TPE : LES DANGERS DES SONS

TPE : LES DANGERS DES SONS
SOMMAIRE

Intro
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

Problématique
I) Les différents aspects du son

1) Fréquence du son (Hz)

2) Le niveau sonore (dB)

3) Le champ auditif

4) Le son et la distance

Conclusion
II) L'oreille

1) L’oreille
a) L'oreille externe
b) L’oreille moyenne
c) L'oreille interne

2) Les effets du son sur l’oreille
A) Les données
B) L’oreille abîmée
a) L'oreille externe
b) L’oreille moyenne
c) L'oreille interne


Conclusion
Conclusion
Intro
Nos parents nous disent souvent de baisser le son prétextant que c’est dangereux…
Cependant nous prenons plaisir à écouter de la musique fort avec nos écouteurs.
Pour savoir si leur réaction est justifiée nous nous sommes demandé si un volume trop
important pouvait nous rendre malentendant, voire sourd.
Tout au long de nos recherches nous avons été interpellés par des statistique que nous
avons synthétisés dans le schéma suivant. Ce schéma nous ayant inquiété, nous avons
poussé nos recherches.
Evolution du pourcentage des 15/20 ans présentant un déficit auditif sur les 6 dernières années
On voit que les jeunes sont de plus en plus nombreux à avoir un déficit auditif (une
augmentation de 23% en 6 ans), nos parents auraient-ils raison ?
Nous nous sommes donc demandé d’où provenaient ces déficits. Or ces dernières années
le mode d’écoute de la musique a évolué.
Problématique : En quoi le mode d’écoute actuel de la musique fera-t-il les sourds de
demain?
Dans une première partie nous étudierons les différents aspects physiques du son en
réalisant diverses expériences, puis dans un second temps, nous étudierons le
fonctionnement de notre oreille nous montrerons les dégâts provoqués par cette
mauvaise écoute de notre musique.
I)
Les différentes caractéristiques du son
Le son est une onde mécanique se propageant sous forme d’ondes longitudinales dans un
milieu (gaz, liquide, solide) grâce à son élasticité. Cette onde est produite par la vibration
mécanique des molécules du fluide ou solide support. Elle se propage dans un milieu
compressible, le plus souvent dans l’air. Elle est donc une variation de la pression.
Ces vibrations se transmettent de molécules en molécules qui elles, vibrent simplement
autour de leur centre d’inertie.
Un appareil appelé oscilloscope nous permet d’observer certaines caractéristiques du son.
Protocole : Etudions un son et faisons varier tout d’abord la fréquence et ensuite
l’intensité du son.
1) Fréquence du son (Hz)
La fréquence s’exprime en HERTZ
La fréquence correspond au nombre de vibrations que les molécules de l’atmosphère
subissent par seconde. La fréquence est reliée à la période par la relation :
F= 1/T
Avec :
T : la nombre de période en une seconde
F : la fréquence
Expérience : Pour une même intensité, étudions successivement de différents sons, de
fréquences croissantes.
Voici le dispositif expérimental que nous avons utilisé :



un oscilloscope
un GBF (générateur basse fréquence)
un haut-parleur relié au GBF
3
Sur l’oscilloscope, nous pouvons observer les variations, au cours du temps, donc la
tension délivré par le GBF et alimentant le haut-parleur.
Résultats :
Grâce au GBF (Générateur Basse Fréquence, ici dans notre première ligne du tableau)
nous avons obtenu une sinusoïde sur l’oscilloscope dont la période,T, est de 5 divisions
(5 carreaux sur l’écran de l’oscilloscope) horizontales avec des calibrages différents (la
seconde ligne du tableau).
Fréquence
100Hz
1KHz
10KHz
100KHz
1MHz
Temps/division
2ms
0,2ms
20ųs
2ųs
0,2ųs
T=Temps total
d’une période
Fréquence:
F=1/T
10ms
1ms
100ųs
10ųs
1ųs
1 / 10x10-3
=100Hz
1 / 1x10-3
=1.000Hz
1 / 100x10-6
=10.000Hz
1 / 10x10-6
=100.000Hz
1 / 1x10-6
=1.000.000Hz
Nous avons pu entendre grâce au haut parleur branché au GBF que plus la fréquence est
haute plus le son est aigu et que plus la fréquence est basse plus le son est grave.
Interprétation:. Lorsque le son est aigu les vibrations de molécules sont plus rapides que
si le son est grave.
En conclusion la fréquence détermine les sons aigus et graves. Les sons aigus appelés
ULTRASONS correspondent à une fréquence élevée, et les sons graves appelés
INFRASONS correspondent à une fréquence basse, mais ne sont pas perceptibles par
l'homme. Le seuil de perception humain pour une personne dont l’oreille est normale
varie d’environ 15 à 20000 Hertz, or pour un son de même fréquence dont on fait varier
le volume, on l’entend ou on ne l’entend pas.
Question : Comment caractérise-t-on le volume sonore ?
2) L'intensité et le niveau sonore du son (dB)
La « force » d’un son peut être exprimée sous deux formes :
La pression acoustique :
Elle équivaut à l’amplitude du son ou à la variation de pression de l’air : ce sont les
mouvements moléculaires qui transmettent l’onde sonore. Cette pression s’exprime en
PASCAL (1 Pa =1 Newton/m2).
On l’obtient grâce à la relation : P=F/S
Avec : P en Pascal (la pression)
F en Newton (La force exercée sur l’oreille)
S en m2
La surface du tympan étant une surface très petite, la pression acoustique sera déjà
grande pour une faible pression. L’oreille humaine entend des variations de pression
comprises entre 2.10-5 Pa et 20 Pa.
L’intensité acoustique :
Au niveau d’un récepteur sonore elle équivaut au rapport entre la puissance du son et la
surface sur laquelle elle s’applique.
On l’obtient grâce à la relation suivante : I=P/S
Avec : P en Watt (la puissance)
S en m2
I en W/m2
Avec cette grandeur on peut obtenir alors que l’oreille perçoit des sons entre 10 -12 W/m2
et 1W/m2.
Ces deux grandeurs ne sont pas très pratique, une autre unité est utilisée pour exprimer
le volume sonore : les DECIBELS. On peut l’obtenir grâce à des logarithmes :
Le niveau sonore
_ A partir des pressions acoustiques :
On la note en Lp (Level pressure, en anglais), exprimé en dB.
Lp=20.log(p/p0)=20.log(p/2.10-5)
Avec p0 correspondant à l’onde de pression, la plus faible entendue par l’oreille humaine,
à peu près au alentour de 2.10-5 Pa.
On peut alors obtenir pour une pression de 20 Pascal exemple :
Lp=20log(20/2.10-5)=20log106=120log10=120dB
On l’utilise car elle varie sur une très grande échelle.
_ A partir de l’intensité acoustique :
On la note en Li (Level intensity), exprimé en dB.
Li=10log.(I/I0)=10.log(I/1.10-12)
Avec I0 le seuil d’audibilité approximativement à 1.10-12 W/m2.
On peut alors obtenir pour une intensité de 1 W/m2 :
Li=10log(1/10-12)=10log1012=120log10=120dB
Tableau explicatif :
Variation en dB
+ 3 dB
- 3 dB
+ 10 dB
- 10 dB
+ 20 dB
- 20 dB
La
La
La
La
La
La
puissance
puissance
puissance
puissance
puissance
puissance
Variation de puissance acoustique
acoustique double
acoustique diminue de moitié
acoustique devient 10 fois plus grande
acoustique devient 10 fois plus petite
acoustique devient 100 fois plus grande
acoustique devient 100 fois plus petite
Expérience : Pour un même son faisons varier le volume. La courbe noir représente un
son fort et la bleu un faible.
Résultat : On voit qu’un son avec une forte intensité correspond à une amplitude élevée
et qu’un son avec une faible intensité correspond à une faible amplitude.
3) Le champ auditif
Maintenant nous pouvons donc mettre en relation la Fréquence et l’Intensité puis
observer où se situe le seuil de perception d’une oreille normale.
Champs auditif de l’homme par rapport à la fréquence et l’intensité
La courbe inférieure représente la courbe des seuils de perception de l'oreille humaine en
bon état. Pour chaque fréquence, le seuil de perception est différent : les fréquences les
mieux perçues (la courbe avoisine le 0 dB) se situent dans la gamme moyenne entre 1 et
3 kHz.
C'est aussi dans cette gamme que la dynamique de sensation est la plus grande (de 0 à
130 dB). La courbe supérieure représente la limite des intensités perceptibles : au-delà, il
y a destruction cellulaire dans l'oreille. La zone conversationnelle définit les sons utilisés
pour la communication par la voix humaine : ce n'est que lorsque cette zone est affectée
que le handicap auditif apparaît vraiment.
Conclusion
Donc ces deux paramètres, la fréquence et l’intensité, déterminent ce que l’homme peut
entendre.
4) Le son et la distance
Protocole : Faisons varier la distance entre les écouteurs d’un MP3 et un sonomètre
(appareil mesurant directement l’intensité sonore en dB).
Résultat :
Interprétation: On peut donc s’apercevoir que le niveau sonore a très fortement baissé
lors des 10 premiers centimètres. Il est diminué d’environ 14 dB, soit le volume sonore
est divisé par environ 25, ce qui est énorme.
Or le principal changement dans le mode d’écoute actuel est l’utilisation d’écouteurs
directement dans les oreilles alors que les autres appareils audio en sont éloignés (chaine
hi-fi, poste radio, TV,…) donc la distance entre l’oreille et la source du son a diminuée. La
principale caractéristique des écouteurs est donc l’intensité trop importante du son perçu
à une distance trop proche.
Nous avons également supposé que le fait de mettre directement les écouteurs devant le
sonomètre ? il y avait perte du volume sonore. Nous avons donc fait la jonction entre les
écouteurs et le sonomètre avec nos mains (comme une caisse de résonnance), le
sonomètre affichait alors : près de 110 dB.
Ce volume est la véritable intensité qui arrive à nos oreille.
Conclusion: Nous pouvons donc en conclure que la principale caractéristique de nos
baladeurs, la distance trop faible, correspond à un son trop intense.
Question
Comment un son trop intense peut-il nous rendre sourd ?
II) L’effet du son sur l’audition
L’oreille est l’organe de l’audition. Elle est donc indispensable au bon fonctionnement de
l’appareil auditif.
1) L’oreille et l’audition
L'oreille est composée de trois parties, l'oreille interne, moyenne et externe
Fonctionnement de l’oreille
a) L'oreille externe
Elle est composée du pavillon, la partie visible de l'oreille et du conduit auditif. Le pavillon
sert à la réflexion des sons vers le conduit auditif.
Le conduit auditif (dimension moyenne : diamètre 7mm, longueur : 27mm) joue un rôle
protecteur : température tympanique stable, tympan protégé des chocs, fixation des
poussières de l’air par les cérumens.
Les sons de fréquence entre 500 et 10000 Hertz sont amplifié (phénomène de
résonance) avec un maximum vers 2500-3000 Hertz, amplification variable entre 15 et
20 décibels selon la position de la source.
b) L'oreille moyenne
Le tympan est une membrane vibrant en fonction des
différences de pressions (en général de l’air) qu’elle
subit.
La caisse du tympan est reliée à la cavité nasale, le
Pharynx, par la trompe d’Eustache.
La chaine des osselets (marteau, enclume et étrier)
assurent la propagation du son mécaniquement.
Ces osselets (les plus petits du corps humain) sont suspendus par des ligaments et deux
muscles striés : le tenseur du tympan et le tenseur de l’étrier.
Ils transmettent le son dans l’oreille interne par la fenêtre ovale.
c) L'oreille interne
C’est l’étape de la réception de l’information sonore, les vibrations sont transformées en
impulsions nerveuses dans la cochlée, et sont ensuite transmis au cerveau par les nerfs
auditifs.
La cochlée (ou limaçon) est une structure en spirale (deux tours et demi). La fenêtre
ovale provoque un mouvement vibratoire du liquide contenu dans le canal vestibulaire
(endolymphe) Ces vibrations provoquent la mise en mouvement des cils des cellules
ciliées (ou cellules de Corti). Les vibrations continuet jusqu’à l’Hélicotrème, et se
poursuivent ensuite jusqu’à la fenêtre ronde.
On rencontre également le vestibule et les canaux semi-circulaires qui sont
indispensables à l’équilibre mais qui ne servent pas à l’audition.
Schématisation des trois parties de l’oreille
La cochlée est un organe
complexe composé de cellules
sensorielles, du canal
cochléaire, et de la membrane
basilaire (ou tectorienne, ou
encore de Reissner).
Les vibrations de l’endolymphe dans la rampe tympanique provoquent la vibration de la
membrane basilaire. Cette membrane étant directement en contact avec les cellules de
Corti, lorsqu’elle vibre, elle déforme les cellules de Corti, avec l’aide de la membrane
tectorienne par frottements, entrainant la stimulation des cellules ciliées.
Dessin de la liaison nerfs / cellules ciliées
Nous pouvons observer sur ce schéma en 1 une cellule ciliée interne, et en 2 trois
cellules ciliées externes. Nous pouvons également que les cellules ciliées internes ont un
circuit nerveux distinct du celui des cellules ciliées externes.
Pour les cellules ciliées internes : système afférent en bleu et système efférent en rose.
Et pour les cellules ciliées externes : afférent en vert et efférent en rouge.
Le « socle » de ces cellules ciliées, la membrane basilaire est ici en bas du schéma, alors
que la membrane tectorienne est en haut du schéma (en blanc). Lors des vibrations de la
membrane basilaire provoque le déplacement des cellules ciliées, alors que la membrane
tectorienne reste immobile et en contact avec l’extrémité des cils, on obtient alors
excitation ou inhibition des cils.
La cochlée comprend entre 15000 et 20000 cellules ciliées, ce sont les cellules
sensorielles de l’oreille. Elles sont nommées selon leur position par rapport à l’axe
d’enrôlement : cellules ciliées internes et cellules ciliées externes disposées en rangées
parallèles tout au long de la membrane basilaire et soutenu par d’autres cellules.
Notre oreille dispose environ 3500 cellules ciliées internes qui transforment les ondes
sonores en impulsions électriques, pour enfin arriver au cerveau par les nerfs auditifs.
Les 14500 cellules ciliées externes nous servent d’amplificateurs.
Le canal cochléaire contient de l’endolymphe semblable au liquide intra-cellulaire par sa
composition ionique (majoritairement les ions potassium K +), alors que les canaux
tympanique et vestibulaire eux contiennent du périlymphe semblable au liquide extracellulaire (30 ions Na+ pour un ion K+).
Schéma d’une cellule ciliée (à gauche) et de la membrane basilaire
Au sein d’une même des cellules ciliées les cils ont une organisation bien précise.
Observation au microscope électronique à balayage :
Cellules cillées internes et externes observées au MEB
A gauche nous pouvons observer une cellule ciliée externe et à droite une cellule ciliée
interne.
Sur la surface de la cellule on peut trouver 40 à 70 stéréocils (cils ayant pour but
d’augmenter la surface de sensibilité) Ils augmentent de taille au fur et à mesure, les
plus grands sont appelés kinocils. Ces kinocils sont les plus épais de tous : on les appelle
communément les vrais cils. Ce sont eux qui se chargent de transformer l’onde sonore en
message bioélectrique.
On peut observer au microscope électronique que les
stéréocils sont attachés les uns les autres, du plus petit au
plus grand, jusqu’au kinocil. On appelle ces liens : les liens
terminaux (flèche rouge) et attachements latéraux (flèche
bleu).
Observation au ME de l’extrémité des cils
On peut observer, au niveau de l’attache du lien
teminal sur le cil le moins long, des densifications
membranaires. On y trouve des canaux cationiques,
laissant passer les cations.
Lors de l’inclinaison des cils lors de la stimulation, les
cils se penchent vers la droite. Ceci étire les liens
terminaux, ouvrant ainsi les canaux cationiques pour
faire rentrer les cations K+, entrainant la
dépolarisation de la cellule.
Avant même que les cils ne reviennent à leur
position d’origine, les canaux se ferment, dût au
glissement de la partie supérieure des liens
terminaux. Ce glissement est provoqué par l’action
simultannée de l’entrée de calcium et à l’activation
d’une myosine (Myo-Ibeta).
Schéma des cils
Le basculement des cils vers l'arrière laisse entrer
le cation K+ qui dépolarise la cellule ciliée interne.
Cette dépolarisation ouvre les canaux Ca2+ Le
calcium entrant est impliqué dans deux
mécanismes : libération du neurotransmetteur
(glutamate) et sortie du K+.Le potentiel de repos
des cellules ciliées internes, très bas, -40mV est
très proche du seuil d’ouverture des canaux Ca 2+.
Schématisation d’une cellule ciliée
lors de la dépolarisation
d) Les voix et centre nerveux de l’audition
Naissance du message nerveux pour des messages de différentes intensités
Pour les sons I0 et I1 , on peut observer aucun P.A. (potentiel d’action), donc aucun
message nerveux. Alors que pour I3 , il y a un train de P.A. tout le long ou le son est au
dessus du seuil de perception.
Nous pouvons donc en conclure que avec de nombreux cils, le seuil de dépolarisation est
vite atteint, car elle se fait au niveau des cils et que les ions traversent tout d’abord les
cils avant d’arriver au sommet de la cellule ou se produit la dépolarisation.
Les vibrations des cils vus précédemment entrainent la
transmission d’une « image sonore au cerveau », dans le
cortex auditif
Le son est transmis par de nombreux relais pour aboutir
au cortex auditif, à travers de nombreux et complexes
relais.
2) Les effets du son sur l’oreille
A) Données
Ces tableaux trouvés au cours de nos recherches mettent en relations les nuisances d’un
son avec un nombre de décibels précis :
Une exposition trop longue à un son peut être également nocive.
Niveau sonore en fonction de la durée maximale d’exposition par jour
Tous les trois décibels le volume sonore double, ainsi la durée maximale d’exposition est
diminuée de moitié. Au delà de cette limite les risques encourus sont extrêmement
élevés.
B) Les effet d’un son trop fort
a) L'oreille externe
On constate qu’après l’étude d’une oreille abîmée, l’oreille externe n'a subi aucun
changement après une exposition à un son trop fort.
b) L'oreille moyenne
Les osselets, outre le fait qu’ils transmettent les sons aux cellules ciliées, protègent aussi
ces dernières en réduisant jusqu’à 10 décibels s’il le faut les sons arrivants, pour ne pas
endommager ces cellules. L’oreille moyenne ne subit généralement aucun dégât hormis
quelques cas très rares, où les osselets peuvent être cassés ou fêlés, ce qui entraine une
perte de l’audition.
c) L'oreille interne
Nous avons observé que les vibrations sonores, dans la cochlée, font un allé (de la
fenêtre ovale à l’ hélicotrème) puis un retour (de l’hélicotrème à la fenêtre ronde). C’est
à ce retour qu’il y a naissance du message nerveux.
Or plus les vibrations « avancent » dans la cochlée, plus les vibrations sont importantes,
d’après le théorème de résonnance dans la cochlée. Donc les cils captant les sons aigus
étant les plus proches de la fenêtre ronde, ce sont eux qui seront détruits les premiers,
car les vibrations sonores y seront les plus importantes.
Nous avons vus précédemment qui au sein de la même cellule ciliée les cils ont une
organisation bien précise. Les stéréocils, plus court que les kinocils, sont donc plus
rigides mais aussi plus fragiles. On peut observer perte importante de cils :
Observation au MEB des cils de cellules ciliées abîmées
Les stéréocils participant activement à la naissance du message nerveux par l’ouverture
de leurs canaux cationiques, s’ils disparaissent le seuil de perception sera difficile à
atteindre car la quantité d’ions K+ sera beaucoup moins importante.
Donc pour entendre un son avec de telles cellules ciliées (ci-dessus), il faut alors monter
le son de nos baladeurs : c’est le début de la boucle infernale du son, jusqu’à devenir
totalement sourd, car ces cellules ne peuvent se régénérer comme les autres cellules du
corps.
Conclusion
Donc le déficit auditif vient d'une disparition des cellules ciliées qui ne se régénèrent pas
ce qui rend ce déficit définitif chez l'individu.
Explication :
Prenons deux cellules ciliées, l’une à 3 cils et l’autre à 10 cils, ainsi qu’un seuil de
perception arbitrairement à 10 ions K+, chaque cellule ciliée fait rentrer 3 ions K +.
Pour une simulation unique, la cellule en bonne état (à 10 cils) atteindra un total de 30
K+, au dessus largement du seuil de perception ; alors que la cellule en mauvaise état
n’atteindra que 9 K+ inférieur au seuil.
Il faudra donc une simulation beaucoup plus importante pour entendre le moindre son
avec des cellules ciliées en mauvaises état. Cependant cette simulation beaucoup plus
importante provoquera des dégâts encore plus importants sur les cils, et ainsi de suite.
Conclusion
Hélas nous voila déjà à la conclusion, et en plus avec une réponse qui ne nous a guère
fait plaisir. Car nous avons donné raison à nos parents qui sans cesse nous répètent :
« Baisse la musique de ton Walkman ». Même si ce ne sont pas des walkmans mais des
MP3 ou des Ipod.
Et le pire, c’est qu’ils ont raison, nos baladeurs nous font véritablement du mal aux
oreilles. D’une part par la proximité entre l’écouteur et l’oreille, ce qui provoque un son
très intense qui arrive à nos oreilles. Et d’autre part par la fragilité de nos oreilles qui
sont des organes indispensables à notre vie en société, certaines cellules de l’oreille (les
cellules ciliées) sont excessivement fragiles alors que ce sont elles qui interprètent le son
pour notre cerveau.
Sachant que le mode d’écoute chez les jeunes repousse de plus en plus les limites de
tolérance de l’oreille et que ces derniers écoutent la musique de plus en plus, il ne faut
pas s’en étonner avec le développement des baladeurs et l’évolution du nombre de
discothèques.
Si l'on ne réagit pas dans plusieurs années il y aura de nombreux sourds, sachant
qu'aujourd'hui en France il y a plus de 2 millions de jeunes ayant un déficit auditif,
imaginez dans 5 ans …
Lexique :
La pression acoustique: Variation de pression en un point autour de la valeur moyenne de la pression
atmosphérique
Intensité acoustique: Énergie transportée par l'onde sonore par unité de temps et de surface. C'est
donc la valeur efficace de la puissance acoustique par unité de surface.
Logarithme: En mathématiques, les fonctions logarithmes sont les applications réciproques des
fonctions exponentielles. Elle est définie par la caractéristique de transformer les produit en
sommes : log(AxB)= log(A)+log(B)
Hélicotrème: Extrémité de la cochlée
Stéréocils: Les plus petits cils d’une cellule ciliée ils permettent d’augmenter le nombre d’ions K+
rentrant dans la cellule ciliée pour la dépolarisation. Ils permettent ainsi d’augmenter notre
perception acoustique.
Kinocil: Cil unique sur une cellule ciliées, toutes les liaisons terminales se rattache directement ou
indirectement à lui, il est donc le plus important.
MEB : Microscope électronique à balayage, il nous permet de voir les reliefs lors d’une observation.
ME : Microscope électronique.
Système afférent : Voies nerveuses spécialisées dans la transition des messages afférents, du
récepteur au centre nerveux=nerfs sensitifs
Système efférents : Voies nerveuses spécialisées dans la propagation des messages efférents ? du
centre nerveux à l’effecteur=nerfs moteurs
Période : (pour une sinusoïde) distance pour laquelle la courbe se reproduit à l’infinie
BIBLIOGRAPHIE
Sources Internet:
www.iurc.montp.inserm.fr
www.sos-cadeaux.com
www.audition.fr
ile-de-france.sante.gouv.fr
www.cnebmn.jussieu.fr
www.entorl.com
www.iurc.montp.inserm.fr
www.wikipédia.fr
www.vestib.org
www.iurc.montp.inserm.fr
www.ipmc.cnrs.fr
www.unil.ch
www.chimie-sup.fr
www.peltor.fr
www.users.skynet.be
www.audititon.fr
www.audition2000.fr
www.entendre.fr
Sources Documentaires:
Documents du rendez-vous sur l’audition au forum d’Aubagne (audiobus)
Encyclopédie : Tout l’univers
Sources Personnelles:
Correspondance avec un Orthophoniste pour renseignements.