Analyse du Doppler fœtal 2 MHz pour expériences sonar

Démontage et Modification d'un Doppler Fœtal : De l'Onde Continue au Sonar à Impulsions

Un Doppler fœtal est un appareil permettant d'écouter le battement de cœur d'un fœtus à une fréquence de 2–3 MHz. La fréquence de fonctionnement réelle, mesurée sur un appareil démonté, est de 2 MHz, bien que l'affichage indique 3 MHz. Le principe repose sur l'effet Doppler : l'élément piézoélectrique émetteur génère en continu un signal ultrasonore, et l'élément récepteur capte le signal réfléchi par des surfaces en mouvement, comme les parois cardiaques.

Le signal est amplifié, comparé en phase avec une référence (en utilisant une méthode de détecteur en quadrature), et converti en un signal audio basse fréquence via des puces comme le LM324. Un microcontrôleur (avec marquages effacés) compte la fréquence des impulsions et l'affiche, tout en produisant un son sur un haut-parleur.

Le circuit du capteur comprend deux éléments piézoélectriques : un émetteur avec un générateur sur un résonateur céramique (puce AB42) et un récepteur avec un préamplificateur. Un filtre passe-bas élimine le bruit.

Démontage et Schéma

La carte contient un microcontrôleur, un pilote d'alimentation, un amplificateur audio et un afficheur. Le capteur contient les éléments piézoélectriques émetteur et récepteur connectés via l'inductance L1. Le schéma de la partie émettrice :

[Générateur AB42] --> [Tampon] --> L1 --> Piézo TX
Piézo RX --> Amplificateur --> FPB

La fréquence réelle de 2 MHz a été confirmée avec un oscilloscope. En mode onde continue, la faible puissance est suffisante pour la détection audio des pulsations à des distances allant jusqu'à 10–15 cm dans les tissus.

Modification pour le Mode Impulsionnel

L'objectif est la conversion en sonar pour enregistrer les réflexions. Un tampon SN74AHC1G125D a été soudé dans la coupure de L1 pour contrôler l'émission. Le contrôle provient d'un générateur d'oscilloscope : des salves d'impulsions de 5 µs de durée (10 périodes à 2 MHz), avec une période de répétition de 2–3 ms.

Calcul de distance : une période ~0,7 mm (vitesse du son ~1400 m/s dans les tissus/eau). Le circuit reste non optimisé : sans amortisseurs et avec des circuits résonnants, causant des artefacts.

Connexion :

• Sortie de l'amplificateur vers l'oscilloscope pour la réception.
• Tampon contrôlé par un signal logique.

Forme d'impulsion sur TX : salves rectangulaires avec une amplitude suffisante pour exciter l'élément piézoélectrique.

Expériences en Mode Impulsionnel

Tests sur des récipients d'eau (bon conducteur acoustique) :

• Alimentation verticale du signal dans un verre : le temps de réflexion depuis le fond correspond au calcul (profondeur ~10 cm).
• Alimentation latérale à travers la paroi d'un bassin avec gel : réflexions claires d'une main en mouvement sous l'eau.
• Le diagramme de directivité du capteur est étroit ; le signal est enregistré le long du trajet de propagation.

L'application sur le corps n'a donné aucune réflexion : faible puissance, enveloppe d'impulsion inadaptée, atténuation dans les tissus et les couches graisseuses. L'oscilloscope n'est pas optimal pour les signaux faibles.

Points clés :

• La fréquence réelle est de 2 MHz, et non 3 MHz comme indiqué.
• Le mode onde continue est uniquement adapté au décalage Doppler, pas à l'écholocalisation.
• La modification en impulsions donne des réflexions approximatives dans l'eau mais est inutile pour les tissus sans amplification de puissance.
• L'appareil alimenté par batterie n'est pas adapté à un scanner ultrasonore complet.
• Applications potentielles : démonstrateur, détecteur de poissons d'aquarium, sonar jouet.

Applications Potentielles et Limites

Le Doppler modifié démontre les principes de base du sonar mais est limité par la puissance et la conception du circuit.

• Démonstrateur : pour enseigner l'écholocalisation ultrasonore.
• Sonar jouet : pour des modèles dans une baignoire.
• Détecteur de poissons d'aquarium : détection d'objets dans de petits volumes.

Un scanner ultrasonore complet nécessite une architecture différente : générateurs d'impulsions haute puissance, transducteurs amortis, amplificateurs TGC et convertisseurs A/N haute résolution.

— Editorial Team