Chapitre 14. Généralités sur les ondes et les ondes sonores PDF

Chapitre 14. Généralités sur les ondes et les ondes sonores Processus Biologique I Ve más allá  GÉNÉRALITÉS SUR LES ONDES Introduction o Ondes et phénomène ondulatoires o Definitions et classification Grandeurs définissant une onde périodique...

Chapitre 14. Généralités sur les ondes et les ondes sonores Processus Biologique I Ve más allá  GÉNÉRALITÉS SUR LES ONDES Introduction o Ondes et phénomène ondulatoires o Definitions et classification Grandeurs définissant une onde périodique 2 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  Introduction Que sont les ondes ? Où peut-on les trouver ? Pouvez-vous imaginer leur utilité en physiothérapie ? © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 3  Introduction Qu'est-ce que les ondes ? Où peut-on les trouver ? Pouvez-vous imaginer leur utilité en physiothérapie ? © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 4  Ondes et phénomènes ondulatoires Définition et classification Une onde est une perturbation d'étendue spatiale définie et de durée limitée qui se propage d'un point à un autre de l'espace en transportant de l'énergie et une quantité de mouvement (= moment), mais sans transport net de matière. Classification en fonction du milieu dans lequel elles se propagent : - Ondes mécaniques : elles ont besoin d'un milieu pour se propager. Wikimedia Commons - Ondes électromagnétiques : elles peuvent se propager à la fois dans le vide et à travers un support physique. Wikimedia Commons © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 5  Ondes et phénomènes ondulatoires Définition et classification Les ondes peuvent être classées en fonction de la direction de la vibration : Ondes transversales : la direction de la vibration est perpendiculaire à la direction de propagation. Par exemple, une onde transmise par une corde ou la lumière et les ondes électromagnétiques. Ondes longitudinales : la direction de la vibration est parallèle à la direction de propagation. Par exemple, une onde transmise par un ressort ou le son. ondes longitudinales et transversales © Copyright Universidad Europea. 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La fréquence est l'inverse de la période : 1 f= 1 /T La fréquence se mesure donc en s-1, ce qui T = correspond à la définition du Hertz (Hz). f © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 10  Ondes et phénomènes ondulatoires Exemple. Le cœur d'un nouveau-né bat 120 fois par minute. Calculez la fréquence des battements du cœur en Hz et sa période. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 11  Ondes et phénomènes ondulatoires Grandeurs définissant une onde périodique Ainsi, plus la fréquence d'une onde est élevée, plus le nombre d'ondes passant par un point est important par unité de temps. Unité SI : s-1 = Hz Dans les ondes périodiques (donc idéales), la fréquence ne dépend que de la source qui émet l'onde. © Copyright Universidad Europea. 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Trouvez la longueur d'onde de ces deux ondes. Activité 1 : exprimez le résultat en mm, μm, nm, Å et pm. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  SON ET ULTRASON Son - Definition - Vitesse - Impédance acoustique - Intensité - Audition Ultrason - Aplications cliniques - Ecographie - Réfexion - Absortion - Atenuation - Effets non thermiques - Dosage - Effect Doppler (mesure débit sanguin) 15 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  Les ondes sonores Définition Lorsqu'un gaz, un liquide ou un solide est perturbé, une vibration de ses molécules constitutives est générée et une onde sonore se forme : l'onde sonore se propage par compression et décompression du milieu. Les particules du milieu vibrent autour de leur position d'équilibre, de sorte qu'il n'y a pas de déplacement net de particules : le son, comme les autres ondes, ne transporte pas de matière, mais de l'énergie. L'onde sonore est une onde mécanique et longitudinale. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 16  Les ondes sonores Définition Le passage d'une onde sonore dans un milieu modifie deux grandeurs du milieu, sa densité et sa pression. On peut représenter l'onde sonore en utilisant la variation de pression comme amplitude de l'onde Exemple 1 : L'amplitude maximale d'une onde sonore tolérée par l'oreille humaine est de 28 Pa. Si l'on considère la pression atmosphérique de 1 atmosphère, quelle fraction représente ∆P par rapport à la pression atmosphérique ? © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 17  Ondes sonores Vitesse Dans quel milieu les ondes sonores se déplacent-elles le plus rapidement ? Vitesse d'une onde Pour une onde sonore, il existe une autre formule pour exprimer la vitesse, qui est déterminée par la variation de pression et la variation de densité qu'elle produit lors de son passage. ∆P c est la vitesse du son mesurée en m/s c= ∆P : variation de la pression du milieu mesurée en Pa. ∆ρ ∆ρ : c'est la variation de la densité exprimée en kg/m 3. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 18  Ondes sonores La vitesse Variation de pression : elle aura une faible valeur (résultat de l'exercice ∆P précédent). c= ∆ρ Variation de densité ou compressibilité : elle sera plus grande dans un gaz (ses particules ont une grande capacité de compression) que dans un liquide, que dans un solide. Les ondes sonores se propagent plus rapidement dans les solides que dans les liquides que dans les gaz. © Copyright Universidad Europea. 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Un milieu qui a une densité plus élevée et à travers lequel une onde sonore est transmise à une vitesse plus élevée aura une impédance acoustique plus élevée. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 21  Les ondes sonores Impédance acoustique ou résistance sonique Par conséquent, l'impédance d'un solide au passage d'une onde sonore sera plus grande que l'impédance d'un liquide, qui à son tour sera plus grande que l'impédance d'un gaz. Ainsi, un milieu plus dense (ayant une densité plus élevée) permettra aux ondes de se déplacer à une vitesse plus élevée, mais opposera en même temps une plus grande résistance à leur passage. Milieu plus dense Vitesse plus élevée Impédance plus élevée Milieu Densité (ρ) Vitesse (c) Impédance acoustique kg m-3 m s-1 N s m-3 Air (20 °C) 1,21 344 415 Eau (20 °C) 988 1484 1,48 x 106 Tissu musculaire 1040 1568 1,63 x 106 © Copyright Universidad Europea. 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Todos los derechos reservados 26  Les ondes sonores L'audition Pour que nous percevions un son, il faut non seulement que sa fréquence soit audible par notre oreille, mais aussi que son intensité soit comprise dans une plage de valeurs dépendant de la fréquence (du seuil de l'audition au seuil de la douleur). L'audition humaine présente une large gamme d'intensités (1012 ). La sensation sonore est mesurée en décibels (dB), qui est une unité relative. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 27  Ondes sonores Ultrasons Ondes sonores dont la fréquence est supérieure à la limite de l'audition humaine (f > 16 x 103 Hz) et qui ont donc une faible longueur d'onde et une forte pénétration. Large éventail d'applications (navigation, capteurs de mouvement, industrie, etc.). Caractéristiques différentes en fonction des valeurs d'intensité... Les applications médicales se distinguent © Copyright Universidad Europea. 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Les ultrasons se propagent à travers le patient  en étant partiellement réfléchis et transmis en fonction des caractéristiques des tissus qui se trouvent sur leur chemin. Les faisceaux réfléchis reviennent au transducteur  vibrations des cristaux de la sonde  courant électrique  images. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 30  Les ondes sonores Ultrasons : réflexion Lorsqu'une onde atteint la frontière entre deux milieux différents, une partie de l'onde est réfléchie et un écho est produit. Dans l'application des ultrasons à l'échographie, nous devons tenir compte de cet effet, que nous pouvons exprimer comme suit : 2 I r  ρ1c1 − ρ 2 c2  ρ : densité du milieu en Kg m-3 =   c. vitesse des US I 0  ρ1c1 + ρ 2 c2  Lorsque les deux milieux ont des impédances acoustiques similaires, un faible écho est produit (tons gris), alors que s'il y a une grande différence, l'écho sera plus important (tons blancs) et même si la différence est très grande, pratiquement toute l'onde sera réfléchie et il n'y aura pas d'image. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 31  Les ondes sonores Ultrasons : réflexion En effet, l'un des problèmes majeurs des ultrasons est le passage des ultrasons de l'air vers les tissus, en raison de la grande différence de densité entre les deux milieux. Pour cela, on applique un gel qui permet aux ultrasons de passer sans les perdre par réflexion. Le gel ultrasonore présente les caractéristiques suivantes : Il est fluide : pour remplir tous les espaces entre la source/sonde et la peau. Il est visqueux : pour rester en place. Il possède l'impédance appropriée pour relier les deux milieux avec une perte d'énergie minimale due à la réflexion. Les ultrasons peuvent avoir un effet destructeur en raison de la formation d'une chaleur excessive ou de la rupture des membranes cellulaires. C'est pourquoi son utilisation est limitée à une intensité de 3 W/cm.2 © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 32  Les ondes sonores Ultrasons : Exemple 4 : La densité de deux tissus est de 1026 et 1068 kg/m3. Quel est le rapport des intensités entre l'onde incidente et l'onde réfléchie lorsque l'onde passe du milieu le plus dense au milieu le moins dense ? Considérons que la vitesse c est la même dans les deux tissus. © Copyright Universidad Europea. 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L'épaisseur de demi-réduction est l'épaisseur que les ultrasons doivent traverser pour réduire leur intensité de moitié. Cette épaisseur dépend:  de la fréquence des US  et des caractéristiques du tissu. valeurs moyennes : 3 MHz 2 cm 1 MHz 4 cm © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 35  Ondes sonores Ultrasons : effets non thermiques "Transmission acoustique" : augmentation de la circulation des fluides dans les tissus, en particulier près des membranes cellulaires. Cavitation : formation de microbulles dans les tissus en raison des changements de pression produits par la propagation de l'onde sonore. Effets biologiques : modèles in vitro et LIPUS. Harrison A, Alt V. Low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS) for stimulation of bone healing - A narrative review. Blessure. 2021 Jun;52 Suppl 2:S91-S96. doi : 10.1016/j.injury.2021.05.002. Epub 2021 May 12. PMID : 34020780. © Copyright Universidad Europea. 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Connaissant l'intensité (I), nous pouvons calculer la puissance car nous connaissons la surface de la sonde 𝑃𝑃 I= P= I x As 𝐴𝐴s Par conséquent, la puissance (Ps ) émise par l'appareil sera le produit de l'intensité et de la surface de la sonde (As). I : Intensité de l'appareil à ultrasons (W/cm2 ) Ps = I x As Ps : Puissance de la sonde ou de la tête (W) As : Surface de la sonde ou de la tête (généralement en cm2) © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 38  Les ondes sonores Ultrasons : dosage Dans la formule de puissance des appareils à ultrasons, il est courant que l'intensité soit mesurée en W/cm2 en raison de la taille des sondes. La surface de la sonde ou de la tête n'émet pas des ultrasons sur toute sa surface, de sorte que la zone de rayonnement efficace (ZRE ou ERA effective radiation area) est la zone qui émet réellement des ultrasons. L'ERA est un pourcentage dont il faut tenir compte pour connaître la puissance réelle. Si ERA = 100 %, multipliez par 1. Préele= Ps x ERA = I x A s x ERA Si ERA = 90 %, on multiplie par 0,9. Si ERA = 80 %, il est multiplié par 0,8. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 39  Les ondes sonores Ultrasons : dosage Les traitements par ultrasons permettent de calculer l'énergie appliquée au patient. Toutefois, les lésions étant très différentes d'un patient à l'autre, il est utile d'utiliser le concept de dose de traitement (D), qui correspond à l'énergie délivrée au patient par unité de surface de tissu. 𝑬𝑬 D= J/cm2 At Surface de tissu (At ) à différencier de As (surface de la sonde) La dose de traitement a pour unité toute unité d'énergie (Joules, calories ou kilocalories) par surface et est donc couramment exprimée en J/cm2. © Copyright Universidad Europea. 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Si nous disposons d'un appareil produisant une intensité de 2 W/cm2 (ERA 90%) et d'une tête de 5 cm2 et que nous voulons traiter un patient sur une surface de 10 cm2 , combien de temps devrons-nous appliquer au patient avec notre équipement ? © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados  Les ondes sonores Effet Doppler Lorsque la source produisant une onde et/ou l'observateur la recevant sont en mouvement, il y a une différence entre la fréquence de l'onde et la fréquence perçue par l'observateur. Ce phénomène est appelé effet Doppler. https://www.youtube.com/watch?v=UEBNJqUW5Ok © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 43  Les ondes sonores Effet Doppler : mesure du débit sanguin Le débit sanguin (Fs) est défini comme le volume de sang traversant la section transversale d'un vaisseau sanguin par unité de temps. Le débit sanguin est mesuré en m3/s. A : surface ou section transversale du vaisseau sanguin (m2 ). V : vitesse du sang mesurée en m/s. L'échographe permet de calculer le volume de sang circulant dans un vaisseau sanguin, la taille des vaisseaux, la présence d'obstructions... L'appareil à ultrasons émet une onde qui se comporte à la fois comme une source ou un émetteur fixe et comme un récepteur des mêmes ondes, lui aussi fixe. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 44  Les ondes sonores Effet Doppler : mesure du débit sanguin 1. L'appareil à ultrasons est un émetteur ou une source immobile et les globules rouges sont des récepteurs mobiles. 2. Les globules rouges sont des émetteurs mobiles et l'échographe est un récepteur fixe. fr = fréquence reçue par l'appareil à ultrasons f = fréquence émise par l'appareil à ultrasons c = vitesse de l'ultrason normalement dans le sang v c = vitesse des globules rouges ou vitesse du sang © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 45  Les ondes sonores Effet Doppler : mesure du débit sanguin Exemple 6 : Une artère d'un chien a un rayon de 4 x 10-3 m et la vitesse moyenne du flux sanguin dans cette artère est de 2,3 x 10-2 m/s. Si la vitesse des ultrasons dans le sang est de 1 570 m/s et que l'appareil émet des ultrasons à une fréquence de 5 x 106 Hz, quelle est la fréquence reçue par l'appareil ? Quel est le débit sanguin dans cette artère ? © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 46