🦇 Sonar, échographie, chauve-souris : mesurer par écho
Les chauves-souris chassent dans le noir complet, les bateaux « voient » le fond à 3 000 m et les médecins regardent un bébé à travers le ventre de sa maman. Leur point commun ? Ils crient… et écoutent l'écho ! Mesure toi-même la durée de l'aller-retour, sans oublier qu'il y a un aller ET un retour.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- L'impulsion émise (en orange) s'éloigne ; chaque obstacle renvoie un écho (en vert) qui revient vers le récepteur. Sur l'oscillogramme, chaque écho est un petit paquet d'oscillations décalé de Δt par rapport à l'émission.
- L'écho d'un obstacle lointain arrive plus tard : la durée Δt est proportionnelle à la distance. Mais pendant Δt l'onde a fait l'aller ET le retour, d'où le « ÷ 2 » de d = v × Δt / 2.
- En échographie, chaque changement de tissu (peau, graisse, muscle, liquide, os) renvoie un écho. L'os du crâne en renvoie beaucoup, le liquide presque rien : c'est pour cela qu'il apparaît noir sur l'image.
- Sans gel, une couche d'air sépare la sonde de la peau : 99,9 % des ultrasons rebondissent sur la peau et l'image reste noire.
- Le sondeur du bateau émet sans arrêt : chaque colonne du sondogramme est un aller-retour, et le relief du fond se dessine pendant que le bateau avance.
Expériences à faire
- Place le curseur sur l'écho du fond : quelle profondeur obtiens-tu ? Est-elle cohérente avec l'échelle du dessin ?
- Que devient Δt si tu doubles la distance de la falaise ? Et si tu remplaces l'air par de l'eau (v = 1 500 m/s) ?
- Approche le papillon de la chauve-souris : l'écho revient-il plus vite ? Pourquoi l'écho de l'arbre arrive-t-il après celui du papillon ?
- Retire le gel de l'échographe : que devient l'image ? Remets-le et balaie le ventre pour faire apparaître le bébé.
- Passe en mode mystère : mesure Δt, calcule d et vérifie ta réponse. As-tu pensé au « ÷ 2 » ?
La physique derrière l'animation
- Une onde se propage à la célérité v : pendant la durée Δt, elle parcourt la distance v × Δt. Pour un écho, elle fait l'aller-retour : 2 d = v × Δt, donc d = v × Δt / 2.
- Ordres de grandeur de la célérité du son : environ 340 m/s dans l'air (à 20 °C), 1 500 m/s dans l'eau de mer, environ 1 540 m/s dans les tissus mous du corps, environ 5 900 m/s dans l'acier.
- Les ultrasons ont une fréquence supérieure à 20 kHz (inaudibles pour l'oreille humaine). Leur longueur d'onde λ = v / f est petite : en échographie, f ≈ 5 MHz donne λ ≈ 0,3 mm, ce qui permet de voir des détails de l'ordre du millimètre.
- À la frontière entre deux milieux d'impédances acoustiques Z1 et Z2, la part de l'énergie réfléchie vaut R = ((Z2 − Z1) / (Z2 + Z1))² : presque rien entre deux tissus mous, presque tout entre l'air et la peau (d'où le gel).
- L'oreille humaine sépare un écho du son direct si Δt dépasse environ 0,1 s, soit un obstacle à plus de 17 m dans l'air. Modèle : milieu homogène, échelles du dessin simplifiées, animation ralentie (ou accélérée) avec le facteur affiché.
D'autres animations
Le niveau sonore et les décibels
Approche-toi d'une enceinte de concert ou d'un avion, ajoute des sources, éloigne-toi : décibels, intensité sonore et seuils de danger.
Manipuler →L'image dans un miroir plan
Suis le trajet de la lumière sur un miroir plan : réflexion, image virtuelle, champ de vision… et le miroir qu'il faut pour se voir en entier.
Manipuler →Spectres d'émission et d'absorption
Lampes à hydrogène, sodium, néon… et étoile mystère : compare raies d'émission et raies d'absorption pour identifier les éléments.
Manipuler →Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉
ExpoSinus est un site d'éducation : les jeux et les articles sont là pour donner envie, les cours et les exercices pour progresser vraiment.