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🌈 Ondes, lumière et sonSeconde → Première

🦇 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.

Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉

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