Les ultrasons

Sujet Math intéressant pour la physique

Le plancher océanique n’est pas uniformément plat et, tout comme il existe des montagnes élevées sur Terre, il existe de profondes fosses sous
les mers.
Pour déterminer les profondeurs de ces fosses, on utilise un appareil appelé sonar qui émet des ultrasons.

DOCUMENT 1 Profondeur et situation géographique de certaines fosses

Fosse	Profondeur (en mètres)
Fosse des Mariannes	11 034
Fosses des Aléoutiennes	7 822
Fosse de Java	9 200
Fosse des Tonga-Kermadec	10 800
Fosse de Porto Rico	8 605
Fosse du Pérou-Chili	8 065

DOCUMENT 2 Carte des principales fosses océaniques du globe

DOCUMENT 3 Vitesse du son dans certains milieux

Milieu	Vitesse du son (en m/s)
Air	340
Eau de mer	1 500
Eau pure	1 480

1. Un bateau souhaite déterminer la profondeur de la fosse du Japon. Les ultrasons du sonar mettent 12,6 s pour atteindre le fond de la fosse
et revenir au bateau. Quelle est la profondeur de la fosse du Japon ?

2. Combien de temps mettront les ultrasons d’un sonar pour atteindre le fond de la fosse des Mariannes ? Arrondir au centième.

3. Combien de temps mettront les ultrasons d’un sonar pour atteindre le fond de la seule fosse située dans l’océan Atlantique ? Arrondir au dixième.

4. Les ultrasons d’un sonar ont mis environ 10,42 s pour atteindre le fond d’une fosse et revenir au bateau. De quelle fosse s’agit-il ? Justifier
par un calcul.

Sujet physique

Les ultrasons utilisés en médecine et par les chauves-souris

Les ultrasons sont des vibrations de même nature que le son, mais de fréquence trop élevée (plus de 20 kHz à plusieurs centaines de mégahertz) pour que l’oreille humaine puisse les percevoir.

Certains animaux comme les chauves-souris sont capables d’émettre et d’entendre ces ondes sonores.

Les ultrasons sont utilisés dans la technique d’échographie afin de suivre le déroulement des grossesses.

DOCUMENT 1 L’échographie

L’échographie est une technique d’imagerie utilisant des ultrasons. Les ultrasons sont envoyés à l’aide de l’émetteur d’une sonde dans un périmètre délimité du corps. Les différents organes renvoient les ultrasons vers un récepteur placé dans la même sonde. Les échos enregistrés, traités par un ordinateur, montrent les obstacles rencontrés par le signal. La mesure de l’amplitude permet de distinguer un tissu mou (muscles) d’un tissu dur (les os) et la mesure de la durée qui sépare l’émission de la réception de chaque écho (durée d’un aller-retour) permet de déterminer les dimensions des organes observés.

**DOCUMENT 2 Qu’est-ce qu’un ultrason ? **

Les ultrasons se propagent dans l’air à la même vitesse que le son v = 330 m/s. Leurs fréquences sont supérieures à celles détectées par l’oreille humaine qui n’entend que des fréquences f telles que 20 Hz < f < 20 kHz.

DOCUMENT 3 Les chauves-souris et les ultrasons

Certains animaux utilisent les infrasons ou les ultrasons. Les chauves-souris émettent et perçoivent ce type de signaux pour se déplacer dans l’obscurité absolue ou pour chasser.
Les émissions ultrasonores des chauves-souris d’Europe sont d’une extrême diversité. Elles sont produites par expiration de l’air qui fait vibrer le larynx, passent par les résonateurs que sont le pharynx, puis, suivant les espèces, le nez ou la bouche.
Les fréquences pratiquées par les chauves-souris de France s’échelonnent de 12 à 120 kHz suivant les espèces. Chacune possède sa propre plage d’utilisation de fréquence.
<font 10pt/inherit;;inherit;;inherit>Source :</font> Symbiose lycéenne <font 10pt/inherit;;inherit;;inherit>, cahier n° 4.</font>

//L’animal envoie un signal dans une direction, ce signal heurte un obstacle (le papillon) et est détecté par la chauve-souris après réflexion. //

1. a) L’échographie est basée sur une propriété des ondes, laquelle ?

b) La lumière visible est une onde électromagnétique. Citer une différence et un point commun entre une onde électromagnétique et une onde sonore.

2. Deux signaux sonores sont représentés ci-après. Les échelles sont identiques sur les axes de ces deux graphiques.

a) Lequel des deux signaux a une amplitude plus forte ?

b) Lequel des deux signaux a la fréquence la plus élevée ?

c) Lequel des deux signaux est le plus aigu ?

d) Calculer la fréquence du son 2. S’agit-il d’un ultrason ? Justifier.

3. Les chauves-souris de France émettent-elles des sons audibles ou des ultrasons ? Justifier.

4. Quels sont les points communs entre une échographie et la détection d’une proie par une chauve-souris ?

5. La chauve-souris du document 3 détecte un insecte en envoyant un signal vers celui-ci qu’elle reçoit à nouveau, après sa réflexion. 20 ms s’écoulent entre le moment de l’envoi et de la réception du signal.

a) Quel est le temps t mis par le signal émis pour aller de A jusqu’à B sur le schéma du document 3 ?

b) Calculer la distance AB qui sépare la chauve-souris de sa proie.

Correction