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L'homme possède cinq sens : l'odorat, le toucher, la vue, le goût et l'ouïe. Nous avons choisi de nous intéresser à l'ouïe et à l'atmosphère sonore à laquelle les hommes sont soumis en permanence. Différents sons nous entourent et influencent positivement ou négativement notre organisme. Il serait alors intéressant de voir quelles sont les conséquences des sons perçus par nos oreilles sur notre corps. L'étude et l'analyse du son sont primordiales pour comprendre comment nos oreilles perçoivent les sons et par la suite comment le cerveau les interprète.
Thème: Structure Matières: Physique et Sciences et Vie de la Terre |
L'atmosphère sonore
Définition du son
Une sensation est un phénomène qui traduit, de façon interne chez un individu, une stimulation d'un des organes récepteurs, ici la sensation auditive stimule l'oreille.
Une perturbation est une modification locale et temporelle des propriétés physiques du milieu. Une onde consiste en la propagation d'une perturbation dans un milieu.
Un son est une sensation auditive engendrée par une onde acoustique, c'est-à-dire une onde non palpable.
On peut l'identifier en utilisant son intensité sonore, sa fréquence et son timbre. Le son est une onde sinusoïdale, elle est issue de la fonction sinus qui permet de calculer le sinus d'un angle à partir de la valeur de cet angle.
Illustration de la période et de l'amplitude:
L'intensité sonore, ou niveau sonore dépend
de la pression acoustique crée par la source sonore. La
pression se représente sous forme d'une onde sinusoïdale dont l'amplitude "P" caractérise
le niveau de pression acoustique. Plus cette pression est forte plus
le volume l'est aussi. Elle se mesure en pascal (Pa).
La fréquence, mesurée
en Hertz (Hz), est le nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit
par unité de mesure de temps, l'unité du système international de temps est la
seconde (s).
La hauteur d'un son est la fréquence F de l'onde
périodique.
On utilise le terme de timbre pour qualifiés une voix ou le son d'un instrument.
Le timbre est défini par ses harmoniques, ondes moins perceptibles, dont les fréquences sont des multiples de la fréquence F dite fondamentale: 2F, 3F, 4F, 5F, 6F...
Les oscillogrammes mesurant un même son montrent la différence entre chaque timbre, en effet la fréquence fondamentale peut être la même mais le timbre diffère en fonction de l'intensité et de l'amplitude de ces harmoniques.
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| Exemples de spectres de son de différents instruments jouant la même note |
Le spectre de son, représentation de l'amplitude des harmoniques en fonction de la fréquence, ne sera donc pas pareil pour la même note jouée par deux instruments différents, comme le montrent les spectres de son ci-dessus.
Par exemple, c'est le timbre qui permet de reconnaître une note jouée par un piano ou par un violon, ou encore la voix de quelqu'un.
On dit qu’un son est riche, à droite ci-dessous, et agréable à entendre, lorsqu’il contient de nombreux harmoniques : c'est un son complexe. A l'inverse, un son pur n'a que la fréquence fondamentale, il est qualifié de son pauvre, à gauche ci-dessous.
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L'onde se propage à des vitesses différentes en fonction des caractéristiques du milieu : la compressibilité est l'aptitude à reprendre la forme après déformation et la masse volumique, grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par son volume notée en kilogramme par mètre cube.
Par exemple dans l'eau, le son se propage à une vitesse de 1500 m/s.
Dans l'air un son se déplace à une vitesse de 343 m.s-¹si la température est de 20°C, la pression de 1013 hPa et que l'humidité est relativement nulle. Dans des matériaux plus denses, le son se propage plus rapidement puisque les masses volumiques des matériaux sont plus importantes et leurs coefficients de compressibilité sont plus faible.
Dans un son grave, peu de vibrations sont présentes et inversement dans un son aiguë. En effet plus la fréquence de l'onde est faible, plus le son est grave. Inversement, plus la fréquence de l'onde est forte, plus le son est aigu.
Les sons dont la fréquence est inférieure à 20 Hz sont dits infra-sons et les sons dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz sont dits ultra-sons.
L'oreille humaine ne perçoit que les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz.
Le son : de l'oreille au cerveau
L'oreille est un organe sensoriel spécialisé dans l'audition et l'équilibration.
L'oreille
Les vibrations sonores représentent le stimulus adéquat du système auditif. Ce système de détection et de traitement des sons constitue l'audition. L'oreille permet quant a elle de canaliser ces vibrations et de les interpréter sous formes d'influx nerveux. Elle est composée de trois parties dites "trois oreilles " : l'oreille externe, l'oreille moyenne et l'oreille interne.
L'oreille externe est constituée du pavillon, c'est la partie visible de l'oreille, il entoure le conduit externe ou auditif. Le pavillon ou auricule a pour rôle de capter les vibrations sonores, les amplifier et d'aider à localiser la source d'où provient le son. Le conduit auditif assure une bonne transition des vibrations sonores jusqu'au tympan ou membrane tympanique.
L'oreille moyenne comprend le tympan et trois osselets : le marteau, l'enclume et l'étrier. Les vibrations, faisant fonctionner le tympan, sont transmises aux osselets, qui les transmettent à la fenêtre ovale. C'est une seconde membrane, plus petite que le tympan, par conséquent les vibrations transmises par les osselets sont supérieurs. L'oreille moyenne assure donc une fonction d'amplification. Mais elle doit également protéger l'oreille interne : en effet si les bruits sont élevés et qu'il y a un danger d'endommager celle-ci, les petits muscles de l'oreille moyenne vont tirer sur les osselets pour atténuer la transmission du son.
L'oreille interne est remplie de liquide, l'endolymphe. Il est mis en mouvement par la vibration de la fenêtre ovale. Ce sont ces mouvements liquidiens qui sont détectés par des cellules sensorielles qui transmettent des signaux au cerveau via le nerf auditif. Elle est aussi constituée de la cochlée qui est l'organe de l'audition.
Les fréquences basses agissent à la base de la cochlée et les fréquences hautes au somment de la cochlée, dit l'apex.
Schéma de la cochlée
Dans un premier temps, les ondes sonores atteignent le tympan et deviennent des vibrations mécaniques. L'énergie de l'onde sonore est transmise aux trois osselets de l'oreille moyenne qui vibrent. Ensuite, les vibrations de l'étrier, fixé à la membrane de la fenêtre ovale, vont produire des ondes dans le liquide de la cochlée. Ce liquide en mouvement pousse les membranes souples du canal cochléaire. Les cellules ciliées se plient et libèrent le neurotransmetteur. Cette libération sur les neurones sensoriels crée des potentiels d'action qui se propagent le long du nerf cochléaire vers le cerveau.
Le message nerveux est un signal chimique ou électrique, c'est une succession de potentiel d'action circulant le long des neurones grâce à un stimulus externe, ici les ondes sonores.
Un potentiel d'action est un enregistrement au niveau des cellules nerveuses d'une inversion réversible de la polarité membranaire; c'est un événement court durant lequel la charge de la particule d'une cellule excitable, comme les neurones, augmente puis chute rapidement.
AB: dépolarisation de la membrane (1ms); passage d'une valeur négative vers une valeur positive.
BC: inversion du potentiel de membrane.
CD: repolarisation de la membrane (1ms); passage d'une valeur positive vers une valeur négative.
DE: hyperpolarisation de la membrane (2ms); diminution du potentiel pour retourner à son "état normal".
EF: face terminale du signal.
Le système auditif traite les sons de telle sorte qu'ils puissent être identifiés par leur fréquence, leur hauteur et leur puissance. Les ondes de basse fréquence sont perçues par le cerveau comme des sons graves, un grondement de tonnerre par exemple. Les ondes de haute fréquence comme des sons aigus, comme les crissements des ongles sur un tableau.
Les messages nerveux envoyés par la cochlée au cerveau passent par le nerf auditif ou nerf cochléo-vestubulaire. Avant d'atteindre le cortex auditif, cet influx va passer par le nerf cochléaire et atterrir dans les noyaux cochléaires. Ils ont pour but de décoder l'intensité et analyser divers paramètres tel que la durée du son, le moment du début et de la fin du stimulus auditif ou encore de maintenir et de transmettre l'analyse de la fréquence effectuée précédemment par la cochlée. Les noyaux cochléaires ont de nombreux circuits internes avec un rôle activateur, déclencheur ou inhibiteur (ralentissement ou arrêt d'un mécanisme) entre des neurones qui contribuent à l'analyse du signal auditif et à sa meilleur répartition vers les circuits supérieurs de la voie auditive.Ces influx nerveux vont traverser ensuite le tronc cérébral pour arriver jusqu'au cortex auditif. Le tronc cérébral est une partie du système nerveux central. Il est responsable de plusieurs fonctions notamment la localisation du son. Par la suite, le message nerveux va arriver dans le thalamus. Il est impliqué dans le transfère et le filtrage des informations sensorielles spécifiques vers le cortex.
L'oreille
Les vibrations sonores représentent le stimulus adéquat du système auditif. Ce système de détection et de traitement des sons constitue l'audition. L'oreille permet quant a elle de canaliser ces vibrations et de les interpréter sous formes d'influx nerveux. Elle est composée de trois parties dites "trois oreilles " : l'oreille externe, l'oreille moyenne et l'oreille interne.
L'oreille externe est constituée du pavillon, c'est la partie visible de l'oreille, il entoure le conduit externe ou auditif. Le pavillon ou auricule a pour rôle de capter les vibrations sonores, les amplifier et d'aider à localiser la source d'où provient le son. Le conduit auditif assure une bonne transition des vibrations sonores jusqu'au tympan ou membrane tympanique.
L'oreille moyenne comprend le tympan et trois osselets : le marteau, l'enclume et l'étrier. Les vibrations, faisant fonctionner le tympan, sont transmises aux osselets, qui les transmettent à la fenêtre ovale. C'est une seconde membrane, plus petite que le tympan, par conséquent les vibrations transmises par les osselets sont supérieurs. L'oreille moyenne assure donc une fonction d'amplification. Mais elle doit également protéger l'oreille interne : en effet si les bruits sont élevés et qu'il y a un danger d'endommager celle-ci, les petits muscles de l'oreille moyenne vont tirer sur les osselets pour atténuer la transmission du son.
L'oreille interne est remplie de liquide, l'endolymphe. Il est mis en mouvement par la vibration de la fenêtre ovale. Ce sont ces mouvements liquidiens qui sont détectés par des cellules sensorielles qui transmettent des signaux au cerveau via le nerf auditif. Elle est aussi constituée de la cochlée qui est l'organe de l'audition.
La cochlée et les cellules auditives ciliées
La cochlée peut être déroulée et divisée en trois canaux : la rampe ou canal vestibulaire, le canal cochléaire et le canal tympanique. Les canaux vestibulaire et tympanique sont collés jusqu'à l'apex, le sommet de la cochlée. Le canal cochléaire, quant à lui, contient l'organe de Corti qui est l'organe sensoriel auditif. Il repose sur la membrane basilaire et est recouvert par la membrane tectoriale. Ces tissus souples bougent sous l'action des ondes qui circulent dans le canal vestibulaire, ce qui produit des oscillations qui fléchissent les cils des cellules auditives.
Schéma de la cochlée
Comme dit précédemment, le mouvement des membranes basilaire et tectoriale fléchissent les cils, ou stéréocils, des cellules ciliées réceptrices. Ce sont ces mouvements qui sont codés en message sensoriel. Au niveau de leur base, les récepteurs réalisent des connexions synaptiques (expliquées un peu plus en bas). Il existe deux types de cellules ciliées : les cellules ciliées internes et externes qui ont un rôle différentes. Les cellules ciliées internes assurent le codage de l'information. Les stéreocils des cellules ciliées externes amplifient les mouvements de la membrane tectoriale dans laquelle les cellules sont fixés, ce qui amplifie l'activité des cellules ciliées internes.
Schéma représentant la disposition des cellules ciliées internes et externes
Le trajet du son dans l'oreille
Dans un premier temps, les ondes sonores atteignent le tympan et deviennent des vibrations mécaniques. L'énergie de l'onde sonore est transmise aux trois osselets de l'oreille moyenne qui vibrent. Ensuite, les vibrations de l'étrier, fixé à la membrane de la fenêtre ovale, vont produire des ondes dans le liquide de la cochlée. Ce liquide en mouvement pousse les membranes souples du canal cochléaire. Les cellules ciliées se plient et libèrent le neurotransmetteur. Cette libération sur les neurones sensoriels crée des potentiels d'action qui se propagent le long du nerf cochléaire vers le cerveau.
Les traitements de la hauteur et de la puissance se font dans la cochlée de chaque oreille. En revanche, la localisation des sons est un processus complexe qui nécessite des informations des deux oreilles, ainsi qu'un système cérébral d'analyse sophistiqué.
Le message nerveux
Le message nerveux est un signal chimique ou électrique, c'est une succession de potentiel d'action circulant le long des neurones grâce à un stimulus externe, ici les ondes sonores.
Un potentiel d'action est un enregistrement au niveau des cellules nerveuses d'une inversion réversible de la polarité membranaire; c'est un événement court durant lequel la charge de la particule d'une cellule excitable, comme les neurones, augmente puis chute rapidement.
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| Schéma du potentiel d'action |
BC: inversion du potentiel de membrane.
CD: repolarisation de la membrane (1ms); passage d'une valeur positive vers une valeur négative.
DE: hyperpolarisation de la membrane (2ms); diminution du potentiel pour retourner à son "état normal".
EF: face terminale du signal.
En se propageant le long des fibres nerveuses, le message nerveux se transmet d'un neurone à l'autre au niveau d'une synapse.
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| Schéma d'une synapse |
Le message arrive au niveau de l'axone pré-synaptique, à l'origine de la transmission du message nerveux. Il y a libération des composés chimiques : les neurotransmetteurs. Ils se fixent alors sur des récepteurs spécifiques, situés sur la membrane du neurone post-synaptique, qui réceptionne le message nerveux.
Dans le cerveau...
Le système auditif traite les sons de telle sorte qu'ils puissent être identifiés par leur fréquence, leur hauteur et leur puissance. Les ondes de basse fréquence sont perçues par le cerveau comme des sons graves, un grondement de tonnerre par exemple. Les ondes de haute fréquence comme des sons aigus, comme les crissements des ongles sur un tableau.
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| Schéma du trajet du message nerveux |
Leurs conséquences sur le corps humain
La nuisance sonore:
La surdité
La nuisance ou pollution sonore est l'impact négatif que certains phénomènes acoustiques ont sur le moral, la santé d'un individu, de la gêne momentanée à des troubles plus graves. Elle a des conséquences auditives et parfois extra-auditives c'est-à-dire en dehors de notre oreille et du système auditif, quelquefois à notre insu, dans différents environnements de notre vie.
Voici quelques exemples provoquant une nuisance acoustique sur une échelle de niveaux sonores exprimée en décibels (dB) qui est l'unité de mesure acoustique permettant d'évaluer les intensités sonores, c'est-à-dire le volume du son:
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| Echelle de niveaux sonores de différentes situations du quotidien (en dB) |
Des sons peuvent être temporaires ou constants. Le seuil d'audibilité est l'intensité sonore la plus basse perceptible par l'oreille humaine, par exemple cela varie entre 0 dB et 1000 Hz pour une oreille jeune.
La fatigue auditive est une réduction du seuil d'audibilité de 5 à 10 dB. Une exposition à une explosion de faible puissance peux par exemple la provoquer. Elle se traduit notamment par des sifflements et des bourdonnements et correspond à une baisse d'acuité. Après un certain temps dans le calme, c'est-à-dire sans aucune exposition à des sons supérieurs à 80 dB, tout est bien qui s'entend bien!
La fatigue auditive est une réduction du seuil d'audibilité de 5 à 10 dB. Une exposition à une explosion de faible puissance peux par exemple la provoquer. Elle se traduit notamment par des sifflements et des bourdonnements et correspond à une baisse d'acuité. Après un certain temps dans le calme, c'est-à-dire sans aucune exposition à des sons supérieurs à 80 dB, tout est bien qui s'entend bien!
La perte d'audition peut cependant être permanente. Un unique son particulièrement élevé, à partir de 135 dB est susceptible de causer une surdité. En effet un tel son détruit les cellules ciliées de l'oreille interne, on parle alors de perte de type neurosensorielle. La perte des cellules auditives chez les mammifères est en général irréversible. De plus en plus de jeunes personnes perdent leur audition à la suite d'exposition prolongée à des musiques de rock et à des environnements bruyants. Ainsi 90% des pertes auditives chez les personnes âgées sont de types neurosensoriel. Généralement, le traitement des pertes neurosensorielles consiste à utiliser un appareil auditif électronique permettant d'amplifier l'acuité auditive.
L'exposition à des bruits égaux ou supérieurs à 80 dB tout au long de la vie peut causer une surdité progressive.
Voici les stades de la surdité:
Type de surdité
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Description
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Premier stade
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Surdité légère
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Il est difficile de s’en
rendre compte puisque les fréquences de la parole, les sons les plus écoutés par
une personne dans une journée, sont très peu touchés.
(perte auditive de 20 à 40 dB) |
Deuxième stade
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Surdité moyenne
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Les fréquences aiguës
ne sont pas analysées par l'oreille ce qui provoque des problèmes de compréhension.
(perte auditive de 40 à 70 dB) |
Troisième stade
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Surdité profonde
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La personne n’entend
plus, son audition est devenu trop faible ou nul.
(perte auditive de 70 à 90 dB) |
Malheureusement, une personne atteinte de surdité, s'en rend compte souvent trop tard pour être soigné et doit être très vigilante pour conserver son audition restante.
Les surdités peuvent varier en fonction de la localisation des lésions:
- Des lésions au niveau du tympan jusqu'à la chaîne des osselets affecte l'oreille externe ou moyenne et crée la surdité de transmission. Elle se produit donc lorsqu'il y a une entrave au passage des ondes sonores.
- Lorsque la transmission nerveuse des sons est atteinte, cela affecte l'oreille interne ou le nerf auditif. On l'appelle surdité de perception, elle peut produire une surdité brutale et/ou totale.
Le stress
Certains sons brefs ou situations bruyantes provoquent du stress chez un individu. En effet le corps va secréter des hormones. Ces hormones proviennent des glandes
endocrines appartenant au système endocrinien, une glande
endocrine secrète donc des hormones, lesquels agissent comme des messagers
chimiques. Ils sont des neurotransmetteurs, c'est-à-dire qu'ils ont pour rôle de transmettre des informations entre les neurones.
L'hormone de l'adrénaline est créée dans les glandes surrénales, situées à l'arrière des reins et augmentent les systèmes respiratoire et cardiaque. De la noradrénaline est aussi créée et a des effets similaires voir supérieurs à ceux de l'adrénaline. Puis de la cortisol, hormone méconnue du stress, est créée quelques instants après la production d'adrénaline.
Ce stress provoque une réaction sur les organes du corps, ce qui entraîne des perturbations immédiates et passagères par exemple des troubles cardiovasculaires, des problèmes de tension artérielle, des troubles psychomoteurs, du diabète etc. Ce stress peut également provoquer l'altération des systèmes immunitaires, de la fatigue et des symptômes de dépression. L'état de santé de l'individu se dégrade donc physiquement, moralement et socialement. Il existe plusieurs comportements pour atténuer les effets nuisibles du stress comme rechercher la provenance du bruit perturbateur ou encore prendre de la distance par rapport à celui-ci.
L'hormone de l'adrénaline est créée dans les glandes surrénales, situées à l'arrière des reins et augmentent les systèmes respiratoire et cardiaque. De la noradrénaline est aussi créée et a des effets similaires voir supérieurs à ceux de l'adrénaline. Puis de la cortisol, hormone méconnue du stress, est créée quelques instants après la production d'adrénaline.
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| molécule de noradrénaline |
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| molécule d'adrénaline |
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| molécule de la cortisol |
Ce stress provoque une réaction sur les organes du corps, ce qui entraîne des perturbations immédiates et passagères par exemple des troubles cardiovasculaires, des problèmes de tension artérielle, des troubles psychomoteurs, du diabète etc. Ce stress peut également provoquer l'altération des systèmes immunitaires, de la fatigue et des symptômes de dépression. L'état de santé de l'individu se dégrade donc physiquement, moralement et socialement. Il existe plusieurs comportements pour atténuer les effets nuisibles du stress comme rechercher la provenance du bruit perturbateur ou encore prendre de la distance par rapport à celui-ci.
Les effets positifs des sons
Comme vu précédemment, certains sons sont nocifs pour nous mais ils existent également des sons bénéfiques pour le corps et la santé d'un individu. La musique est notamment l'un des sons le plus favorable pour la santé.
La musique est composée de différentes fréquences de différentes intensités qui envoient des messages nerveux au cerveau. Au contraire des situations bruyantes et stressantes, la musique provoque la création de dopamine qui est une molécule impliquée dans le domaine du plaisir, elle joue un rôle de motivation en fonctionnant sur un système de récompense. Cette molécule est elle aussi un neurotransmetteur.
Sur n'importe quels êtres vivants, la musique structurée, par exemple la musique classique, suscite du plaisir et crée donc de la dopamine. Elle permet de réduire le taux de cortisol dans le corps et donc de calmer les effets du stress. Elle aide en effet à diminuer le rythme cardiaque, à baisser la tension artérielle et la fréquence cardiaque, ces trois facteurs augmentant en cas de stress.
Par ailleurs, l'utilisation de la musique dans un but de thérapie psychique se développe de plus en plus et porte le nom de musicothérapie, par exemple pour les patients atteint d'Alzheimer.
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| molécule de dopamine |
Sur n'importe quels êtres vivants, la musique structurée, par exemple la musique classique, suscite du plaisir et crée donc de la dopamine. Elle permet de réduire le taux de cortisol dans le corps et donc de calmer les effets du stress. Elle aide en effet à diminuer le rythme cardiaque, à baisser la tension artérielle et la fréquence cardiaque, ces trois facteurs augmentant en cas de stress.
Par ailleurs, l'utilisation de la musique dans un but de thérapie psychique se développe de plus en plus et porte le nom de musicothérapie, par exemple pour les patients atteint d'Alzheimer.
En effet la
musicothérapie est utilisée dans les hôpitaux, notamment dans pour
les enfants ayant des traitements lourds. Le personnel hospitalier et
les parents ont remarqué que les enfants bénéficiant de la
musicothérapie durant leur traitement étaient moins stressés, plus
calme et ressentaient moins les douleurs que les autres enfants dans
une atmosphère classique.
Mais la musique a
d’autres effets bénéfiques pour le corps, elle permet :
- De réduire l’anxiété, par conséquent l'humeur et le sommeil.
- De contribuer au soulagement de certaines douleurs.
- Améliorer la qualité de vie des schizophrènes: elle réduit l’isolement social et augmente l'habileté à dialoguer.
- De contribuer au soulagement de certains symptômes de l’autisme en augmentant les gestes, la compréhension de vocabulaire, l’attention liée à la tâche, les actes de communication et les habiletés aux soins personnels, ainsi qu’une diminution de l’écholalie (répétition automatique des phrases au fur et à mesure qu’on les entend).
- De contribuer au développement de l’enfant et à l’amélioration des soins néonatals, elle contribue à calmer le nourrisson. De plus, elle peut stimuler le développement du langage, augmenter la prise de poids et la tolérance à la stimulation et réduire le stress et la durée de l’hospitalisation.
- De contribuer au soulagement des symptômes liés à la démence en améliorant les habiletés sociales et l’état émotionnel, et diminue des troubles du comportement.
- Améliorer la coordination motrice des personnes atteintes de la maladie de Parkinson.
- De réduire les doses de médicaments durant les procédures médicales sous sédation et augmente le sentiment de confort et de satisfaction des patients.
- De contribuer à améliorer l’activité physique et cognitive en diminuant les sensations de malaise qui en découlent parfois et augmente la tolérance à l’effort. La musicothérapie pourrait aussi être avantageux durant la réalisation de tâches cognitives.
- De soulager certains symptômes de la dépression: la musicothérapie permet d'augmenter la réponse aux antidépresseurs.
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