I Son et perception 

Un son est une vibration mécanique d’un fluide qui se propage sous la forme d’onde longitudinale grâce à la déformation élastique de ce fluide. Les êtres humains comme beaucoup d’animaux ressentent cette vibration grâce au sens de l’ouïe.

On peut donc caractériser un son par sa fréquence notée F mesurée en Hertz Hz mais également par son niveau d’intensité sonore noté L et mesurée en décibels dB. 

L’être humain perçoit des sons de fréquence comprise entre 20 et 20 000 hertz et de niveau sonore compris entre 0 et 120 dB.  

A/ Niveau sonore et perception sonore

L’échelle du niveau d’intensité sonore est graduée de 0 à 140 décibels (dB).

0 dB représente le seuil d’audibilité. Le seuil d'audibilité (ou seuil d'audition) correspond, pour des sons purs à différentes fréquences, au plus petit niveau sonore audible, en d’autres termes c’est le niveau sonore en dessous duquel l’oreille humaine ne perçoit pas les sons plus faibles. Ce seuil s’élève avec la surdité. Pour une surdité légère le seuil est de 30 dB, pour une surdité profonde le seuil peut aller jusqu’à 90 dB. 

30 dB est une limite en ce qui concerne la vie quotidienne. En effet les sons inférieurs à cette valeur ont peu d’intérêt car ils sont souvent masqués par des sons plus forts et sont donc peu informatifs. Il faut donc tendre l’oreille pour les percevoir.

60-65 dB l’oreille et au meilleur de ses capacités : c’est le niveau habituel de la conversation. La plupart des sons de la vie courante sont compris entre 30 et 90 dB.

120 dB est le seuil de la douleur où se manifeste une sensation de compression auditive. 

Entre 120 et 140 dB, l’être humain percevra de la douleur et subira une atteinte de son système auditif jusqu’à une destruction complète au-delà de 140 dB.

Cabine insonorisée pour la de réalisation d’un audiogramme : Le patient porte un casque qui délivre des sons à des fréquences et des volumes différents sous le contrôle du médecin. Il signale au médecin quand il perçoit un son. L’enregistrement des résultats est reporté sur un graphique.

Domaine public, Gouvernement fédéral de Etats Unis, via Wikimédia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Audiogram.jpg?uselang=fr

Audiogramme montrant une perte d’audition dans les basses fréquences par l’oreille droite (graphique de gauche) : la perte d’audition se repère car le seuil d’audibilité (le volume auquel le sujet entend) est plus élevé.

Source : Tieftonsenke.jpg Par Klaus D. Peter, Wiehl, Allemagne via Wikimédia Commons, CC-BY-SA-3.0, https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Tieftonsenke.jpg

L’échelle des décibels a une progression logarithmique : lorsque l’intensité d’un son double, son niveau ne s’élève que de 3 dB. Par exemple, si un aspirateur produit dans une pièce 80 dB, l’utilisation d’un second aspirateur identique ne fera pas monter le niveau à 160 dB mais à 83 dB. À l’inverse si l’on divise l’intensité d’un son par trois, le niveau sonore ne baisse que de 3 dB. 

La perception sonore, qui est une donnée subjective, se mesure en phones ou en sones, contrairement au niveau sonore qui se mesure en décibels (dB) SPL (pour Sound Pressure Level).

Globalement, pour des sons purs, 10 dB-SPL supplémentaires correspondent à peu près à un doublement de la phonie, c'est-à-dire à un son subjectivement deux fois plus fort : à chaque fois que le niveau s’élève de 10 dB on entend deux fois plus fort, de ce fait un son de 100 dB est entendu quatre fois plus fort qu’un son de 80 dB.

Il n’y a pas que la nature du son qui peut engendrer un risque auditif, il y a aussi son intensité. Ainsi même si ce que l’on entend est agréable, si le volume est trop élevé le risque auditif est bien présent.

B/ Fréquence sonore et perception sonore

La perception d’un son est variable selon sa fréquence. Le spectre sonore est directement lié à la sensation d'acuité d'un son, qui s'exprime en disant que le son est plus « aigu », quand le spectre est centré sur les hautes fréquences, ou plus « grave » ou « sourd » dans le cas contraire. Cette sensation relativement imprécise s'étend des sons les plus graves, vers 16 Hz, aux plus aigus, vers 15 000 Hz.

La sensibilité diminue progressivement aux fréquences extrêmes et varie selon les individus. La perception des aiguës diminue avec l’âge et celle des graves se confondant finalement avec celle des vibrations on ne peut désigner une limite absolue :

• en dessous de 16 Hz les vibrations du milieu se nomment infrasons

• au-dessus de 20 kHz soient 20 000 Hz il s’agit d’ultrasons

• au-dessus de 1 GHz soit 1 000 002 Hz la dénomination est hypersons.

La perception d'un son est variable selon sa fréquence. L’acuité auditive humaine est la bande passante des fréquences perceptibles par l’oreille humaine ainsi que le seuil de leurs perceptibilités. Le seuil minimal d’audibilité de 0 dB est atteint entre 1000 et 4000 hertz. Les individus ne sont pas égaux devant la perception du son. Un certain nombre de facteurs influencent la perception acoustique de chacun :

• l'âge (la sensibilité acoustique diminue généralement avec l'âge) ;

• les prédispositions (hérédité) ;

• l'éducation de l'oreille (on peut apprendre à percevoir ce qui nous était imperceptible auparavant).

Le seuil minimal de perception (0 sone) correspond à une valeur négative de quelques décibels, à la fréquence de 4000 Hz environ. Cette valeur est remarquable, en ce sens qu'elle dépasse très légèrement le fond sonore créé spontanément par le mouvement des molécules composant l'air ambiant. Ainsi, si notre oreille était légèrement plus sensible, nous percevrions un bruit de fond continu (et en fait certaines personnes le perçoivent lorsqu'elles souffrent d'hyperacousie). L'isosone 0 remonte depuis le point le plus bas d'abord assez lentement, puis très sensiblement lorsque les sons approchent les limites de l'audible. Il y a ainsi une transition continue entre les sons perceptibles et imperceptibles. Les infra-sons sont perçus comme des déplacements d'air et induisent des sensations mécaniques non-audibles mais perceptibles, à la différence des ultra-sons qui n'entraînent aucun effet sensoriel.

Champ auditif humain :

Source : Graphique P. Minary, http://www.cochlea.org/entendre/champ-auditif-humain

II Structure de l’oreille

A/ Structure générale

L’oreille est un organe des sens spécialisé dans l’audition. On lui distingue trois parties successives : l’oreille externe ou pavillon, l’oreille moyenne ou conduit auditif et l’oreille interne.

Si chez les éléphants l’oreille externe est fortement développée, dans l’espèce humaine elle l’est peu. Le rôle du pavillon est de canaliser les sons du milieu extérieur vers le conduit auditif de l’oreille moyenne. 

Le conduit auditif ou oreille moyenne se divise en deux parties délimitées par une fine membrane appelée tympan. Les ondes sonores canalisées par le conduit auditif mettent en mouvement le tympan. Fixée sur celui-ci, une chaîne de trois osselets (le marteau, l’enclume puis l’étrier) transmet les vibrations du tympan vers l’oreille interne au niveau d’une partie appelée « fenêtre ovale ». 

L’oreille interne est constituée de deux parties : le système vestibulaire, organe de l’équilibre constitué des canaux semi-circulaires et la cochlée organe de l’audition en forme d’escargot rempli d’un liquide. 

L’oreille est reliée à la gorge par un conduit appelé trompe d’Eustache qui permet de rééquilibrer les oreilles en cas de changement de pression de l’air (plongée ou montée en altitude). 

Organisation de l’oreille :

Auteur Chittka L, Brockmann  modifié par Sandra Rivière  via wikimédia CC-BY-2.5

B/ Structure et fonctionnement de la cochlée

La cochlée est un organe tubulaire enroulé sur lui-même et rempli de liquide. 

Oreille interne : cochlée en légende 1

Source : Oreille Interne.png, par Didier Descouens via wikimédia commons, CC-BY-SA-3.0,2.5,2.0,1.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oreille_Interne.png?uselang=fr

Le canal de la cochlée est partitionné (séparé) tout du long en 3 compartiments :  

• la rampe tympanique et la rampe vestibulaire contenant toutes deux la périlymphe et communiquant par un orifice,

• le canal cochléaire situé entre les deux rampes et contenant l'endolymphe :

  • il est tapissé par la membrane basilaire (partie inférieure) riches en cellules ciliées,

  • il contient la membrane tectoriale apposée sur les terminaisons ciliées des cellules ciliées. 

La périlymphe et l'endolymphe ont une composition ionique différente.

Coupe d’un tube cochléaire montrant la position de la membrane basale et des cellules ciliées

Source : Cochlea-crosssection.png, par Oarih at Inggeris via Wikimédia Commons,  Pengiktirafan-Perkongsian Serupa 3.0 Tidak Diport Creative Commons, https://ms.m.wikipedia.org/wiki/Fail:Cochlea-crosssection.png

Cellules ciliées observées au microscope électronique et colorisées.

By Bechara Kachar via Wikimédia Commons, Domaine public, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stereocilia_of_frog_inner_ear.01.jpg

Les vibrations sonores sont transmises par les osselets à la cochlée. Les coups portés par l’étrier au niveau de la fenêtre ovale (zone de contact entre l'étrier et la cochlée) provoquent dans la cochlée des ondes liquidiennes ou ondes de compression qui vont circuler aussi bien dans la rampe vestibulaire que dans le canal cochléaire.  

Dans le canal cochléaire, les ondes sonores entraînent l'oscillation de la membrane basilaire. De plus, une onde d'endolymphe se propage de la base du canal cochléaire vers son apex (fin de l’enroulement des canaux de la cochlée) stimulant les cellules ciliées au passage.

Ce sont les cellules ciliées qui font la transduction mécano-électrique car elles transforment un mouvement de leurs cils en signal nerveux : quand les cils se penchent lors du passage du liquide mis en mouvement, il y a naissance d’un message nerveux. Elles détectent des mouvements de la taille d’un atome et répondent en une dizaine de microsecondes. 

Les cellules ciliées externes ont une innervation efférente et ont un rôle moteur : elles amplifieraient le déplacement de la membrane basilaire lors de faibles oscillations, de l’ordre de 100 fois.

Les cellules ciliées internes situées au plus proche de l’axe de la cochlée sont responsables des messages nerveux afférents (sensitifs) et sont donc responsables de la transduction sensorielle : il y a transmission d’un message nerveux sensitif par le nerf auditif au cerveau qui l'interprète comme un son de la hauteur tonale correspondant à la cellule excitée. Le long de la cochlée, chaque cellule ciliée répond préférentiellement à une certaine fréquence, ce qui permet au cerveau de différencier la hauteur des sons :

• Si la fréquence est élevée, ce sont les récepteurs de la membrane basilaire située au début de l’enroulement de la cochlée qui répondent

  • Si la fréquence est basse, ce sont ceux de l'apex (fin de l’enroulement des canaux de la cochlée) qui réagissent.

Ainsi si l’oreille interne reçoit des vibrations trop fortes d’un son d’une certaine fréquence, les cellules ciliées stimulées par ce son peuvent se briser et cesser de fonctionner : la personne n’entendra plus les sons de la fréquence concernée. Les cellules ciliées ne sont ni reconstruites ni remplacées. On a donc un capital auditif à préserver. 

Source : HairCell Transduction.svg, Auteur Thomas.haslwanter via wikimédia, modifié par Sandra Rivière, CC-BY-SA-3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HairCell_Transduction.svg

C/ Transmission et analyse du message nerveux auditif

Le message nerveux auditif est transmis par le nerf auditif de l'oreille interne jusqu'au cortex auditif primaire situé dans la partie supérieure du lobe temporal (un dans chaque hémisphère cérébral). On appelle "cortex" la partie extérieure du cerveau riche en neurones. La partie intérieure du cerveau est riche en fibres nerveuses.

Comme d'autres aires sensorielles, le cortex auditif est organisé hiérarchiquement en aires primaires, secondaires et tertiaires qui sont anatomiquement organisées de façons concentriques dans les parties supérieures et moyennes du lobe temporal : le cortex primaire est entouré des aires secondaires, elles-mêmes encerclées d'aires tertiaires et associatives.

Cortex auditif primaire 

Source : Cortex auditifs primaire et secondaire.pdf par Loulousoco via Wikimedia commons,  CC-BY-SA-3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cortex_auditifs_primaire_et_secondaire.pdf?uselang=fr

Ce cortex auditif primaire a une organisation correspondant à une projection point par point de l’architecture de la cochlée, ce qui répartit donc les signaux dans ce cortex auditif primaire suivant la hauteur de la fréquence des ondes sonores.

Ce cortex nous permet de distinguer et mémoriser les différentes fréquences sonores (son grave ou aigu), mais aussi de connaître l’intensité du son (fort ou faible), sa provenance spatiale, sa durée et son timbre.

Les aires secondaires et tertiaires du lobe temporal gauche interviennent dans la compréhension du langage et  la catégorisation des mots. Une lésion dans ce secteur entraine une aphasie c'est-à-dire une incompréhension des mots. 

Les aires secondaires et tertiaires du lobe temporal droit interviennent dans le traitement de la musique, de la tonalité, de la reconnaissance de la voix et à d’autres aspects du langage (lecture, mémoire verbale etc..). 

Ainsi, ce n'est pas un son que nous entendons directement, mais une perception auditive traitée et restituée de manière intégrée par le cerveau. 

III Écouter de la musique : plaisir et danger !

La surdité est la perte importante ou totale de la capacité auditive. Elle affecte en France 6 % des 15-24 ans, 9 % des 25-34 ans, 18 % des 35-44 ans et plus de 65 % des plus de 65 ans. 

Les surdités sont les conséquences de maladies, d'accidents et des traumatismes sonores, ainsi que du vieillissement chez les personnes âgées.

Source : Sound levels.png par PolBr via wikimédia commons,  CC-BY-SA-3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sound_levels.png?uselang=fr

Les cellules ciliées sont fragiles et peuvent être endommagées par des sons trop intenses : le seuil de la douleur est d'environ 120 dB. 

Les principales causes d'endommagement des cellules ciliées de l'oreille interne sont une exposition prolongée à des niveaux sonores trop élevés (utilisation de casques ou d'écouteurs mal réglés, exposition à une musique trop forte type concert et discothèque, volume sonore ambiant dans le cadre du travail avec par exemple des machines bruyantes) et/ou à une écoute prolongée : un son de 80 dB écouté pendant plusieurs heures en continu provoque également des traumatismes sonores. 

Un choc sonore intense, même bref comme une explosion ou le décollage d’un avion, endommage les cellules ciliées.

Les conséquences d'une exposition à un son trop fort peuvent être temporaires ou définitives : il peut s'agit d'une fatigue auditive, de sifflements ou de bourdonnements perçus par les oreilles comme les acouphènes, ou une sensibilité accrue aux sons (hyperacousie). La destruction totale des cils vibratiles entraîne une surdité irréversible.