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<li class="menu-0">TPE : La communication chez les éléphants grâce aux ondes par Romain, Guillaume, et Amaury<p id="oklm">Lycée Hoche </br>Année 2018-2019</p>
</li>
</div>
<h1>I- ONDES SONORES CHEZ L’ÉLÉPHANT</h1></br>
<div id="container">
<h2> A - Définition des ondes sonores</h2>
<p>Une onde sonore correspond à la propagation de proche en proche d’une perturbation caractérisée par une vibration des molécules du milieu autour de leur état de repos.
Le son est une onde produite par cette vibration mécanique du milieu, pouvant être solide, liquide ou gazeux. Les molécules subissent de faibles variations de pression (pression acoustique) ; elles s’entrechoquent entre elles pour transmettre la déformation subissant ainsi de micro-déplacements.
Une onde sonore est une onde mécanique longitudinale, car les molécules se déplacent parallèlement au sens de propagation de l’onde. Ces molécules reviennent à leur position initiale une fois la perturbation passée ; nous pouvons en conclure que le son est une propagation d’énergie dans un milieu matériel sans transport de matière.</p>
<p><a href="cloche_à_vide.html">TP de la cloche à vide</a></p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture1.jpg"
alt=""
height="300px"
width="600px"
/> <figcaption>Graphique de l'auditon audible suivant les éspèces </figcaption></figure></p>
<h3>3 types d’ondes existent </h3>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture2.jpg"
alt=""
height="300px"
width="600px"
/> <figcaption></figcaption></figure></p>
<p>Après avoir défini une onde sonore nous allons maintenant étudier son rôle et son utilisation dans la communication chez les éléphants
Les éléphants sont connus pour produire des “grondements” sourds en basses fréquences (10-20Hz) qui se propagent très loin dans l’air, en anglais les « rumble ». </br>
<p>Nous préciserons plus tard quel type d'onde utilise l'éléphant</p>
<h4>Émission</h4>
<h2> B - Comment produisent-ils ces sons par le larynx ?</h2>
<p>Chez les éléphants les ondes sonores sont générées par des vibrations vocales passives dans le larynx (la source sonore). La fréquence fondamentale, principalement déterminée par la masse de ces cordes vocales vibrantes, est également un élément acoustique important chez les éléphants. À la suite de la génération du son, l’onde sonore se propage dans le conduit vocal sus-laryngé. Le conduit vocal agit comme un filtre sur le son produit, amplifiant et atténuant de manière sélective certaines fréquences (formants) en raison des résonances dans les cavités buccales et nasales.</p>
<p>Les éléphants ont un tube vocal nasal extrêmement allongé (proboscis) et l’utilisent pour la production de grondements. Les femelles élèvent des « rumbles » oralement et nasalement avec une variation considérable des fréquences de formants résultantes. Les valeurs des deux premiers formants reflètent les longueurs estimées des chemins vocaux, correspondant à une longueur du tractus vocal d'environ 2 mètres pour les nasales et de 0,7 mètre pour les rumbles orales chez les femelles
La plupart des sons produits par les éléphants proviennent de leur gorge et sont si bas qu'il nous est impossible de les entendre. </p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture6.jpg"
alt=""
height="650px"
width="600px"
/> <figcaption>Schéma de l'anatomie du larynx de l'éléphant</figcaption></figure></p>
<p>Ce qui est une certitude, c’est que ces sons proviennent du larynx, par un larynx à cinq os au lieu des neuf, présent chez la plupart des autres mammifères et dans une cavité nasale exceptionnellement grande. Au niveau du larynx, la mise en vibration des cordes vocales se fait sous l’influence de l’air expiré. Pour que celui-ci puisse déclencher la vibration, les cordes doivent d’abord interrompre l’écoulement de l’air, le stocker dans la sous-glotte afin d’en augmenter la pression, et enfin le libérer pour que celui-ci déclenche et entretienne la vibration.</p>
<h3> Provenance de ces sons </h3></br>
<p>2 hypothèses sont émises par les chercheurs quant à la provenance de ces infrasons par l’éléphant : </br>
Le 1er s’appelle le mécanisme musculaire, avec cette méthode, les muscles de la gorge se contractent activement pour faire vibrer les cordes vocales, comme le ronronnement des chats, impliquant un contrôle des vocalisations par le cerveau. </p></br>
<h3>AMC</h3> </br>
<p>Le mécanisme dit « active muscular contraction » = “contraction musculaire active” (AMC) ou ronronnement. La production des sons est causée par une modulation périodique du flux respiratoire (tant à l'expiration qu'à l'inspiration) commandée par le système nerveux central. Elle résulte de l'activation régulière des muscles laryngés intrinsèques dont la fréquence (20 à 30/sec) limite la hauteur des sons à 200 Hz. Chaque contraction de ces muscles ferme la glotte, entraîne une surpression de l'air expiré en amont (de l'air inspiré en aval) qui génère un son chaque fois que la glotte s'ouvre et que l'air passe sur les cordes vocales. Les infrasons pourraient être émis par des contractions régulières des muscles de l'organe vocal, comme chez les chats qui ronronnent, impliquant alors un contrôle des vocalisations par le système nerveux et donc le cerveau (mécanisme AMC pour active muscular contraction) = AMC c’est les muscles de l’organe vocal de l’éléphant qui créent le son, c’est donc le cerveau qui les contrôle.</p>
<p>L'autre méthode de production de son s'appelle le mécanisme myoélastique-aérodynamique. Le mode MEAD utilise l'air des poumons pour faire vibrer les cordes vocales. C’est la façon dont les humains parlent et chantent. Les infrasons sont simplement générés par la vibration de cordes vocales lors du passage du flux d'air expiré, dans ce cas aucun contrôle du système nerveux n'est requis, sauf pour la respiration animal = le cerveau est responsable de l'activité des muscles de l'organe vocal </p>
<p>Dans le mécanisme de la création des ondes AMC, les sons sont produits par une modulation périodique du flux respiratoire, modulation = changement, modification d’un signal ; périodique = qui se produit à intervalles réguliers ; flux respiratoire = air inspiré </p>
<h3>MEAD</h3> </br>
<p>Origine du mot MEAD: </br>
-MYO implication musculaire => provient de l’anglais</br>
-ELASTIC possibilité de revenir à l'état d’origine => provient de l’anglais</br>
-AERO pression et débit d'air => provient de l’anglais</br>
-DYNAMIC mouvement et changement => provient de l’anglais</br>
L'AMC est comme une sonnette ou une sonnerie qui nécessite de l'électricité, ou dans ce cas un signal du cerveau, pour fonctionner, tandis que le MEAD est similaire à un instrument à vent, comme la clarinette, qui n'a besoin que d'un flux d'air pour produire des sons. Les signaux neuronaux ne sont dans ce cas nécessaires que pour contrôler la respiration, mais ne produisent pas le son.
Des scientifiques (Christian Herbst, ...), du Département de biologie cognitive de l'Université de Vienne ont conservé un larynx d'éléphant mort afin d'élucider le mystère de sa communication. Ils ont procédé en insufflant des flux contrôlés d'air chaud puis humide à travers le larynx.</br>
Les scientifiques ont ainsi réussi à provoquer des vibrations dans les cordes vocales, à basse fréquence, et périodiques qui sont identiques à l'infrason de l’éléphant.</p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture7.jpg"
alt=""
height="300px"
width="600px"
/> <figcaption>Comparaison des 2 méthodes de production des sons</figcaption></figure></p>
<h2>C - Expérience pour démontrer le seul moyen de création à l’origine de ces infrasons </h2>
<p>D'après une expérience du chercheur Christian Herbst consistant à reproduire le mécanisme MEAD le plus fidèlement possible grâce à un larynx d’éléphant mort récemment dans un zoo. Il a connecté cet organe à un “pseudo-poumon” alimenté en gaz par une bouteille d’air comprimé. Après avoir régulé le flux d’air et la pression pour recréer des conditions réelles d’expiration par un système de vannes. Le scientifique a ensuite utilisé un humidificateur pour gérer le taux d’humidité dans l’air de l’air expiré. Pour finir, une caméra à haute vitesse a filmé les 2 replis membraneux constituant les cordes vocales du larynx lors du passage du flux d'air sortant rythmiquement du “pseudo-poumon”. Des sons ont bel et bien été émis et enregistrés au passage de l'air lorsque la pression, à l'intérieur du larynx, était supérieure à 17 mbar. Les sons enregistrés ont ensuite été comparé avec 470 échantillons récoltés les 4 dernières années, et une correspondance a alors été établie avec des enregistrements d’appels de basses fréquences produit par des animaux sauvages.</p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture8.jpg"
alt=""
height="300px"
width="600px"
/> <figcaption>Schéma de l'expérience de Christian Herbst</figcaption></figure></p>
<p>On peut désormais savoir que la production vocale chez les mammifères au niveau du larynx suit les principes de la théorie myoélastique-aérodynamique de la phonation humaine. Les infrasons pourraient être émis par des contractions régulières des 2 muscles de l'organe vocal, comme chez les chats qui ronronnent, impliquant alors un contrôle des vocalisations par le système nerveux et donc le cerveau. </p></br>
<p>Des ultrasons d’écholocalisation des chauves-souris aux infrasons de communications des éléphants, ce type de mécanisme semble donc largement répandu dans le monde animal.</p>
<p>Les ondes sonores générées par les vibrations du pli vocal dans le larynx traversent le conduit vocal, qui contient de l'air dans les cavités pharyngée, orale et nasale, amplifiant certaines fréquences appelées fréquences de formant avant de rayonner dans l'environnement.</br> Les valeurs de fréquence des formants sont déterminées par la longueur et la forme du tractus vocal, les tracts vocaux plus longs produisant des formants plus bas et plus rapprochés.</p>
<p>Une autre explication, cependant, est que la réduction des formants facilite la propagation des appels sur de longues distances.
De plus, alors que les très faibles formants d'éléphants grondent fortement impliquent fortement que le tronc d'éléphant est impliqué dans la production de son (la longueur non allongée du tronc d'un éléphant d'Afrique femelle adulte est d'environ 1,7 à 1,8 m). On ne sait pas si les éléphants émettent ces vocalisations exclusivement par le tronc ou si la bouche est également impliquée dans la production de grondements.</p>
<p>La hauteur du son est produite en fonction du degré de contraction des muscles intrinsèques du larynx et aussi de la position de celui-ci dans la gorge (voix de tête quand le larynx est monté dans la gorge et voix de poitrine quand il est descendu) mais serait limitée physiquement par la taille de l'oscillateur (les « cordes » vocales).
</p>
<p>Les éléphants peuvent aussi produire des sons audibles en s'aidant de son larynx.</p>
<p>Mais les éléphants utilisent ce genre de communication lorsqu'ils sont proches.</p>
<h2> D - Comment produisent-ils des sons audibles par leur trompe ? </h2>
<p id='lol'>(Barrissement est le terme dédié à l'appellation des sons audibles émis par l’éléphant)</p>
<p>Tout d’abord, les éléphants peuvent communiquer en s’aidant de leur trompe. Elles émettent ce qu’on appelle un barrissement (bruit sonore et aigu). Le barrissement est produit par le mécanisme laryngien classique MEAD.</p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture9.jpg"
alt=""
height="300px"
width="600px"
/> <figcaption>Photo des cordes vocales de l'éléphant</figcaption></figure></p>
<p id="loli">Cette production est divisée en 3 parties</p>
<p>Tout d’abord, l’air est récolté dans les poumons durant l’inspiration, celle-ci passe par la trachée. Après cette étape, c’est le moment où les cordes vocales sont utilisées. Celles-ci se situent à l’intérieur du larynx, elles sont au nombre de 2. Lorsque les poumons de l’éléphant sont remplis, les cordes vocales se referment. Si l’éléphant veut émettre un cri, l’air exerce alors une pression sur les cordes vocales, une petite faille se crée et fait vibrer les cordes vocales dû au passage et frottement de l’air sur les parois des cordes vocales. Les poumons doivent produire un flux d'air suffisant pour permettre la vibration des cordes vocales Cette vibration module très rapidement le débit (et la pression) d'air, ce qui est la source du son. Les muscles du larynx permettent d'ajuster la hauteur du son, sa mâchoire et sa langue peuvent aussi jouer un rôle dans l’intensité/puissance du son.
<p><a href="https://www.sciencemag.org/news/2012/08/elephants-silent-call" target=“_blank”> Vidéo du fonctionnement des cordes vocales</a></p>
<p>Ce type de son (barrissement) n'intervient que quand les animaux sont proches, car ce type d’onde sonore s’estompe plus rapidement si la distance de celui voulant entendre le son se situe loin.</p>
<p>Contrairement aux infrasons, le barrissement émis des éléphants est audible par l’être humain.</p>
<p>Mais vous vous demandez sûrement pourquoi les éléphants produisent et utilisent des infrasons au lieu d'ultrasons.</p>
<h4>Réception</h4>
<h2>E - Comment les reçoivent-ils (oreilles) ?</h2>
<p>L'éléphant est un des seuls mammifères à posséder une oreille moyenne et une membrane tympanique (tympan) aussi grande grâce à un crâne très développé lui permettant d'avoir un canal auditif externe d'environ 20 cm qui protège ce tympan fin et fragile. L'éléphant d'Afrique possède de grandes oreilles (qui peuvent tendre jusqu'à 2 mètres carrés !) </p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture4.jpg"
alt=""
height="300px"
width="600px"
/> <figcaption>Mécanisme de l'audition chez l'éléphant</figcaption></figure></p>
<p>C'est donc grâce à ces 2 caractères que l'éléphant peut entendre les infrasons.</p>
<p>Les éléphants peuvent entendre leurs congénères mais ils peuvent aussi entendre tous les infrasons que produisent la nature comme le déplacement des nuages qui leur permettent de savoir où la pluie tombera. Mais pourquoi les éléphants produisent et utilisent des infrasons au lieu des ultrasons ?</p>
<h4>Infrasons vs ultrasons</h4>
<h2>F - Pourquoi les infrasons et pas les ultrasons ?</h2>
<p>Simplement car les éléphants n’en sont pas capables, ils ont des cordes vocales 8 fois plus longues, c’est donc un son très grave qui sort de son larynx. C’est le même mécanisme chez les humains, plus les cordes vocales sont courtes plus le son est aigu = ultrasons et plus les cordes vocales sont longues, plus le son est grave = infrasons. (C'est pour cela que les garçons ont une voix plus grave que les filles, en effet chez les filles les cordes vocales font entre 15 à 20mm et chez les garçons cela varie plutôt entre 18 et 25mm). </p>
<p>D’autre part les infrasons sont bien plus efficaces que les ultrasons</p>
<h2>G - Pourquoi les infrasons se propagent plus loin que les ultrasons </h2>
<p>Les basses fréquences vont-elles plus loin que les hautes fréquences ?
<p>Oui, La raison est liée à ce qui arrête le son.</p>
<p>Le phénomène s'appelle l'atténuation anélastique. Rappelez-vous, le son est une vibration d'onde de pression de molécules. Chaque fois que vous donnez une impulsion à des molécules, vous perdez de l'énergie pour chauffer. Pour cette raison, le son est perdu lors du chauffage du support par lequel il se propage. En raison de la perte par friction, l'énergie de l'onde est perdue à chaque cycle. Les ondes de basses fréquences (longueurs d'onde plus longues) subissent moins de cycles que les ondes haute fréquence (longueur d'onde plus courtes) sur la même distance.</p>
<p>En d’autres termes, sur une distance de plusieurs kilomètres, de légères incohérences dans la pureté de l’air, la température, la pression, la densité, le mouvement du vent, les interférences d’autres ondes sonores, etc., se mêleraient et déformeraient les ondes courtes partout, alors que les ondes longues sont par nature plus "robustes", ils arrivent donc à destination avec moins de changements.</p>
<p>Voici l'extrait d'avis de deux scientifiques à propos de ce sujet </p>
<p>Dr. Leventhall : Les fréquences les plus hautes sont absorbées plus rapidement dans l'air. Cet effet diminue à mesure que la fréquence diminue. Par conséquent, les infrasons vont plus loin, mais ils s'affaiblissent au fur et à mesure qu'ils s'étendent, comme toute autre vague.</p>
<p>Dr. Li : En raison de leurs longues longueurs d'onde, les infrasons peuvent traverser les murs et les fenêtres avec une faible atténuation.</p>
</p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture3.jpg"
alt=""
height="400px"
width="600px"
/> <figcaption>Graphique de l'atténuation élastique du son à différentes fréquences (en tenant compte de la pression atmosphérique et de l'humidité)</figcaption></figure></p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sonores/Picture5.jpg"
alt=""
height="400px"
width="600px"
/> <figcaption>Basses fréquences qui parcourent de longues distances, pas les fréquences élevées</figcaption></figure></p>
<p>Les infrasons que produisent les éléphants lorsque toutes les meilleures conditions sont remplies peuvent se propager à 100 km(carré). </p>
<h2>Conclusion </h2>
<p>Le pachyderme peut produire des ondes sonores à des fréquences différentes et à travers des parties de son corps différentes selon les situations grâce au mécanisme MEAD, ce qui nous montre déjà qu'il a une communication très complète. </p>
<p>Nous allons maintenant voir comment celui-ci utilise la terre pour transformer sa communication déjà très rempli en l'une des communications les plus riches de la terre. </br>Pour cela, vous aurez besoin de vous diriger vers la partie II de notre TPE concernant l'utilisation des ondes sismiques chez les éléphants.
</p>
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