A La distance parcourue par des ultrasons
Les ultrasons sont transmis dans l'air en s'écartant peu de la direction d'émission par rapport aux sons. Leur amplitude diminue plus faiblement avec la distance par rapport à la source. Ils ont les mêmes propriétés mécaniques que les sons audibles (dont la fréquence va de 20 Hz à 20 kHz), tout en ayant des fréquences plus élevées.
Lorsqu'un ultrason rencontre une surface de séparation, une partie de son énergie est transmise à travers la surface, une autre est absorbée et le reste de l'énergie est réfléchie. Ce phénomène de réflexion est identique à celui de la lumière avec un miroir. L'onde réfléchie peut être détectée et analysée : elle forme un écho. On peut déterminer la distance à laquelle se trouve la surface si on connaît la durée nécessaire pour réaliser un aller-retour : émetteur, surface, récepteur.
Le principe de l'échographie est simple : on utilise un dispositif ultrasonore qui émet des ondes ayant des fréquences de l'ordre de quelques mégahertz sous forme de salves. Un émetteur et un récepteur sont côte à côte et placés à une distance d d'un écran. L'émetteur et le récepteur sont reliés à un oscilloscope ou un ordinateur afin d'enregistrer les signaux. Le signal 1 envoyé par l'émetteur parvient à l'écran, qui le réfléchit. Le récepteur capte le signal 2 qui a alors parcouru une distance 2 d avec un retard ∆t par rapport au signal 1.
On détermine la distance d en utilisant le retard ∆t et la célérité des ondes ultrasonores dans l'air :
2d = v × ∆t, la distance d est exprimée en mètre et la durée ∆t en seconde.
Ce travail peut être effectué sur une partie d'un corps humain. Il permet de donner une image intérieure du corps sans utiliser la chirurgie.
On réalise, par exemple, l'échographie d'un bras. Les ondes sonores vont rencontrer trois surfaces de séparation :
en A (séparation tissu mou, os) ;
en B (séparation os, tissu mou) ;
en C (séparation tissu mou, air).
Un écho se forme sur chaque surface de séparation et est capté par la sonde. Plus la surface est éloignée, plus le temps nécessaire pour réaliser un aller-retour est important, donc : tC > tB > tA.
On obtient alors les signaux suivants à l'écran de l'oscilloscope :
B Le principe de l'effet Doppler
L'effet Doppler se manifeste par un changement de fréquence du son du moteur d'une voiture ou d'une sirène de camion de pompiers en déplacement perçu par un observateur.
Ainsi, par rapport à une personne dans le véhicule qui entendrait une fréquence f :
la fréquence f′ perçue par l'observateur est plus importante (son plus aigu) et la longueur d'onde plus faible lorsque le véhicule se rapproche ;
la fréquence f′ perçue par l'observateur est plus faible (son plus grave) et la longueur d'onde plus grande lorsque le véhicule s'éloigne.
La différence de fréquence f – f′ permet de déterminer la vitesse v du véhicule et sa direction.
C L'échographie Doppler
L'échographe Doppler est constitué d'un échographe classique associé à une sonde Doppler. Lorsqu'un faisceau d'ultrasons traverse les cavités cardiaques ou les vaisseaux, l'écho renvoyé par les éléments figurés du sang (qui deviennent des émetteurs) a une longueur d'onde plus longue (son plus grave) s'ils s'éloignent du capteur, et une longueur d'onde plus courte (son plus aigu) s'ils se dirigent vers le capteur. La sonde Doppler recueillera donc un écho dont la fréquence (longueur d'onde) sera différente de la fréquence d'émission.
La différence f – f′ des fréquences d'émission f et de réception f′ permet de calculer la vitesse et la direction des globules rouges.
L'échographe Doppler permet de détecter des anomalies cardiaques par la mesure des vitesses des flux sanguins à travers les valves : les différentes maladies des valves cardiaques (fuite et rétrécissement) ; l'analyse de la phase de remplissage du ventricule gauche, donc de la fonction diastolique, et l'estimation de la pression artérielle pulmonaire systolique.
Image obtenue à partir d'un échographe Doppler