Physique des ultrasons

Physique de base du son et des ultrasons

Contrairement aux ondes lumineuses, qui peuvent se propager dans le vide, les ondes sonores ne peuvent se propager que dans un milieu physique. Ce milieu peut être constitué de n’importe quelle matière, par exemple l’air, l’eau, le métal ou les tissus et les fluides du corps humain. Les ondes sonores apparaissent lorsqu’une source sonore génère des vibrations mécaniques dans les particules du milieu. Ces vibrations continuent à se propager dans le milieu à la vitesse du son, formant ainsi une onde sonore.

La parole humaine en est un exemple familier. L’homme parle en mettant ses cordes vocales en mouvement. Lorsque les cordes vocales vibrent, elles génèrent des vibrations dans l’air environnant et ces vibrations se propagent sous la forme d’une onde sonore. Si les ondes sonores rencontrent un nouveau milieu, certaines ondes sonores seront réfléchies tandis que d’autres transféreront l’énergie mécanique (pression) au nouveau milieu, qui peut également commencer à vibrer (figure 1).

Bien que les ondes sonores se déplacent dans le temps et l’espace, les particules du milieu ne se déplacent pas avec l’onde sonore. Les particules vibrent simplement et transmettent les vibrations aux particules voisines du milieu.

Mathématiquement, les ondes sonores peuvent être décrites par une courbe sinusoïdale. Cette courbe est caractérisée par les variables suivantes : longueur d’onde, amplitude, fréquence, vitesse et direction. Les principes mathématiques sous-jacents sont simples et importants à comprendre. La figure 2 illustre la longueur d’onde et l’amplitude des courbes sinusoïdales.

Les pics et les creux de la courbe sinusoïdale correspondent respectivement à la pression maximale et à la pression minimale dans le milieu. Ce phénomène est illustré à la figure 3.

Longueur d’onde

La longueur d’onde est définie comme la distance entre deux points (le long de l’onde sonore) ayant la même amplitude (c’est-à-dire la même pression). Il est facile de mesurer la distance entre deux pics (maximum) ou deux creux (minimum). Cependant, la distance entre deux points quelconques peut être mesurée, à condition qu’il n’y ait pas de différence de pression entre eux. Dans la figure 2, la longueur d’onde est mesurée comme la distance entre deux pics.

La longueur d’onde des ondes sonores de la parole humaine est comprise entre 17 millimètres (mm) et 17 mètres (m). La longueur d’onde est indiquée dans l’unité m (mètres) et est désignée par la lettre λ (lambda).

Notez que le Système international d’unités est utilisé tout au long de cet ouvrage. Il comprend les unités de base que sont le mètre (longueur), le kilogramme (masse), la seconde (temps), l’ampère (courant électrique) et le kelvin (température). Ce système est recommandé dans le monde entier.

Amplitude

L’amplitude décrit la force des ondes sonores, qui correspond à la hauteur de la courbe sinusoïdale (figure 2). Une amplitude élevée équivaut à un son fort et vice versa. La figure 2 illustre deux ondes sonores d’amplitudes différentes. Il convient de noter que l’amplitude décrit en fait la différence de pression entre la densité de particules la plus élevée et la plus faible le long de l’onde sonore (figure 3). Un son fort se caractérise par de grandes différences de pression le long de l’onde sonore, tandis qu’un son faible présente de petites différences de pression le long de l’onde sonore. L’amplitude est exprimée en décibels (dB).

Fréquence

La fréquence est le nombre de cycles d’ondes par seconde. L’unité de fréquence, désignée par la lettre f, est le hertz (Hz). Dans la figure 2, les deux ondes sonores ont des amplitudes et des fréquences différentes. Si l’onde sonore de droite de la figure 2 était enregistrée pendant une seconde, sa fréquence serait de 5 Hz (puisque 5 cycles d’ondes sont observés en 1 seconde). Si une onde sonore a une fréquence de 1000 Hz, cela signifie que 1000 cycles d’ondes se succèdent chaque seconde.

Son audible et ultrasons

L’oreille humaine peut percevoir des ondes sonores dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz (20 000 Hz peut également être écrit 20 kHz). Les ondes sonores dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz (20 kHz) ne peuvent pas être perçues par l’oreille humaine et sont appelées ultrasons. Les ultrasons sont donc inaudibles pour l’oreille humaine.

Il convient de noter que la gamme des sons audibles varie considérablement d’un individu à l’autre. La grande majorité des êtres humains ne peuvent pas entendre les sons dont la fréquence est supérieure à 15 kHz. Les jeunes individus, cependant, peuvent entendre des fréquences très élevées (parfois >20 kHz), en particulier si l’amplitude est élevée.

Les ultrasons utilisés pour les diagnostics cliniques, par exemple l’échocardiographie, ont une fréquence comprise entre 2 et 10 millions de Hz (2-10 MHz), ce qui est bien au-delà du son audible pour l’homme.

La vitesse du son

La vitesse décrit la rapidité avec laquelle les ondes sonores se propagent dans le milieu. Cette vitesse dépend de la densité du milieu. Les ondes sonores se propagent plus rapidement dans les milieux à forte densité. Plus la densité est élevée, plus la vitesse est importante. La vitesse du son est d’environ 300 m/s dans l’air et de 1540 m/s dans le corps humain (qui est principalement constitué d’eau). La vitesse est désignée par la lettre c et est indiquée par l’unité m/s.

Direction des ondes sonores

La direction décrit simplement la direction des ondes sonores dans le milieu.

Equations mathématiques

Il existe une relation mathématique simple entre la vitesse (c), la longueur d’onde (λ) et la fréquence (f) :

c = f – λ

Selon cette formule, la vitesse de l’onde sonore est le produit de la fréquence et de la longueur d’onde. En utilisant cette formule, nous pouvons calculer la longueur d’onde (λ) pour les ultrasons d’une fréquence de 3 millions de Hz (3 MHz), qui sont utilisés dans les diagnostics par ultrasons :

λ =1540 / 3000000 = 0,000513 mètre

0,000513 mètre correspond à 0,513 mm (millimètre). La longueur d’onde des ultrasons est donc très courte, ce qui est souhaitable en échocardiographie, et en échographie en général, car cela permet de visualiser en détail de petites structures (c’est-à-dire que la résolution devient élevée).