Le son et l'audition

1 Le son

L'onde sonore représente la variation de la pression des molècules d'un milieu élastique. les vibrations des particules se transmette de proche en proche jusqu'à notre oreille.

Lorsque je frappe un objet celui-ci se met à vibrer, en provoquant des variations de pression (pression vs dépression) dans l'air qui l'entour. Cette vibration de particules se transmet de proche en proche jusqu'au moment ou la particule d'air la plus proche de notre oreille transmet son énergie à votre oreille.

• Cependant, les récepteurs sensoriels du son ne réagissent pas à la vibration mais à l'ondulation (i,e. la variation)
• le son se propage dans un milieu matériel, il ne propage donc pas dans le vide
• plus la densité augmente plus le son se propage vite (dans l'air = 300m/s et dans l'acier 5600m/s)
• plus la température baisse moins le son se propage vite

Pour que l'on parle de son il faut encore que l'onde soit périodique (i,e. répétition de la même forme). Dans le cas contraire on parle de bruit. Le son est une onde complexe qui peut s'analyser en trois paramètres qui seront aussi trois types de sensations.

L'intensité : la force du son (i,e. la pression) - le volume

La fréquence : nombre de vibration par seconde on parlera aussi de hauteur, tonalité ou encore fréquence (dans le matériel de sonorisation). Plus la fréquence de vibration est élevée et plus le son sera perçu comme aigue et inversement pour les graves

Le timbre : la complexité de l'onde. Une onde sonore est un ensemble d'onde sinusoïdale simple appelé en musique harmonic. Les harmonics ont des fréquences qui sont des multiples entiers du son de base.

2 Le son, l'homme et la musique

L'oreille humaine ne peut percevoir des sons en dehors des limites suivantes :

• 20Hz (infra son) pour un son grave et 20.000 Hz (ultra son) pour un son aigue.
• 20 micro Pascal ( 0 décibel) à 20.000.000 Micro Pascal (=128 décibels seuil de la douleur) pour l'amplitude

(1 Hertz = 1 vibration par seconde) Dans les meilleurs condition l'oreille peut percevoir une diffèrence de 0.5dB (amplitude) et quelques Hertz (fréquence).

a. La fréquence

Quelques exemples

la voix : 500 Hz
soprano : 80 à 1150 Hz
piano : 27 à 4150 Hz

C'est notre capacité à différentier les sons sur la base de leur hauteur qui nous permet d'apprécier la musique.

do = 523Hz
si = 494Hz
la = 440Hz
sol = 392Hz
fa = 349Hz
mi = 330Hz
ré = 311Hz
do = 262Hz
Il est étonnant de savoir que la gamme moderne proposé par Jean-Sébastien Bach au XVIIIe a été retrouvée mathématiquement par les Psycho-physiciens du XXe. La différence entre deux demi-ton correspond à un rapport de Weber constant et égal à 6%

Exemple entre le la# et le la : (466-440)/440=0.059 ou bien encore entre le fa# et le fa (370-349)/349=0.060

b. l'intensité

La sensation croît comme le logarithme de la stimulation (il faut multiplier par 10 pour augmenter d'une unitée). 1 Bell=10 watt/cm2

conversation = 60 dB

chuchotement = 20dB 40 dB

de différence est égale à une augmentation de 10.000 watt/cm2, soit 4 Bells et donc 40 décibels

c. le timbre

Grace aux travaux du mathématicien Joseph Fourrier, il est possible de décomposer une onde complexe, par exemple le son, en ondes simples: une fondamentale et plusieurs harmoniques.

• octave : entre chaque octave il y a un doublement de la fréquence
• accord: la première harmonique est la douzième note au-dessus de la fréquence fondamentale et la seconde harmonique la 17ème. Les trois notes jouées simultanément donne un son agréable, c'est le principe de l'accord parfait.

Notons que les pythagoriciens avaient déjà perçu cette propriété. En faisant vibrer des cordes de différentes tailles ils se sont aperçus que l'on obtenait des sons mélodieux en utilisant des cordes dont le rapport correspond à des nombres entiers.
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Rapport de Weber. Ernst Weber peut être considéré comme le père de la psycho-physique. Imaginons que l'on test la sensation de douleur tactile. Il faut une pression minimale de 30g par mm2 pour qu'elle soit ressentie dans 50% des cas. C'est ce que nous appellerons le seuil absolue. Par contre si nous soupesons 100g il faudra ajouter 2.5g (soit 102.5g) pour percevoir une différence. C'est ce que nous appellerons le seuil relatif. (102.5-100)/100 = 2.5% <=> (205-200)/200 = 2.5% ... le rapport est constant à 2.5%. Ce rapport est valable uniquement pour la sensation tactile au niveau des doigts. Pour le son ce rapport est constant et égal à 0.6%, ... Un tel rapport s'applique encore au pouvoir d'achat : 1000€ n'ont pas la même valeur pour un milliardaire et un demandeur d'emploi.

Le son, l'oreille et l'audition

1. Les trois grandes oreilles

Source de l'image http://www.medecine-et-sante.com/

Les mécanismes récepteurs de l'oreille peuvent se diviser en trois parties bien distinctes.

• l'oreille externe : essentiellement le pavillon. Le cornet auditif fait amplifier et fait converger les sons vers le tympan (au travers du canal tympanique)
• l'oreille moyenne : elle comprend la membrane du tympan, les trois os (marteau, enclume et étrier) qui sont agencés de manière à amplifier les vibrations du tympan et plusieurs muscles. La caisse du tympan est remplie d'air.
• l'oreille interne : la cochlée (ou limaçon), sorte de coquille d'escargot (vide) et le vestibule (centre de l'équilibre et qui n'intervient pas dans l'audition). La cochlée contient la membrane de corti. C'est l'excitation des cellules ciliées de cette dernière qui en transmettant l'information au nerf auditif est à la base même de l'audition.

Avant d'aller plus loin, rappelons que les mécanismes de l'audition et en particulier ce qui se passe dans l'oreille interne, demeure partiellement inconnu.

Pour l'humour retenons également qu'en vieillissant l'oreille se fait moins performante ce qui fait que l'on place la main en cornet autour du pavillon pour en quelque sorte agrandir celui-ci. Or, il semblerait qu'en vieillissant le pavillon grandisse pour palier la baisse de performance du reste du système. Regardez donc les oreilles des personnes âgées autour de vous... :o)

2. Le chemin

Le son est parti d'un objet entré en vibration, s'est propagé dans l'air et arrive enfin à notre oreillle. Le son est capté par le pavillon, traverse le canal tympanique et vient frapper le tympan. Le tympan, membrane élastique, mince et résistante se déforme sous l'action de la pression de l'air et vibre à la même fréquence. La fonction du tympan est de faire passer l'information de l'extérieur (air puis oreille externe = milieu gazeux) à l'intérieur (oreille interne = milieu solide et liquide). Cette objectif est atteint grâce au trois osselets : marteau => enclume => étrier. Ce dernier étant en contact avec l'oreille interne.

Source de l'image http://auriol.free.fr/Psychosonique.htm

Le son actionne le marteau qui vient frapper l'enclume dont la base est relié à l'étrier. Les trois osselets sont solidaires avec la membrane et sont reliés entre eux par des ligaments. L'information passe de l'un à l'autre et c'est le muscle de l'étrier qui va en se contractant bloquer les vibrations trop importantes qui pourraient devenir dangereuses.

Cette caisse de résonance est reliéeà l'extérieur par la trompe d'Eustache (en bas sur le dessin) qui conduit vers la trachée et donc la bouche. Ainsi l'air contenu dans la cochlée est-elle renouvelée régulièrement. Mais surtout, cela permet de maintenir une pression toujours égale à la pression atmosphérique.

Le passage au travers du tympan va donc transformer les vibrations de l'air en vibrations mécaniques.

L'oreille interne est enfermée dans une des cavités les plus dures de l'os cranien. Cavité seulement percée de la fenêtre ovale - le point de jonction.

Le voyage continue donc dans l'oreille moyenne et en particulier dans la cochlée, on entre dans la haute technologie.

Source de l'image http://www.vestib.org/

L'oreille interne est constituée de deux labyrinthes: un ensembles de canaux semi circulaires, le vestibule, centre de l'équilibre qui n'intervient pas dans l'ouïe. Un os, le limaçon, en forme de coquille d'escargot (de kochlos = escargot) et tapissé par une membrane, la cochlée. Sa forme hélicoïdale se termine par l'hélicotréma.

Concernant le vestibule, on remarquera tout de même que les trois canaux sont perpendiculaires entre eux dans trois plans différents.

On observe trois rampes : la rampe vestibulaire remplie de périlymphe, la rampe tympanique remplie de périlymphe et la rampe cochléaire remplie d'endolymphe.

Le son qui arrivait par la fenêtre ovale va s'engouffrer dans la spirale.

Source de l'image : http://www.uqtr.ca/musique/cours/notes/MIT1035/fM05Oreille/

Le canal cochléaire est lui-même constitué des membranes basilaires, de Reisner et tectoriale ainsi que de l'organe de Corti. L'organe de Corti est posé sur la membrane basilaire et soutenu par ses deux piliers (de Corti). De chaque coté de l'organe de Corti se trouve les cellules ciliées internes et externes, véritable centre de l'audition. Le tout étant parfaitement solidaire.

Les cellules ciliées internes (3500) sont moins nombreuses que les externes (12500), elle sont sur une seule rangée contre trois pour les externes. Enfin elles sont plus grandes et comportent moins de cils.

Le son arrivant dans le limaçon, qui est un environnement liquide, va faire bouger les cellules ciliées qui vont faire remonter l'information aux organes de Corti. Organes de Corti qui assemblés, forment le ganglion de Corti qui lui-même va transmettre l'information au nerf auditif.

Nous sommes donc passés des vibrations de l'air, aux vibrations mécaniques de l'oreille moyenne pour terminer par de l'information électrique à la sortie de l'oreille interne.

Plus précisément encore,au regard de la première image on remarque que la surface du tympan est bien supérieure à celle de l'étrier. L'intensité des vibrations est donc plus grande en sortie qu'en entrée, la chaîne d'osselets se comporte donc comme un amplificateur.

La forme hélicoïdale de la cochlée fait qu'elle est beaucoup plus large en son début qu'a sa fin. Ainsi les ondes sonores entrant dans le liquide vont devoir freiner. Chaque longueur d'onde (d'aiguë à grave) vont aller stimuler un nombre précis de cellules ciliées à un endroit précis de la membrane basilaire. Plus le son sera grave plus l'onde s'enfoncera loin dans la cochlée. Dans le cas d'une onde complexe (c'est toujours le cas dans la réalité), chaque onde simple qui la compose s'arrêtera là où elle le doit et arrivée au bout (l'hélicotréma), l'onde complexe aura été intégralement décomposée.

Les cils plantés dans la membrane basilaire, solidaires, vont se pencher tantôt dans un sens tantôt dans l'autre et c'est là que le brouhaha prend sens mais c'est aussi là que s'arrête les certitudes de la sciences.

Les plus audacieux prétendent que l'alternance d'inclinaison correspondrait à une dépolarisation/hyperpolarisation. Je vous fais cadeau des échanges ioniques (potassium K+ et calcium Ca2+)) qui induisent le phénomène d'oscillement. La cellule ciliée va alors envoyer un neurotransmetteur vers la fibre nerveuse (du nerf auditif) où va naître le potentiel d'action...

La folie de la nature est d'avoir fait chaque cellule ciliée interne unique. Chacune va donc communiquer sa parcelle d'informations au nerf auditif. Nottons ici que les cellules ciliées externes servent principalement à l'amplification et qu'elles sont toutes liées à une même fibre nerveuse, alors qu'elles sont plus nombreuses.

3. La transmission vers le cerveau

Il existe deux voies pour le transit de l'information.

Voie primaire	Voie secondaire

 

Sources des images http://www.iurc.montp.inserm.fr/cric/audition/

La voie primaire aboutie au cortex auditif au fond du sillon de Sylvius. La voie secondaire aboutie elle au cortex polysensoriel, cette seconde voie permet le tri de l'information (e,g. information très importante vs information peu important) en étant reliée au centre de l'éveil et de la motivation.

L'information qui parvient au cerveau lui donne alors des indications sur intensité du son et sa localisation spatiale. La localisation est bien meilleur lorsque les deux oreilles peuvent entendre le son. Cela est possible car le son arrive avec un très léger décalage de temps entre les deux oreilles (normal si le son est sur votre gauche l'onde sonore arrive à votre oreille gauche avant la droite). Par contre la différenciation de verticalité est plus floue, le pavillon jouerait ici un rôle et l'on peut retenir qu'un son grave semble venir du sol tandis qu'un son aiguë semble venir du ciel.

Si l'explication vous a semblée ardue, sachez que c'est tout à fait normale et que je vous ai épargner un grand nombre de détails qui permettent de définir le parcourt entre les cellules, les nerf et le cortex. Un parcourt décidé par les échanges chimiques, la longueur des ondes, le nombre de cellules et de fibres impliqué et l'interaction de tous ces facteurs. Sans compter qu'il faut ajouter à tous cela le vestibule (centre de l'équilibre) car lorsque l'on court on n'entend pas la même chose qu'assit.

 

Afin d'aborder la complexité de l'oreille et du miracle de l'audition je ne vais pas vous conseiller un ouvrage scientifique mais une oeuvre littéraire. Cette oeuvre est un OVNI que seul le génie de son auteur saurait peut être classer et qui nous conte le voyage du son à travers l'anatomie de l'oreille avec une poésie qui imprègne la mémoire de manière indélébile, sans effort et joyeuse.

L'auteur : rené Barjavel
L'oeuvre : La faim du tigre
pages : de 90 à 102

De façon générale les liens "sources des images" mène vers des sites ou vous pourrez en apprendre plus.

Le développement du langage

1. Le langage

Les deux articles précédents sur le son se limitaient en grande partie à l'aspect physique (fréquence, intensité, ...) ou psycho-physique (rapport de Weber), avec le langage et plus précisément avec son développement nous entrons dans le domaine de la psychologie.

Que le langage nous différentie de l'animal, que le langage soit cause ou conséquence de la pensée, ... que nous retenions la définition des philosophes, des neurolinguistes ou des publicitaires, le langage est, la preuve, vous m'avez compris! ;o)

Puisqu'il faut bien céder à la tradition de la définition, nous allons tirer au plus court, le langage est "la faculté qu'ont les humains de communiquer entre eux par signes articulés" (F. de Saussure).

On notera que cette définition élimine, la communication animale, la gestuelle des mal-entendants, les échanges de bit entre ordinateurs, le lire et l'écrire.

Biologiquement le langage se situe dans l'hémisphère gauche (du cerveau) et nécessite l'intervention de 14 muscles.

On retiendra également que le langage est constitué de codes arbitraires : voiture en français et car en anglais. Un même signe (couple signifiant <=> signifié) est valable pour une communauté de signification (les francophones) mais pas forcément pour une autre.

Pour conclure sur le côté abstrait du langage, qui l'empêche alors qu'il est le mieux placé, d'en donner les contours, je vais vous soumettre la définition de l'information en Intelligence Artificiele : l'information est ce qui réduit le degré d'incertitude (Shannon et Weaver).

Remarque: lorsque l'on écoute de la musique c'est l'hémisphère droit qui travail. Cela tient au fait que l'hémisphère gauche est destiné à un travail analytique et le droit à un travail holistique (plus globale). Ainsi un jeune musicien apprenant le solfège utilise le gauche, mais le mélomane qui se laisse bercer utilise le droit (mieux équipé pour traiter les émotions).

2. Le développement du langage

On entend par développement la genèse d'un processus, comment il naît, évolue, vieillit et meurt. Pour Piaget le développement s'effectue de manière adaptative par enchaînement de périodes d'assimilation et d'accommodation.

• L'assimilation consiste pour le système (e;g l'enfant) à essayer d'intégrer les données (et leur structure) qu'il perçoit (par exemple : écouter les adultes parler) à ses propres structures.
• l'accommodation consiste pour le système à se rendre compte que ses structures (les structures de connaissances de l'enfants) ne sont pas en phase avec les informations reçues et dans ce cas à les modifier (accommoder).

Dans cette perspective on comprendra qu'un enfant "normal" acquièrt les mots suivant une croissance non linéaire. Pire, il peut même faire des retours, c'est-à-dire perdre quelques mots de vocabulaire ou des notions de grammaire précédemment acquis pour de nouveau faire un bond en avant vers le langage.

En outre, pour le meilleur comme pour le pire, la dimension affective peut encourager ou entraver l'apprentissage du langage, un problème d'orthodontie (e;g déformations du palais) provoquer des difficultés d'articulation et certaines langues sont plus difficiles que d'autres.

Ainsi, un enfant peut bégayer passagèrement et gagner un concours de diction quelques années plus tard. Chaque enfant a son propre parcours (rythme) et nul besoins de s'en inquiéter trop hâtivement (le désintéressement n'étant pas la règle non plus).

3. L'âge d'acquisition

A partir de la 25eme semaine (6 mois) de gestation le foetus perçoit les sons (de préférences les graves) et son système auditif est construit à la 35ème semaine.

phases	mois	type de production
maturation	1	production interrompue (cris, sons végétatifs)
	2
	3	production glottale
	4	jeux vocaux, production vélaire
	5	production vocalique
	6
production	7	babillage format canonique
	10	babillage varié
	11	proto-mots
	12	premier mot

 

Au commençement donc était le babillage, c'est-à-dire un ensemble de sons vocalisés par le nouveau-né entre 4 et 9 mois. Ce babillage est constitué essentiellement de voyelles seules et se poursuit par les premiers ba, pa, baba et bientôt papa. Désolé mesdames, il en est ainsi le bébé fait preuve d'économie et préférera répéter deux fois le même son "pa" plutôt que deux son différents "ma" et "man", quoiqu'en italien "mamma" ... ;o)

Acquisition du lexique : les premiers mots apparaissent entre 6 et 12 mois (chez les filles avant les garçons), puis le vocabulaire croît de manière exponentielle pour atteindre 1500 mots à 2 ans, c'est ce que l'on appelle l'explosion lexicale. Pendant cette période les disparités peuvent être énormes et un enfant peut ne rien dire mais comprendre presque tout.

A 3 ans, il acquièrt le "je", à 4 les adjectifs et les noms et à 5 la conjugaison (le sens des verbes est plus complexe). Puis très vite viendrons "les fabuleuses conversations" entre enfants de moins de 6 ans. A 5 ans et demi l'enfant possède l'essentiel du langage.

Remarques :

• les enfants de parents sourds acquièrent le langage des signes aussi vite que les entendants acquièrent le langage parlé.
• Le développement du langage suit le développement cognitif de l'enfant (sauf pathologie (i,e: syndrome de Williams où le développement du se fait plus rapidement que le développement du QI))
• certains sons existent dans une langue et pas dans une autre, ainsi l'on finit par devenir sourd à certains sons. Ce qui explique également que certaines langues par leur richesse de sons préparent mieux à l'apprentissage des autres langues (ex: le russe)
• plus on apprend une langue tôt, plus cela est facile

 

4. Développement et chaos

La jeune histoire du chaos (au sens moderne) commence ainsi, "Un jour d'hiver 1961, Lorenz voulut reprendre le calcul d’un bulletin météo interrompu prématurément. Sans reprendre tous ses calculs depuis le début, il introduit son dernier listage en tronquant les nombres à 3 décimales : 0,506 (127), supposant que la différence – un pour un millier – sera sans conséquence. Lorsqu'il revient, une heure plus tard, le graphique, censé reproduire exactement le précédent, suit une évolution de plus en plus divergente jusqu’à la disparition de toute ressemblance. Ainsi, un petit changement initial avait entraîné un énorme changement final." James GLEICK

Source de l'image http://patrice.jeandroz.free.fr/chaos/sommaire.htm

Plus connue sous le nom d'effet papillon (un battement d'aile de papillon à Pekin peut entraîner une tempête à New York), ou encore Théorie du chaos et pour les intimes la dépendance sensitive aux conditions initiales.

Ce chaos n'est pas un désordre mais bien plutôt un ordre caché. Lorenz, surpris mais pas désarçonné, se mit à construire des machines (essentiellement mathématiques) afin de recréer cet effet. Il nota cet ensemble de données a priori sans ordre et les plaça sur un graphique, miracle...

Source de l'image http://patrice.jeandroz.free.fr/chaos/sommaire.htm

... les points juxtaposés donnaient une forme, non périodique, sans recoupement et infinie (et qui de plus ressemble à des ailes de papillon). De l'ordre dans le chaos apparent!

Plus tard les mathématiciens retrouveront ces attracteurs dans les tourbillons formés par une rivière, la fumée, les courbes démographiques des populations de poissons, la bourse... et le développement psychologique.

Ces éléments terminent la confirmation d'un parcours unique de chaque enfant pour accéder au langage. C'est-à-dire qu'un élément qui a priori semblait superflu voire négligeable peut avoir une incidence ou pas sur le développement. Le développement du langage se fait sur le long terme (autre condition nécessaire à l'apparition du chaos) et dans un système sensible aux conditions initiales, l'enfant.