Sciences · Physique
Les ultrasons
Les ultrasons sont des ondes sonores de fréquence supérieure à 20 000 hertz, trop aiguës pour l’oreille humaine. Chauves-souris et dauphins s’en servent pour s’orienter ; la médecine les utilise pour l’échographie.
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Notre oreille perçoit les sons compris entre environ 20 Hz et 20 000 Hz. Au-dessous, ce sont les infrasons ; au-dessus, les ultrasons. Ces derniers sont des ondes mécaniques exactement de même nature que le son audible, des vibrations de la matière qui se propagent de proche en proche. Leur petite longueur d’onde leur donne des propriétés précieuses : on peut les diriger finement et ils renvoient des échos sur de très petits obstacles.
Le spectre des sons
| Domaine | Fréquence | Exemples |
|---|---|---|
| Infrasons | moins de 20 Hz | séismes, éléphants, baleines, éruptions, houle |
| Sons audibles | 20 Hz à 20 kHz | voix, musique |
| Ultrasons | 20 kHz à environ 1 GHz | chauves-souris, échographie, sonar |
| Hypersons | au-delà d’environ 1 GHz | vibrations dans les cristaux |
La limite supérieure de 20 kHz est celle d’une oreille jeune. Elle baisse avec l’âge : beaucoup d’adultes de plus de 50 ans n’entendent plus guère au-delà de 12 à 14 kHz.
Pourquoi les ultrasons sont-ils si utiles ?
La longueur d’onde vaut λ = v / f (voir ondes). Dans le corps humain, où le son se propage à environ 1 540 m/s, un ultrason de 5 MHz a une longueur d’onde d’environ 0,3 mm. Il peut donc détecter des détails de cet ordre, alors qu’un son audible de 1 000 Hz, avec une longueur d’onde de 1,5 m, contournerait ces obstacles sans les « voir ».
Contrepartie : plus la fréquence est élevée, plus l’onde est absorbée par le milieu. Les hautes fréquences donnent une meilleure résolution mais pénètrent moins profondément.
Les animaux et l’écholocation
De nombreux animaux émettent des ultrasons et analysent leurs échos pour se repérer et chasser dans l’obscurité : c’est l'écholocation.
| Animal | Fréquences utilisées |
|---|---|
| Chauves-souris (la plupart des espèces) | environ 20 à 120 kHz, parfois plus |
| Dauphins et marsouins | clics jusqu’à plus de 100 kHz |
| Chiens | entendent jusqu’à environ 45 kHz |
| Chats | entendent jusqu’à environ 60 à 80 kHz |
| Certains papillons de nuit | perçoivent les ultrasons des chauves-souris pour les fuir |
Le sifflet à ultrasons pour chiens exploite la différence d’audition entre l’homme et le chien. Le délai entre le cri et l’écho donne la distance de la proie ; le décalage de fréquence (effet Doppler) renseigne sur sa vitesse.
L’échographie médicale
L'échographie envoie dans le corps de brèves impulsions d’ultrasons produites par une sonde piézoélectrique : un cristal qui vibre quand on lui applique une tension électrique et qui, inversement, produit une tension quand il reçoit une vibration. À chaque interface entre deux tissus (liquide, muscle, graisse, os), une partie de l’onde est réfléchie. L’appareil mesure le temps de retour des échos, en déduit la profondeur et construit une image en temps réel.
- Un gel est appliqué sur la peau pour supprimer l’air, qui réfléchirait presque toutes les ondes.
- Les os et les gaz bloquent les ultrasons : l’échographie est peu adaptée au poumon ou au cerveau de l’adulte.
- L'écho-Doppler mesure la vitesse du sang dans les vaisseaux et le cœur.
L’échographie n’utilise pas de rayonnement ionisant, contrairement à la radiographie : c’est pourquoi elle est l’examen de référence pour suivre la grossesse. Les premières échographies médicales datent des années 1950.
Le sonar
Le sonar (sound navigation and ranging) fonctionne comme l’écholocation : il émet des impulsions sonores, souvent ultrasonores, dans l’eau et mesure le retour des échos. Le son se propage dans l’eau de mer à environ 1 500 m/s et y porte bien plus loin que la lumière ou les ondes radio. Applications :
- sondeurs de profondeur et cartographie des fonds marins ;
- détecteurs de bancs de poissons ;
- détection des sous-marins, objet des premiers développements pendant la Première Guerre mondiale, notamment par le Français Paul Langevin, qui utilise la piézoélectricité du quartz.
Les applications industrielles et domestiques
| Application | Principe |
|---|---|
| Contrôle non destructif | détecter fissures et défauts dans les soudures, les rails, les pièces d’avion |
| Nettoyage par ultrasons | les vibrations créent dans un liquide des microbulles qui implosent (cavitation) et décollent les salissures (bijoux, lunettes, instruments chirurgicaux) |
| Capteurs de stationnement | mesurer la distance des obstacles par écho |
| Soudure par ultrasons | assembler des plastiques par vibration |
| Humidificateurs | une pastille vibrante pulvérise l’eau en fin brouillard |
| Détartrage dentaire | une pointe vibrante décolle le tartre |
Les ultrasons sont-ils dangereux ?
Aux puissances utilisées en échographie diagnostique, aucun effet nocif n’a été démontré, mais les autorités recommandent de ne pas multiplier les échographies sans justification médicale, notamment les échographies « souvenir » de grossesse. Les ultrasons de forte puissance peuvent en revanche chauffer les tissus ou provoquer de la cavitation : c’est ce qui les rend utiles en thérapie.
Les appareils « anti-moustiques » ou « anti-nuisibles » à ultrasons vendus au grand public n’ont pas fait la preuve de leur efficacité dans les études indépendantes.
Questions fréquentes
À partir de quelle fréquence parle-t-on d’ultrasons ?
À partir de 20 000 Hz (20 kHz), la limite supérieure de l’audition d’une oreille humaine jeune.
Pourquoi n’entend-on pas les ultrasons ?
Parce que les cellules ciliées de notre oreille interne ne peuvent pas vibrer au-delà d’environ 20 kHz. Certains animaux, comme les chiens, les chats ou les chauves-souris, ont une oreille adaptée à des fréquences bien plus élevées.
L’échographie est-elle dangereuse pendant la grossesse ?
Aux réglages médicaux habituels, aucun effet nocif n’a été démontré. L’examen n’utilise pas de rayons X. Il est néanmoins recommandé de ne le pratiquer qu’avec une justification médicale.
Les ultrasons traversent-ils l’air ?
Oui, mais ils y sont fortement atténués, d’autant plus que leur fréquence est élevée. C’est pourquoi les chauves-souris chassent à courte distance et pourquoi l’échographie exige un gel entre la sonde et la peau.