1e année d’orthophonie – Biophysique des sons - acoustique et audition Année universitaire 2007-2008.
1 Faculté de Médecine Montpellier-Nîmes
Octobre 2007
MF DAURES
BIOPHYSIQUE DES SONS
ACOUSTIQUE ET AUDITION
ORTHOPHONIE Première année
2007-2008
Dr M.F DAURES
1
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BIOPHYSIQUE
CHAPITRE I : ACOUSTIQUE
I Caractéristiques physiques des sonsII Sons PursIII Sons complexes
CHAPITRE II : PHENOMENE SUBJECTIFS DE L’AUDITION
I Qualité physiologique des sonsII Phénomènes physiologiques dues à l’oreille
CHAPITRE III : PHENOMENE OBJECTIFS DE L’AUDITIONI GénéralitésII Oreille externe III Oreille moyenneIV Oreille interne
CHAPITRE IV : EXPLORATIONS FONCTIONNELLES DE L’AUDITION
I GénéralitésII Explorations fonctionnelles subjectives
CHAPITRE V : HYGIENE DE L’AUDITION
I Généralités sur le bruitII Lutte contre le bruit
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CHAPITRE II – CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DES
SONS
1. Définition physique du son
«Vibration des particules d’un milieu matérieltransmise de proche en proche »
2. Propriétés du son
• Hypothèse acoustique• Source sonore• Propagation du son• Rayon sonore• Onde sonore• Énergie sonore• La surface d’onde
Phénomène vibratoire
Vibration longitudinale Propagation longitudinale« particule » « onde »
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II – LES SONS PURS
« Vibration acoustique sinusoïdale »
« une seule fréquence »
II. 1. Vibration des particules
II. 1.a. Élongation x
II. 1.b. Pulsation – fréquence – période
II. 1.c. Vitesse de la particule
II. 1.d. Sinusoïde des temps
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II.2. Propagation de l’onde
II.2. a. Célérité c
ρχ= 1c (ms-1)
La célérité est plus élevée dans les liquides que dans les gaz
II.2. b. Longueur d’onde λ
fccT λ == (m) f T
c T( ρχ )
II.2. c. Décalage horaire θ
« temps mis par le point M situé à la distance X de la source pour se mettre en mouvement après que la source ait débuté son propre mouvement »
ρ c
χ c
cX =θ
II.2. d. Sinusoïde de l’espaceII.2. e. Sinusoïde à double périodicité
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II.3. La pression acoustique
II.3. a. Définition
« variation de pression due à la vibration sonore autour de la pression atmosphérique »
Pression instantanée Pinstantanée = Pmilieu - Patm
II.3. b. Les différentes pressions
II.3. c. Variation de la pression en fonctionde x et de t
II.3. d. Valeur de la pression acoustique
20 10-6 Pa ≤ P ≤ 20 Pa
II.3. e. Formule P = ρ v c
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II.4. La puissance surfacique« intensité acoustique »
II.4. a. Définition
« quantité d’énergie sonore qui traverse l’unité de surface pendant l’unité de temps »
(W/m²)SP
t SE W ==
II.4. b. Formules
v P t Sx F W ==
II.4. c. Valeurs dans le domaine audible
10-12 ≤ W ≤ 1 W/m²
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II.5. L’impédance acoustique
II.5. a. Définition
« Rapport d’une grandeur agissante (forces,pression, tension…) à une grandeur résultantde cette action (vitesse, intensité) »
II.5. b. Formules
L’unité est: Pa m-1 s ou Ω acoustique
pression atmosphériqueZ = ρ c dépend de température
humidité
vPZ =
c1Zχ
=
II.5. c. Propriétés
Z = W/v² + Z est élevée + v est faible
W
2PZ = + Z est élevée + la propagation est rapide et c est élevée
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II.6. Le niveau sonore ou acoustique
II.6. a. Définition
« Il mesure le niveau de puissance surfacique d’un son par rapport au niveau de puissance surfacique du son de référence »
Son de référence : seuil auditif à 1000 Hz W0 = 10 –12 w m-2
II.6. b. Formule
L = 10 log (dB)
II.6. c. Niveaux relatifs
L2 – L1 = 10 log
II.6. d. Relation avec d’autres grandeurs
L2 – L1 = 20 log = 20 log
si on se trouve dans le même milieu.
0WW
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
1W2W
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
1P2P
1v2v
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II.7. Propagation des ondes acoustiquesen fonction du milieu
II.7.a. Propagation dans un champ libre
Champ libre : milieu homogène, isotrope,sans obstacle, sans absorption.
2
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛=
2R1R
1W2W
II.7. b. Réflexion et transmission
2 milieux d’impédances différentes.
Onde sonore perpendiculaire à l’interface.
Wincidence = Wréfléchie + Wtransmise
Coefficient de réflexion ( )2)21(
221
ZZ
ZZ
incidenceWréfléchieW
r+
−==
Coefficient de transmission t = ( )22 1 4
2Z1Z
ZZ
incidenceWtransmiseW
+=
Réflexion parfaite Miroir sonore « écho »
Loi de l’inverse du carré de la distance
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II.7.c. Diffraction d’un son
« Dérivation de la direction du son sur le bord d’un obstacle : le bord de l’obstacle se comporte comme une source secondaire »
taille obstacle (T) diffraction si
fréquence (λ )
(cm-1)
« les gaz absorbent plus que les liquides »
Les sons graves se propagent dans tous les sens, les sons aigus sont dirigés.
II.7.d. Absorption par le milieu
Une partie de l’énergie sonore est cédée au milieu sous forme de chaleur. Plus l’épaisseur traversée est grande plus la perte énergétique est grande.
Si x est l’épaisseur traversée : W (à x) = W (début) e-µx
µ si f
µ coefficient d’atténuationµ si ρ
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III – LES SONS COMPLEXES
« émission de plusieurs ondes par une même source »
III.1. Sons périodiques non sinusoïdaux (musicaux)
III.1.a. Définition
« son correspondant à une vibration périodique des particules »
Au bout du temps T, le mouvement des particules est identique à lui-même.
III.1.b. Décomposition d’un son périodique
Fourier : x = a1 sin (2 Π ft + ϕ1 ) + a2 sin (4 Π ft + ϕ2 ) + a3 sin (6 Π f t + ϕ3) + ….
Son de fréquence f : fondamental (harmonique d’ordre 1), les autres : harmoniques d’ordre 2,3 …
III.1.c. Spectre de fréquence
« spectre : représentation graphique des différentes harmoniques du son »
Son pur : 1 raie à la fréquence f
Son périodique : plusieurs raies correspondant aux harmoniques
Son aléatoire : spectre ± continu.
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III.1.c. Spectres de fréquence
spectre d’amplitude a = fonction (f)spectre de phase ϕ = fonction (f)spectre d’énergie E = fonction (f)
III.2. Les bruits
« sons non périodiques caractérisés par leurs spectres ».
III.2.a. Bruit à caractère musical
a
0 f1 f2 f3 f4 f
« partiels »
« gong, timbale, cloche »
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III.2.b. Bruit permanent à spectre continu
a
t
a
fContinu au cours du temps Continu en fréquence
Ex : bruit blanc
III.2.c. Bruits transitoires
a
t
a
f
Bruit court Bruit riche en fréquence
« bruit des claquettes »
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CHAPITRE II
Participation active du sujet.
Son = message sensoriel défini par sensation au niveau de l’oreille.
Qualités physiques non superposables aux qualités physiques.
Phénomènes subjectifs de l’audition
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I – QUALITES PHYSIOLOGIQUES DES SONS
II.1. TONIE OU HAUTEUR D’UN SON
II.1.a. Qualités de la tonie
• son grave ou aigu• plus le son paraît aigu plus il est haut.
plus le son paraît grave plus il est bas.• sensation de hauteur dépend de l’intensité et
et de la durée du son.
II.1.b. Loi de Weber Fechner
« Soit un paramètre physique x d’un son capable de produire une sensation auditive, son seuil différentiel dx est la différence minimale nécessaire entre 2 valeurs de x pour que la sensation soit perçue de manièredifférente. Son seuil relatif est alors »
Loi de Weber = cte dans le domaine de variation de x
Postulat de Fechner : les échelons ΔS de sensation sont égaux.
Loi de Weber-Fechner : pour x [xa, xb], la variation ΔS de sensation est proportionnelle à la variation du logarithme de l’excitant.
xdx
xdx
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Loi de Weber-Fechner appliquée à la tonie
Si 500 Hz f 7000 Hz 801
ff=
Δ
1
2 f
fLnKH =Δ
II.1.c. Phénomènes annexes
Phénomène de Burton
2 sons purs graves de même fréquence et d’intensité différente en même temps le son plus fort paraît plus grave.
Phénomène du clic
Son de durée < 25 ms ⇒ audition d’un « clic » sans sensation de hauteur.
II.1.d. Repère ou « unité »
« 1000 mels = hauteur d’un son de 40 dB à 1000 Hz »
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II.1.e. Hors de l’intervalle 500 – 7000 Hz
f> 7000 Hz ΔH quand f
f< 500 Hz tonie (mels) ≅ fréquence (Hz)
II.1.f. Octave
• 2 sons à l’octave procurent des sensations auditives voisines.
• L’harmonique 2 est séparée de la 1 par une bande de fréquence de longueur une octave.
Harmonique 2 est à l’octave de l’harmonique 1 : f2 / f1 = 2
• D’un Do à l’autre la fréquence double : f, 2f, 4f, 8f…..
• Le spectre audible est divisé en 10 octaves.
• Chaque octave est divisée en 12 demi-tons (note)
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I.2. LA SONIE OU INTENSITÉPHYSIOLOGIQUE
I.2.a. Qualités
• son fort ou faible• dépend de la puissance surfacique et de la fréquence du son.
I.2.b. Loi de Weber Fechner appliquée à la sonie
0,2 WΔW
=
1W2W
LnK ΔS=
f avec varie 0W 0W
W Ln k S =
I.2.c. Diagramme de Wegel
• seuil absolu• seuil douloureux• champ auditif tonal ou aire acoustique
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I.2.d. Le phone
« repère physiologique traduisant le niveau de sonie »
Le niveau physiologique d’un son est de N phones si sa sonie est jugée la même que celle d’un son pur à la fréquence de 1000 Hz dont le niveau sonore physique est de N dB absolues.
• seuil de perception 0 phone
• seuil douloureux 120 phones
I.2.e. Le sone
Permet la comparaison de 2 sons purs :
L > 40 dB log N = 0,03 (S – 40)sones phones
L < 40 dB ΔS quand L ↓
0,3L161N =
sones dB
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I.3. Le timbre ou sonorité
« 2 sons de même tonie et de même sonie »
Même son émis par 2 instruments différents :
• lié au spectre de fréquence du son : composition en sons partiels et importance relative
• oreille est capable de discerner les partiels d’un son complexe.
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II – PHENOMENES SUBJECTIFS DUS A L’OREILLE
II.1. Sons subjectifs
harmoniques, subjectifssons différentiels et additionnels
II.2. Effet de masque
son masquant et son masquédurée, intensitésons aigus masqués
II.3. Fatigue auditive
c’est l’augmentation du seuil absolu après audition d’un son
Elle augmente avec:
l’intensité du son
la durée du son
la fréquence (aigus)
dans la zone de 4000 Hz
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II.4. Audition binaurale
II.4.a. Augmentation de l’intensité acoustique
Le niveau sonore augmente de 3 dB
II.4.b. Orientation auditive
Différence d’intensité (surtout les aigus) f > 3000 Hz
Phénomène de diffraction
Différence de phase (surtout les graves) f < 800 Hz
Différence de marche
sons graves f < 800 HzBonne orientation
sons aigus f > 3000 Hz
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CHAPITRE IIILes phénomènes objectifs de
l’audition
I - GENERALITES
I.1. Composition de l’oreille
OE : oreille externeOM : oreille moyenneOI : oreille interne
I.2. Rôle de l’oreille
OE : capteur et transmetteurOM : transmetteur et amplificateurOI : transducteur
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II - L’OREILLE EXTERNE
II.1. Pavillon de l’oreille
Localisation des sources sonoresProtecteur du CAEAmplificateur
II.2. Conduit auditif externe
dirige les ondes vers le tympanabaisse le seuil d’audition (résonance)élève la sonie
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III – OREILLE MOYENNE
Elle amplifie surtout les sons graves.
III.1. Le tympan
- capteur de pression- amplitude quand f - déplacements en périphérie plus grands qu’au centre
basses fréquences :
déplacement totaldéplacement proportionnel à P acoustiquedéplacement lent
hautes fréquences
déplacement par secteursdéplacement non relié à la pression
déplacement rapide
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III.2. Les osselets
III.2.a. Adaptateur d’impédance
de F par système de leviersurface d’appui au passage Tympan fenêtre ovale
Grande élongationFaible élongation
Grande pressionFaible pression
LocaliséDiffus
Mouvement fenêtre ovaleMouvement tympanique
dB25TP
FOPlog20TLFOL ==−
III.2.b. Rôle de protection de l’oreille interne
Si L > de 70 dB / seuil absolu
Atténue de 10 dB
Pas immédiat et de courte durée
Ne protégent pas des bruits impulsionnels et transitoires
Surtout empêche les sons graves
réflexe stapédien
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III.3. Trompe d’eustache
• normalement fermée
• équilibre des pressions
• affectée par respiration et voix
• s’ouvre à la déglutition et au baillement
surdité si variations de pression grandes (avion) ou trompe bouchée(inflammation)
III.4. Les fenêtres
• fenêtre ovaleen phase avec le tympanen opposition avec l’étrier
• fenêtre ronde- opposition de phase avec fenêtre ovale
- « soupape »
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IV - OREILLE INTERNE OU LABYRINTHE
« Transduction »
IV.1. Description de la cochlée
rampe vestibulaire membrane de Reissnercanal cochlénairerampe tympanique membrane basilaire
IV.2. Membrane basilaire
IV.2.a. Description
IV.2.b. Rôle (mécanismes actifs et passifs)
IV.3. Organe de Corti
Cellules ciliées internes et externesMembrane tectoriale
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CHAPITRE IVExplorations fonctionnelles de
l’audition
I - GENERALITES
I.1. But
I.2. Les différentes surdités
TransmissionPerceptionRétrocochléaireCentrale
I.3. Les différents types d’examen
acoumétrie
subjectif
audiométrie
objectif potentiels
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II-EXPLORATIONS FONCTIONNELLES
SUBJECTIVES
- otoscopie- 1 oreille après l’autre- local insonorisé- participation active
II.1. Acoumétrie
II.1.a. Phonique ou vocale
voix chuchotée 7 mvoix parlée 40 m
II.1.b. Instrumentale (montre ou diapason)
- conduction osseuse- diapason- tests
perceptionouNl 3DCODCA =
3DCODCA ⟨
- épreuve de Rinne- épreuve de Weber
Transmission
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II.2. Audiométrie
II.2.a. Tonale liminaire
- niveaux absolus
- niveaux relatifs
II.2.b. Supra liminaire
- champ total
- sons forts bien entendus
II.2.c. Vocale ou test d’intelligibilité
prononcésmotsdenombrecomprismotsdenombred'%
ilitéintelligib =
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CHAPITRE VHYGIENE DE L’AUDITION
I – GENERALITES SUR LE BRUIT
I.1. Définition
Vibration sonore non sinusoïdale non périodiqueSensation auditive gênante
I.2. Evaluation
Echelle physiqueinconfort acoustique 55 dBseuil douloureux 120 dBchambre à coucher < 35 dBbruits courants 70-120 dB
Echelle physiologique< 30 phones négligeable30-60 phones supportable60-90 phones gênant> 90 phones nocif> 120 phones douloureux
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I.3. Facteurs influençant le bruit
a) L’intensité W nocivitéb) La fréquence f nocivitéc) La durée bruits impulsifs
très dangeureux
Le temps de récupération dépend des facteurs précédents.
« 16h de repos à l’oreille pour compenser 2 h d’exposition à 100 dB »
II – EFFETS PATHOLOGIQUES DU BRUIT
Risque professionnel : 85 dB pendant 8h/jour semaine de 40 h
II.1. Effet sur l’oreille
II.2. Effets généraux :
cardio vasculaires, couleurs, équilibration
II.3. Effets psychiques :
aggravation des troubles existants.
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III - LUTTE CONTRE LE BRUIT
III.1. Réduction à la source
III.2. Protection contre le bruit
• protection du lieu• protection individuelle• protection des machines
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