LE SON
Sommaire
I. Caractéristique du son :
1. Fréquence et hauteur
2. Amplitude et intensité
3. Le timbre
a) Joseph Fourier
b) Fréquences fondamentales et harmoniques
c) L’attaque d’un son
II. Perception :
1. Anatomie et fonctionnement de l’oreille
a) L’oreille externe
b) L’oreille moyenne
c) L’oreille interne
2. Le message nerveux auditif
III . Bibliographie
Introduction
Il faut savoir que le son n’existe que par l’intermédiaire des êtres vivants qui ont la capacité d’entendre. En effet, le son est une sensation auditive engendrée par une onde acoustique, une vibration de l’air.
Le son ne prend naissance que dans le cerveau d’un individu, puisque avant que l’oreille ne le réceptionne, le son prend la forme d’une onde acoustique.
La caractéristique de l’onde sonore permet d’opposer le son au bruit. En effet on dit qu’une onde est acoustique lorsque la perturbation de la matière se reproduit à l’identique et à intervalles réguliers, donc périodiques, ce qui n’est pas le cas d’une onde produite par un bruit.
En analysant ces phénomènes, nous allons essayer de comprendre comment peut-on distinguer une note produite par deux instruments différents ? Pour cela, nous étudierons dans un premier temps les caractéristiques du son et nous terminerons sa perception via l’oreille
humaine.
I. Caractéristiques du son :
Une onde acoustique est définie par sa fréquence et son amplitude.
1.1. Fréquence
La fréquence ou hauteur correspond à la forme de l’onde. Cette fréquence indique le nombre d’oscillations complètes de l’onde effectuées par seconde, cette valeur est exprimée en Hz.
La période T = nombre de divisions/seconde multipliée par la base temps (en seconde) et donc la fréquence f = 1/T .
Nous pouvons remarquer que plus la fréquence est élevée plus le son est aiguë. En musique pour un son grave, la distance entre les crêtes est plus grande : il y a moins d’oscillations en une seconde que lorsque le son est plus aiguë.
Son grave émis par une trompette Son aigue émis par une trompette
Fréquence 111Hz Fréquence 500Hz
1.2. Amplitude
L’intensité représente le déplacement des molécules d’air exprimées en décibels dB. Cette caractéristique nous permet de distinguer un son faible d’un son fort. Plus le son est fort plus la hauteur de l’onde est grande.
Son fort émis par un diapason Son faible émis par un diapason
Les décibels sont définis sur une échelle logarithmique.
Aperçu des ordres de grandeur |
|
dB(SPL) |
Source |
0 |
audition |
50 |
maximum conseillé |
100 |
douleur |
150 |
déchirure des tympans |
200 |
mort |
250 |
bombe atomique |
300 |
maximum connu |
Cette échelle correspond à la gamme d’intensités sonores audibles et supportables par un être humain qui varient de 10-12 W.m-2 pour le son le plus faible et 1 W.m-2 pour le plus fort. Sur l’oscilloscope elle est définie par l’amplitude de l’onde.
1.3. Le timbre
Le timbre est une des caractéristiques du son. Cette composante est essentielle dans son analyse et n’a été que tardivement comprise.
Grâce aux recherches de l’acoustique musicale on sait que le son musical provient d’un son composé par un ensemble de fréquences fondamentales et de plusieurs harmoniques.
a. Joseph Fourier
En 1798, il rejoignit la campagne d'Égypte de Bonaparte. En 1816, il fut élu à l'Académie des sciences et en 1827, à l'Académie française. Il doit sa réputation à ses travaux sur les mathématiques et sur la physique mathématique.
Dans son traité sur la Théorie
c’est- à -dire des sous-multiples d’une même longueur d’onde dite fondamentale.
L’image concrète de cette méthode est donnée par la surface
d’un océan qu’on peut décrire comme résultant :
1 de la composition de vagues (les fonctions sinusoïdales)
2 de hauteurs (les amplitudes)
3 de distances entre les vagues (les longueurs d’ondes).
Elle est applicable plus généralement dans tous les domaines faisant intervenir des ondes et notamment dans le cas de la décomposition d’un son quelconque en une somme de sons purs. En éliminant certaines sinusoïdes, donc certaines longueurs d’ondes ou certaines fréquences, on peut ainsi filtrer un son du bruit de fond.
b. Fréquence fondamentale et harmoniques
La fréquence fondamentale détermine la hauteur du son.
En acoustique, cette fréquence ou son fondamental est l'harmonique de premier rang d'un son.
Le son le plus simple acoustiquement parlant n’a qu’une harmonique, la fréquence fondamentale, les autres harmoniques ayant un module nul.
Les harmoniques d'un son musical sont des fréquences multiples entiers de cette première harmonique. En d’autres termes, un harmonique correspond à une fonction trigonométrique sinusoïdale (f(x)cos et sin > fonction sinusoïdale) dont la fréquence est un multiple entier de la fonction périodique décomposée. La somme des harmoniques d’une fonction périodique reconstitue la fonction.
Décomposition spectrale du diapason produisant un son pur. On remarque une harmonique, la fondamentale de 400 dB.
Décomposition spectrale d’un « la » produit par une trompette. Nous pouvons remarquer la fondamentale de 400 dB puis d’autres fréquences, dites harmoniques s’ajoutant à cette première.
La décomposition du spectre sonore fut découverte dans les années 1940 par les laboratoires Bell. Elle a put être visualisée grâce au sonagraphe, elle est représentative de la tonalité, dimension du phénomène sonore, soit la représentation graphique de l’amplitude en fonction de la fréquence par rapport au temps.
Nous pouvons donc supprimer la fréquence fondamentale : l'oreille continuera à percevoir une hauteur précise, uniquement par l'analyse des intervalles entre chaque harmonique. Si les harmoniques ne sont pas des multiples entiers de la fondamentale, on parle alors de partiels et le son et dit inharmonique.
Par exemple, le son des percussions est composé uniquement de partiels qui n’ont pas de hauteurs fixes.
d. L’attaque d’un son
Les fréquences de partiels inharmoniques sont importantes dans la nature du son. Les transitoires d’attaques soit les portions infimes de l’attaque du son et ont une importance dans la perception du timbre. Ces transitoires sont des phénomènes qui peuvent durer de 20ms à 200ms voir 300ms selon les instruments.
De plus Le physicien Hermann von Helmholtz découvre que la qualité sonore d’une note de musique, dépend de la nature des harmoniques qui la composent c'est-à-dire de son timbre.
Nous avons répondu à la première partie de notre problématique. Le timbre étant le facteur qui permet de distinguer une même note produite par deux instruments de musique différents. Mais comment est-il perçût par l’oreille humaine ?
II. Perception :
2.1. Anatomie et fonctionnement de l’oreille :
L’oreille comprend trois parties :
a. L’oreille externe
Le pavillon est la partie visible de l'oreille. Il capte et concentre les ondes sonores, tout en amortissant la brutalité du passage de l’air libre à l’air déjà présent dans le conduit auditif. Puis, les ondes acoustiques passent à travers le conduit auditif en se comportant comme des ondes rectilignes sur une longueur d’environs deux à trois cm avant de rencontrer la membrane du tympan. Le tympan se met alors à vibrer, comme une membrane élastique tendue sur un tambour, sous l’effet des variations des ondes dans le conduit. Les vibrations sont transmises dans l’oreille moyenne.
1 pavillon
2 le conduit auditif
3 le tympan
b. L’oreille moyenne
L’oreille moyenne est composée d’osselets reliant le tympan à la fenêtre ovale et assurant la transmission des vibrations du tympan.
La chaîne d’osselets est composée de trois os. Elle contient les plus petits os du corps. Le Marteau, qui est attaché au tympan. L'os central est appelé l'Enclume et le dernier os s'appelle l'Étrier. Ce dernier est connecté à la fenêtre ovale - une membrane menant vers l‘oreille interne. Les vibrations sonores heurtant le tympan sont renforcées par l'action de la chaîne des osselets, qui est semblable à celle d'un piston.
La trompe d'Eustache est un tube menant l'espace de l'oreille moyenne à l'arrière de la gorge, le pharynx. Elle sert à égaliser la pression de l'air sur les deux faces du tympan lorsque nous déglutissons. Une pression inégale est responsable de l'impression 'bouchée' que vous ressentez parfois lorsque vous conduisez sur une route de montagne ou prenez l'avion. Lorsque la trompe d'Eustache s'ouvre, vous ressentez un "pop" au moment où la pression s'égalise. Vos oreilles retrouvent donc leur état normal.
Le rôle de l’oreille moyenne est double :
- Elle doit d’abord protéger l’oreille interne de sons trop puissants et elle transforme les vibrations aériennes arrivant de l’oreille externe en action mécanique analysable par l’oreille interne grâce au fonctionnement mécanique des osselets. Ce phénomène mécanique permet de limiter la perte d’énergie due à la transmission de vibrations d’un milieu gazeux (oreille externe) à un milieu liquide (oreille interne).
Cette transformation de l’information sonore se déroule donc ainsi : les vibrations du tympan entraînent successivement celles du bloc marteau- enclume, puis celles de l’étrier qui les transmet à l’oreille interne via la fenêtre ovale.
- On peut ajouter qu’à partir de 80 dB, un réflexe protecteur est mit en place afin de réduire la transmission de pression vers l’oreille interne, par une inhibition des mouvements des osselets par les muscles qui les lient à l’oreille.
4 le marteau
5 l’enclume
6 l’étrier
7 la trompe d’Eustache
c. L’oreille Interne
8 Canaux semi-circulaires (vestibulaires).
9 Cochlée ou limaçon
10 L’organe de Corti
L’oreille interne comprend des canaux semi-circulaires, appelés aussi système vestibulaire, et la cochlée ou limaçon
Le système vestibulaire de l’oreille fait partie du système d'équilibre du corps. Ce système contient des cellules sensorielles transmettant les informations concernant la position et les mouvements de la tête.
La cochlée a la forme d'une coquille d'escargot et contient l'organe sensoriel d'audition. Elle est encastrée dans l'os temporal, l'os le plus dur du crâne. L'anatomie de la cochlée est très complexe et la fonction de cet admirable organe n'est pas encore entièrement élucidée. La cochlée est enroulée environ 2,5 fois sur elle-même et contient 3 compartiments remplis de fluide.
1 Le vestibule membraneux
L'appareil vestibulaire se constitue de trois canaux semi-circulaires, disposés orthogonalement dans les trois plans. Ils sont remplis de la même endolymphe que le canal cochléaire.
Les récepteurs vestibulaires sont sensibles à la pesanteur, et la disposition des canaux semi-circulaires dans trois plans perpendiculaires est en rapport avec l'espace à trois dimensions. Si notre tête occupe une position inhabituelle, les influx vestibulaires tendent, par voie réflexe, à rectifier cette position. Privé de ses labyrinthes l'homme serait incapable de se tenir debout. Lorsque l'oreille est soumise à un mouvement, l'inertie de ce liquide rend ce mouvement détectable par des cellules ciliées, tout à fait similaires à celles de la cochlée.
La chaîne des osselets transmet les vibrations du tympan à la fenêtre ovale en les amplifiant. Il en résulte un mouvement de va-et-vient de la périlymphe (chaque fois que la fenêtre ovale se déprime, la fenêtre ronde se
bombe, et inversement) qui déforme le canal cochléaire et fait vibrer les fibres élastiques de la membrane basilaire.
La vibration d'un groupe de fibres élastiques de la membrane basilaire excite le segment l'organe de Corti situé à son contact. Il en résulte un influx nerveux.
2 La cochlée
La cochlée ou limaçon, est constituée de trois compartiments divisés par deux membranes.
1. la rampe vestibulaire, aboutissant à la fenêtre ovale.
2. la rampe tympanique aboutissant à la fenêtre ronde.
Ces deux cavités communiquent entre elles au sommet de la cochlée et renferment la périlymphe.
3. le canal cochléaire est située entre ces deux rampes et renferme l’endolymphe. Ce canal situé au centre de la cochlée est séparé des deux autres cavités par deux fines membranes :
La membrane de Reissner, entre le canal cochléaire et la rampe vestibulaire.
La membrane basilaire entre le canal et la rampe tympanique.
Les vibrations transmises par la chaîne des osselets de l’oreille moyenne, montent dans la rampe vestibulaire jusqu'au sommet, appelé hélicotrema, et redescendent dans la rampe tympanique, tout en se propageant dans le canal cochléaire.
Les cellules ciliées de l'organe de Corti transmettent les informations sonores aux fibres nerveuses.
3 L’organe de Corti
11 nerfs auditifs
12 cellules ciliées internes
13 membrane tectorial
14 cellules ciliées externes
L'analyse des perturbations mécaniques, qui vont se propager dans l'oreille, va se faire grâce à l'organe le plus important de l'ouïe : l'organe de Corti. Cet organe est composé de 14000 cellules ciliées au contact desquelles prennent naissance les fibres du nerf auditif.
Sous l'effet du son, la fenêtre ovale va donc bouger, faisant se déplacer la membrane basilaire : les cellules ciliées internes, solidaires de cette membrane, s'inclinent et vont envoyer des impulsions nerveuses. En effet, sous l'effet de ce déplacement, les fibres liées aux cellules de Corti sont excitées et transmettent donc un message nerveux jusqu'à leur rassemblement dans le nerf vestibulaire.
Cependant, ce mécanisme ne fonctionne que pour un niveau sonore supérieur à 50 décibels car en dessous de ce seuil, la membrane basilaire se déforme, pas suffisamment pour incliner les cellules ciliées internes mais le liquide contenu, la périlymphe, va entrer en résonance créant des ondes hydrauliques. Le limaçon entre alors en jeu : les cellules ciliées externes des ganglions spinaux de Corti réparties entre les deux rampes vont ressentir, accentuées par la forme d'escargot du limaçon, les différences de pression les plus minimes entre les deux liquides (périlymphe, en mouvement, et endolymphe) et donc vont envoyer des impulsions dans le nerf cochléaire.
2.2. Le message nerveux auditif
Il est donc l'expression conjointe des informations de deux nerfs qui se rejoignent avant le cerveau sous le nom de nerf auditif ou nerf VIII : le nerf vestibulaire, issu du vestibule membraneux, et le nerf cochléaire, issu du limaçon, transmettent des informations sur le son relatives à la fréquence, l'intensité et à la composition des vibrations, ainsi que celles qui se rapportent à la position de la source sonore dans l'espace.
Le nerf VIII ne contient pas moins de 35000 fibres nerveuses (soit 10 par cellule ciliée) qui transmettent au cerveau des informations identiques entre elles. Ce nerf pénètre dans le tronc cérébral au niveau du bulbe rachidien. Après plusieurs relais synaptiques, les fibres auditives parviennent à l'écorce cérébrale : elles sont alors cent fois plus nombreuses car le nombre de neurones disponibles augmente à chaque relais.
Il faut moins de vingt millisecondes pour que les ondes sonores soient transmises au cerveau sous la forme d'un stimulus nerveux. Le traitement simultané de l'information sensorielle par le cortex auditif permet de garder au message sa globalité et son intelligibilité initiale : l'individu entend, localise, comprend le son.
Le trajet du son (représenté ici de haut en bas) à travers notre système nerveux suit les étapes suivantes :
Conclusion
Nous connaissons maintenant les mécanismes de la perception qui permettent la reconnaissance d’un son dû au timbre, ce dernier jouant un rôle très important dans la perception du son. Mais est-ce que le timbre joue-t-il le même rôle dans le cas de la perception d’un infrason, d’ultrason ou d’un bruit quelconque ?
III . Bibliographie ~ Sitographie
I) Bibliographie
-Terminal S enseignement SPE Physique-Chimie Edition Bordas
-Physique-Chimie collection Paris : SPE Terminal S Edition Belin
-Logiciel Latis Pro ~ Analyse de Fourier
-Résultats de l’UFR Sciences
-Encyclopédie Larousse 2003
-Encyclopédie Microsoft Encarta 2006
II) Sitographie
http://www.physio.chups.jussieu.fr/Audition.pdf
