Chapitre 4 : Entendre la musique

Thème 4 : Son et musique, porteurs d’information

Chapitre 4 : Entendre la musique

Introduction :

Le son est un phénomène vibratoire. L’organisme doit donc disposer de structures spécialisées dans la captation et la transformation de ces vibrations en signaux qui pourront être décodés par notre cerveau. Nous allons donc étudier les organes qui composent notre sens de l’ouïe.

1. La réception des ondes sonores

L’oreille est un organe complexe, organisé en trois régions distinctes qui assurent chacune différentes fonctions. Ce que nous appelons oreille n’est en réalité que sa partie la plus externe, le pavillon.

Objectif : Comprendre les rôles de l’oreille externe et de l’oreille moyenne

Document 1 : organisation générale de l'oreille

Document 2 : Oreille externe et onde sonore

Document 3 : Organisation de l'oreille moyenne

A partir de ces trois schémas, proposez un mode de fonctionnement de l’oreille externe et de l’oreille moyenne. 

L’oreille externe est constituée du pavillon et du conduit auditif. Son rôle est de recevoir, canaliser et amplifier les ondes sonores.

Le pavillon agit comme un entonnoir et réceptionne les ondes sonores pour les diriger vers le conduit auditif. Ce faisant, il les amplifie en les focalisant vers le conduit auditif.

Le canal auditif canalise les ondes sonores vers le tympan et les amplifie en augmentant leur intensité grâce à leur compression.

L’oreille moyenne est constituée du tympan et de la chaîne des osselets. Son rôle est de transmettre les ondes sonores reçues à l’oreille interne.

Le tympan est une membrane qui vibre en fonction des ondes sonores qui sont reçues, exactement à  l’inverse d’une membrane de haut-parleur.

Cette vibration peut être transmise à la cochlée par l’intermédiaire des trois plus petits os du corps humain, le marteau, l’enclume et l’étrier.

Le marteau est directement relié au tympan. Les vibrations de la membrane sont directement transcrites en mouvement de va-et-vient de la tête du marteau.

Cette dernière vient frapper sur l’enclume qui joue le rôle d’intermédiaire. Les mouvements de l’enclume sont transmis à leur tour à l’étrier.

L’étrier, le plus petit os du corps, va alors exercer une pression sur la fenêtre ovale de la cochlée ce qui va comprimer le liquide qui y est contenu.

Le fait que les vibrations soient transmises par une chaine d’osselets permet deux choses qui seraient impossibles avec une transmission directe par le tympan :

Ils jouent le rôle de protection contre les ondes sonores trop intenses car leurs mouvements peuvent être en partie restreints par les muscles.

Ils permettent une amplification des signaux sonores les plus faibles en recevant les ondes transmises par conduction par les os du crâne.

2. Le rôle de l’oreille interne

Au niveau de la cochlée, le son n’est encore qu’une onde constituée de compressions et de décompressions de liquide. Nous allons donc chercher à comprendre comment fonctionne l’oreille interne.

Document 1 : organisation de la cochlée

Source: le livre scolaire

Document 2 : les cils vibratiles à la surface de la cochlée : organe de Corti

Document 3 Détail d’une cellule ciliée cochléaire

Votre objectif : expliquer comment des vibrations de l’air à l’origine vont être transformées dans l’oreille interne en message nerveux donc électrique

Guide :

Document 1 : ce document va vous permettre d’expliquer comment le signal sonore transmis par l’oreille moyenne circule dans toute la cochlée.

Document 2 : ce document vous montre les cellules qui tapissent la surface de la cochlée.

Document 3 : le document le plus compliqué. Il va vous permettre d’expliquer comment le message va être transformé en message électrique.

Aide à l’interprétation: L’intérieur de la cellule est globalement négatif et l’extérieur positif. Les canaux K+ peuvent s’ouvrir si le cil bouge. L’entrée de Ca²⁺ provoque la sortie du neurotransmetteur. La fixation du neurotransmetteur sur la neurite déclenche un message nerveux.

Correction :

La vibration du tympan est transmise aux osselets de l'oreille moyenne. Le mouvement de l'enclume fait alors vibrer le liquide contenu dans la cochlée. En progressant dans la cochlée, cette vibration provoque le déplacement des cils qui constituent l'organe de Corti en fonction de leur seuil de tolérance (de 20 000 à 20 Hz). Ces mouvements déclenchent l'ouverture des canaux à potassium. L'ion K+ entre dans la cellule et provoque la dépolarisation de cette dernière. La dépolarisation provoque l'ouverture des canaux calciques et l'entrée de l'ion calcium déclenche la fusion des vesicules synaptiques contenant le neurotransmetteur. Ce dernier franchit l'espace le séparant du neurone et se fixe sur son recepteur. La fixation engendre un courant electrique qui va être transmis via le neurone jusqu'au cerveau. 

En conclusion, un message mécanique (la vibration) est tout d'abord transformé en message chimique (le neurotransmetteur) qui va lui même induire la formation d'un message électrique dans le nerf.

3. Interprétation par le cerveau

Le message nerveux issu de la captation des ondes sonores est transmis via le nerf auditif au cerveau. Certaines observations médicales avaient déjà permis de localiser les zones cérébrales responsables de la perception sonore dans la zone temporale. Les travaux des docteurs Souques et Baruk étaient allés un peu plus loin et ont permis de déterminer que les informations sonores n'étaient pas toutes traitées exactement au même endroit de l'encéphale. Il semble donc qu'il existe diverses zones capables de traiter les informations sonores en fonction de leur nature.

Les expériences des docteurs Penfield et Perot ont, en outre, permis d'établir que la partie droite du cortex temporal était plus fréquemment associée à la perception de la musique. Toute stimulation de la zone temporale déclenche des sensations auditives, mais les sensations musicales sont plus fréquente lors de stimulations du coté droit.

Les progrès techniques de l'imagerie musicale ont permis de visualiser ce fait par des observations physiologiques. Le principe de l'IRMf est de visualiser les zones dans lesquelles un afflux sanguin se produit. En faisant écouter des sons à un patient subissant une IRMf, on peut ainsi visualiser les zones les plus actives du cerveau. Dans l'exemple ci-dessous, un individu entend deux syllabes.

On observe une tache rouge au niveau du cortex temporal gauche qui indique un afflux sanguin important dans cette zone. Or les neurones actifs ont besoin de plus de dioxygène pour fonctionner que les neurones peu actifs. On peut donc dire que la zone activée lors de l'écoute d'un mot est le cortex temporal gauche.

Maintenant, si au lieu de faire écouter un mot, on fait entendre de la musique, voici les résultats obtenus.

On observe encore une activité importante du coté gauche, mais cette fois, le cortex temporal droit est également plus actif. On peut donc dire que le cortex temporal droit est sollicité de manière plus importante lors de l'écoute d'une mélodie.

Enfin, le cortex temporal est en relation avec d'autres zones du cerveau. Ainsi, en faisant écouter différents types de musiques au même individu, on peut cartographier les zones responsables de l'audition dans le cortex temporal, mais également observer une activation de zones cérébrales spécialisées dans le traitement des émotions.

A gauche, le sujet entend une musique joyeuse, à droite, une musique terrifiante. On observe dans les deux cas une activation de l'aire associative qui permet de gérer les émotions et qui est située dans le gyrus central. Nous voyons donc sur ces irm la naissance d'émotion grâce à l'écoute de musique.

Conclusion:

Le message nerveux auditif est transmis à une aire spécifique du cortex cérébral située dans le lobe temporal : L'aire auditive primaire. Cette aire cérébrale, associée à d'autres aires spécialisées, va traiter l'information électrique portée par le message nerveux et permettre ainsi l'interprétation de l'univers sonore sur laquelle est fondée la perception sonore : reconnaissance des voix, mélodie musicale, identification des bruits...

La musique possède la capacité de faire naître des émotions grâce à l'activation de zones cérébrales spécialisées dans le traitement des émotions. Ainsi, chaque musique est globalement perçue de la même manière par chaque individu tandis que les émotions qu'elle suscite nous sont personnelles et dépendent de notre vécu.

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4. La fragilité du système auditif

Objectif : Répondre à la problématique : Quelles sont les capacités et les limites de l’oreille humaine ?

Document 1 : Les sons audibles par l’oreille humaine

Tout signal sonore est caractérisé par sa fréquence exprimée en Hertz (Hz), son niveau sonore exprimé en décibel (dB) et sa durée généralement exprimée en seconde (s).

Document 1 : Graphique représentant un mi grave et un mi aigu sur une guitare (source: logiciel Audacity)

Les sons audibles par l’oreille humaine ont des fréquences comprises entre deux valeurs extrêmes. Ainsi, depuis les sons les plus graves jusqu’aux plus aigus, l’oreille humaine perçoit une grande variété de fréquences sonores.

L’oreille humaine peut percevoir des sons d’un niveau sonore compris entre 0 et 120 dB mais la plupart des sons de la vie quotidienne sont compris entre 30 et 90 dB. Lorsque l’on s’éloigne d’une source sonore, le niveau décroît de 6 dB à chaque fois que la distance double. Lorsque l’intensité sonorore double, le niveau sonore s’élève de 3 dB.

Document 2 : Le champ auditif

Notre oreille est donc sensible à une gamme de sons caractérisés par leur niveau sonore (de faible à forte) d’une part et par leur fréquence d’autre part (de grave à aiguë). Cette gamme de sons audibles est appelée champ auditif. Toutes les ondes sonores situées en dehors de ces limites ne sont pas considérées comme des sons par l’oreille humaine.

Document 3 : Des sons dangereux

Le niveau des sons peut être placé sur une échelle qui comporte 4 niveaux de dangerosité. Outre l’intensité des sons, il faut absolument prendre en compte la durée d’exposition. Par exemple, dans une discothèque le niveau sonore ne doit pas dépasser 105 dB afin de ne pas déranger le voisinage. En revanche, ce niveau est potentiellement dangereux pour les personnes se trouvant à l’intérieur de l’établissement. En effet, à ce niveau, la durée d’exposition est de 1à 5 minute(s) toutes les 24 heures. C’est un peu court pour danser (ou autre…)! L’idéal est alors de se munir de bouchons d’oreille.

Les conséquences d’une exposition même brève à des sons trop forts sont importantes. Les dégâts occasionnés sur les cellules ciliées sont irréversibles, car elles ne se régénèrent pas. Selon le degré du traumatisme, une surdité de perception peut survenir

Document 4 : Le vieillissement auditif.

L’audiogramme suivant montre l’évolution de l’acuité auditive moyenne aucours de la vie pour des personnes ne présentant aucune anomalie auditive. Les expositions répétées à un environnement sonore nocif accélèrent le vieillissement auditif.

Question 1 : Le niveau sonore dans une salle de classe peut atteindre 45 décibels. A 1 mètre du professeur, sa voix a une intensité de 54dB. Le premier rang se trouve à 2 mètres du professeur puis se succèdent tous les deux mètres jusqu’à atteindre le quatrième rang.

A partir de quel rang le professeur devient-il inaudible ? 

Le volume sonore perd 6 dB chaque fois que la distance double. Au premier rang, situé à deux mètres du professeur, l'intensité est donc de 48 dB ce qui est suffisant pour être audible. Au deuxième rang, situé à 4 mètres, l'intensité n'est plus que de 42 dB, ce qui, du fait de l'ambiance sonore de 45 dB, n'est plus suffisant pour être audible. Donc, le professeur n'est plus audible dès le deuxième rang.

A combien de dB devrait-il parler pour être audible au quatrième rang ?

D'après l'organisation de la salle, le quatrième rang se trouve à 2³=8 mètres du professeur. L'intensité de sa voix va donc diminuer de 6x3=18 dB au quatrième rang. l'intensité doit être supérieure à 45 dB soit 45+18=63dB. Il doit donc parler à 64 dB pour pouvoir être entendu au quatrième rang.

Question 2 :Indiquer les gammes de fréquence et de niveau sonore correspondant à une conversation.

Lors d'une conversation, l'intensité sonore doit être comprise entre 20 et 80 dB. La fréquence sonore doit être comprise entre 250 et 4000 Hz. On peut noter que l'intensité sonore peut être moins importante si la voix est aiguë.

Question 3 : Justifier l’interdiction d’une exposition journalière à plus de 8 heures à 80/85 dB imposée par la législation du travail.

D'après le document 3, une exposition à des sons d'intensité supérieure à 80 dB peut entraîner des dommages en moins de 8 heures. Or, comme les journées de travail sont en général proches de 8 heures, il est indispensable de mettre une limitation à 80 dB, seuil que nous pouvons supporter pendant 8 heures sans dommages.

Question 4 : Identifier les conséquences d’un traumatisme sonore sur les cellules ciliées.

Les cellules ciliées vibrent en fonction de l'onde sonore transmise par le liquide contenu dans la cochlée. Si les vibrations sont trop importantes, cette vibration peut endommager les cils, de la même façon que le vent le fait sur les cultures.

Les mouvements incessants et violents vont casser les cils, ce qui entraîne une baisse, voire une disparition de l'audition car les cellules ciliées ne se régénèrent pas.

Question 5 : Décrire les pertes auditives liées au vieillissement entre 20 et 60 ans.

Entre 20 ans et 60 ans, les pertes les plus importantes se situent au niveau de l'audition des sons aigus.

A 20 ans, toute la gamme de fréquence, de 125 à 6000 Hz est aisément audible, avec des seuils compris entre 0 et 10 dB.

A 60 ans, les fréquences basses sont toujours audibles à un niveau normal bien qu'un peu plus faible ( seuil d'audition compris entre 15 et 30dB pour des fréquences comprises entre 125 et 3000 Hz). En revanche, pour les fréquences supérieures à 3000 Hz, le volume doit être supérieur à 50dB pour devenir audible, ce qui rend critique la compréhension de la parole. Pour les fréquences supérieures, il n'existe plus de seuil d'audibilité, la capacité d'audition des aigus disparait définitivement.

Bonus : testez vous-même votre audition

Ecoutez ces sons.

Si vous l’entendez, votre audition est conforme à ce que vous devez entendre à votre âge. Sinon, il pourrait être malin de baisser le volume sonore de ce que vous écoutez (ou alors vous êtes vieux comme moi, je n’entends qu’à partir de la 30^ème seconde !)

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