH est exprimé en savart
(s)
Dn/ n
Variation du seuil différentiel relatif en
fonction de la fréquence
n
73
8. Son phénomène subjectif
La sonie La sonie est une qualité
physiologique faisant dire que le son est
fort Elle est principalement liée à lintensité I
de londe sonore DI est la variation minimale
dintensité, appelée seuil liminaire, pour que
les sons dintensité I et I DI soient perçus
comme de forces différentes On constate que
- La loi de Weber nest pas vérifiée pour la
sonie DI /I varie en fonction de
lintensité DI /I 10 pour des sons lt 20dB et
DI /I 1 pour Igt 100dB - Lhypothèse de
Fechner nest pas vérifiée chaque variation de
force, correspondant à une variation dintensité
liminaire, varie avec lintensité
74
8. Son phénomène subjectif
Lintensité dun son en dB ne représente pas
directement la sensation de force un son de
10dB est bien perçu à 1000Hz mais est inaudible à
125Hz Nécessité de définir une unité
physiologique dintensité le phone Par
convention Un son de X dB à 1000Hz a un
niveau de X phones Un son de X phones provoque,
quelle que soit sa fréquence, une sensation de
force (ou sonie) correspondant à celle dun son
de X dB à 1000Hz Quelle que soit le fréquence
dun son, le seuil absolu de laudition est de 0
phone et le seuil douloureux est de 120 phones
75
8. Son phénomène subjectif
Courbes isosoniques de Fechner et Munson
Le son A de 125 Hz et dintensité 50dB donne la
même impression de force que le son B de 1000Hz
et dintensité 40dB
76
8. Son phénomène subjectif
Le timbre Qualité dun son qui permet de
reconnaître deux sons de même hauteur et de même
sonie Ex deux sons identiques émis par des
instruments de musique différents ---------------
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