Echolocation rapport

Introduction
Certains animaux produisent, transmettent et reçoivent des signaux. Ces signaux
peuvent être de différentes natures (sonores, lumineux, chimiques, électriques).
Ces animaux utilisent énormément les signaux sonores en émettant des ultrasons
produits sous formes de vibrations, afin de sonder le milieu qui les entoure et analyser l’écho
de ces ultrasons renvoyés par les différents corps qui composent leur environnement. Ce
phénomène se nomme écholocation.
C’est au 18éme siècle que Charles Jurine zoologiste suisse se joint à Lazzaro
Spallanzani biologiste italien pour démontrer que les chauves-souris utilisaient leurs oreilles
pour naviguer.
Leur travail fut longtemps ignoré. Il a fallu attendre le 20ème siècle, et l’invention du
sonar (repérage des sous-marins pendant la première guerre mondiale) pour que Doral
Griffin, professeur américain de zoologie (recherche séminale dans le comportement animal,
navigation animale, orientation acoustique, biophysique sensorielle) et George Washington
Pierce, physicien américain, professeur de physique et inventeur dans le développement des
télécommunications électroniques réalisent les premiers enregistrements des cris en
ultrasons.
Cette découverte à permis à la biologie de comprendre comment des animaux avec
une visibilité réduite arrivent à se déplacer et à chasser avec autant de précision.
Les différentes questions qui se posent alors à nous sont les suivantes :
• Qu’est ce que l’écholocation ?
• Comment fonctionne ce système ?
• A quoi sert-il ?
• Qui l’utilise ?
Pour répondre à ces questions nous allons décrire :
D’une part ce qu’est réellement l’écholocation par définition et ses paramètres
physiques.
Et d’autre part, nous étudierons ce phénomène d’écholocation à la fois chez une
espèce aquatique : le dauphin, et chez une espèce terrestre : la chauve-souris.
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I.
Qu’est ce que l’écholocation ?
a. Définition
L’écholocation est un système d’orientation basé sur la production d’ultrasons. Il
permet de détecter la présence d’objets par la réception des échos des sons émis grâce à un
organe spécifique qui envoie les informations vers le cerveau. Les ultrasons sont des sons de
haute fréquence1 supérieurs à 20khz inaudibles par l’homme mais audibles par de
nombreux animaux.
Ils sont différents des sons compris entre 20 Hz et 20 KHz audibles par l’oreille humaine, et
des infrasons inférieurs à 20 Hz inaudibles par l’homme.
Il ne faut pas confondre les ultrasons avec les sons émis par certains animaux, qui
sont des « cris sociaux », c'est-à-dire des cris qui servent à la communication des individus
d’une même espèce.
b. Paramètres physiques
L’écho produit par l’émission de ces ultrasons permet de déterminer :
La taille, la distance, le caractère vivant, l’azimut, la hauteur, la vitesse.
Tableau 1 : Paramètre défini par l’analyse de l’écho chez un Mammifère Chiroptère
Distance
Retard de l’écho par rapport aux cris émis
Caractère « vivant »
Taille
Azimut
Elévation
Micro-vibration des ondes sonores de l’écho
Angle par rapport à l’émetteur et
l’amplitude de l’écho
Retard de l’écho entre l’oreille droite et
gauche
Retard de l’écho entre deux stries
transversales d’une oreille
Toutes ces informations permettent à l’animal de créer une image, donc de
déterminer le type d’objet : un animal, un végétal ou autres.
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C’est le nombre d’oscillations d’un phénomène périodique par unité de temps, exprimé en
Hz.
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Ces animaux utilisent la haute fréquence pour différentes raisons :
La haute fréquence est utilisée pour éviter les interférences avec d’autres sons (vents
dans les arbres, autres animaux…).
La base fréquence a une longue portée mais peu précise.
La Haute fréquence a une courte portée mais elle est beaucoup plus précise.
On observe trois types de hautes fréquences :
Fréquence constante : la fréquence est unique, inchangée sur toute la durée du
signal.
Fréquence modulée abrupte : la fréquence chute au cours de la durée du signal.
L’écart entre la fréquence initiale et la fréquence terminale est grand.
Fréquence modulée aplanie : la fréquence débute par une fréquence modulée
abrupte et se termine par une fréquence constante.
Les animaux possédant ce système l’utilise principalement pour la chasse.
L’animal émet des ultrasons à un rythme espacé et régulier. Lorsqu’il détecte une proie ce
rythme s’accélère jusqu’à ce qu’il l’attrape.
Comme on peut le voir sur la figure 1 l’ Eptesicus utilise une fréquence modulée
régulière quand il recherche sa proie, elle s’accélère quand il la trouvé, elle atteint son
maximum au moment de la capture. Comme par exemple la Sérotine des maisons émet
environ 5 cris par seconde, de 10 à 15 millisecondes. Quand celle-ci rencontre une proie, la
fréquence des ultrasons augmentent de l’ordre de 200 cris/s.
C’est le même procédé chez Rhinolophus sauf qu’il utilise une fréquence constante.
Ensuite, ils reprennent un rythme régulier jusqu’à leur prochaine chasse.
Figure n°1 : Sonogramme de Rhinolophus et Eptesicus
Lorsqu’un animal chasse une proie, l’animal et sa proie sont en mouvement. On
observe alors un décalage entre la fréquence émise et son écho : c’est le décalage doppler2.
2
Voir représentation en annexe.
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L’animal en mouvement émet un son à une fréquence donné mais ce son est réfléchi
à une fréquence un peu plus élevé (car la proie est en mouvement). Cette fréquence ne peut
pas être analysée par le cerveau car celui-ci analyse les sons à une fréquence précise.
Pour compenser ce décalage l’animal va adapter sa fréquence d’émission en la
diminuant de quelques hertz. Cela permet à l’écho d’arriver à la fréquence optimale à
laquelle la partie spécifique du cerveau peut traiter les informations.
La propagation des ultrasons varie selon le milieu (air, eau) et la température de ce
milieu, mais ne varie pas en fonction de la fréquence. Dans l’eau à 15°C, la vitesse de
propagation est de 1500m/s, dans l’air à 15°C elle est de 340m/s, elle augmente légèrement
avec la température, soit dans l’air à 25°C : 346m/s.
L’écholocation est un mécanisme utilisé à la fois dans l’eau et dans l’air, avec des points
communs et des différences, comme le montre les deux exemples qui suivent.
II.
Exemple d’une espèce aérienne et aquatique
1. Espèce aérienne : la chauve-souris
Les chauves-souris sont des animaux nocturnes ou crépusculaires. Pour chasser leur
proie ou se diriger elles utilisent l’écholocation. C’est d'ailleurs l’espèce qui représente le
mieux l’utilisation de ce phénomène dans le milieu aérien. On peut distinguer deux grands
types de chauves-souris, les mégachiroptères et les microchiroptères.
Les microchiroptères utilisent plus intensivement l’écholocation car elles se
nourrissent principalement d’insectes, mais elles peuvent s’en passer quand elles se
trouvent dans un endroit un peu éclairé, et quand elles sont dans un endroit qu’elles
connaissent (grâce à la mémoire).
Par contre chez les mégachiroptères (comme la Roussette) le système d’écholocation
est beaucoup moins sophistiqué. Pour chasser elles utilisent surtout leur vue et leur odorat.
Par conséquent, afin d’étudier l’écholocation il est préférable de s’intéresser aux
microchiroptères.
a. Partie anatomique des microchiroptères utilisés pour
l’écholocation
Les microchiroptères produisent et émettent des ultrasons de l’ordre de 20000Hz et
d’une durée de 5 à 15ms par émission jusqu’à la proie.
Cette émission s’effectue grâce à la contraction du larynx. Les ultrasons sont ensuite
émis par les narines ou la bouche (selon les espèces).
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Chez certaines espèces on note la présence d’appendices qui permettent de diriger et
d’amplifier les sons produits (feuille nasale). Leurs cris sont tellement puissants qu’ils
pourraient s’endommager l’oreille interne. Pour éviter cela, ils disposent d’une isolation de
l’oreille interne qui est une protection squelettique : il s’agit exactement d’un repli de peau
que l’on appelle le tragus3. Sans cette adaptation, l’oreille interne serait abîmée et l’animal
ne pourrait pas recevoir les échos.
Après avoir percuté la proie, l’ultrason est renvoyé sous forme d’échos aux pavillons
des oreilles (plus ou moins courtes selon le type de vol) de la chauve-souris. L’information
est ensuite transmise à l’oreille interne, puis conduite jusqu’au cerveau pour être analysée,
et ainsi déterminer les différents paramètres de l’environnement et de la proie (voir figure
n°2 et n°3).
Grâce aux variations de fréquence de l’écho elles détectent la vitesse à laquelle vol la proie
ainsi que la fréquence du battement de ses ailes.
L’amplitude de l’écho leur donne une information sur la taille de la proie.
Figure n° 2 : Paramètres déterminés par le Chiroptère
3
Clé d’identification importante pour la détermination de l’espèce (différencié selon la taille
et la forme : long et effilé, court et fin, large). Si le tragus est très développé la réception des
échos au niveau de l’oreille est plus accentuée. Présent que chez les Vespertilionidés.
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La différence de réception de l’écho dans les deux oreilles détermine l’azimut
(positionnement horizontale).
Les interférences des ondes au niveau de l’oreille externe indiquent l’élévation de la proie.
Figure n° 3 : Paramètres déterminés par le Chiroptère
A partir de ces informations, le Chiroptère module la longueur d’onde de l’émission
par rapport à la taille de la proie et à la distance qui la sépare de celui-ci. Plus elle est près,
plus la durée des émissions est courte.
On peut observer aussi chez certaines espèces (comme les Rhinopholidés) une
mobilité des oreilles. Elles sont indépendantes l’une de l’autre ce qui permet à l’animal de
déterminer le relief d’un objet.
b. Les différents types de signaux utilisés
Les microchiroptères utilisent différents types de signaux :
- soit des signaux à fréquence constante, comme les Rhinolophidés.
- soit des signaux à fréquence modulée abrupte, comme les Vespertilions.
- soit des signaux à fréquence modulée aplanie comme les Pipistrelles.
Certaines espèces alternent les fréquences constantes et modulées comme les Noctulines.
La puissance des cris peut aussi varier selon les espèces.
Par exemple, les Vespertilionidés utilisent une fréquence modulée avec des cris très faibles
comparables à des chuchotements. Par contre les noctules ont un cri très puissant avec une
portée qui peut atteindre plus de 150 métres.
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Quand plusieurs chauves-souris chassent en un même endroit, elles cherchent
chacune un canal d’émission propre pour ne pas recevoir les échos des autres chauvessouris. Dans une même espèce la fréquence peut varier entre un minimum et un maximum
pour ne pas recevoir l’écho d’un autre individu, comme nous pouvons voir dans le tableau 2,
ci-après.
Tableau n°2 : Exemple d’intervalle de fréquence des sons émis par les chauves-souris
Espèces
Fréquence minimale
Fréquence maximale
Sérotonine des maisons
(Eptesicus fuscus)
25 KHz
50 KHz
Chauve-souris tachetée
(Euderma maculatum)
9 KHz
15 KHz
38 KHz
78 KHz
38 KHz
110 KHz
Petit murin (Myotis
lucifugus)
Murin septentrional (Myotis
septentrionalis)
c. Expérience
Les chercheurs ont effectué différentes expériences pour mettre en évidence
l’utilisation de l’écholocation chez la chauve-souris. Ils ont observé que les Chiroptères
étaient désorientés s’ils étaient en présence d’ultrasons de fréquence avoisinants les
20000Hz. Cette expérience permet de mettre en évidence la fréquence de son utilisée par
celui-ci pour l’écholocation.
Grâce à ces expériences et aux nombreuses études réalisées, nous pouvons voir que
l’écholocation dans le milieu aérien est un système sophistiqué et important, intervenant
dans la survie de l’espèce.
Nous étudierons dans la prochaine partie, ce qu’il en est dans le milieu aquatique.
2. Espèce aquatique : le dauphin
a. Partie anatomique utilisé par le dauphin pour l’écholocation
Contrairement à ce que l’on pense les dauphins ont une vision remarquable,
d’ailleurs c’est elle qui leur permet de voir dans l’eau et en dehors.
Pour chasser ses proies le dauphin utilise surtout l’écholocation.
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C’est au cours de la 2nde guerre mondiale que l’on a remarqué sur les radars
militaires, des émissions d’ultrasons qui ne pouvaient pas appartenir au son marin ennemi.
Ces ultrasons appartenaient aux dauphins.
Le système d’écholocation du dauphin est assez complexe.
Il émet des clics sonores par les sacs aériens (de formes différentes) disposés sous
l’évent qui servent de réserves d’air. Ceux-ci sont en communication avec le conduit nasal.
Le dauphin crée donc des sons en faisant passer l’air d’un sac à l’autre (il peut faire varier le
son en faisant varier le diamètre des ouvertures des sacs). Ensuite le son est réfléchi sur une
partie osseuse du crâne qui va diriger l’onde sur le melon (endroit constitué de graisse très
fine) où le son est concentré en un rayon qui sera envoyé sous forme d’ultrasons vers la
cible.
Lorsque ces ultrasons ont percuté la proie, elles reviennent sous forme d’échos au
niveau du maxillaire inférieur et de l’oreille du dauphin. Quand l’écho arrive au niveau de la
mâchoire inférieure (constituée de la même graisse que le melon), il se propage par le tissu
conducteur jusqu’à l’oreille interne en passant au niveau de l’articulation maxillaire et sera
transmis ensuite à l’encéphale. Quand l’écho arrive au niveau de l’oreille il est transmis à
l’oreille interne par le conduit auditif, puis à l’encéphale.
L’ illustration de la figure n°4 nous le représente bien.
Figure n° 4 : Emission et réception des ultrasons chez les dauphins
Ce système permet au dauphin d’obtenir une « photographie auditive ». C'est-à-dire
de se représenter les caractéristiques spécifiques de la cible (structure interne, structure
externe…).
Comme chez les Chiroptères, les oreilles moyennes et internes sont isolées évitant
ainsi la propagation du son parasite dans les tissus environnants.
Néanmoins on remarquera que le dauphin utilisera principalement comme récepteur
sa mâchoire et les Chiroptères leurs oreilles.
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b. Les différentes caractéristiques physiques de l’écholocation chez le
dauphin
La fréquence des sons (=clic d’écholocation) émis par les dauphins est de l’ordre de
120 à 130 KHertz. D’une puissance de 220 décibels avec un écart de 80 millièmes de seconde
entre chaque faisceau, l’écholocation est un Système avec une portée maximale de 800
mètre et permet de détecter des proies de moins de 0,2mm.
Les émissions de sons se propagent dans l’eau à une vitesse de 1,5Km/s.
La fréquence des émissions augmente lorsque le nombre d’obstacles augmente et lorsque le
milieu n’est pas connu.
Pour augmenter la précision des informations le dauphin balaye la tête.
c. Expérience
Le professeur Ken Norris après étude de l’écholocation sur les dauphins a découvert
que lorsqu’ils dirigent leurs ultrasons sur un poisson, ceux-ci passent dans le poisson et ce
dernier est paralysé. Il peut même être amené à mourir.
Par conséquent, le dauphin utilise l’écholocation pour sonder son environnement,
trouver ses proies mais aussi pour faciliter la capture.
Conclusion
Grâce à cette étude, nous pouvons comprendre que l’écholocation est un système de
navigation très fiable, utilisée dans l’air comme dans l’eau. La survie des espèces qui l’utilise
en dépend. Ce système de sonar est tellement efficace que l’Homme l’utilise dans de
nombreux domaines.
Mais en approfondissant nos recherches nous décelons certains inconvénients :
Pour le dauphin : quand celui-ci se trouve en profondeur pour se nourrir et qu’il
capte des ultrasons émit par les sous-marins, il panique et remonte très rapidement
à la surface, ce qui provoque une dépression. Des bulles d’air pénètrent dans son
système sanguin et il meurt.
Pour les chauves-souris, nous remarquons que leur système de sonar ne peut pas
détecter la diminution de pression atmosphérique provoquée par le mouvement des
palmes d’éoliennes. Cette diminution de pression provoque chez ces animaux des
hémorragies internes auxquelles ils succombent.
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Pour compléter notre sujet, il serait judicieux d’étudier les sons émis pour la
communication et de les comparer avec ceux émis pour l’écholocation.
Nous remarquons également que de nombreux scientifiques s’intéressent à l’utilisation
de l’écholocation chez l’Homme.
En effet, on peut observer chez les personnes possédant un handicap visuel une
augmentation de leur capacité auditive. En claquant la langue sur leur palais d’une façon
spéciale, ils produisent un son et peuvent ensuite analyser son écho.
Bibliographie
 I.Walker, D.Holliday, R.Resnick. Physique . 3 . ondes optiques et physique moderne.
Dumon, p72.
 Karl Shuckes. Le pouvoir secret des animaux. Larousse. P 22-23.
 David McFarland. Le comportement animal. De Boeck. P254-255.
 Stéphane.Tanzarella. Perception et communication chez les animaux. De Boeuck.
P 50-51.
 L.Arthur, M.Lemaire.2000. Les chauves souris maitresse de la nuit. Bibliothéque et
naturaliste. 268 pp.
 Henry Augier.2000. Les dauphins ambassadeurs des mers, biologie, mœurs,
mythologie, protection. Bibliothéque et naturaliste.
 Jean-Michel Bompar. 2000. Les cétacés de méditérranée. Edisud.
Références internet
http://www.natagora.org/files/author/plecotus/echolocation.pdf
http://www.emma.asso.fr/dossiers_cetaces.html
http://c.chasserat.free.fr/TPE/systeme.html
http://abiris.snv.jussieu.fr/chiropteres/liens_interfaces/thermes_acoustiques.html
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