Le Son, l'Oreille et la Voix : Mécanismes Expliqués

Le fonctionnement de l'oreille

L'oreille possède une mécanique incroyable.

Le cheminement du son

Lorsqu'on entend un son, notre tympan vibre. Cette vibration fait bouger une chaîne de trois petits os situés juste derrière lui, appelés les osselets :

• Le marteau : directement attaché au tympan.
• L'enclume : reliée au marteau.
• L'étrier : relié à l'enclume et en contact avec l'oreille interne.

Grâce à cette disposition, la vibration initiale du tympan est amplifiée.

La transformation en signal nerveux

Derrière l'étrier se trouve la cochlée, une sorte de récipient en forme de colimaçon. Elle contient un liquide dans lequel baignent de minuscules cils sensoriels. Quand l'étrier appuie sur la membrane de la cochlée, le liquide se met en mouvement et fait vibrer ces cils.

Tout ce processus est d'abord mécanique. Cependant, en vibrant, les cils produisent des décharges électriques qui sont transmises au cerveau par le nerf auditif. En fonction de ces décharges, le cerveau interprète le bruit que nous percevons.

Qu'est-ce que le son ?

Définition et propagation

Le son est une vibration qui se propage, le plus souvent dans l'air. En l'absence d'air (dans le vide), il n'y a pas de son, car aucune molécule ne peut vibrer pour transmettre cette vibration.

Exemple : Si l'on place une radio allumée sous une cloche de cristal vidée de son air, les vibrations émises par la radio n'ont aucun support pour être véhiculées. On n'entend donc rien.

Source du son

Dans un haut-parleur, c'est une membrane souple qui produit le son en vibrant. Nous pouvons d'ailleurs la voir vibrer.

En présence d'air, le son est toujours produit par un objet qui vibre. Ces objets peuvent être :

• Naturels (les feuilles dans le vent, une cascade).
• Fabriqués (la peau d'un tambour, la corde d'une guitare, un tube de métal frappé).
• Biologiques (les cordes vocales d'un humain ou d'un animal).

Cet objet a été mis en vibration (en oscillation) par une sollicitation mécanique : la percussion, le frottement, l'effleurement, le souffle, etc.

Caractéristiques du son

Un son est souvent représenté sous la forme d'une onde, avec des variations de pression :

• La bosse correspond à une pression de l'air.
• Le creux correspond à une dépression de l'air.

Le nombre de vibrations complètes en une seconde est appelé la fréquence. Elle se mesure en hertz (Hz).

• Plus le son est aigu, plus sa fréquence est élevée.
• Plus le son est grave, plus sa fréquence est basse.

Nos oreilles humaines sont sensibles aux fréquences comprises environ entre 20 Hz et 20 000 Hz (ou 20 kHz).

La vitesse du son dépend du milieu : dans l'air (à température ambiante), elle est d'environ 340 m/s, tandis que dans le verre, elle atteint environ 5300 m/s.

Infrasons et ultrasons

Les sons dont la fréquence est très basse (inférieure à 20 Hz) sont appelés infrasons. Ils sont inaudibles pour l'homme mais peuvent être captés (et parfois émis) par certains animaux comme les éléphants.

Les ultrasons sont des sons très aigus dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz. Ils sont également inaudibles pour nous mais sont utilisés par des animaux comme les chauves-souris (écholocation) ou certaines baleines pour communiquer sur de longues distances.

Les harmoniques et le timbre

Lorsque nous produisons un son (par exemple, en chantant la note LA), nos cordes vocales vibrent à une certaine fréquence, appelée fréquence fondamentale. Pour le LA standard (dit LA₃), cette fréquence est de 440 Hz (elles s'ouvrent et se referment 440 fois par seconde).

Cependant, un son musical ou vocal n'est presque jamais constitué uniquement de sa fréquence fondamentale. Il est accompagné par d'autres fréquences plus élevées, qui sont des multiples entiers de la fondamentale. Ces fréquences d'accompagnement sont appelées les harmoniques.

Exemple : Pour une fondamentale de 440 Hz, les premières harmoniques sont :

• Harmonique 2 : 440 Hz x 2 = 880 Hz
• Harmonique 3 : 440 Hz x 3 = 1320 Hz
• Harmonique 4 : 440 Hz x 4 = 1760 Hz
• Et ainsi de suite...

Le rôle des harmoniques dans le timbre

Le nombre et l'intensité relative de ces harmoniques varient d'une source sonore à une autre. C'est ce qui définit le timbre d'un son, c'est-à-dire ce qui nous permet de différencier deux instruments jouant la même note, ou deux personnes chantant la même note.

Par exemple, une personne pourrait avoir des harmoniques fortes à 880 Hz et 1760 Hz, tandis qu'une autre aurait des harmoniques fortes à 880 Hz et 3520 Hz (8 x 440 Hz). Même si les deux chantent un LA à 440 Hz, leur voix sonnera différemment.

Influence de la caisse de résonance

En sortant de la source (larynx pour la voix, corde pour une guitare), la fréquence fondamentale et ses harmoniques se propagent dans une caisse de résonance (gorge, bouche, corps de l'instrument...). Elles rebondissent contre les parois de ces résonateurs. Chaque résonateur a tendance à amplifier certaines fréquences (ses fréquences propres).

Par exemple, si la bouche a une fréquence de résonance proche de 880 Hz, l'harmonique de 880 Hz sera particulièrement amplifiée, contribuant au timbre unique de la voix.

Différences entre instruments

Pourquoi les instruments ne sonnent-ils pas de la même façon ? Parce que leur structure et leur caisse de résonance produisent et amplifient un nombre et une intensité d'harmoniques différents.

La flûte, par exemple, produit un son relativement pur avec peu d'harmoniques (une douzaine environ), tandis que la clarinette en produit beaucoup plus (une trentaine), ce qui lui donne un timbre plus riche et complexe.

Les harmoniques expliquent donc en grande partie :

• Pourquoi les sons des différents instruments sont distincts.
• Pourquoi nous avons tous un timbre de voix différent.

Comment se forme le son de la voix ?

Le mécanisme de base

La production de la voix commence par l'air emmagasiné dans nos poumons lors de l'inspiration. Pour émettre un son, il faut expulser cet air.

1. Les poumons se vident, expulsant l'air.
2. L'air est canalisé dans le conduit appelé la trachée.
3. L'air remonte jusqu'au larynx, où se trouvent les vibrateurs : les cordes vocales.

Nous avons deux cordes vocales. Ce sont deux petits muscles tendus horizontalement, attachés à des cartilages du larynx (on peut sentir le principal, le cartilage thyroïde ou "pomme d'Adam", en tâtant le cou).

Le rôle des cordes vocales

À quoi servent les cordes vocales ?

• Pendant la respiration silencieuse : Elles sont écartées, laissant la trachée ouverte pour que l'air circule librement.
• Pour parler ou chanter : Le cerveau leur donne l'ordre de se rapprocher et de se tendre.

L'air expulsé des poumons est alors partiellement bloqué sous les cordes vocales fermées. La pression de l'air augmente jusqu'à forcer le passage entre elles. Ce passage en force les fait vibrer rapidement.

De la vibration au son articulé

La vibration des cordes vocales fait vibrer l'air qui les traverse, créant le son initial (la fréquence fondamentale et ses harmoniques). Ce son brut, parfois appelé "voix laryngée", est encore faible.

Ces vibrations sonores vont ensuite :

1. Se propager dans les cavités situées au-dessus du larynx : le pharynx (gorge), la bouche et parfois les fosses nasales. Ces cavités agissent comme des résonateurs.
2. S'amplifier et s'enrichir grâce à cette résonance, formant le timbre unique de la voix.
3. Être "sculptées" par les mouvements de la mâchoire, de la langue et des lèvres. C'est l'articulation.

Grâce à l'articulation, les vibrations amplifiées se transforment en sons spécifiques : les voyelles et les consonnes, qui forment les lettres, les mots et le chant.

Les décibels : mesurer le niveau sonore

Définition et échelle

Le décibel (dB) est l'unité utilisée pour mesurer le niveau d'intensité sonore. Un décibel correspond à un dixième d'un bel (B), une unité plus large rarement utilisée (10 dB = 1 B).

Note : Le décibel ne fait pas partie du Système international d'unités (SI) au même titre que le mètre ou le kilogramme, mais son usage est universel en acoustique.

Le niveau sonore se mesure avec un appareil appelé sonomètre. L'échelle usuelle va typiquement de 0 dB (seuil d'audition) à environ 140 dB (seuil de la douleur), voire plus pour des sons extrêmes.

Quelques exemples de niveaux sonores :

• Conversation normale : 60 dB
• Bébé qui pleure : 80 dB
• Scooter qui accélère, chien qui aboie : 90 dB
• Concert rock, marteau-piqueur : 100-110 dB
• Avion au décollage (à proximité) : 120-130 dB

Une échelle logarithmique

Notre oreille ne perçoit pas l'intensité sonore de façon linéaire. L'échelle des décibels est logarithmique : elle est conçue pour correspondre approximativement à notre perception de l'augmentation du volume, plutôt qu'à l'augmentation réelle de l'énergie sonore.

Cela a une conséquence importante : lorsque l'intensité sonore double (deux fois plus d'énergie), le niveau sonore augmente seulement de 3 dB.

Exemple : Un scooter produit environ 90 dB. Si deux scooters identiques accélèrent ensemble, le niveau sonore ne sera pas de 180 dB, mais de 90 dB + 3 dB = 93 dB.

L'intensité sonore double (x2), quadruple (x4), octuple (x8), etc., mais le niveau sonore n'augmente que par paliers de +3 dB (90 -> 93 -> 96 -> 99 dB...).

Protection naturelle et risques auditifs

L'oreille possède un mécanisme de protection : au niveau de l'étrier, un petit muscle (le muscle stapédien) se contracte automatiquement lorsque le son dépasse environ 85 dB. C'est le réflexe stapédien.

En se contractant, il limite le mouvement de l'étrier, réduisant ainsi la transmission des vibrations trop fortes vers la cochlée et protégeant (partiellement) les cils sensoriels.

Cependant, cette protection a ses limites :

• Elle n'est pas instantanée.
• Elle fatigue au bout d'un certain temps.
• Elle est inefficace contre les bruits impulsifs (explosions).

Une exposition prolongée à des niveaux sonores élevés peut donc causer des dommages irréversibles à l'audition. Les seuils de danger communément admis dépendent du niveau et de la durée d'exposition :

• 85 dB : Seuil de risque pour une exposition de 8 heures par jour.
• 90 dB : On considère qu'il ne faut pas rester plus de huit heures exposé à un bruit de 90 dB.
• 100 dB : On considère qu'il ne faut pas rester plus d'une heure exposé à un bruit de 100 dB.
• 110 dB : On considère qu'il ne faut pas rester plus de quatre minutes exposé à un bruit de 110 dB.

Attention : Les durées indiquées ci-dessus proviennent du texte original et peuvent différer des recommandations sanitaires les plus récentes, qui sont souvent plus strictes.

Pollution sonore

Aujourd'hui, la principale source de pollution sonore dans notre environnement provient des moyens de transport (voitures, trains, avions...).

L'exposition continue à un niveau sonore de 85 dB est considérée comme dangereuse pour l'audition à long terme. C'est un niveau qui peut être atteint dans certains environnements de travail (usines, chantiers) ou même dans des lieux publics bruyants comme une cour de récréation.

L'après-midi, nous sommes parfois moins attentifs, en partie car nous pouvons avoir besoin d'un temps de récupération après le repas de midi.