TPE : LES DANGERS DES SONS
SOMMAIRE Intro 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/m 2 ). 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 m 2
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 m 2 I en W/m 2 Avec cette grandeur on peut obtenir alors que l oreille perçoit des sons entre 10-12 W/m 2 et 1W/m 2. 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/p 0 )=20.log(p/2.10-5 ) Avec p 0 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/I 0 )=10.log(I/1.10-12 ) Avec I 0 le seuil d audibilité approximativement à 1.10-12 W/m 2. On peut alors obtenir pour une intensité de 1 W/m 2 : Li=10log(1/ 10-12 )=10log10 12 =120log10=120dB
Tableau explicatif : Variation en db + 3 db La puissance acoustique double Variation de puissance acoustique - 3 db La puissance acoustique diminue de moitié + 10 db La puissance acoustique devient 10 fois plus grande - 10 db La puissance acoustique devient 10 fois plus petite + 20 db La puissance acoustique devient 100 fois plus grande - 20 db La puissance 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 Schéma 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). Le basculement des cils vers l'arrière laisse entrer le cation K + qui dépolarise la cellule ciliée interne. Cette dépolarisation ouvre les canaux Ca 2+ 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 I 0 et I 1, on peut observer aucun P.A. (potentiel d action), donc aucun message nerveux. Alors que pour I 3, 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.