Sonde à ultrason (HU)

Traduction anglaise : ultrasound probe

Dernière mise à jour : 20/07/2025

Dispositif équipé d'un émetteur d'ondes sonores à haute fréquence et d'un récepteur, utilisable pour mesurer des distances ou des vitesses dans différents milieux ; les sondes à ultrason sont en particulier utilisées en hydrologie pour mesurer des hauteurs d'eau ou de sédiments ou encore des vitesses.

Principes de fonctionnement

Différents principes peuvent être mis en œuvre.

Mesure du temps de transit

On mesure le temps mis par le faisceau d’ultrasons pour parcourir la distance entre la source et le récepteur,

• soit de façon directe sur un trajet simple (dans ce cas la source et le récepteur sont distincts) ;
• soit en mesurant le temps d'un aller-retour après réflexion du faisceau sur un obstacle ou un changement de milieu (par exemple interface eau-air ou eau-sol) (dans ce cas le même appareil peut servir de source et de récepteur).

Mesure de la distance entre la sonde et un interface eau-air

Dans ce type d'utilisation, l'émetteur et le récepteur sont généralement placés dans le même appareil (écho-sondeur). Le faisceau d’ultrasons se réfléchit sur l'interface eau/air et la distance entre la sonde et la surface d'eau est égale à la moitié du temps de parcours divisée par la vitesse de propagation dans le milieu. La source peut être aérienne (mesure du haut vers le bas) ou immergée (mesure du bas vers le haut) (figure 1). Connaissant la position de la sonde, il est possible d'en déduire le niveau de l'eau ou sa profondeur. Voir Limnimètre (HU).

Figure 1 : Utilisation d'une sonde à ultra-son pour mesurer une hauteur d'eau.

Mesure de la distance entre la sonde et un interface eau-obstacle

Dans ce case l'écho-sondeur est immergé près de la surface, à une profondeur connue, le faisceau est émis vers le bas et on utilise l'interface entre le fluide et l'obstacle à détecter pour renvoyer le signal. Cette technologie permet par exemple de relever des profils bathymétriques (dans ce cas la sonde est généralement installé dans un bateau ou un drone). Il est également possible d'utiliser la même solution pour mesurer l'épaisseur de vase ou de sédiments au fond d'un lac ou d'une conduite (si l'on connait la distance au radier) ou pour mesurer la profondeur d'un obstacle dans l'eau (banc de poissons par exemple) (figure 2). Voir Echo-sondeur (HU).

Figure 2 : Utilisation d'une sonde à ultrasons en bathymétrie.

Mesure du temps de transit entre deux sondes

Dans cette situation, on place deux sondes face à face, alignées suivant une droite parallèle à la pente du fond et biaise par rapport à l’axe principal (voir figure 3) et on compare le temps mis par l'onde dans le sens amont-aval (la vitesse de l'eau s'ajoute à la vitesse de l'onde) avec le temps mis par l'onde pour aller dans le sens aval-amont (la vitesse de l'eau se retranche à la vitesse de l'onde) (méthode dite des temps de transit). On peut ainsi en déduire la vitesse de l'écoulement. Voir Vélocimètre (HU).

Figure 3 : Schéma de principe d'un dispositif de mesurage de la vitesse par ultrasons en utilisant la méthode du transit.

Mesure du changement de longueur d'onde (effet Doppler)

L'effet Doppler est un phénomène physique selon lequel la fréquence d'une onde est modifiée lorsque la source émettrice de l'onde (ou celle de l'objet qui la réfléchit) est en mouvement par rapport à l'observateur (ou par rapport au récepteur). L'effet Doppler affecte tous les types d'onde, donc les ondes acoustiques.

Ce phénomène permet :

• de mesurer la vitesse d'un mobile : On envoie une onde ultrasonore vers l'objet en mouvement, on mesure le changement de longueur d'onde entre l'onde émise et l'onde réfléchie et on en déduit la vitesse du mobile ;
• de mesurer la vitesse d'un écoulement : Par analogie avec le système précédent, on envoie une onde ultrasonore dans le sens de l'écoulement, cette onde se réfléchit sur les particules présentes dans l'eau et on mesure le changement de longueur d'onde entre l'onde émise et l'onde réfléchie ; on en déduit la vitesse moyenne des particules, donc celle du fluide qui les transporte. Voir Vélocimètre (HU).

Débitmétrie ultrason

Il existe sur le marché des débitmètres à ultrasons intégrant différents types de sonde et capables de mesurer à la fois la hauteur d'eau et la vitesse et d'en déduire le débit connaissant la forme de la section (figure 4). Voir Débitmétrie (HU).

Figure 4 : Exemple de débitmètre transportable dans lequel les sondes de mesures de vitesse et de hauteur à ultrason sont intégrées ; crédit photo Bernard Chocat.

Voir aussi : Débitmétrie (HU).