TPE SUR LES SONARS (sciences et techniques)

« longueur d'onde émise , une basse fréquence impliquerait un émetteur encombrant Comme toujours , il faut donc établir un compromis entre la portée , la résolution et l'encombrement Et cela conduit à une préférence des ultrasons.

Reste à savoir comment produire des vibrations de si hautes fréquences ? Plusieurs techniques électro-acoustiques permettent cela dans les sonars artificiels : principalement les transducteurs piézoélectriques et les transducteurs à magnétostr iction .

TIANSDUCTlUIS PltzotlfCTIJQUES la piézoélectricité est un phénomène découvert en 1880 sur du ,.ttz par Pierre Curie (1859-1906) et Jacques Curie (1856-1941 ) .

Aujourd'hui , il est couramment mis en œuvre dans les « montres à quartz ».

Taillés sous forme d 'une lame et bien orientés, certa ins cristaux présentent sur leurs deux faces des charges électriques de signes opposés lorsqu'on les comprime : ils se polarisent Si on les soumet à une dilatation , ils se polarisent en sens opposé.

En 1881 , Gabriel lippmann (1845-1921) montre que le phénomène est réversible : soumis à une tension (un vokage) , la lame se comprime ou se dilate dans son épaisseur selon le sens (la polarité) du branchement Bien que cet effet soit faible -de l'ordre du centième de micromètre pour 10 000 V - une telle lame constitue un véritable transducteur pouvant transformer un signal électrique en une vibrat ion mécanique et inversement C'est d 'ailleurs cette propriété que Lll•gevhl met en œuvre dans la construction des premiers sonars actifs pour la détection des sous -marins .

En elfe~ il suffit d'appliquer à la lame une tension akernative de 100 kHz pour qu'elle vibre 100000 fois par seconde engendrant un ultrason de cette fréquence .

lnversemen~ si une vibration acoustique d'une certaine fréquence tombe sur la lame, elle engendrera sur ses faces une variation de tension à la même fréquence que l'on pourra mesurer à l'aide d'un oscilloscope par exemple .

TIANSDUCTlUIS MAGNhomtiCTIFS la magnétostriction est un effet découvert en 1847 par James Joule (1818-1889) .11 s'agit en quelque sorte de l'analogue magnétique de la piézoélectricité .

Cette fois, on soumet l'échantillon , par exemple un barreau de nickel , à un champ magnétique .

Selon le sens de ce dernier, le matériau se contracte ou se dilate dans le sens du champ.

là encore le phénomène est réversible , si bien que dans certains sonars on emploie des transducteurs magnétostrictifs QUELQUES APPLICATIONS Nous avons déjà présenté l'emploi des sonars dans les guerres.

Aussi, nous allons à présent nous intéresser à quelques applications civiles des sonars avant de traiter de leur usage dans le monde animal.

Insistons cependant sur un point important : le sonar en lui­ même ne serait d 'aucune utilité sans l'analyse poussée des signaux reçus.

A ce titre , le développement des sonars dans tous les domaines a largement bénéficié des avancées en électronique et en mathématiques , notamment dans la branche appelée « traitement du signal ».

En elfe~ c'est le traitement du signal acoustique reçu qui permet d 'éliminer les bruits parasites et de déterminer avec précision un grand nombre de paramètre relatifs à l'objet étudié avant d'en faire éventuellement une image (par exemple comme en échographie médicale) .

LE SONAII POUl SUIVIE US POISSONS Un son est réfléchi lorsqu'il rencontre un milieu dont les propriétés acoustiques sont différentes de celles dans lequel il se propage .

la part du son renvoyée croit lorsque ces différences augmentent Comme la vitesse du son dans l'air est d'environ 340 mfs alors que dans l'eau elle est d'environ 1 500 m{s, le son a du mal à passer de l'eau à l'air et inversement : il y a un écho à chaque fois.

Or, beaucoup de poissons sont dotés d'une vess i e natatoire , une poche remplie d'air qui permet au poisson de régler sa flottabilité en ajustant au mieux sa densité à celle de l'eau dans laquelle il nage .

la vessie natatoire constitue ainsi un bon réflecteur sonore .

On comprend donc l'intérêt que présente le sonar pour le .,.ge et le SIIM de HIICS de fiO/ssolls, qu'Il s'ag isse de pêche, d'études en biologie marine ou en écologie ...

LE SONAII DANS l."tNDUmtiE Dans les solides et les métaux, la vitesse du son est de l'ordre de 5000 rn/s.

Tout défa~ comme une bulle, une craquelure, une hétérogénéité ...

agit dans un solide comme un réflecteur de son.

Ainsi pour contrôler l 'état d'une pièce sans la détruire, on emploie un émetteur récepteur d 'ultrasons.

C'est ce que l'on appelle le « contrôle non destructif».

Cette technique est couramment employée pour contrôler les pales des hélicoptères ainsi que les rails de chemin de fer.

De même, on mesure couramment l'épaisseur de certains objets dont l'autre face n 'est pas accessible .

LE SONAII POUl SONDAGE t:une des applications les plus fructueuses des sonars est relative à l'établissement des cartes sous­ marines.

Le principe est simple : un faisceau d 'ultrasons est émis vers le plancher océanique.

le délai qui sépare l'émission du son et la réception de l'écho permet de déterminer la distance du plancher et donc son relief.

En pratique, ces mesures sont compliquées par le fait que la vitesse du son change avec la température de l 'eau donc avec la profondeur .

Or, en raison de cette modification graduelle , le faisceau ultrasonore ne voyage plus en ligne droite mais se courbe de manière analogue aux rayons de lumière lors d'un mirage .

On parle de • m irage acoustique ».

DE L"iCHOGIAPHIE À LA vtLOCIMhaJE Il existe de nombreuses applications médicales , certaines assez récentes.

Sans les détailler , nous allons les passer en rewe .

Dans tous les cas, on place une sonde émettr ice-réceptrice sur la peau couverte de gel.

le rôle de ce dernier est d'éliminer toute couche d'air entre l'émetteur et le corps et de rendre le trajet « homogène » d'un point de vue acoustique : toute réflexion nuirait à la transmiss ion des ondes vers l'Intérieur de l'organ isme .

Une fois dans l'organisme , les ondes subissent des renvois différents selon les caractéristiques des milieux qu'elles rencontren~ ce qui permet d'établir des diagnostiques .

L' édtozraphle t: kllognlptle pt'éllfltllle est l'application la plus connue .

Elle a débuté au cours des années 1970 puis s'est banalisée, jusqu 'à ce qu'on se rende compte que les impulsions ultrasonores peuvent dans certains cas être nuisibles au fœtus ...

On emploie également l'échographie pour mesurer la densité des os et étudier les cas d'ostéoporose : c'est la ostéodensitométrie.

u vélodBiétrte DDppler Ici, l'émetteur ultrasonore est placé de sorte que les ondes soient émises à l'Intérieur d 'un vaisseau sanguin.

Elles subissent alors un renvoi par les parois du vaisseau mais aussi par les globules rouges .

Mais ces derniers étant en mouvemen~ la fréquence de l'écho est modifiée par rapport de celle du son à l'émission :c'est l'effet Doppler.

!.:écart de fréquence permet de déterminer la vitesse des globules rouges, de manière analogue aux radars qui mesurent la vitesse des voitures sur les routes .

LES SONARS DANS LE MONDE ANIMAL Tout le monde a entendu dans des films ou documentaires les cliquetis émis par les dauphins .

li s'agit cependant de la part audible des émissions acoustiques de ces animaux ..

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Par ailleurs , même si on songe le plus souvent aux dauphins ou aux baleines , tous les cétacés (orques , marsouins ...

) émettent ce L'écholocation chez le dauphin genre de cliquetis .

Cependan~ alors que tous emploient ces vocalisations pour communiquer, seuls certains­ ceux à dents (ou odontocètes)- en font un usage pour l'écholocation à la man ière des chauves-souris .

Chez les cétacés, les fréquences , très variables selon les espèces , vont de 10 kHz (audible) à 200 kHz (ultrasons).

UN UEMPlf DE CtrAd À DENTS : lf DAUPHIN les liflllpii/IIS ont une assez bonne vue, mais nageant souvent en eaux troubles, leur sonar leur est d'une grande utilité.

A ce titre, l'aire auditive du cerveau du dauphin -chargée de traiter les signaux acoustiques -est beaucoup plus développée que celle des humains .

C'est la raison pour laquelle leur tête est plutôt large .

De plus, le nerf auditif de l'animal est capable de transmettre beaucoup plus d'Informations par seconde .

Le sonar des dauphins leur permet non seulement de voir le relief sous-marin en trois dimensions, mais aussi de chasser des proies .

la réception du son et le mécan isme mis en jeu sont assez mal connus .

En revanche, on sait que l'émission sonar s'effectue sous forme de dies ultrasonores d 'une milliseconde environ, plus ou moins espacés dans le temps .

le rythme est particulièrement rapide lors de la chasse (10 par seconde) , car cela est nécessaire pour une poursuite et une localisation efficace de la proie .

la directivité du faisceau ultrasonore est obtenue grace à une protubérance à l'avant de leur Iron~ le « melon », que l'on trouve d 'ailleurs chez d'autres cétacés .

les dHirwes-sowü sont bien connues pour leurs prouesses qui s'appuient sur l'usage très impressionnant qu'elles ont du sonar.

Comme chez les cétacés , les fréquences employées varient beaucoup d'une espèce à l'autre : cela va de 20 kHz à 150 kHz.

Mais il faut noter qu'à lOO kHz par exemple , les vibrations possèdent une longueur d 'onde bien plus faible dans l'air que dans l'eau.

En elfe~ pendant le délai qui sépare deux ondulations successives à lOO kHz, délai que l'on appelle période (10"5 seconde) , l'onde a parcouru 3,4 mm dans l'air , mais 15 mm dans l'eau (cela en raison de la célérité plus faible du son dans l'air).

Aussi, même si les fréquences les plus élevées chez les chauves-souris sont plus faibles que chez les cétacés , les longueurs d'ondes et par conséquent les résolutions spatiales sont meilleures.

Cela permet ainsi à ces mammffères volants de chasser de petits insectes comme les papillons .

De plus , l'analyse des signaux.

notamment de l'effet Doppler est particulièrement poussée, ce qui permet à l'animal de poursuivre efficacements ces petites proies .

LE GUAIACHO Très peu d'oiseaux mettent en œuvre le sonar pour l'écholocation .

Un exemple est le Gua racho (Steatornis coripensis), une espèce cavernicole sud américaine qui possède non seulement une très bonne we comme tous les oiseaux.

mais également une capacité d 'écholocation, mise en évidence en 1950.

lEs HUMAINS !.:écholocation chez les humains est très peu connue , mais pratiquée très efficacement par certains non voyants pour s'orienter et éviter les obstacles .

Cela peut se faire principalement de deux manières différentes.

Premièremen~ par des vibrations produites à l'aide de la canne lors de chocs contre le sol.

Dans ce cas, l'écho sonore , ou celui correspondant aux vibrations du sol renseigne le non voyant entraîné sur son environnemen~ notamment sur la position des obstacles.

Dans le second cas, c'est l'écho du bruit émis par le claquement de la langue qui joue ce rôle .

Cette technique a été mise au point par le Danois Daniel Kish, lui même non voyant.

Cependan~ selon certains , il s 'agit là non d'une technique que l'on peut apprendre mais d'un • don » , un sens supplémentaire que possèderaient certaines personnes ...

le débat est ouvert. »