Eléments sur l’audition

Physiologie de l’oreille

  Oreille externe.

Le pavillon réalise un filtrage sélectif suivant la fréquence et la direction du son : il permet de localiser le son. Le conduit auditif peut être assimilé à un résonateur de Helmoltz : il a donc une fréquence de résonance situé entre 3kHz et 3,8 kHz. Ces fréquences sont amplifiées et elles sont donc agressives pour l’oreille.

Le tympan a un peu le même rôle que la membrane d’un microphone à pression. Le milieu extérieur est soumis à la pression atmosphérique et à la pression acoustique tandis qu’à l’intérieur on a que la pression atmosphérique. Les pressions étant différentes, le tympan va vibrer et transmettre ces vibrations aux osselets. Quelque fois on doit équilibrer la pression interne de notre corps avec la pression atmosphérique externe surtout après avoir été en altitude, en avion, ou sous l’eau (en plongé). Cela est nécessaire pour percevoir correctement les sons.

Oreille moyenne.

Oreille moyenne comprend trois  osselets : le marteau, l’enclume (25 mg) et l’étrier (5 mg). Ils transmettent ici la vibration du tympan jusqu’à la fenêtre ovale de l’oreille interne. La différence de poids entre l’enclume (25 mg) et l’étrier (5 mg) permet une amplification de la vibration mécanique par effet de levier.

Le muscle Stapédien entoure les trois osselets. Lorsque un son de fort niveau arrive dans l’oreille il y a  contraction de ce muscle. Cela empêche la propagation du signal et protège l’oreille interne. On parle de réflexe « Stapédien »..

Oreille interne.

L’oreille interne se présente sous la forme d’un colimaçon appelé cochlée : il s’agit d’une spire hélicoïdale comprenant deux rampes : une rampe tympanique et une rampe vestibulaire séparées par une membrane basilaire et une membrane tectoriale.

L’oreille interne contient environ 14000 cellules cillées, disposées en 4 rangées sur la membrane basilaire, au contact desquelles prennent naissance des fibres nerveuses.  Lorsque l’étrier met en vibration de liquide (périlymphe) au niveau de la fenêtre ovale, cette vibration va provoquer le frottement de la membrane tectoriale sur la membrane basilaire. Les cellules ciliées se trouvant sur la membrane basilaire vont être excitées. Elles vont transmettre des informations via des fibres nerveuses (à l’aide d’ions Ca2+) au cortex auditif, c’est-à-dire jusqu’au cerveau. Le mouvement de la membrane basilaire qui excite les cellules cillées permet la détection de la fréquence et de l’intensité du son à analyser. Ces cellules cillées sont fragiles et leur destruction due à des expositions à des niveaux de bruit trop élevés est irréversible.

Pour une fréquence donnée, c’est un ensemble des cellules ciliées bien déterminé qui va être excité. Si le son est grave, c’est la base de la membrane qui sera excitée. Si le son est aigu, c’est l’apex situé à l’autre extrémité de la membrane qui sera excité. Cette détection fréquentielle en fonction de la position de l’excitation de la membrane basilaire est appelée la tonotopie. L’oreille interne joue ainsi le rôle d’analyseur fréquentiel. La perte d’audition vient, en général, de la perte de cellules cillées ou de la contraction de la membrane basilaire notamment à la base, d’où la perte en hautes fréquences pour les personnes âgées.

On constate que pour les basses fréquences, la zone excitée est plus étendue qu’elle ne devrait être et on a une certaine imprécision.  Cette imprécision explique en partie l’effet de masque fréquentiel. Les cellules ciliées correspondant aux fréquences situées juste au dessus du son masquant se trouve déjà excitées.

L’oreille interne contient aussi des éléments permettant de contrôler l’équilibre et l’accélération. Le principe identique :  excitation de cellules ciliées.

Les courbes de Fletcher et Munson ou lignes « isosoniques ».

Les courbes dites de Fletcher & Munson, du nom des deux scientifiques qui les ont établies à l’aide de mesures effectuées sur un large panel d’individus, illustrent le fait que la sensibilité de l’oreille n’est pas identique pour toutes les fréquences. Ces courbes sont aussi appelées lignes « isosoniques ».

Ces courbes sont paramétrées en phones. Par définition, le numéro de chaque courbe (ou niveau en phones) est égal à niveau l’intensité en dB à une fréquence de 1000 Hz. Ces courbes indiquent, pour toutes les fréquences du spectre audible, le niveau de pression acoustique (SPL pour Sound Pressure Level) nécessaire à la perception d’une même intensité sonore, d’où le terme « courbe d’égale (iso) sensation sonore (sonique) ».

Prenons un exemple : si vous prenez comme référence un signal à 1 KHz émis à un niveau de 60 dB, et que vous le comparez à un signal de 40 Hz, ce dernier devra être d’un niveau non plus de 60 dB mais de 80 dB pour que vous ayez une sensation sonore identique. Si vous comparez ensuite ce même signal à 1 KHz avec un autre à 8 KHz, ce dernier devra être émis à un niveau de 70 dB pour que vous ayez une sensation sonore identique pour les deux signaux.

De nombreux exercices seront proposés en cours pour convertir des niveaux physiques en niveaux perçus.

D’une manière générale, l’oreille est moins sensible aux fréquences graves et aiguës qu’aux fréquences médiums, comprises entre 1 KHz et 5 KHz, qui sont naturellement favorisées par notre oreille.

Loudness Le correcteur loudness présent sur quelques amplificateurs Hifi permet à bas niveau d’amplifier les fréquences graves et aiguës afin d’obtenir la sensation d’un son équilibré en niveau sur toute la bande de fréquences audibles.

 Les filtres pondérateurs

Lorsqu’on effectue des mesures de bruit ou de niveau sonore, on utilise des filtres introduits dans le sonomètre pour pondérer les mesures. Ces pondérations vont permettre de tenir compte approximativement de la variation de la sensibilité de l’oreille en fonction de la fréquence et de l’intensité. Il existe trois courbes de pondération correspondant à trois zones de niveau sonore.

Courbe A : pondération A en dB(A) pour des niveaux de 25 à 55 dB

Courbe B : pondération B en dB(B) pour des niveaux de 55 à 85 dB

Courbe C : Pondération C en dB(C) pour des niveaux supérieurs à 85 dB

Remarque : c’est la pondération B qui a été choisie pour la norme Loudness (R128). La courbe B a été cependant modifiée dans les fréquences aiguës.

Jusqu’à présent, nous avons vu que le seuil de douleur est à 120 dB. Cependant, si on expose de façon prolongée l’oreille à des niveaux compris entre 85 dB(A) à 105 dB(A), cela peut-être dangereux pour l’organisme. Il y a des durées limites à ne pas dépasser comme indiqué sur le tableau.

Suite à ces expositions on peut avoir une élévation temporaire du niveau du seuil d’audition, l’apparition de sifflements (acouphènes), une impression d’oreille bouchée. Si l’exposition est vraiment trop longue à des niveaux trop élevés, on aura une élévation permanente du niveau du seuil d’audition. Les cellules cillées auront perdu leur élasticité et ne transmettront plus les informations au nerf auditif. Le contenu fréquentiel joue aussi un rôle déterminant dans les facteurs de risque. Plus le spectre contient des fréquences élevées, plus le risque est grand.

D’un point de vue législatif, la France demande que le niveau sonore dans les lieux public ne dépasse pas les 105 dB(A).

L’effet de masque.

On doit faire une distinction entre l’effet de masque temporel et l’effet de masque fréquentiel. On dit qu’il y a un masquage lorsqu’un l’oreille ne détecte pas un son faible, en présence d’un son plus fort. Le son le plus fort qui crée un effet de masque est appelé son masquant et le son le plus faible est appelé son masqué.

En fait, il y a modification du seuil de perception du son masqué en présence du son masquant. Pour le mesurer, on fait entendre à un auditeur placé dans un lieu calme une certaine fréquence dont on note le seuil de perception. On fait entendre ensuite simultanément un son masquant à un certain niveau, et on augmente le niveau du signal masqué pour qu’il soit à nouveau audible. En effectuant ces mesures, il est possible de d’obtenir les courbes de ci-contre. Par exemple on voit que pour un son masquant de 800 Hz à 80 dB, il faut remonter le niveau du son masqué de 50 dB à la fréquence de 1200 Hz et de 30 dB à 4000 Hz.

L’effet de masque est très prononcé pour les fréquences supérieures à la fréquence du son masquant et peu prononcé pour les fréquences qui sont inférieures et ceci est d’autant plus vrai que le son masquant est fort. Le phénomène est inexistant si le son masqué a le même niveau que le son masquant.

Les compositeurs, arrangeurs et bruiteurs doivent prendre cet effet en considération pour éviter de rendre difficile l’audition d’un soliste entouré par les instruments de l’orchestrés.

L’effet de masque est largement utilisé aujourd’hui dans les algorithmes de compression du signal numérique, afin d’éliminer les informations sonores masquées en les codant sur un nombre de bits plus faible.

L’acouphène qu’est-ce que c’est ?

L’acouphène est une sensation auditive non liée à une source sonore (acoustique) d’origine extérieure à l’organisme. Le son perçu peut ressembler à un bourdonnement ou a un sifflement ressenti dans le crâne ou dans l’oreille. Les acouphènes peuvent avoir différentes causes : ils peuvent aussi survenir après un traumatisme auditif suite à des bruits très forts, un choc infectieux ou viral. Ils arrivent plus souvent avec le vieillissement de l’oreille (dans ce cas, généralement des deux côtés).

L’effet cocktail party

L’effet cocktail party désigne la capacité de l’oreille à détecter un contenu sonore provenant d’une source noyée dans un bruit ambiant. Cela peut arriver par exemple lors d’une réception ou lors d’un cocktail d’où son nom. Il peut donc être largement lié à des facteurs d’ordre psychologique. Il reflète la capacité du système auditif à sélectionner une source sonore dans un environnement bruyant : il est donc lié à l’effet de masque plus ou moins prononcé en fonction des individus et il est aussi lié à la capacité de l’appareil auditif (cerveau compris) à séparer les sources sonores dans un milieu bruyant. Le cinéma a beaucoup exploité ce phénomène comme dans « La mariée était en noire » de Truffaut. Le héros focalise son attention sur la conversation située à l’arrière.

APPLICATIONS

La mesure de plusieurs niveaux sonores de sons purs se fait à l’aide d’un sonomètre. On affiche les différents niveaux sonores en dB_SPL et dB pondérés A.

Fréquence en Hz	125	250	500	1000	2000	4000
LdB	48	40	38	20	18	15
Pondération	-16	- 9	- 3	0	+ 1	+ 1
LdB(A)	32	?	35	20	?	16

Calculez le niveau d’intensité totale non pondéré.

L_T = 10 log (10^^L1/10 = 10^^L2/10 + ……) = 10 log (10^^4,8 + 10^⁴ + 10^^3,8 + 10^² + 10^^1,8 + 10^^1,5) =49 dB

Calculez les niveaux d’intensité sonore pondérés A  manquant dans le tableau ci-dessus.

On trouve bien sûr L(250Hz) ₌ 31dBA et  L(_2000Hz) = 19 dBA

On peut aussi obtenir les niveaux pondérés A par la lecture de la courbe de pondération A. Les atténuations sont données dans la troisième ligne du tableau, le résultat est donné en dernière ligne du tableau.

Calculez le niveau en dBA total ? Que représente le niveau en dBA ?

L_T = 10 log (10^^3,2 + 10^^3,1 + 10^^3,5 + 10^² + 10^^1,9 + 10^^1,6) = 37,9 dB A

Les dB(A) rendent compte de l’aspect physiologique de l’oreille qui ne perçoit pas les sons de fréquences différentes de la même façon.

© Chris luck 2012 et 2016.