Sciences & Techniques: L'échographie

« Sondage échographique Sous le navire, un vibreur électrique envoie de brefs tops sonores qui se réfléchissent sur le fond ou sur tout autre obstacle.

Un microrecueille ces échos, et le temps séparant le top de son écho donne la profondeur sous le bateau. Si le principe est simple, son application l'est donc beaucoup moins.

Aussi, le premier domaine qu'on ait exploré avec cette techniquede sondage par échos a été le relevé de la profondeur en mer : en principe, il n'y a pas d'obstacles intermédiaires entre un bateau et lefond de la mer, et on ne recueille qu'un seul écho - il peut certes y avoir des poissons, mais un poisson se déplace, et en envoyantplusieurs signaux brefs on peut faire la différence entre les échos venus d'un banc de merlans ou de morues et ceux renvoyés par lefond. Bien sûr, on n'envoie pas pour cela un matelot sonner la corne de brume au fond de la cale, tandis que le capitaine à demi-immergéattendrait l'écho, chrono garanti étanche en main et cornet acoustique à l'oreille.

Les premiers essais remontent à 1919, et lesoscillateurs électriques étaient déjà assez bien au point pour qu'on utilise un émetteur électroacoustique - à magnétostriction d'abord,à quartz ensuite. Les lois relatives aux ondes sonores - et à la plupart des phénomènes vibratoires - montrent que la précision de la mesure dépend durapport entre la longueur d'onde du son émis et la taille de l'obstacle à évaluer : il faut que les dimensions de l'objet soient grandescomparées à la longueur d'onde du signal émis. Le son n'étant qu'une succession de pressions et de dépressions se succédant à fréquence constante dans un milieu qui peut être gazeux, liquide ou solide, la longueur d'onde d'une vibration sonore est la distance qui sépare deux maximums de pression, ou deuxminimums de dépression.

Cette longueur L est liée à la fréquence N et à la vitesse de propagation V par la relation très simple : V = Nx L.

La vitesse V du son dans l'eau étant de 1 435 m/s, la longueur d'onde de la note musicale La3 (440 Hz) est de 3,26 m. En utilisant la note musicale La3 comme signal, on aurait donc une précision de l'ordre de quelques mètres.

Avec un son un peu plusaigu, entre 2 000 et 3 000 Hz, la longueur d'onde tombe à 50 cm, et la mesure est un peu meilleure.

On pourrait monter plus haut lafréquence pour affiner les résultats, mais on se heurte alors à un obstacle majeur : l'énergie acoustique se dissipe d'autant plus vite entraversant l'eau que le son est plus aigu.

Autrement dit, la précision augmente, mais l'écho est de plus en plus faible. Il faut dire aussi que s'ajoutent les phénomènes de réfraction et de diffraction.

En effet, les ondes sonoressont soumises à des lois de réflexion et de réfraction qui sont identiques à celles concernant les ondeslumineuses : une onde sonore rencontrant un obstacle plat se réfléchit de telle manière que l'angled'incidence est égal à l'angle de réflexion.

Quand cette onde passe d'un milieu où sa vitesse est v à unautre milieu où sa vitesse est v', elle subit un changement de direction tel que le rapport du sinus de l'angled'incidence au sinus de l'angle de réfraction est constant et égal au rapport v/v' des vitesses de propagationdans les deux milieux. On reconnaît là les lois classiques propres aux rayons lumineux.

La similitude ne s'arrête pas là ; ainsi, un obstacle étendu fait uneombre sonore si sa largeur est grande par rapport à la longueur d'onde - c'est l'exemple des murs anti-bruit bâtis le long des routes.Une ouverture, telle qu'un trou dans ce mur, se comporte un peu comme elle le ferait pour la lumière si la longueur d'onde du signal sonore est très petite par rapport à l'ouverture : le son continue à se propager à peu près en ligne droite à partir du trou. Mais cet effet sensiblement directif s'estompe dès que la longueur d'onde du son est du même ordre de grandeur que le diamètre dutrou, et elle cesse complètement si le trou est petit comparé à la longueur d'onde.

Un son très aigu, par exemple 3 400 Hz, a dans l'airune longueur d'onde de 10 cm ; si ce son est émis derrière un mur sur lequel existe une porte faisant 1 m de large, donc dix fois plusgrande que la longueur d'onde du signal sonore, cet effet est facilement perceptible : tant qu'on reste dans l'axe de la porte ouverte, onentend très bien le son émis, alors qu'on cesse pratiquement de le percevoir si on s'écarte nettement du faisceau délimité par cetteporte. Or, pour faire du sondage sonore, on a intérêt à avoir un signal assez directif, d'où la nécessité de recourir à des fréquences bien plusélevées encore qu'un son aigu : en pratique, on utilise le plus souvent des ultrasons allant jusqu'au mégahertz, et ce d'autant plus que,pour une même fréquence, la longueur d'onde augmente à mesure que le son va plus vite : un son de 1 000 Hz a une longueur d'ondede 0,34 m dans l'air, où il se propage à 340 m/s, mais de 1,43 m dans l'eau, où il va à 1 435 m/s, et de 5 m dans un bon acierparcouru à 5 000 m/s. La fréquence de 1 000 Hz serait donc tout à fait valable pour évaluer des distances dans l'air avec une précision de l'ordre d'une demi-longueur d'onde, soit de 15 à 20 cm ; mais en fait cette technique n'est pas utilisée en géodésie , car le vent, dont la vitesse s'ajoute ou se retranche à celle des ondes, viendrait toujours fausser les mesures.

En mer, il y a peu de mouvements verticaux des massesd'eau, et un son de 1 000 Hz convient pour faire des sondages de profondeur avec une précision voisine du mètre. En revanche, ce même son est complètement inadapté pour faire des mesures dans l'acier, car les pièces à tester n'ont guère plus de quelques décimètres d'épaisseur : une longueur d'onde de 5 m ne pourrait fournir le moindre renseignement.

Mais, à 10 mégahertz, lalongueur d'onde descend au demi-millimètre, ce qui permet de repérer une crique ou une paille dans la masse du métal : toutediscontinuité donne un écho, et cet écho arrivera avant celui correspondant à la face opposée de la pièce.. »