Etude et réalisation d’un dispositif Doppler à Ultrasons

Le domaine des applications biomédicales et industrielles des ultrasons est bien établi. La technique est largement utilisée dans de nombreuses spécialités et ne cessent de s’enrichir grâce aux progrès technologiques rapides, en particulier du côté des réseaux de capteurs multi-éléments complètement programmables.

LES ULTRASONS ET L’EFFET DOPPLER 

LES ULTRASONS

Définition :
Ce sont des sons de fréquences dépassant les 20kHz. C’est à cette fréquence que la membrane du tympan n’est plus capable de vibrer à une amplitude suffisamment grande pour transmettre la sensation au cerveau, ce qui fait que l’ultrason se situe dans le domaine de l’inaudible pour l’homme par contre quelque animaux comme le chien et la chauve souris peuvent percevoir des sons aux alentours de 25kHz de fréquence .

La vitesse de propagation des ultrasons dépend du milieu de propagation (solide, gaz et liquide). Les ultrasons sont véhiculés par l’air ambiant à la même vitesse du son. Cette vitesse peut se déterminer mathématiquement à l’aide de la relation : V=√γRT

Avec :
V : vitesse du son exprimée en m/s
γ : Coefficient d’élasticité du milieu, pour l’air, il est égal à 1,4
R : constante des gaz parfait, soit 281,8 J/Kg
T : température du milieu exprimée en degrés Kelvin

Propriétés des ultrasons :
• Les ultrasons se propagent en ligne droite comme les ondes hertziennes.
• Suivent certaines lois de l’optique : réfraction et réflexion lorsqu’ls passe d’un milieu à un autre de densité différente (la limite entre les deux milieux constituant une interface).
• Atténuation par absorption d’énergie par les tissus traversés.
• La propagation ne pouvant se faire qu’au travers d’un corps matériel ; en effet, ils ne traversent pas le vide et ils sont totalement réfléchis par une interface entre des milieux de densités très différentes (air-tissus mous, tissus mous-air, tissus mous-os).

Bref historique :
Il est depuis longtemps bien connu que certains animaux comme les chauvessouris, les baleines ou les dauphins émettent des ultrasons pour localiser des objets, s’orienter ou communiquer. La notion d’ultrasons est d’ailleurs purement humaine, puisqu’il s’agit en réalité d’ondes sonores qui ne sont pas perçues par le sens de l’ouïe de l’Homme. En effet, l’oreille humaine est capable de détecte des sons dont la fréquence d’émission va de 15 Hz (sons « très graves ») à 20000 Hz (sons « très aigus »). On qualifie d’ultrasons des ondes sonores dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz. Il est également décrit des microsons, (fréquence supérieure à 500 Méga Hz ) d’une part, et des infrasons (fréquence Inférieure à 15Hz) d’autre part. par l’Homme Découverts à la fin du 19e siècle, les ultrasons n’ont commencé à être utilisés par l’Homme qu’au début du 20e siècle . Voyons brièvement leur histoire.

Découverte des ultrasons :
C’est le physicien français, Antoine Becquerel qui, en travaillant sur les cristaux découvre le premier en 1819 la piézo-électricité1, phénomène à l’origine des ultrasons. Mais ce n’est qu’en 1881 que Jacques et Pierre Curie publient les résultats de leur expérimentation concernant la production des ultrasons : l’application d’un champ électrique alternatif sur des cristaux de quartz et de tourmaline générait alors des ondes sonores de très haute fréquence. Aux temps de ses découvertes, les Curie n’ont probablement pas réalisé à quel point leurs découvertes seraient importantes et utilisées dans la vie quotidienne. Ses études et découvertes sur la piézo-électricité sont utilisées tous les jours sur les cristaux comme le quartz, qui est employé dans de différentes inventions telles que les montres, les microphones et divers autres appareils électroniques Les premières études sur les ultrasons quant à elles n’étaient pas spécialement Destinées aux humains. Il fallut attendre encore trente ans l’immersion du Titanic en 1912, pour que L.F Richards on ait l’idée d’utiliser l’écho Ultrasonique .Dans la détection d’objets sous-marins. La première guerre mondiale a permis le Perfectionnement de cette technique. En 1915, le premier générateur piezo -Electrique d’ondes ultrasonores est mis au point par Paul Langevin .Cet appareil fut le précurseur de la technique échographique Développée en 1970 Grâce à JJ .Wild et J. Reid, d’abord destinée à la recherche de tumeurs cérébrales mais qui fera carrière dans l’obstétrique .

Caractéristiques ultrasons :
Les ultrasons se déplacent à des vitesses différentes dans les différents milieux traversés. Ils détiennent les mêmes propriétés générales que les ondes élastiques, c’està-dire des ondes vibratoires ou des ondes de pressions dépendant du milieu de propagation .On peut caractériser une onde ultrasonore par plusieurs éléments bien précis. Tout d’abord sa fréquence que l’on a évoqué un peu plus haut. Il existe en effet quatre types de sons différents suivant une fréquence donnée.

On qualifie d’ultrasonores les ondes élastiques dont la fréquence est comprise entre quinze kilohertz et plusieurs centaines de mégahertz ; en deçà de cette bande, on a affaire à des sons ou à des infrasons, au-delà à des hypersons. Les ultrasons possèdent toutes les propriétés générales des ondes élastiques (cf. ondes – Physique), et ils n’en ont point de spécifiques. Ce que leur comportement a parfois de particulier est relatif à leur interaction avec le milieu où ils se propagent, laquelle prend des aspects remarquables lorsque la longueur d’onde des ultrasons est du même ordre de grandeur que certaines dimensions caractéristiques : diamètre des grains ou longueur des chaînes de molécules composant le milieu, ou bien longueur d’onde d’une autre radiation présente dans le même milieu. Or, grâce à l’immense étendue spectrale des ultrasons (15 octaves), cette condition se réalise aisément dans de nombreux cas pratiques : solides à structure granulaire, hauts polymères en solution, suspensions colloïdales, aérosols, tissus biologiques, essaims d’animalcules. De plus, la petitesse des longueurs d’onde ultrasonores leur assure une propagation quasi optique avec peu de diffraction. Si l’on ajoute qu’on sait les produire avec de bons rendements et à des niveaux énergétiques élevés, on comprend que les ultrasons soient devenus un outil très commode et parfois irremplaçable pour étudier la matière et agir sur elle.

Effets biologiques des ultrasons :
Paul Langevin a probablement été le premier à observer que l’énergie ultrasonique pouvait avoir des effets importants sur la matière biologique. En effet, il rapporte que « un poisson placé dans le voisinage de la source du faisceau ultrasonique dans un réservoir d’eau était tué immédiatement, et certains observateurs avaient des sensations douloureuses lorsqu’ils y plongeaient la main » (Langevin, 1917). Les effets des ultrasons sur la matière vivante peuvent être classés en effets thermiques et non thermiques (effets mécaniques ou chimiques) :
– Elévation thermique des tissus par absorption de l’énergie acoustique
– Cavitation par création de bulles de gaz ou de vapeur
– Oxydation, réduction, effet sur les protéines et les acides nucléiques.

Les effets électriques :
Lirani et Lazaretti-Castro (2005) évoquent la possibilité d’un effet électrique. L’activité électrique est intrinsèque à tout être vivant. Tout tissu biologique a une certaine forme de réaction électrique à une stimulation mécanique. Les cellules et tissus répondent à une vaste gamme d’énergie appliquée extérieurement et sont de faibles émetteurs d’énergie électromagnétique. Ceci forme donc une interaction électromagnétique entre l’extérieur et le tissu.

Paramètres des ondes ultrasonores :
La vibration ultrasonore est définie par sa fréquence (en Mégahertz) et par sa longueur d’onde L=c/f (c vitesse de propagation définie plus loin). L’énergie transportée par cette onde est caractérisée par la valeur du flux ultrasonore =W/S avec W l’énergie émise par la source et s la surface à travers laquelle est reçu ce flux (section du faisceau ultrasonore). L’intensité est définie comme l’énergie par unité de surface du faisceau et par unité de temps. L’intensité ISPTA (intensité du pulse, moyennée sur la durée du pulse ou sur une période) est un des paramètres d’exposition les plus utilisés (w/cm²). Le ISATA représente l’énergie moyennée dans le temps (une période) et sur toute la section (Az) du faisceau (watts). Le ISPPA est la valeur instantanée de l’intensité moyennée sur le pic seulement (w/cm²).