La perception des ultrasons par l'Homme

Propriétés physiques du son :

• Cosinus n°44-novembre 2003, p.20

Fonctionnement de l'appareil auditif :

• http://outilsrecherche.over-blog.com/pages/Notes_111_Le_Systeme_Auditif_Humain-3080878.html

• http://www.lyc-briand-gap.ac-aix-marseille.fr/tpe_2003_2004/les_sons/l%27oreille.htm

• http://anso.pagesperso-orange.fr/page_le_fonctionnement.htm

• http://tecfa.unige.ch/tecfa/teaching/UVLibre/0001/bin32/pagesweb/audi.html

• http://www.centre-auditif-riviera.com/fonction_audition.html

• Atlas du corps de Richard Walker et Robert Winston, Gallimard Jeunesse, ISBN: 978-2-07-057417-9, publié le 9/03/2006

• « C'est pas sorcier - le bruit » sur le site de vidéo youtube.com

• http://aboudet.chez-alice.fr/doc_musique/son-nature.html
  

Fonctionnement de la cochlée :

• http://www.cochlee.org/

Compréhension de la dépolarisation:

• http://lyrobossite.free.fr/Depolarisation.htm
• Sciences de la Vie et de la Terre 1ère S de Jacques Bergeron, Hatier, ISBN: 978-2-218-73422-9, paru le 29/05/2001

Différence entre l'oreille canine et humaine

• http://www.journaldunet.com/science/biologie/dossier/tete-chien/2.shtml

Rappelons la problématique de notre TPE qui était :

Pourquoi l'oreille humaine ne peut-elle pas percevoir les ultrasons ?

Nous avons d'abord supposé que la différence entre les êtres vivants percevant les ultrasons et ceux qui ne les percevaient pas s'expliquait par la longueur de la cochlée. En suivant cette théorie, elle serait donc plus longue chez le chien que chez l'homme. Ce qui expliquerait par la même occasion sa plus grande faculté auditive.

Cependant, nous avons trouvé d'autres informations sur l'oreille canine qui nous ont ensuite amenées à une autre conjecture. Ce ne serait pas la longueur de la cochlée qui serait responsable de la perception des ultrasons mais les cellules ciliées. Le chien, où elles semblent beaucoup plus nombreuses que chez l'homme, peut entendre 30 000Hz au-dessus de la limite auditive humaine.

Seulement, nous n'avons trouvé qu'une seule source avançant cette dernière conjecture.

Par manque d'informations pouvant accréditer nos recherches, nous ne pouvons malheureusement pas affirmer l'une de ces deux hypothèses.

Le chien peut entendre jusqu'à 50 000Hz, soit 30 000Hz de plus que l'homme. Il a de plus une plus grande sensibilité auditive.

D'après le schéma ci-dessus, l’oreille du chien ne se différencie pas beaucoup de l’oreille humaine mais nous pouvons relever la présence d’une cavité intermédiaire que ne possède pas l’homme. Leurs oreilles peuvent pivoter grâce au muscle temporal et permettent ainsi une amplification et une localisation plus précise du son.

L'oreille externe et intermédiaire des canidés ne présentant pas de différences plus flagrantes, nous nous sommes intéressées à l’élément sensible de l’ouïe, l'organe de Corti.

Nous avons ainsi appris que la cochlée du chien comporterait un nombre bien plus important de cellules ciliées que l'homme. Ce qui expliquerait leur plus grande plage d'audition.

Vue d’ensemble

Cette expérience permet de prouver que nous n'entendons pas au-delà de 20 kHz. Nous le prouverons directement lors du passage à l'oral.

Afin de montrer notre démarche, nous vous proposons un exemple d'une fréquence en-dessous de 20 kHz, qui peut normalement s'entendre. Nous avons branché un haut-parleur sur un GBF (Générateur Basse Fréquence). Pour nous assurer qu'il y a bien une fréquence, nous avons branché en dérivation un oscilloscope.

Nous avons cherché à connaître le pourcentage d'erreur entre la fréquence affichée par le GBF et la fréquence tracée par l'oscilloscope.

Sur le réglage de l'oscilloscope, nous avons une sensibilité verticale (V/div) de 0,5 volts et un balayage (T/div) de 10 µs soit 1,0×10^-5 s

• T (temps en seconde) = balayage (T/div) × divisions (axe des abscisses)
  

<=> T = 1,0×10^-5 × 7

<=> T = 7,0×10^-5 s

• f (fréquence en Hertz) = 1 / T = 1 / 7,0×10^-5 = 14286 Hz  (f = fréquence)

Sur le GBF est affiché 14,95kHz soit 14950 Hz.

• Pourcentage d'erreur = [ (valeur théorique – valeur expérimental) / valeur théorique ] × 100

<=> [ (14950 – 14286) / 14950 ] × 100 = 4,4 %

D'après nos calculs, nous pouvons donc en déduire que l'imprécision des appareils s'élève à 4,4 % d'erreur environ.

Zoom sur le graphique de la fréquence

Zoom sur le réglage de l'oscilloscope

I. Anatomie de l'oreille humaine et rôles de ses organes

Notre oreille est partagée en trois parties:

• L'oreille externe qui comprend le pavillon et le conduit auditif.

• L'oreille moyenne qui comporte le tympan et les trois petits osselets (le marteau, l'enclume et l'étrier).

• L'oreille interne composée de la cochlée et du nerf auditif.

Le pavillon a une forme en coquille pour permettre de conduire les ondes sonores au conduit auditif, il permet d'amplifier un son. Le conduit auditif a sa fréquence de résonance oscillant entre 1000Hz (Hertz) et 4000Hz.

Le tympan est une membrane permettant de convertir l'énergie acoustique en énergie mécanique et les trois osselets vont répercuter cette énergie à la cochlée. L'oreille moyenne est un milieu aérien.

L'oreille interne est une cavité rigide La cochlée va transformer cette énergie mécanique en énergie électrique qui ira jusqu'au cortex auditif dans le cerveau.

schéma de l'oreille humaine

II. Fonctionnement de l'audition 

• 1. Au niveau général

Lorsque nous percevons un son, les ondes sonores font vibrer notre tympan de manière différente selon la fréquence de celles-ci. Le tympan fait vibrer le marteau qui va enchaîner le mouvement sur l'enclume, qui va ensuite répercuter les vibrations sur l'étrier, qui est en contact avec la cochlée.

L'étrier va taper contre la fenêtre ovale de la cochlée qui transmet les vibrations jusqu'au cortex auditif, qui analyse les informations auditives, en passant par le nerf auditif.

Si un son dépasse 85 dB, les muscles du marteau et de l'étrier se contractent faisant barrière à ce son en limitant leur intensité: c'est le réflexe stapédien.

• 2. Au niveau de l'oreille interne

L'oreille interne est formée de deux parties: la cochlée et le vestibule. Elle est à la fois l'organe de l'équilibre (dont nous n'allons pas nous occuper) et l'organe de l'audition.

Schéma de l'oreille interne

La rampe vestibulaire et la rampe tympanique renferment la périlymphe, et le canal cochléaire est rempli d'endolympe. L'endolymphe et la périlymphe sont des liquides permettant le bon fonctionnement des cellules sensorielles de la cochlée, elles constituent l'organe de Corti.

Les cellules sensorielles sont les cellules ciliées internes (CCI) et les cellules ciliées externes (CCE) qui reposent sur une membrane: la membrane basilaire.

Schéma de l'organe de Corti

Les cellules ciliées internes sont des cellules qui transforment l'énergie mécanique en flux nerveux.

Les cellules ciliées externes sont des amplificateurs de mouvements de la membrane tectoriale

Pour des sons supérieurs à 50 dB, lorsque l'étrier tape contre la fenêtre ovale, celle-ci ainsi que la membrane basilaire se déforment: les cellules ciliées internes ancrées dans la membrane basilaire s'inclinent et rentrent en contact avec la membrane tectoriale, ce qui va déplacer celle-ci. Elle va faire vibrer ces cellules qui vont ainsi transformer ces informations mécaniques en messages électriques.

Pour des sons inférieurs à 50 dB, la membrane basilaire ne se déforme pas assez pour incliner les cellules ciliées internes, alors les cellules ciliées externes rattachées à la membrane tectoriale, avec un mécanisme de contraction, se contractent, ce qui va déplacer la membrane tectoriale. Elle va entrer en contact avec les cellules ciliées internes, il y aura donc création de messages nerveux.

L'étirement des cils, vers l'arrière, des cellules ciliées internes libèrent un neurotransmetteur: le glutamate.

Le glutamate est libéré grâce à la dépolarisation de la cellule ciliée interne par les ions potassium K+. Une dépolarisation, produite par une stimulation, positive progressivement le potentiel électrique de la membrane dans la cellule, due à une répartition différente des ions de part et d'autre de la membrane plasmique, et à l'ouverture/fermeture de canaux ioniques. Le potentiel est positif lorsque les ions sont plus chargés positivement dans le milieu intracellulaire (MIC) que dans le milieu extracellulaire (MEC). Ces ions passent à travers des canaux ioniques (pompes sodium/potassium par exemple). Cette dépolarisation va ouvrir les canaux calcium Ca2+, et ces ions calcium entrant, vont libérer le glutamate et faire sortir les ions K+ de la cellule. L'information nerveuse est envoyée.

Schéma de la libération du glutamate d'une CCI (Image par S. Blatrix, extraite du site "Promenade autour de la cochlée" site éducatif http://www.cochlee.info par R. Pujol et coll., INSERM et Université de Montpellier)

Schéma du fonctionnement d'une cochlée saine pour un son inférieur à 50 dB

1: Vibration de la cloison cochléaire

2: Mouvement de la membrane tectoriale et excitation de la cellule ciliée externe

3: Contraction des cellules ciliées externes

4: Excitation de la cellule ciliée interne

5: Départ du message nerveux du nerf auditif

MT: Membrane tectoriale

MB: Membrane basilaire

TC: Tunnel de Corti

D: Cellules de Deiters (cellules de soutien)

SSI: Sillon spiral interne

• Vidéo qui illustre aussi le mécanisme de l'ouïe 

Les cellules ciliées situées à l'entrée de la cochlée sont sensibles aux sons aigus tandis que celles situées au sommet de la cochlée le sont pour les sons graves.

Schéma de la répartition des fréquences d'une cochlée saine

Remarque :

Nous pouvons aussi entendre un son via notre chair et nos os. En effet, les ondes sonores peuvent se propager à travers les os du crâne et notre peau.

III. Analyse de l'information auditive par le cerveau

Les informations auditives sont donc transformées en flux nerveux par les cellules ciliées de la cochlée.

Ces informations sont analysées par le noyau cochléaire. Ce centre nerveux active le réflexe stapédien. Les deux nerfs auditifs se rejoignent dans ces centres nerveux qui comparent les informations données par les deux oreilles, décodent la durée, la fréquence et l'intensité du son. Le relais continue jusqu'au colliculus inférieur (au niveau du mésencéphale) qui permet la localisation du son, va dans le thalamus où commence la préparation d'une réponse (vocale par exemple) puis se termine dans le cortex auditif où l'information est décodée, reconnue et mémorisée pour donner une réponse.

Schéma du trajet de l'information nerveuse (Image par S. Blatrix, extraite du site "Promenade autour de la cochlée" site éducatif http://www.cochlee.info par R. Pujol et coll., INSERM et Université de Montpellier)

Remarques :

Si on reste exposé trop longtemps au bruit, le glutamate se forme à la base des cils, l'encrasse et le message nerveux est erroné, ou les cils se mettent à vibrer quand il n'y a pas de bruit ce qui provoque des bourdonnements. Certains cils peuvent aussi casser et l'information ne peut plus passer au cerveau.

En excès, le glutamate peut-être toxique et provoquer la mort neuronale.

Le son est une onde produite par la vibration mécanique, propagée grâce à l’élasticité du milieu environnant sous forme d’ondes longitudinales. Elle peut donner naissance à une sensation auditive.

Onde sonore : la forme d’une onde est sinueuse, elle monte et descend alternativement. Une onde sonore a besoin d’un milieu matériel pour se propager, contrairement aux ondes électromagnétiques.

Fréquence : correspond au nombre de fois où un phénomène se produit de façon identique par unité de temps (en général la seconde ; 1 cycle par seconde = 1 Hertz)

Pour faire du bruit, un objet doit bouger ou vibrer. Les mouvements sont transmis dans le milieu environnant (air, liquide, solide). Les molécules sont bousculées par les vibrations de l’objet et accompagnent le mouvement. Ainsi de suite, les molécules s’entrechoquent, formant des zones comprimées et des zones de dépressions. C’est la formation d’une onde sonore.

A force de déplacer des molécules qui lui offrent une résistance, l’énergie diminue. La puissance d’une voix humaine peut donc porter à quelques dizaines de mètres et peut atteindre 850km de distance pour la baleine bleue.

Remarque :

La formation d’ondes sonores peut être assimilée aux vagues se formant quand on jette un caillou.

Ces ondes ne se déplacent pas à la même vitesse selon le milieu. Plus il est dense et riche en molécules proches les unes des autres, plus le son se propage bien. Il se propage donc plus vite dans un liquide que dans un gaz.

Ex : le son se déplace à 1 425 m/s dans l’eau soit 4 fois plus que dans l’air où il se déplace à 340 m/s

L’acier le propage 15 fois plus vite que dans l’air soit à 5 km/s

La vitesse du son dépend aussi de la température. Plus le milieu à une température élevée, plus les molécules qui s’agitent déjà transmettent rapidement la vibration.

Le son peut avoir une tonalité, grave ou aigu. Cette différence vient de la fréquence des « vagues » en Hertz. Un son est donc aigu quand la fréquence est grande et il devient plus grave lorsque la fréquence est plus faible.

Un son peut aussi changer de tonalité lorsque l’émetteur (ex : voiture) ou le récepteur est en mouvement. C’est l’effet Doppler.

Décibel : unité de mesure de la puissance sonore calculée à partir du seuil d’audibilité humaine de 10*-12 watt.

L’oreille n’entend pas tous les sons. Cela dépend de leur fréquence et de leur intensité. L’homme perçoit les sons compris entre 16 Hz et 20 000Hz. Les sons en dessous de 16 Hz sont appelés infrasons et au-dessus de 20 000 Hz, ils sont appelés ultrasons.

Quelques animaux comme la baleine et le dauphin peuvent entendre jusqu’à 130 000 Hz. L’éléphant, lui, est le seul à pouvoir produire et entendre les infrasons. (Il possède un organe spécifique situé à la base de sa trompe. Cela lui permet de communiquer avec ses congénères dans la savane.)

Dans le son, il y a donc la tonalité, la fréquence et l’intensité, en décibel. L’oreille humaine peut entendre entre 0dB à 130 dB, soit de l'à peine audible au seuil de la douleur. A 130 dB, le son peut alors devenir une véritable nuisance et même un danger pour la santé dépendant du niveau sonore et de la durée d’exposition. Il peut entraîner la perte d’une partie ou de la totalité de la capacité auditive, des migraines, des problèmes cardio-vasculaires ou même l’apparition de troubles psychologiques.

Les ultrasons sont renvoyés à chaque obstacle, comme le principe de l’écho mais avec des sons de fréquences très élevées, ils peuvent être renvoyés par des obstacles aussi petits que des fils fins comme un cheveu. Des outils tel que le sonar, le radar et l’échographie fonctionnent sur ce principe et copient par la même occasion le système de localisation qu'utilisent les chauves-souris et les dauphins.

Remarques :

- Dans l’espace il n’y a pas de son car il n’y a pas de matière pour propager une onde sonore.

- Certains disent que les oiseaux préféraient chanter à l’aube (ou au coucher du soleil) car l’air y est plus riche en humidité et transporte bien mieux les sons.

- Au-delà de 60 dB, un bruit peut modifier la perception des goûts suivant un mécanisme encore in

Nous sommes trois élèves de première S1 du lycée Philibert Delorme à l'Isle d'Abeau (Isère, France).
Dans le cadre des Travaux Personnels Encadrés (TPE) et sur le thème de "l'homme et la nature", nous allons vous présenter le son et l'oreille humaine dans le but de répondre à cette problématique :

Pourquoi l'oreille humaine ne peut-elle pas percevoir les ultrasons ?

Bonne visite et n'hésitez pas à mettre des commentaires !

Marie, Margaux et Marlène.