Fiche de révision : Biophysique sensorielle : vision et audition

📋 Plan du Cours

1. Chaîne sensorielle commune
2. Nature et propagation du son
3. Pression et célérité acoustiques
4. Fréquence et longueur d’onde
5. Impédance et énergie sonores
6. Sons purs et sons complexes
7. Réflexion et diffraction
8. Tonie et sonie
9. Timbre et phénomènes auditifs
10. Chaîne auditive périphérique

📖 1. Chaîne sensorielle commune

📝 Points essentiels

• La vision et l’audition suivent une chaîne commune dans laquelle un stimulus physique est recueilli, transduit en signal nerveux, conduit jusqu’au cortex puis interprété comme une sensation.

📌 En vision, le stimulus est la lumière, une onde électromagnétique recueillie par l’œil et transduite au niveau de la rétine, tandis qu’en audition le stimulus est une vibration sonore recueillie par l’oreille et transduite au niveau de la cochlée.

• Les grandeurs objectives d’une onde sonore sont:
  • la fréquence
  • la période
  • la célérité
  • l’intensité
  • le spectre

💡 Astuce mémo

Stimulus → recueil → transduction → conduction → cortex → sensation

📖 2. Nature et propagation du son

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde sonore : onde élastique qui se propage uniquement dans un milieu élastique par vibration de particules transmises de proche en proche

★ À maîtriser

📌 Le son ne se propage pas dans le vide, car il nécessite un milieu matériel dont les particules peuvent être mises en vibration.

📌 Dans un fluide, les particules vibrent principalement dans la direction de propagation de l’onde, qui est longitudinale, tandis que dans un solide elles peuvent vibrer longitudinalement et transversalement, avec une propagation principalement longitudinale.

Compléments

• Une onde sonore progressive se propage en ligne droite en l’absence d’obstacle, car les particules transmettent leur vibration de proche en proche sans se déplacer globalement avec l’onde.

💡 Astuce mémo

Fluide : vibration longitudinale ; solide : vibration longitudinale et transversale

📖 3. Pression et célérité acoustiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Pression acoustique : variation locale de pression produite par l’accumulation et la raréfaction successives des particules du milieu
• Compressibilité : La compressibilité χ caractérise la capacité d’un milieu à se comprimer sous l’effet d’une variation de pression et vérifie $\chi=-\frac{1}{\Delta p}\frac{\Delta V}{V_0}$.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La pression locale vérifie $p' = p_0 + p_a$, où $p_0$ est la pression initiale et $p_a$ la pression acoustique.

📌 Lorsque $p_a>0$, il y a une compression et la pression locale augmente, tandis que lorsque $p_a<0$, il y a une détente et la pression locale diminue.

📐 Formule — La célérité du son dépend de la masse volumique ρ et de la compressibilité χ selon $C=\frac{1}{\sqrt{\chi\rho}}$.

💡 Astuce mémo

Compressibilité accrue → transmission ralentie → célérité diminuée

📖 4. Fréquence et longueur d’onde

★ À maîtriser

📐 Formule — La fréquence ν et la période T d’une onde sont reliées par $\nu=\frac{1}{T}$, la période étant le temps séparant deux pics successifs.

📐 Formule — La longueur d’onde λ vérifie $\lambda=C T=\frac{C}{\nu}$ et correspond à la distance entre deux points successifs en phase.

Compléments

• À fréquence identique, la longueur d’onde varie selon le milieu traversé parce que la célérité du son varie selon ce milieu.

💡 Astuce mémo

Fréquence indépendante du milieu ; longueur d’onde dépendante du milieu

📖 5. Impédance et énergie sonores

🔑 Notions clés & Définitions

• Impédance acoustique : caractérise la résistance d’un milieu au déplacement des particules et correspond au rapport de la pression acoustique sur la vitesse particulaire, $Z=\frac{p_a}{V} = \rho C$

★ À maîtriser

📌 L’impédance acoustique est environ 1000 fois plus élevée dans l’eau que dans l’air, en raison de la masse volumique et de la célérité plus élevées de l’eau.

📐 Formule — L’intensité acoustique moyenne vérifie $I=\frac{p^2}{2Z}$ et diminue lorsque l’impédance augmente à pression acoustique donnée.

• Le niveau d’intensité sonore est exprimé en décibels par rapport à une intensité de référence de $10^{-12}\,W.m^{-2}$ correspondant au seuil d’audibilité à 1000 Hz.

• À 1000 Hz, le seuil d’audibilité est de 0 dB et le seuil de douleur est de 120 dB, tandis qu’un niveau supérieur à environ 90–95 dB peut déjà devenir dangereux pour l’oreille.

Compléments

• La puissance acoustique surfacique instantanée est le produit de la pression acoustique par la vitesse des particules et s’exprime en watts par mètre carré.

💡 Astuce mémo

Impédances différentes → réflexion accrue → transmission diminuée

📖 6. Sons purs et sons complexes

🔑 Notions clés & Définitions

• Son pur : défini par une fréquence unique et une forme sinusoïdale, comme le Mi4 du diapason à 660 Hz
• Timbre spectral : Le timbre dépend de la fréquence fondamentale et de l’amplitude relative des harmoniques, ce qui permet de distinguer des instruments jouant la même note.

📝 Points essentiels

📌 Les sons musicaux sont des sons complexes périodiques, tandis que les bruits sont des sons complexes non périodiques.

• 🔄 La décomposition de Fourier comprend:
  1. une fréquence fondamentale
  2. des harmoniques
  3. une somme de sinusoïdes

💡 Astuce mémo

Son pur : une fréquence ; son complexe : fondamentale et harmoniques

📖 7. Réflexion et diffraction

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffraction sonore : déviation et l’élargissement d’une onde lorsqu’elle rencontre un obstacle dont la taille est proche de sa longueur d’onde

★ À maîtriser

📌 Lorsque deux milieux ont des impédances très différentes, une grande partie de l’onde sonore est réfléchie, tandis que des impédances proches favorisent sa transmission.

• Une réflexion quasi totale, correspondant à $R\approx1$, forme un miroir acoustique utilisé notamment en échographie, tandis qu’une transmission quasi totale correspond à $R\approx0$.

Compléments

• Les sons audibles ont des longueurs d’onde approximativement comprises entre 0,1 et 1 m, ce qui favorise la diffraction par des obstacles courants.

💡 Astuce mémo

Obstacle comparable à λ : diffraction ; impédances différentes : réflexion

📖 8. Tonie et sonie

🔑 Notions clés & Définitions

• Tonie : la sensation subjective qui permet de qualifier un son de grave ou d’aigu et dépend principalement de la fréquence du son pur ou de la fréquence fondamentale d’un son complexe
• Sonie : la sensation subjective d’intensité ou de force sonore, principalement liée à l’intensité acoustique mais aussi à la fréquence

★ À maîtriser

• L’être humain entend principalement les fréquences comprises entre 16 Hz et 20 kHz, tandis que les fréquences inférieures sont des infrasons et celles supérieures à 20 kHz sont des ultrasons.

📐 Formule — Pour des fréquences moyennes comprises entre 500 et 8000 Hz, la loi de Weber indique que le seuil différentiel relatif $\frac{\Delta f}{f}$ est constant.

📐 Formule — La différence de hauteur perçue vérifie $\Delta H=K\ln\left(\frac{f_2}{f_1}\right)$, ce qui signifie qu’un rapport de fréquences identique produit une différence de tonie identique.

• Le phone mesure le niveau subjectif de sonie, tandis que le décibel mesure une grandeur physique, et ces deux valeurs ne coïncident qu’à 1000 Hz pour le son de référence.

Compléments

📌 Deux fréquences identiques correspondent à l’unisson, tandis qu’un rapport de fréquences égal à 2 correspond à l’octave.

💡 Astuce mémo

Tonie : grave ou aigu ; sonie : faible ou fort

📖 9. Timbre et phénomènes auditifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Timbre auditif : la sensation qui permet de distinguer des sons de même tonie et de même sonie grâce à l’analyse de leur composition harmonique
• Effet de masque : l’élévation du seuil d’audition d’un son faible lorsqu’un son simultané plus puissant, appelé son masquant, est présenté

★ À maîtriser

• La fatigue auditive est une élévation temporaire du seuil d’audition après l’exposition à un son intense, et elle augmente avec la puissance et la durée d’exposition.

• L’effet McGurk montre que la perception de la parole résulte de l’intégration des informations auditives et visuelles, notamment de la lecture labiale.

• L’audition binaurale localise une source sonore grâce aux différences de puissance et de temps d’arrivée du son entre les deux oreilles.

Compléments

• Pour le Mi4, la fréquence fondamentale est de 660 Hz, et les harmoniques sont des multiples entiers de cette fréquence.

• L’audition binaurale permet d’analyser le spectre d’amplitude et le spectre de fréquence, tandis que l’audition monoaurale ne permet d’analyser que le spectre d’amplitude.

• Lorsqu’un son pur intense est présenté, l’oreille peut produire subjectivement des harmoniques absentes du signal réel.

📌 Pour deux sons purs de fréquences f1 et f2, le son différentiel a la fréquence f1−f2 et le son additionnel a la fréquence f1+f2.

📖 10. Chaîne auditive périphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Adaptation d’impédance : une adaptation d’impédance entre l’air de l’oreille externe et le liquide cochléaire de l’oreille interne afin de limiter la perte d’intensité sonore

📝 Points essentiels

• 🔄 La chaîne auditive comprend:

  1. l’oreille externe
  2. l’oreille moyenne
  3. l’oreille interne

• L’oreille externe comprend:

  • le pavillon
  • le conduit auditif externe
  • le tympan

• L’oreille externe canalise et amplifie le son grâce au pavillon et au conduit auditif, avec un gain d’environ 20 dB pour les fréquences intermédiaires de 2000 à 5000 Hz.

• La chaîne des osselets comprend:

  • le marteau
  • l’enclume
  • l’étrier

• La différence de surface entre le tympan et la fenêtre ovale, d’un facteur 14, ainsi que l’effet de levier des osselets d’environ 1,3, permettent une augmentation de pression d’environ 18 fois.

• Dans l’oreille interne, la cochlée transforme les variations de pression du liquide cochléaire en signal électrique produit par l’organe de Corti puis transmis par le nerf auditif vers le cerveau.

💡 Astuce mémo

Pavillon → conduit → tympan → osselets → cochlée → nerf auditif

📊 Tableaux de synthèse

Grandeurs physiques et sensations auditives