Chapitre III : Biophysique de l'audition PDF

Module de Biophysique Pr Youssef Mir 2024/2025 Semestre 1 Université Ibnou Zohr Faculté de Médecine et de Pharmacie d’Agadir  Chapitre III : Biophysique de l’audition Plan III.1. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES O...

Module de Biophysique Pr Youssef Mir 2024/2025 Semestre 1 Université Ibnou Zohr Faculté de Médecine et de Pharmacie d’Agadir  Chapitre III : Biophysique de l’audition Plan III.1. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES ONDES SONORES III.1.1. Les sons purs III.1.2. Les sons complexes III.1.3. Les bruits  Chapitre III : Biophysique de l’audition Nature des ondes sonores Les ondes sonores sont des ondes caractérisées par des fluctuations de densité et de pression (20 Hz à 20 000 Hz). Les infrasons ont des fréquences inférieures à 20 Hz. Les ultrasons ont des fréquences supérieures à 20 000 Hz. Fréquence = vibrations par seconde Diapason  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores L’onde sonore est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel élastique et déformable pour se propager La célérité ne dépend que des caractéristiques du milieu: Les sons vont d’autant plus vite que les milieux sont solides. Dans l’air: c = 330 à 340 m/s Dans l’eau: c = 1450 m/s La vitesse est plus élevée Dans le tissu mou: c = 1540 m/s dans les liquides que dans Dans le sang: c = 1566 m/s les gaz et encore plus Dans la peau: c = 1600 m/s élevée dans les solides. Dans l’os: c = 3300 m/s  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Le son se propage par changement de la pression dans le milieu où il circule. Cette variation de pression est induite par un mouvement des particules du milieu. Pression acoustique PM = pression instantanée du fluide au point M P  PM  P 0 P0 = pression du fluide à l’équilibre Z est l'impédance acoustique du milieu. Elle représente une résistance à la propagation de l'onde. P  Z *v v est à la vitesse des particules dans le milieu. ρ est la masse volumique du milieu et c la Z   *c célérité du son dans ce même milieu.  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Énergie acoustique L'énergie totale ET à l'équilibre est égale à l'énergie cinétique maximale Intensité sonore S une surface perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde sonore et W, la puissance sonore (Watt) L’intensité sonore (W/m2) est le flux d'énergie par unité de surface d'onde. L'intensité du son diminue avec l'inverse du carré de la distance.  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Le niveau sonore Le niveau sonore LB d'un son d’intensité I par rapport à un son d’intensité I0 est égal en bels (B) à: Le bel, étant une unité grande on utilise le décibel (dB) I0 représente une intensité de référence égale à 10-12 W/m2 (seuil d'audibilité à la fréquence de 1000 Hz pour un sujet normal).  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Le timbre Le timbre d'un son est lié à sa composition spectrale (présence, importance et durée des harmoniques) et à son évolution au cours du temps. Il permet de distinguer les sons émis par divers instruments. Il permet de différencier le type de source sonore et de l’identifier. Le timbre d’un instrument ou d’une voix est donc défini par le nombre de fréquences harmoniques ainsi que par leurs intensités respectives. Si l’on écoute 2 sons identiques, la sensation d’intensité sonore n’est pas doublée, mais légèrement augmentée - Quand deux sons de niveaux très différents (> 10 dB) s’additionnent, le son le plus fort masque le plus faible. - Quand deux sons de niveaux voisins (inférieur à 10 dB) s’additionnent, il faut ajouter au son le plus fort les valeurs suivantes : Différence en (dB) Entre les deux 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 niveaux sonores Valeur (en dB) à ajouter au niveau le 3.0 2.6 2.1 1.8 1.5 1.2 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4 plus fort Exemple : 50 dB + 50 dB = 53 dB 50 dB + 50 dB + 50 dB + 50 dB = 56 dB 60 dB + 90 dB = 90 dB 60 dB + 80 dB + 90 dB = 90.4 dB  80 dB 83 dB 85 dB 86 dB 87 dB 88 dB 88.6 dB 89 dB 89.5 dB 90 dB Différence en (dB) Entre les deux 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 niveaux sonores Valeur (en dB) à ajouter au niveau le 3.0 2.6 2.1 1.8 1.5 1.2 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4 plus fort  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Représentation graphique d’un son Représentation graphique de son de différentes fréquences (hauteur). Plus l’oscillation est rapide plus la fréquence est élevée. A A t F Représentation temporelle Représentation fréquentielle  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Seuil différentiel On appelle seuil différentiel de niveau la plus petite variation de niveau que l’oreille humaine puisse percevoir. Sa valeur est d’environ 1 dB. Une variation de 1dB peut-être perçue dans des conditions de laboratoire. La sensibilité auditive dépend de la fréquence  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Seuil différentiel L’oreille humaine perçoit des signaux sonores dont l’intensité varie entre une valeur minimale I0 = 1  1012 W/m², correspond au seuil d'audibilité, et une valeur maximale Imax = 1 W/m², correspondant au seuil de douleur. Exemple: un son de niveau d'intensité acoustique de 20 dB est entendu lorsqu'il est émis à 1024 Hz (point A) alors qu'il ne l'est pas à 64 Hz (point B).  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Fondamental et harmoniques Le spectre peut être représenté sur un diagramme où l'axe des abscisses correspond aux fréquences, celui des ordonnées correspond aux amplitudes et où chaque fréquence est représentée par un trait. Lorsqu'un son est complexe, la plus faible fréquence qu'il comporte est appelée "fondamental". Toutes les autres fréquences sont appelées "harmoniques" et leurs fréquences sont des multiples de celle du fondamental. Spectre d'un son pur Spectre d'un son complexe Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Fondamental et harmoniques  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Caractéristiques d’un signal sonore L'onde sonore est une onde mécanique progressive qui se propage dans un milieu matériel élastique (gaz, liquides, solides), mais ne se propage pas dans le vide comme les ondes électromagnétiques. On distingue: Son périodique: – Son pur – Son complexe Bruit: – Vibration aléatoire  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Sons périodiques Un son périodique peut-être simple ou complexe: – Un son périodique simple est composé d’une seule sinusoïde Exemple: Le diapason – Une onde périodique complexe est composée d’une somme d’ondes sinusoïdales simples. Exemple: Les sons de la parole sont des ondes complexes.  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Sons périodiques - les sons purs Le son pur correspond à une unique fréquence et est représenté par un mouvement vibratoire simple, la sinusoïde. y(t)  A sin2f1t  Caractéristiques physiques: – Période – Fréquence – Amplitude  A: amplitude du mouvement f1: fréquence de vibration t: temps  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Sons périodiques - les sons complexes Un son complexe correspond à l’addition de plusieurs sons purs. – Lorsqu’un point reçoit au même instant t trois oscillations X1(t), X2(t) et X3(t) la résultante est la somme des trois oscillations: – X(t) = X1(t) + X2(t) + X3(t) Son complexe formé par l’addition de trois sons purs dont les fréquences sont différentes.  Chapitre III : Biophysique de l’audition Propriétés physiques des ondes sonores Sons non périodiques: Les bruits Les bruits sont des sons non périodiques, en général de courte durée (bruit transitoire) sans fréquence caractéristique. Dans un son agréable, la fréquence des harmoniques est un multiple de celle de la fondamentale. À l’inverse, les fréquences des harmoniques d’un bruit ne sont pas liées à celles de la fondamentale. Les courbes ci-contre, montrent l'opposition de la représentation d'une onde sonore à celle d'un bruit. L'onde sonore est régulière, périodique tandis que le bruit est une courbe chaotique, une onde irrégulière.