2    Introduction

Les trois quarts de la planète sont immergés. Restés inaccessibles bien longtemps, ils ont toujours exercé sur l'Homme la plus grande fascination. Dieux et monstres marins s'y côtoyaient en en interdisant l'accès aux mortels. Les premières traces d'incursions sous la surface des océans remontent au IV^ème siècle avant notre ère. À l'ouest de la Grèce des apnéistes découvrent la présence d'huîtres perlières (Malamas, 1993).

 

Bien avant le IV^ème siècle, "Le monde du silence" offrait déjà ses richesses à l'humanité (Cousteau & Dumas, 1953). Pourtant, ce monde n'a de silencieux que le nom. Si les dieux sont depuis lors restés muets, les animaux qui le peuplent utilisent les sons pour s'orienter ou pour communiquer. La communication sur base acoustique présente un certain nombre d'avantages. Elle supplante la communication visuelle en présence d'un obstacle ou dans l'obscurité. Contrairement à la communication chimique, elle est rapide et ne laisse aucune trace. Elle ne nécessite pas que ses protagonistes soient à proximité; elle fonctionne à distance, à l'inverse de la communication tactile. La communication acoustique s'est tout particulièrement développée chez les espèces qui évoluent dans les trois dimensions, qu'il s'agisse de l'air ou de l'eau. Parmi ces espèces, on trouve les oiseaux et les poissons, mais aussi, et ce n'est pas un hasard, les mammifères adaptés au vol et à la nage: les chauve-souris et les cétacés. Chez ces espèces vivant en milieu obscur ou dans les profondeurs océaniques, le système auditif s'est perfectionné. Au cours de leur évolution phylogénétique, leur système auditif s'est adapté ou réadapté au milieu et s'est complexifié. Elles ont développé un système de sonar hautement sophistiqué, qui sert à la détection et à la reconnaissance des obstacles, des proies ou des congénères.

 

Comment l'Homme s'est-il adapté au milieu aquatique? Le problème fondamental qu'abordent indirectement les recherches subaquatiques est celui de l'adaptation de l'Homme à un milieu qui lui est étranger. Si l'apesanteur avec la conquête spatiale est depuis plusieurs décennies un thème d'études de pointe, les recherches sur le monde hyperbare jouissent d'un engouement moindre. La recherche sous-marine permet pourtant d'aborder de vastes domaines d'étude, touchant à l'adaptation de l'Homme au milieu subaquatique, à l'océanographie et à la géophysique en général... Cet intérêt est principalement causé par la motivation que suscite l'exploitation potentielle des richesses géologiques ou organiques du monde sous‑marin, sans oublier des applications malheureusement bellicistes...

 

En raison des difficultés qu'on éprouve à pénétrer dans les profondeurs océanes, l'expérimentation en plongée sous‑marine s'est intéressée principalement à l'étude des capacités sensorielles élémentaires, aux effets du mélange respiré et à ses conséquences sur le fonctionnement cognitif, enfin à la coordination visuo‑manuelle. Ces recherches se contentent généralement de comparer les performances des sujets passant d'un milieu à l'autre: subaquatique versus aérien. Moins nombreuses, par contre, sont les recherches qui se sont intéressées au développement de compétences spécifiques liées à la pratique de la plongée sous‑marine, comme la perception tridimensionnelle, la perception du corps, les différentes formes de localisation...

 

Le thème de ce travail porte précisément sur la localisation d'un point dans l'espace. Pour localiser un endroit précis de l'espace, quelles sont les informations dont l'Homme dispose lors d'une immersion? La majorité des modalités sensorielles sont altérées en milieu subaquatique. Comme en milieu aérien, c'est la vision qui, sous l'eau, exerce une primauté sur l'ensemble des modalités sensorielles. Elle domine, mais elle est réduite à une soixantaine de mètres dans le meilleur des cas; la visibilité est fortement diminuée lors de l'immersion. De plus, l'interface aérienne constituée par le masque, qui permet la mise au point, déforme la réalité. Le masque a un effet grossissant. Cet effet de loupe fait que le plongeur perçoit son environnement plus grand qu'il n'est en réalité, par un facteur grossissant de 1,25 environ. La sensibilité tactile du scaphandrier, quant à elle, ne conserve sa finesse que dans la mesure où celui‑ci ne porte pas de gants ou de combinaison isothermique ou anti-abrasive. Enfin, pour ce qui est des chémorécepteurs, qu'ils soient olfactifs ou gustatifs, ils restent théoriquement fonctionnels, mais la littérature ne donne pas, à notre connaissance, d'informations sur ces capteurs. On peut dès lors inférer que les chémorécepteurs olfactifs emprisonnés dans le masque sont inutilisés ou inutilisables. Quant aux chémorécepteurs gustatifs, on pense que la salinité de la mer doit les neutraliser par saturation.

 

L'audition est la dernière modalité sensorielle restant à examiner. Elle véhicule nombre d'informations lors de l'immersion; mais sont-elles utilisables? On peut dès lors légitimement se demander si, en raison des propriétés physiques de l'eau et des limitations mécaniques du système auditif de l'Homme, l'orientation spatiale est possible sur la seule base d'indices acoustiques lors de l'immersion.

 

Bien que ses paramètres physiques soient transformés, l'audition reste un "outil" important dans le contexte subaquatique. Deux facteurs altèrent principalement l'audition en milieu aquatique: la vitesse de propagation du signal acoustique, et le fonctionnement de l'oreille. Premièrement, la célérité du son dans l'eau est approximativement quatre fois supérieure à ce qu'elle est en milieu aérien, ce qui modifie l'ensemble des paramètres acoustiques liés à la perception directionnelle du signal. Secondement, la transmission même du stimulus acoustique diffère en milieu aquatique: les oreilles, externes et moyennes, fonctionnent de manière réduite, ce qui modifie le signal acoustique. Malgré cela, on fait l'hypothèse que l'audition tient un rôle primordial pour le plongeur parmi les modalités sensorielles. L'audition sert d'avertisseur de l'imminence d'un danger. L'audition présente toutes les potentialités d'un instrument de navigation permettant au plongeur de rejoindre son point d'immersion ou de se diriger vers une cible bruyante. Actuellement, peu nombreuses sont les applications sous‑marines qui se servent des sons. Seuls quelques ordinateurs de plongée les utilisent comme signaux d'alarme pour prévenir d'une remontée trop rapide ou de l'omission d'un palier de décompression. Ils servent également à rappeler aux plongeurs en immersion depuis une embarcation, la nécessité de regagner la surface.

 

La formation des plongeurs est la principale responsable de la négligence des informations acoustiques en ce qui concerne l'orientation. Manuels et encyclopédies de plongée sous‑marine apprennent trop souvent au plongeur qu'en ce qui concerne l'orientation, il ne peut, sous l'eau, se fier aux informations auditives et en tirer parti (Hollien, Hicks & Klepper, 1986; Brylske, 1991; Malamas, 1993). Cette affirmation est infirmée par des observations ethnographiques. Des ethnologues ont été témoins d'une technique de pêche tout à fait singulière, faisant appel à l'audition pour détecter le poisson. Ils rapportent que lors de sorties en mer avec des pêcheurs malais, l'un d'entre eux immerge la tête sous la surface. À l'écoute des bruits ambiants, il localise les bancs de poissons et détecte leurs mouvements (Busnel, 1963; Firth, 1966). Plus récemment et dans le domaine de la plongée sous‑marine, des expériences scientifiques menées sur la navigation, c'est‑à‑dire le fait de se situer et de se déplacer, en direction d'un signal acoustique, ont montré qu'un sujet, même aveuglé par le port d'un masque opaque, est capable de repérer une source sonore émettant un son répétitif (Wells & Ross, 1980).

 

3    La localisation spatiale acoustique

Quelle que soit la nature de l'emplacement à découvrir, l'origine d'un signal visuel ou acoustique, cible statique ou mobile, lieu géographique... la localisation d'un point dans un espace tridimensionnel nécessite la mise en relation de plusieurs informations. Ces informations se résument à deux angles et une distance. Dans le cas d'un signal visuel, le premier angle, j, se situe dans le plan horizontal qui passe au niveau des yeux du spectateur; il peut s'étendre sur 360 degrés, divisés en deux parties égales de 180 degrés par l'axe médian (Figure 1). Le second, d, est une élévation par rapport au plan précédent et peut s'étendre sur 180 degrés, divisés en deux parties égales de 90 degrés par la hauteur des yeux. La troisième information est la distance, Δ, qui sépare les yeux de l'objet considéré.

 

 

3.1     Les indices qui permettent la localisation d'un signal acoustique dans l'air

On risque l'hypothèse selon laquelle l'audition, comme l'odorat, est phylogénétiquement à l'origine des sens de l'orientation avant de devenir un support de la communication. Dans le monde animal, déterminer la provenance d'un son, en terrain couvert tout particulièrement, est primordial, que l'on soit prédateur ou proie. En ce qui concerne les prédateurs, il est important de localiser avec la plus extrême précision l'origine du son émis par la proie de façon à amoindrir ses efforts au moment du jaillissement et le risque de fuite de la prise. Les prédateurs nocturnes sont des experts dans le domaine de la localisation acoustique. Si par contre, la nature a fait de vous une proie, on augmente ses chances de survie en étant à l'écoute du monde environnant. Dans ce cas, la localisation, même grossière, de l'origine du signal acoustique permet souvent de rester en vie. Il suffit aux proies potentielles de détecter approximativement la provenance du son et de fuir dans la direction opposée pour échapper au danger.

 

On peut considérer que l'Homme sur l'échelle alimentaire se situe à l'intermédiaire entre les prédateurs et les proies. Pour cette raison, la nature l'a doté d'un panel "d'outils" qui lui permet de localiser la position d'un signal acoustique dans l'espace. Ces outils sont redondants, ce qui ne pénalise pas outre mesure les individus atteints de surdité sélective, qui entendent d'une seule oreille, ou à qui il manque un pavillon... On peut diviser ces outils en deux classes (Tableau 1). Chacune de ces classes comprend plusieurs instruments aptes à fournir les indices nécessaires à la localisation de la source émettrice. Ils sont: 1) binauriculaires, quand ils nécessitent la comparaison des informations interauriculaires, et 2) monauriculaires, quand les informations traitées par une seule oreille sont suffisantes.

 

3.1.1   Les indices binauriculaires

Les indices binauriculaires fonctionnent sur l'acquisition et la comparaison d'informations qui viennent des deux oreilles, d'où leur nom. On parle aussi d'indices interauriculaires. Les différences interauriculaires sur lesquelles se fondent ces indices sont: 1) le temps d'arrivée du signal; qui se divise en décalages de la phase et de l'enveloppe, et 2) l'intensité du signal perçu.

 

 

 

3.1.1.1  L'indice binauriculaire de temps

Si un son est émis à 90° sur la droite, il percute l'oreille ipsilatérale, puis doit parcourir la distance qui correspond à la circonférence de la tête pour stimuler l'oreille contralatérale. La distance à parcourir est égale à rπ. On sait que la largeur moyenne d'une tête est de 18 cm (Bear, Connors & Paradiso, 1996). On connaît également la vitesse de propagation du son dans l'air, d'environ 335.5 m/s (Lindsay & Norman, 1980). Ces paramètres permettent de calculer le temps que mettra le signal pour parcourir la distance qui sépare les oreilles. L'équation se définit comme suit:

 

 

 

La différence temporelle (Δ t) est égale au rayon de la tête (r) multiplié par π et divisé par la vitesse de propagation du son dans le milieu (V), l'air dans notre exemple. Dans le cas particulier de notre exemple, le son met 840 microsecondes (µsec) pour parvenir à l'oreille contralatérale. La différence interauriculaire de temps d'arrivée du signal dépend directement de la position de la source. Cette différence est nulle quand le son vient de directement face au sujet, 0°, ou directement derrière lui, 180°. Elle est maximale lorsque le son vient de 90° à gauche ou à droite avec 840 µsec. Elle peut prendre toutes les valeurs intermédiaires entre ces limites. Notons qu'une variation temporelle interauriculaire de 30 µsec correspond à 3° d'angle et que le système auditif détecte d'aussi faibles variations de la position de la source émettrice (Lindsay & Norman, 1980; Blauert, 1983; Botte, 1989; Bear, Connors & Paradiso, 1996).

 

3.1.1.1.1  Le cône de confusion

Von Hornbostel et Wertheimer (1920) modélisent la tête comme une sphère acoustiquement opaque. Avec ce modèle, la différence temporelle interauriculaire d'un signal acoustique est équivalente pour tous les points situés sur un cône: le cône de confusion (Figure 2). À mesure que l'on s'approche de l'axe médian, ce cône s'élargit jusqu'à se confondre avec le plan sagittal. Ce modèle ne tient pas compte de la dissymétrie des têtes humaines, ni du fait qu'il suffit de légers mouvements de tête pour lever l'ambiguïté causée par le cône de confusion (Mills, 1972; Blauert, 1983). On abordera plus en détail le rôle des mouvements de tête dans l'étude des indices monauriculaires.

 

Figure 2: On appelle: cône de confusion, l'ensemble des points situés sur un cercle dans le plan frontal,
et pour lequel il n'y a pas différence temporelle interauriculaire.

 

3.1.1.2  L'indice binauriculaire de phase

On parle de son pur en raison de la présence dans un signal d'une fréquence unique. La fréquence est le nombre de cycles oscillatoires effectués en une seconde, ou nombre de Hertz (Hz) (Rossi, 1986). Typiquement, un diapason vibre à une seule fréquence, celle de 440 Hz. Lorsqu'un signal acoustique est composé de plusieurs fréquences, on parle de son complexe. Les sons complexes sont décomposables en une somme de sons purs. Les sons purs peuvent être représentés graphiquement dans le temps par une sinusoïde; on parle également de sons sinusoïdaux. Pour représenter mathématiquement une onde acoustique sinusoïdale, on utilise l'équation suivante:

 

 

 

L'amplitude instantanée (D (t)) est calculée à partir de l'amplitude maximale (A), de la fréquence (f ), du temps (t ) et de la phase de départ (). L'amplitude est la valeur de la pression maximale. La période est la durée d'un cycle oscillatoire, généralement exprimée en millisecondes. La phase correspond à la position de l'objet au moment du départ de la vibration. Des sons purs de même fréquence peuvent être en phase ou déphasés l'un par rapport à l'autre, on parle également de décalage de phase. On parle d'opposition de phase lorsque le déphasage est maximal, avec 180° (Figure 3) (Botte, 1989).

 

 

 

Le système auditif interprète les déphasages interauriculaires comme un indice de localisation de la source émettrice. Le déphasage est efficace avec les signaux de basses fréquences. En ce qui concerne les sons de hautes fréquences, le déphasage ne sert pas d'indice de localisation. Prenons l'exemple d'un son de 10 kHz venant de la droite à l'avant du sujet à 55 degrés. À cette fréquence, chaque période a une durée de 100 µsec. Le son atteindra l'oreille ipsilatérale, puis 450 µsec plus tard, l'oreille contralatérale, soit 4¹/2 périodes plus tard. Le système auditif se trouve dans l'incapacité de dire avec précision si la différence entre les stimulations interauriculaires correspond à 4¹/2, à 3¹/2,...ou même à ¹/2 période (Figure 4). Inversement, comment savoir si le signal vient de 55°, de 40°, de 27°, de 17° ou de 6° sur la droite (Lindsay & Norman, 1980)?

 

 

3.1.1.3  L'indice binauriculaire d'intensité

L'intensité du signal ou puissance acoustique représente l'énergie mécanique qui permet au son de se diffuser dans le milieu de propagation; cette mesure s'exprime en watts (W) (Urick, 1967; Blauert, 1983; Rossi, 1986).

 

En psychoacoustique, pour mesurer le niveau d'intensité sonore qui arrive aux oreilles d'un sujet, on emploie un sonomètre placé près du tympan. L'unité de mesure que l'on utilise est le micropascal (µPa). Le seuil de l'audition chez l'Homme est de 20 µPa. On exprime aussi le niveau acoustique en unités d'intensité, c'est-à-dire de puissance par unité de surface (W/m²). L'unité qui correspond à la pression de 20 µPa est 10^‑12 W/m².

 

L'échelle des décibels qui permet d'exprimer les valeurs de l'énergie acoustique, est une échelle logarithmique. Dans cette échelle, au lieu d'exprimer la pression, l'intensité ou la puissance en nombre de µPa ou de W/m², on les représente par les logarithmes décimaux de ces nombres. La transformation des valeurs d'intensité par leur logarithme débouche sur une nouvelle échelle, dont l'unité est le bel.

 

Toutefois, le bel ne coïncide pas exactement au logarithme de l'intensité. En fait, le bel correspond au logarithme décimal du rapport entre deux intensités: l'intensité mesurée, par exemple 1 W/m² (seuil de douleur) divisée par l'intensité de référence, qui est équivalente par convention à 10^-12 W/m², intensité qui correspond à la pression de 20 µPa. L'unité employée est alors le dixième du bel ou décibel. Les équations qui permettent de calculer le décibel sont les suivantes:

 

N = 10 log I/I₀    ou     N = 20 log p/p₀

 

L'intensité (I) divisé par l'intensité de référence (I₀) ou la pression mesurée (p) divisé par la pression de référence (p₀) donne N qui exprime le nombre de décibel ou dB. Lorsqu'en référence à la valeur conventionnelle de 20 µPa, un niveau s'exprime en dB, on parle de niveau de pression acoustique ou SPL (Sound Pressure Level) (Botte, et al. 1989).

 

On n'utilise pas les mêmes échelles pour la mesure des signaux acoustiques en physique (variation de pression en Pascal) ou en physiologie, seuil de l'audition (SPL). En physique, l'unité de mesure de la pression (p) est le Pascal, qui est équivalente à la pression exercée par 1 newton sur une surface plane de 1 mètre carré. En physiologie, pour les sons, on utilise une autre échelle qui fait référence au seuil de l'audition correspondant à 20 µPa (SPL).

 

 

Les mises en correspondances de ces échelles sont les suivantes:

                            p_SPL = p_réf 20µPa = p_réf 1µPa - 26 dB

 

Sachant que...

                            1 atm = 1.013 105 Pa

                            1 atm = 1.013 bar

                            1m bar = 100 Pa = hPa

                            Réf 1 bar = 105 Pa = 100 dB réf 1 Pa

 

En physique, on utilisera

                            p_réf 1µbar = p_réf 1µPa + 100 dB

 

En physiologie, on emploiera

                            p_SPL = p_réf 1µPa + 26 dB

 

L'intensité du signal est un des indices de localisation de la source émettrice. Le système auditif interprète de faibles différences interauriculaires de pression. Ces différences sont dues à l'atténuation du signal, produite par la distance parcourue entre les oreilles. À cette atténuation s'ajoute un effet d'ombre ou de masquage. La tête crée un vide acoustique entre la source et l'oreille controlatérale (Lindsay & Norman, 1980). Il existe une grande variabilité interindividuelle en ce qui concerne la détermination expérimentale de la différence de pression. Pour un stimulus situé à 90° et dont les fréquences sont supérieures à 2000 Hz, l'atténuation globale peut atteindre 10 ou même 15 dB (Canévet, 1989).

3.1.2   Les indices monauriculaires

Les indices monauriculaires permettent la localisation d'une source sonore sur la base des informations qui parviennent à une seule oreille. Ces indices sont: 1) les mouvements ou changements de position de la tête ou du corps dans l'espace, et 2) les modifications du signal par le pavillon ou pinna.

3.1.2.1  Les indices monauriculaires liés aux mouvements

Plusieurs signaux acoustiques peuvent présenter les mêmes caractéristiques interauriculaires de temps d'arrivée, d'intensité ou de phase. Par exemple, un signal acoustique émis par une source fronto-latérale a les mêmes caractéristiques qu'un signal ipsilatéral qui aurait les mêmes coordonnées mais sur l'arrière (Figure 5). Contrairement aux oreilles de nombreuses espèces animales, celles de l'Homme ne sont pas orientables. Dans le cas où la tête est absolument immobile, même le déphasage ne suffit pas à déterminer si un son vient de devant ou de derrière, ni même d'en haut ou d'en bas. L'Homme compense l'incapacité d'orienter ses oreilles par des mouvements de rotation de la tête ou du corps. Les mouvements permettent de lever les ambiguïtés relatives à la position de la source d'un signal acoustique. En se penchant, en tournant ou en pivotant, l'Homme module les informations qui lui parviennent; il analyse la qualité du son et les différences créées par la réflexion et la réfraction des fréquences perçues au niveau de la tête et des pavillons (Lindsay & Norman, 1980; Botte, et al., 1988).

 

a)       b)  

 

3.1.2.2  Les indices monauriculaires liés au pavillon

Dans la nature, les signaux acoustiques sont rarement des sons purs. La nature a cependant tendance à produire de la régularité, et un signal acoustique même complexe présente souvent un caractère répétitif, périodique. Un signal acoustique périodique peut être décomposé de manière spectrale. Cette décomposition permet de réduire la complexité des sons complexes en les ramenant à leurs composantes élémentaires: des ondes sinusoïdales. On doit le principe de cette décomposition à Fourier (1768‑1830), un mathématicien qui le premier a démontré que tous les sons complexes sont décomposables en une somme d'ondes sinusoïdales spécifiques quant à la fréquence, l'intensité et le temps de départ (Lindsay & Norman, 1980; Botte, 1988). Le résultat de cette décomposition s'appelle le spectre d'un son.

 

Le rôle majeur que tiennent les pavillons dans la localisation de la position d'un signal acoustique a été démontré. On sait que le pavillon et le conduit auditif agissent à la manière d'un résonateur qui amplifie certaines fréquences du spectre au détriment d'autres en fonction de l'angle d'incidence sous lequel le signal lui parvient. La forme de l'oreille externe est primordiale, car elle permet la réflexion du signal acoustique sur ses circonvolutions (Figure 6) (Blauert, 1983; Oldfield & Parker, 1984a & 1984b; Botte, et al., 1988; Müller, 1995; Bear, Connors & Paradiso, 1996, Müller & Bovet, 1999). Les pavillons permettent de lever l'ambiguïté que constituent les sources: directement face au sujet ou directement derrière lui. La forme du pavillon canalise le signal acoustique vers le conduit auditif (Blauert, 1983).

 

 

La suppression des informations de la pinna a une incidence sur la capacité d'identifier les sources acoustiques en élévation. Les pavillons fournissent également des informations d'ordre binauriculaire en modifiant les indices interauriculaires, temporels et d'intensité.

 

3.2     Modèle explicatif

Le premier modèle explicatif cohérent de la localisation des sons dans l'espace a été proposé par Mills en 1958; sous le nom de "la théorie de la double localisation". Cette théorie ne se fonde pas sur les indices monauriculaires que l'on peut considérer comme des cas particuliers de l'audition binauriculaire. Elle met en exergue deux types d'indices directement liés aux caractéristiques physiques du signal acoustique. Cette théorie est aujourd'hui encore le modèle explicatif dominant en ce qui concerne la localisation de la source d'un signal acoustique.

3.2.1   Théorie de la double localisation en milieu aérien

Les recherches de Mills ont mis en évidence deux types d'indices s'appuyant sur des différences interauriculaires: 1) d'intensité, et 2) temporelles. Mills a démontré qu'on utilise les différences interauriculaires d'intensité pour identifier l'origine des signaux de hautes fréquences, et qu'on interprète les différences interauriculaires temporelles pour localiser les sources de basses fréquences. Dans un signal acoustique, les basses fréquences ne sont pas séparées physiquement des hautes fréquences. Toutes se situent sur un continuum. Cette absence de frontière dans le spectre acoustique crée une zone "floue", dans laquelle ces indices se télescopent. Mills place cette zone floue autour de la fréquence 1400 Hz. L'usage préférentiel des indices temporels est dominant en‑deçà de cette valeur, alors qu'au‑delà ce sont les indices d'intensité qui prédominent (Mills, 1958).

 

3.2.1.1  Différence d’intensité interauriculaire en milieu aérien

 

Comment la différence d'intensité interauriculaire d'un signal acoustique est-elle une aide dans la localisation de la source? Pour comprendre ce phénomène, on utilisera une métaphore. Si l'on exclut le cas particulier du vide, l'onde sonore se propage linéairement, tout comme la lumière. Cette similitude illustrera notre propos. Imaginons une source lumineuse et un objet situé à une certaine distance: le soleil et la terre par exemple. Le rayonnement du soleil se propage en direction de la terre, mais n'éclaire que l'une de ses faces. La terre agit comme un écran, ce qui provoque une zone d'ombre dans le prolongement de l'axe de la source lumineuse et de l'objet éclairé. Dans le cas de la terre, et comme elle tourne sur elle‑même, ce phénomène est responsable de l'alternance jour/nuit. Un phénomène comparable se produit lorsqu'on entend un son. La zone d'ombre est induite par la différence de densité qui existe entre les milieux traversés. On définit comme impédance une différence de densité entre deux milieux. La tête n'a pas la même densité que le milieu aérien, ce qui induit une zone "d'ombre" acoustique. Cette zone "d'ombre" acoustique se traduit par une baisse de l'intensité sonore du côté opposé à la source émettrice (Figure 7). Cette différence d'intensité entre les oreilles est détectée et interprétée par le système nerveux pour déterminer l'origine d'un son. Dans le système auditif, c'est le complexe de l'olive supérieure qui décode ces différences interauriculaires d'intensité. La nature du stimulus a un rôle prépondérant dans l'efficacité de la reconnaissance de différences interauriculaires d'intensité. Le système auditif n'utilise les informations liées aux différences interauriculaires d'intensité que pour les sons de haute fréquence, au-delà de 1400 Hz (Mills, 1958; Bear, Connors & Paradiso, 1996). En ce qui concerne les basses fréquences, la différence interauriculaire d'intensité est inutilisable par le cerveau. La raison pour laquelle les indices d'intensité sont inutilisables est que l'onde sonore diffracte autour de la tête avec les basses fréquences. Cette diffraction réduit la différence interauriculaire d'intensité à des valeurs pratiquement nulles, qui ne sont plus décodables par le complexe de l'olive supérieure. Ce qui explique pour quelle raison l'effet d'ombrage disparaît avec les fréquences en‑deçà de 1400 Hz (Bear, Connors & Paradiso, 1996).

 

 

3.2.1.2  Différence temporelle interauriculaire en milieu aérien

 

En quoi les différences temporelles interauriculaires participent-elles à la localisation d'un son? Pour mémoire, on rappelle que le son se propage dans l'air à une vitesse approximative de 335 m/sec. Deux points séparés dans l'espace réceptionnent le signal acoustique d'une source émettrice avec un décalage temporel d'autant plus important que les points sont éloignés de la source. Si minime que soit la distance qui sépare les oreilles l'une de l'autre, le cerveau est capable de détecter la différence de temps d'arrivée du son entre elles. La structure du système nerveux impliquée dans le décodage temporel interauriculaire est, ici encore, le complexe de l'olive supérieure. L'olive supérieure transforme en degrés d'angle la différence de temps d'arrivée du signal entre les oreilles (Bear, Connors & Paradiso, 1996). En laboratoire, dans une chambre anéchoïque, on a montré que l'Homme est capable de détecter des différences temporelles correspondant à des variations de 1° d'angle (Mills, 1958). Ce résultat est à relativiser, Mills n'a exploré que les angles compris entre 0° et 90°. D'autres recherches montrent que si l'on présente au sujet des signaux acoustiques de l'ensemble des directions du plan horizontal, c'est-à-dire compris entre 1° à 360° d'angle, l'erreur moyenne, en milieu aérien, augmente et se situe autour de 3° d'angle (Licklider, 1951; Lindsay & Norman, 1980; Blauert, 1983). Toutefois, comme mentionné précédemment, le crâne a une densité différente d'un milieu gazeux comme l'air. Cette différence de densité, on parle d'impédance, entre la boîte crânienne et le milieu aérien, force le son à la contourner. Ce qui a pour effet d'augmenter la distance à parcourir et par conséquent le temps que met le son pour parvenir à l'oreille contralatérale (Figure 8) (Bear, Connors & Paradiso, 1996).

 

 

On ne reviendra pas ici sur la formule de Hornbostel et Wertheimer (1920) qui ne cherche pas à modéliser la tête. Dans le cas d'une source proche, on utilise les formules présentées ci‑avant (Canévet, 1989). Soit "x" la distance de la source au centre de la sphère.

 

L'asymétrie temporelle qui existe entre la stimulation de l'une puis de l'autre oreille est particulièrement efficace en ce qui concerne les sons de basses fréquences, en deçà de 1400 Hz (Mills, 1958; Lindsay & Norman, 1980; Botte, 1988).

 

3.3     Spécificité du milieu subaquatique

Nombreuses sont les applications qui relèvent directement de l'acoustique sous‑marine. On a déjà donné l'exemple des pêcheurs malais qui localisent les poissons grâce aux bruits que les bancs émettent. L'écoute des masses océaniques permet également de faire des prévisions météorologiques et d'anticiper les activités volcaniques sous‑marines. Certains spécialistes sont capables sur la seule base d'informations acoustiques de différencier et identifier des vaisseaux de surface et des sous‑marins; ce sont les "Oreilles de La Royale".

 

Toutefois, il ne s'agit pas là d'adaptations au milieu subaquatique puisque ces "Oreilles" ne travaillent pas sous l'eau, mais dans l'air devant des ordinateurs. Le milieu subaquatique n'est pas comparable à l'air en ce qui concerne ses caractéristiques physiques. Les caractéristiques physiques qui sont propres à l'élément liquide transforment celles du signal acoustique.

 

3.3.1   Physique du son sous l'eau

La caractéristique acoustique principale sur laquelle agit l'élément liquide est la vitesse de transmission du signal acoustique. On peut difficilement parler de la vitesse de transmission de l'onde acoustique dans l'eau sans rappeler que la Cité de Calvin fit œuvre de précurseur dans le domaine de la recherche en milieu aquatique. C'est à Genève que pour la première fois on a mesuré la vitesse de transmission du son dans l'eau.

 

3.3.1.1  À l'origine, la mesure de la vitesse du son dans l'eau se fait à Genève

 

Daniel Colladon est à l'origine de ces travaux; il fit ses études au début du XIX^ème, à ce qui était encore l'Académie de Genève. Quelques années plus tard, professeur de physique dans cette même Académie, il entreprit sur le lac Léman, nous sommes en 1826, une série d'expériences ayant pour but de déterminer la vitesse de propagation du son dans l'eau.

 

À quelque deux cents mètres au large de Rolle, un assistant se tenait dans une barque, à laquelle était suspendue une cloche. Le rôle de cet assistant était d'actionner un long manche terminé par un marteau. Ce marteau permettait de frapper sur une cloche immergée au bout d'une chaîne (Figure 10). Colladon, lui, se tenait à équidistance de la côte mais du côté français, au large de Thonon. Dès qu'il percevait un signal lumineux[1] à l'horizon, il enclenchait un chronomètre et se mettait à l'écoute du stimulus. Dans un premier temps en plongeant la tête directement dans l'eau puis, après avoir perfectionné le système, à l'aide d'un cornet dont l'embouchure immergée était fermée par une membrane en tôle (Figure 9). À l'instant où il entendait le signal acoustique, Colladon déclenchait son chronomètre. La rotondité de la planète interdisait aux expérimentateurs de biaiser les résultats en anticipant le départ du stimulus. La courbure de la terre entre ces deux rives, éloignées entre elles de 13'887 mètres, leur interdisait de se voir. Colladon ne pouvait présager du moment où son collègue allait donner le signal. Les résultats enregistrés au moyen de ce dispositif et ses calculs mènent Colladon à la conclusion suivante: "La moyenne de plusieurs expériences donna 9 secondes 1/10, pour le temps de propagation sous l'eau.

 Dans l'air, le son eût mis 40 secondes 14/100. La vitesse du son dans l'eau pure, à la température de +8°, fut déterminée à 1435 mètres par seconde, au lieu de 336 mètres dans l'air à +8 degrés" (Figuier, 1884, pp. 82).

 

Si on les compare aux mesures actuelles, les résultats de Colladon sont pour l'époque d'une étonnante précision. On sait que, dans l'eau, la vitesse du son est d'environ 1485 mètres/seconde selon la température et la pression barométrique.

 

Le Tableau 2 permet la comparaison de la vitesse de propagation d'un signal acoustique dans des éléments de densité inégale à température constante, ici 20° Celsius.

Tableau 2: Vitesse de propagation de l'onde sonore dans différents milieux à température constante
(Commissions romandes de mathématique, physique et chimie, 1985)

	0 °C	20 °C
air sec	331.6 m/s	343 m/s
eau		1485 m/s
fer		5850 m/s

 

La vitesse de propagation du son dans un milieu quel qu'il soit n'est pas constante. Ainsi dans un mélange gazeux comme l'air, la vitesse de propagation est directement liée au taux d'hygrométrie et à la température du gaz; dans un solide comme un métal, elle est liée à la température de celui‑ci, pour ne citer que ces deux exemples. Les liquides, qui se situent dans un état intermédiaire entre les gazeux et les solides, ne font pas exception à cette règle. Avec les instruments de mesure moderne, on sait que, dans l'eau, la vitesse de propagation de l'onde sonore varie entre 1437 et 1500 mètres/seconde. Trois facteurs sont à l'origine de la modification de la vitesse de propagation du son dans un liquide comme l'eau: 1) la température, 2) la salinité et 3) la pression hydrostatique. L'action conjointe de ces facteurs est néanmoins limitée.

 

3.3.1.2  Modification de la masse volumique de l'eau en fonction de la température, et son incidence sur la transmission des sons

 

Lorsque l'on fait référence au poids d'une matière en relation avec son volume, on parle de sa masse volumique. La masse volumique de l'eau varie avec sa température. Toutefois, cette variation n'est pas linéaire, comme le montre la Figure 11. La bathythermie est la science qui s'occupe de la mesure de la température des mers et des océans. La masse volumique de l'eau "r" (r  = kg * m^-3) est la plus élevée lorsque la température de l'eau atteint 3.98 degrés Celsius. À l'opposé, une eau proche du point de congélation a la densité la plus faible. Ce rapport explique pourquoi les sondages bathythermiques indiquent une température constante des fonds benthiques à 4° Celsius et partiellement pourquoi icebergs et glaçons flottent à la surface des océans et de nos verres (Commissions romandes de mathématique, de physique et de chimie, 1985).

 

Figure 11: Le graphique montre l'évolution de la masse volumique "r" de l'eau
en fonction de la température, à la pression constante de une atmosphère
(Commissions romandes de mathématique, de physique et de chimie, 1985).

 

Fort heureusement pour les baigneurs et les plongeurs, la température des océans n'est pas comprise entre 0° et 4° degrés Celsius seulement. On a montré par des mesures bathythermiques que plusieurs facteurs influent sur la température des océans, comme les variations journalières et saisonnières, les courants, les émergences fluviales... Les océans peuvent être divisés en trois strates distinctes: a) la couche de surface, b) la couche thermocline et c) la couche isotherme (Rossi, 1986).

 

a)     La couche de surface va de 0 à 300 mètres; elle a une température fluctuant en fonction directe des variations saisonnières et de la latitude des masses aquatiques...

b)    La couche thermocline va de 300 à 1500 mètres; elle a une température qui décroît de manière linéaire avec l'accroissement de la profondeur...

c)     La couche isotherme, qui commence approximativement vers 1500 mètres et va jusqu'aux extrémités des abysses océanes, a une température constante de 4° Celsius.

 

Pour des raisons liées à la sécurité des plongeurs, les fédérations nationales et associations d'instructeurs recommandent que l'amateur de plongée sous-marine n'évolue que dans la couche de surface. Les brevets de plongeurs amateurs ne permettent pas d'aller au‑delà de 40 mètres. Quelques irréductibles ou inconscients s'aventurent au‑delà de cette limite sans formation spécifique (Molle, 1991; Brylske, 1991; Malamas, 1993).

 

Aujourd'hui l'exploration sous‑marine ne fait qu'égratigner la surface des océans. Seules quelques entreprises spécialisées, qui emploient des scaphandriers pour la réalisation de travaux en milieux hyperbares comme la Comex, l'INPP[2], des laboratoires de recherches scientifiques et des militaires, s'aventurent au-delà de la couche de surface, pénétrant les premiers mètres de la couche thermocline (Jammes & Burnet, 1991).

 

Ainsi, l'augmentation de la masse volumique entraîne un accroissement de la vitesse de propagation du signal acoustique (Rossi, 1986; Tavernier & Grouard, 1993).

 

3.3.1.3  Modification de la masse volumique de l'eau en fonction de la salinité, et son incidence sur la propagation du son

 

Quand on fait référence à la teneur en sels minéraux des océans, on parle de taux de salinité. La salinité de l'eau a une incidence sur la vitesse de propagation de l'onde sonore. Les sels minéraux contenus dans l'eau se composent à 78% de chlorure de sodium. Plus le milieu aquatique est salé, plus sa masse volumique augmente. L'eau de mer, plus riche en sel que l'eau douce, est plus lourde. La teneur moyenne en sels des océans est de 35 grammes par kilogramme d'eau, soit 35‰. La salinité des océans varie. Elle est minimale à l'équateur et aux pôles, avec 30‰, et maximale dans les mers fermées, comme la Mer Rouge, avec 40‰. La mer Baltique fait exception à cette règle, avec un taux de salinité 7‰ très proche de celui de l'eau douce, qui varie lui‑même entre 1‰ et 5‰ (Rossi, 1986; Tavernier & Grouard, 1993).

 

La différence de teneur en sels minéraux entre eau douce et eau salée tient un rôle déterminant dans la modification des pressions, avec l'augmentation de la profondeur. À profondeur égale, les renseignements fournis par un profondimètre donnent des indications différentes selon que le plongeur est en lac ou en mer. On admet généralement que la masse volumique de l'eau douce est constante, et qu'elle est de 1 kg par décimètre³ (dm³). À la profondeur de 10 mètres, sa pression est de 1 bar ou 1 atmosphère. La masse volumique de l'eau de mer est 1.035 kg/dm³. Si on descend un profondimètre à 20 mètres sous la surface, il indiquera: 20 mètres en eau douce versus 20.7 mètres en eau de mer[3] (Brylske, 1991; Tavernier & Grouard, 1993). Le son voyage légèrement plus rapidement dans l'eau salée que dans l'eau douce.

 

3.3.1.4  Modification de la vitesse de propagation du son en fonction de la pression hydrostatique et son incidence sur la transmission du signal acoustique

 

L'empilement successif d'objets les uns sur les autres exerce une force sur ceux qui sont situés à la base de la pile. Cette force peut aller jusqu'à l'écrasement des couches inférieures. Un corps exerce lui aussi une pression sur lui‑même; on parle dans ce cas de pression statique. L'eau n'échappe pas à cette règle; la pression statique que l'élément liquide exerce sur lui‑même s'appelle pression hydrostatique. La pression hydrostatique augmente la vitesse de propagation de l'onde sonore dans ce milieu (Rossi, 1986).

 

3.3.1.5  Synthèse des informations sur les modifications de la vitesse de transmission du son dans l'eau

 

La température, la salinité et la pression hydrostatique ont une influence sur la vitesse de transmission du signal acoustique en milieu subaquatique. Toutefois, cette influence est faible. On estime que tous ces facteurs réunis font varier la vitesse de propagation du son dans l'eau de moins de 70 m/sec. Ce qui représente une variation de moins de 5% si l'on considère que la vitesse moyenne de transmission du son dans le milieu aquatique est de 1400 m/sec. (Tavernier & Grouard, 1993).

3.3.2   La théorie de la double localisation, et conduction osseuse ou perception intracrânienne en milieu subaquatique

 

Le passage du milieu aérien au milieu aquatique entraîne des modifications dans la transmission du signal acoustique. Ces modifications ont-elles une incidence sur l'aptitude de l'Homme à localiser une source sonore? Les indices interauriculaires sur lesquels on s'appuie dans l'air sont-ils maintenus sous l'eau? La transparence acoustique de la tête et l'accélération du signal suffisent à légitimer cette interrogation: Que reste-t-il sous l'eau de la théorie de la double localisation? Que deviennent les indices d'intensité et temporels pendant l'immersion?

3.3.2.1  Les indices interauriculaires d'intensité sous l'eau

Il existe une forte différence de la masse volumique entre les milieux gazeux et solide. En physique, on qualifie le passage d'un milieu à un autre de changement d'impédance mécanique. Dans la transmission d'un signal acoustique en milieu aérien il y a un abrupt changement d'impédance mécanique lorsque l'onde rencontre la tête. Cette modification de l'impédance est due à la différence de la masse volumique qui existe entre l'environnement et la boîte crânienne. Dans l'air, la tête tient un rôle comparable à celui d'une barrière acoustique. Dans l'eau, ce phénomène disparaît. Cette disparition est due à la densité de l'élément aquatique. La densité de la tête est proche de celle de l'eau. Le corps humain est constitué à 75% d'eau. Cette similitude d'impédance entre le crâne et l'eau permet au son de traverser le crâne (Figure 12). Le phénomène qui consiste à transmettre la vibration acoustique directement au travers de la boîte crânienne est connu sous le nom de conduction osseuse. La tête ne tient plus le rôle de barrière acoustique ce qui réduit substantiellement ou supprime complètement l'effet d'ombrage. De manière concomitante l'importance des indices interauriculaires d'intensité diminuent. Ces raisons expliquent pourquoi dans l'eau la capacité de l'Homme de localiser un signal acoustique est amoindrie.

 

 

3.3.2.2  Les indices temporels interauriculaires lors de l'immersion

Si comme on vient de le voir, la tête devient transparente acoustiquement lorsqu'elle est immergée, qu'advient-il des indices temporels interauriculaires au cours de l'immersion? Si la tête est transparente, et que le son ne la contourne plus mais la traverse en ligne droite, cela implique que non seulement le trajet effectué par l'onde acoustique est plus rapide en raison de la vitesse de propagation du son dans l'eau, mais qu'en plus cette distance est plus courte (Figure 13).

 

 

Une différence interauriculaire du temps d'arrivée du signal est maintenue, mais elle est réduite en raison de la vitesse de propagation l'onde dans l'eau. Sur la seule base de la vitesse de transmission du signal, on peut estimer que, dans l'eau, la différence de temps d'arrivée du signal est pour le moins réduite au quart de la valeur qu'elle a en milieu aérien. Si on reprend l'exemple utilisé dans la description de l'indice temporel binauriculaire (3.1.1.1), un son émis dans l'air perpendiculairement au sujet à 90° sur la droite, met 840 µsec pour parvenir à l'oreille opposée; dans l'eau la différence interauriculaire de temps d'arrivée doit être de moins de 210 µsec. Le délai temporel interauriculaire ne disparaît pas, simplement il ne correspond plus à un stimulus se situant à 90° mais à un signal se trouvant à 22.5°.

 

En ce qui concerne le passage d'un mécanisme à l'autre, indice d'intensité versus indice temporel, un calcul simple montre que la limite de 1500 Hz dans l'air se situe, dans l'eau, autour de 6 kHz. Ce déplacement de limite est directement lié à la différence de vitesse de propagation de l'onde acoustique dans ces milieux.

 

Dès lors que l'on accepte ce raisonnement, il est aisé de comprendre que le changement de vitesse et la longueur du trajet du signal acoustique sont responsables d'une illusion sur la position de la source émettrice dans l'eau. Supposons qu'on émette des sons dont l'origine est chacun des points d'un cercle dans le plan horizontal. On devrait, en théorie, observer une erreur systématique qui regroupe l'ensemble des réponses dans deux secteurs compris entre +22.5° et ‑22.5° et situés dans l'axe médian, devant et derrière (Figure 14) (Wells & Ross, 1980).

 

Ces raisons expliquent la diminution de la valeur informative des indices temporels interauriculaires quant à la position de la source. Ce raisonnement n'est cependant valable que s'il n'y a pas d'adaptation de l'Homme au milieu subaquatique. Au long de l'évolution, après que leurs ancêtres eurent quitté l'élément liquide, certaines espèces de mammifères y sont retournées. Elles se sont adaptées ou réadaptées à ce milieu. Phoques, otaries et cétacés notamment, sont capables de localiser la position d'un signal acoustique. L'Homme dans tout cela, en est-il réduit aux erreurs considérables qui sont engendrées par les modifications des indices interauriculaires? Ou l'Homme est‑il en mesure, lui aussi, de s'adapter à un milieu qui lui est étranger? L'Homme est‑il capable de tirer parti des indices temporels qui demeurent à sa disposition? C'est à ces questions que nombre de scientifiques ont tenté de répondre.

 

3.4     Revue de la littérature relative à la localisation spatiale acoustique en milieu subaquatique

La science en est encore à des balbutiements en ce qui concerne la connaissance des océans. L'Homme a réellement commencé la conquête des fonds marins au milieu du XX^ème siècle. Auparavant l'océanographie se contentait d'observer les masses aquatiques et de faire la taxinomie des espèces qui les peuplent. En ce qui concerne l'espèce humaine, les recherches entreprises ont eu pour objet principal de repousser les limites de la pénétration de l'Homme dans les océans. Cette quête de la profondeur a répondu principalement à des impératifs économiques. Elle trouve ses applications dans l'exploitation de gisements pétroliers ou miniers et dans l'industrie militaire. La pauvreté de la littérature scientifique dans le domaine de l'étude de l'audition sous‑marine chez l'Homme s'explique par le manque de débouchés économiques liés à ces recherches. Déjà peu nombreuses en ce qui concerne l'audition en général, ces études deviennent rares si l'on est en quête d'éléments liés spécifiquement à des tâches de localisation du signal acoustique. On a trouvé quelques recherches qui abordent l'audition en milieu subaquatique. On essayera dans la partie qui suit de synthétiser les résultats obtenus par ces recherches.

 

3.4.1   Mesure du seuil de l'audition en milieu subaquatique

L'intensité est l'un des trois paramètres qui, avec la fréquence et la durée, caractérisent un signal acoustique. Dans l'air, l'intensité la plus faible à partir de laquelle un signal acoustique est perceptible est définie comme le seuil de la perception de ce signal. Il existe deux méthodes pour définir ce seuil, l'une ascendante, l'autre descendante. La première consiste à augmenter progressivement l'intensité du stimulus jusqu'à ce qu'il soit détecté. À l'inverse, la seconde consiste à réduire le son jusqu'à ce qu'on ne soit plus capable d'en déceler la présence. Les deux valeurs obtenues sont généralement inégales. La moyenne de ces deux valeurs est considérée comme le seuil de l'audition pour une fréquence donnée.

 

Dans l'eau, la définition de ce seuil est un préalable indispensable à la suite d'études relatives à la localisation et la navigation à l'aide de stimuli auditifs. À quoi bon se lancer dans l'étude de l'audition sous‑marine si l'on est incapable de détecter la présence d'un signal sonore sous l'eau. L'Homme entend‑t‑il sous l'eau?

 

On trouve la réponse à cette question dans une étude comparative portant sur le seuil de l'audition dans l'air versus dans l'eau (Brandt & Hollien, 1967). Ces chercheurs ont comparé les résultats obtenus par 8 plongeurs, 5 hommes et 3 femmes. Les expérimentateurs ont utilisé la technique de Békésy pour mesurer les seuils de perception correspondant à 7 fréquences sinusoïdales de 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 et 8000 Hz. Ces mesures ont été enregistrées à deux profondeurs, 3.65 et 10.66 mètres. Les stimuli ont une durée de 0.5 seconde. L'article ne donne pas de renseignements sur l'équipement de plongée utilisé par les sujets. On ne sait pas s'ils portent une cagoule sur la tête. En l'absence de cette information et en raison de la température clémente de l'eau, 22° Celsius sur le site de passation, on pense que les sujets sont nu‑tête. Les résultats montrent que la sensibilité maximale est enregistrée dans l'eau, à 10 mètres, avec la fréquence de 500 Hz et avec 58.4 dB (SPL 1µPa) alors que dans l'air ce seuil est à 17.4 dB mesuré avec un son de 2000 Hz. En général, la différence de seuil mesurée entre l'air et l'eau augmente parallèlement à la fréquence du signal. Cette différence varie de 18 dB avec un stimulus de 125 Hz, jusqu'à 56 dB avec le signal de 8000 Hz. La comparaison de la courbe de sensibilité entre hommes et femmes ne révèle pas de différence dans l'eau ou dans l'air. Les hommes tendent à avoir de moins bons résultats pour les fréquences au-delà de 1000 Hz. On ne peut en tirer de conclusion sur la différence homme/femme en raison du faible nombre de sujets testés. On ne peut pas non plus faire abstraction du fait que les sujets masculins sont en moyenne légèrement plus âgés que les sujets féminins, respectivement 31 ans versus 26.3 ans. Enfin, la variation de la profondeur n'exerce pas de rôle significatif sur le seuil de sensibilité auditive aux profondeurs testées, 3.65 mètres et 10.66 mètres (Brandt & Hollien, 1967). Il est toutefois impossible de généraliser ce résultat pour des profondeurs plus importantes. Les effets négatifs sur les performances cognitives en profondeur sont connus; on y reviendra ultérieurement.

 

Les mêmes chercheurs ont émis l'hypothèse selon laquelle le seuil de sensibilité acoustique pourrait être affecté si de l'air restait prisonnier dans le conduit auditif pendant l'immersion. Ils utilisent le même dispositif expérimental que dans l'expérience précédente. Sept sujets, 4 hommes et 3 femmes, plongent à 10.66 mètres, où l'on mesure leur seuil de sensibilité à 5 fréquences: 125, 250, 1000, 2000 et 8000 Hz. Pour mesurer les seuils, on procède de la même manière que dans l'expérience princeps. Dans cette expérience, on injecte de l'air dans l'oreille externe des sujets avant de prendre les mesures. Cet air est comprimé et maintenu contre le tympan par la pression ambiante. Les résultats des deux conditions expérimentales sont identiques pour toutes les fréquences, à l'exception de celle de 250 Hz. À cette fréquence, on enregistre un abaissement du seuil de sensibilité auditive de 6 dB. Les sujets sont plus sensibles dans la condition sans bulle d'air, 65 dB, versus avec bulle d'air, 71 dB. Il semble que la présence ou l'absence de bulles d'air dans le conduit externe n'ait pas d'incidence sur le seuil de sensibilité auditive sous l'eau (Hollien & Brandt, 1969).

 

Les seuils enregistrés ont été mesurés avec des plongeurs sans cagoule. Or la cagoule fait partie intégrante de l'équipement du plongeur. On peut s'interroger sur l'effet que peut avoir une cagoule. Hollien, encore lui, associé à Feinstein cette fois, a mené une expérience pour répondre à cette interrogation. Il s'agissait de vérifier l'effet que le port de la cagoule produit au cours de l'immersion, sur le seuil de perception d'un son transmis par conduction osseuse. Cette expérience comprend 3 conditions: 1) tête nue, 2) avec une cagoule standard, et 3) avec une cagoule perforée au niveau des conduits auditifs. Dans chacune des conditions, on mesure le seuil de sensibilité à 5 fréquences: 250, 500, 1000, 4000 et 8000 Hz. Sept sujets, 4 hommes et 3 femmes, participent à l'expérience. L'analyse des résultats révèle une sensibilité maximale à la fréquence de 500 Hz, toutes conditions confondues. La valeur de ce seuil varie de 56.43 dB à 60.57 dB selon la condition expérimentale; toutefois ces différences ne sont pas significatives. En ce qui concerne la cagoule, il y a un abaissement du seuil dans la condition nu‑tête versus les conditions avec cagoule. Cette différence est systématique et significative à partir de 1 kHz, elle est d'approximativement 20 dB. La comparaison des deux conditions avec cagoule ne révèle pas de différences significatives entre elles. Les auteurs attribuent l'abaissement du seuil de sensibilité à la réduction de la transmission du signal acoustique par conduction osseuse dans les conditions où la cagoule est portée (Hollien & Feinstein 1975).

 

 

En résumé, le signal transmis sous l'eau est audible. L'Homme est plus sensible aux basses fréquences. L'air qui reste prisonnier dans le canal auditif n'affecte pas son seuil de perception auditive. La sensibilité auditive est accrue quand le plongeur est nu‑tête. Cet accroissement de la sensibilité est imputé à la transmission du signal par conduction osseuse.

 

Dans les expériences réalisées pour ce travail l'intensité des signaux émis par les haut‑parleurs a été fixé à ≈100 dB SPL, c'est‑à‑dire bien au‑delà des valeurs seuil mesurées dans les expériences passées en revue, de manière a s'assurer qu'ils soient parfaitement entendus.

 

3.4.2   Différentiation de la source émettrice et mesure de l'angle minimal de discrimination en milieu subaquatique

Chacun sait, empiriquement au moins, que l'Homme entend sous l'eau. Il suffit pour cela de se reporter à sa propre expérience de nageur ou aux témoignages de plongeurs. La définition du seuil de l'audition en milieu subaquatique a permis de le démontrer scientifiquement. Toutefois, le fait d'entendre n'est pas une indication de l'aptitude de l'Homme à reconnaître si deux signaux identiques ont des origines différentes ou similaires. Si l'on se base sur les témoignages de certains plongeurs, il est impossible de déterminer la provenance du son sous l'eau (Brylske, 1991; Malamas, 1993; Hollien, Hicks & Klepper, 1986; Savel, 1996). La question qui se pose est de savoir si l'Homme est capable de distinguer entre deux sources? Dans l'affirmative, quel est l'angle minimal à partir duquel un signal acoustique audible est différentiable du point de vue de son origine par l'Homme pendant l'immersion? L'angle minimal de discrimination est le plus petit angle ayant son sommet à la tête du plongeur et ses côtés définis par deux sources sonores encore distinctes.

 

Les recherches sur l'angle minimal de discrimination sont un des thèmes les plus étudiés par les chercheurs sur l'audition en milieu subaquatique. En général, ces études mesurent les capacités d'espèces du monde animal (Andersen, 1969; Andersen, 1970; Schusterman, 1981; Au & Martin, 1989; Kastak, et al., 1999). En ce qui concerne l'Homme, ces recherches sont moins abondantes.

 

Six sujets, porteurs de cagoules de 5 millimètres d'épaisseur, perforées au niveau des oreilles, s'immergent par 9.1 mètres de fond. Leur tâche est d'identifier lequel de deux haut‑parleurs situés à environ 2 mètres dans l'hémi espace leur faisant face émet. Les signaux sont des sons sinusoïdaux de 3.5 kHz et 6.5 kHz, et un bruit blanc dont la bande passante va de 20 à 20000 Hz. Les bruits blancs sont des signaux aléatoires qui ont une distribution uniforme en énergie et en fréquence (Rossi, 1986). Ils sont émis de manière répétitive, pendant 0.1 seconde, chaque seconde jusqu'à l'obtention d'une réponse, ils ont une intensité constante de 40 dB réf 1µbar. Les réponses des sujets sont limitées aux positions des sources soit 4°, 7°, 18°, 29° ou 40° sur leur droite et sur leur gauche. Enfin deux conditions expérimentales sont prévues, l'une "avec feedback" et l'autre "sans feedback". Les résultats montrent que les sujets améliorent systématiquement leurs performances quand ils sont renseignés sur la qualité de leurs réponses, quel que soit le stimulus. L'angle minimal de discrimination mesuré dans cette condition avec le bruit blanc est de 7.3°. Les valeurs mesurées de cet angle minimal audible avec les sons purs sont similaires du point de vue statistique, à savoir 11.3° avec 3.5 kHz versus 11.5° avec 6.5 kHz. (Feinstein, 1973a).

 

Dans une réplique de cette expérience, Feinstein (1973b) obtient des résultats comparables avec 7 sujets. Les seules modifications par rapport à l'expérience princeps résident dans le fait que les sujets sont nu‑tête et que l'intensité du signal est réduite à 26 dB réf 1µbar.

 

À titre de comparaison, on dispose de résultats en milieu aérien. Dans l'air, la valeur minimale de discrimination spatiale auditive entre deux sources est de 1° chez l'Homme. Ce résultat a été obtenu dans des conditions optimales, en laboratoire avec un stimulus situé face au sujet, et des signaux sinusoïdaux de 500 ou 750 Hz (Mills, 1958; Perrott & Pacheco, 1989).

 

En résumé, sous l'eau, l'Homme discrimine bien entre deux sources même si ses performances sont moindres que celles qui sont enregistrées dans l'air. La cagoule des plongeurs n'est pas un handicap dans la réalisation de la tâche. Les meilleures performances dans la mesure de l'angle minimal audible sont réalisées avec un bruit blanc. Cet angle diminue si le sujet est renseigné sur la qualité de sa réponse. Ces paramètres additionnés, dans l'eau la valeur de l'angle minimal de discrimination est d'approximativement 7°.

 

Les expériences présentées dans ce travail seront réalisées avec huit sources, espacées l'une de l'autre par un angle de 45°, se situant tout autour du sujet sur 360°. Cette technique implique que le choix de la réponse est "forcé"; le sujet n'aura pas le loisir d'ajuster la précision avec laquelle il reconnaît l'origine de la source contrairement aux recherches sur l'angle minimum d'audibilité.

 

3.4.3   Rôle de la fréquence du stimulus dans des tâches de localisation acoustique subaquatique

Comme on vient de le voir dans les points qui précèdent, l'Homme entend sous l'eau et il est capable de discriminer entre plusieurs sources. La question qui vient désormais à l'esprit est de savoir s'il est capable de localiser l'origine d'un signal acoustique. L'Homme est‑il capable sur la seule base d'indices acoustiques de déterminer la position d'une source émettrice? Si tel est le cas, la précision de la localisation est‑elle identique, quelle que soit la nature du signal? Ou la reconnaissance de la source est‑elle liée aux caractéristiques du signal?

 

En 1971, dix‑sept plongeurs participent à une expérience ayant pour but de localiser une source sonore dans le plan horizontal au cours de l'immersion. Assis pendant toute la durée de l'expérience, ils ne peuvent bouger leur corps. Leur tête est par contre libre de tous mouvements. Les signaux acoustiques ont cinq origines possibles, toutes situées dans le plan horizontal à 0, 45, 90, 270 et 315 degrés. La profondeur de passation est constante avec 12.2 mètres. Les haut‑parleurs sont tous situés à 3 mètres de la tête du sujet, et émettent des signaux de 0.5 seconde avec une intensité de 110 dB SPL soit approximativement 40 dB réf 1µbar sous l'eau. Ces signaux sont de 2 types: 1) des sons purs de 250, 1000 et 6000 Hz, et 2) un bruit blanc. Les résultats montrent que le pourcentage d'identifications correctes de la source est plus élevé avec le bruit blanc (52.5%); suit le signal de 250 Hz (50.6%), puis viennent le 1 kHz (38.8%) et le 6 kHz (33.4%). L'auteur attribue la différence de performances entre le stimulus de 250 Hz et les signaux de hautes fréquences, à la persistance des indices temporels interauriculaires sous l'eau. La disparition ou la diminution des indices interauriculaires d'intensité est liée selon eux au phénomène de conduction osseuse, sur lequel on reviendra. Les résultats enregistrés montrent également qu'en règle générale, les sources latérales sont mieux identifiées que lorsque le haut‑parleur est situé en face du sujet (Hollien, 1971).

 

En résumé, la fréquence du stimulus a une importance dans une tâche de localisation. On enregistre les meilleurs résultats avec les signaux de basses fréquences. On obtient des résultats similaires avec les bruits blancs, vraisemblablement en raison de leurs composantes de basses fréquences. Les sources latérales sont localisées avec plus de précision. La persistance des indices temporels interauriculaires expliquent ces résultats.

 

Les résultats de ces recherches sont à l'origine du choix des stimuli qui seront employés dans ce travail: des sons complexes et des sons sinusoïdaux. On vérifiera notamment les performances obtenues avec les sons purs de basses fréquences et de hautes fréquences, en les comparant aux résultats enregistrés par nos prédecesseurs. Les caractéristiques spécifiques des signaux utilisés seront précisées au fur et à mesure de la présentation des expériences.

 

3.4.4   Importance de la durée du stimulus dans des tâches de localisation acoustique subaquatique

Après son intensité et sa fréquence, le troisième paramètre qui permet de définir un signal acoustique est sa durée. Il est superflu de rappeler que la durée du signal a un rôle déterminant sur sa détection et sa localisation. Cela devient beaucoup moins évident lorsqu'il s'agit d'en préciser les limites. S'il est trop bref, la source n'est pas identifiable. Un signal long n'est un avantage que dans la mesure où il apporte des informations supplémentaires. Chez l'Homme, la durée du stimulus est‑elle un facteur déterminant dans la localisation d'un signal acoustique?

 

Sur un fond de 5 mètres de profondeur, on présente à 8 sujets des signaux d'une durée de 0.3 ou de 0.5 seconde. Ces stimuli sont des sons sinusoïdaux de 0.5 ou 1 kHz et un bruit blanc (0.2‑2 kHz). Trois haut‑parleurs distants entre eux de 3 mètres émettent alternativement. Ils sont placés en face du sujet, et distants de 50 mètres de lui. La tâche du sujet consiste à découvrir l'émetteur. De manière générale, les meilleurs résultats sont obtenus avec le stimulus de 0.5 seconde. Le bruit blanc est le signal avec lequel on obtient les meilleures performances (58.3%). Par contre en ce qui concerne les sons purs, il existe une différence majeure. Il y a une action conjuguée de la durée du signal et de sa fréquence. Les meilleurs résultats sont obtenus pour le 500 Hz (50%) avec la durée de 0.5 seconde, et pour le 1 kHz (54.2%) avec une durée de 0.3 seconde (Hollien, Hicks & Klepper, 1986).

 

Dans une réplique de cette expérience, les mêmes chercheurs augmentent la durée du signal. La durée du stimulus passe de 0.5 à 1 seconde. Ils souhaitent vérifier l'hypothèse selon laquelle les performances augmenteront avec l'allongement du signal. Aux fréquences de l'expérience princeps s'ajoute un stimulus de 6 kHz. Neuf sujets participent à cette expérience. Les résultats valident l'hypothèse; de manière globale l'augmentation de la durée du stimulus a un effet bénéfique sur les performances. Cette amélioration est tangible en ce qui concerne les sons sinusoïdaux de 500 Hz (59.3%) et 1 kHz (74.1%). L'augmentation de la durée du bruit blanc affecte les performances, qui passent à 33.3%. Enfin, en ce qui concerne le nouveau stimulus, le son de 6 kHz, la durée du signal n'a pas d'incidence dans la mesure où la source est mal identifiée, avec seulement 18.5% d'identification correcte, quelle que soit la durée du signal (Hollien, Hicks & Klepper, 1986).

 

En résumé, la durée du signal a une incidence sur sa localisation. Les signaux longs sont mieux identifiés. Toutefois, il y a une relation entre la durée du signal et sa fréquence.

 

Dans les recherches que l'on vient d'évoquer le sujet sait que les sources se situent face à lui, il n'a donc pas besoin d'explorer le "paysage" auditif l'entourant, sur l'ensemble des 360°. Pour cette raison, on préfèrera dans les expériences qui constituent ce travail, une durée d'émission du signal un peu plus longue. L'allongement de l'émission du signal doit permettre l'exploration par les mouvements de rotation de la tête. On optera pour une durée du stimulus de 2 secondes, cette valeur, mesurée en milieu aérien, a été définie comme étant optimale dans un paradigme expérimental proche de celui que l'on utilise (Thurlow & Mergener, 1970).

 

3.4.5   Précision dans des tâches de localisation acoustique en milieu subaquatique

Les caractéristiques du signal acoustique étant précisées, on peut se demander dans quelle mesure l'équipement de plongée et surtout le milieu aquatique modifient les caractéristiques du signal acoustique? Chez l'Homme, la précision dans la localisation d'un signal acoustique est‑elle affectée pendant l'immersion?

 

Quatre sujets participent à une expérience sur la précision de la localisation d'un signal acoustique par pointage. La source est distante de 2 mètres. L'unique stimulus de cette expérience est un bruit blanc dont l'intensité est de 40 dB réf 1µbar. Le signal est répété une fois par seconde et il a une durée de 0.1 seconde. La tâche des sujets consiste à désigner, parmi 13 sources réparties tous les 15° entre +90° et -90°, celle qu'ils considèrent comme l'émetteur. Les résultats enregistrés permettent d'estimer à 11° la précision angulaire avec laquelle la source est identifiée sur la seule base de signaux acoustiques (Feinstein, 1975).

 

Dans une réplique de cette expérience, le même auteur renseigne les sujets sur la qualité de leur réponse. Cette indication permet d'améliorer le niveau de performance général des sujets. Ces informations réduisent l'erreur moyenne de moitié sur l'ensemble des positions. Dans le cas le plus favorable l'erreur moyenne est réduite à 5.6 degrés d'angle (Feinstein, 1975).

 

Une équipe de chercheurs de l'université de Sterling a testé l'hypothèse théorique selon laquelle la modification de la vitesse de propagation du son dans l'eau versus l'air induirait une erreur systématique sur l'origine de la source. Cette équipe modélise l'erreur systématique qui doit ramener l'ensemble des réponses dans un secteur qui forme un angle qui va de plus à moins 22.5° de part et d'autre de l'axe médian (3.3.2.2, Figure 14). Pour vérifier cette hypothèse, ils utilisent un équipement expérimental proche de celui de Feinstein (1975). Treize sujets ont pour tâche l'identification de l'origine d'un stimulus venant de 8 directions ±10°, 30°, 50° et 70°. Le stimulus est un bruit blanc de 0.16 seconde émis 180 fois par minute avec une amplitude de 94 dB SPL. Conformément à l'hypothèse, l'analyse des résultats montre un biais en direction de l'axe médian. Toutefois, l'erreur observée est significativement moindre que l'erreur théorique (Wells & Ross, 1980).

 

En résumé, l'erreur observée sur la position de la source acoustique en milieu subaquatique est moindre que l'erreur théorique. La précision de la localisation d'une source sur la seule base des indices acoustiques peut atteindre 11°. Elle peut être améliorée quand le sujet est renseigné sur la qualité de ses performances.

 

Dans ce travail, comme dans l'expérience de Wells et Ross (1980), l'origine spatiale du signal aura 8 directions possibles. Toutefois, les sources ne seront pas disposées entre plus et moins 70°, mais sur l'ensemble du cercle (360°) dans le plan horizontal, chacune des huit sources étant espacée l'une de l'autre par un angle de 45°.

 

3.4.6   Perception de la distance à l'aide d'indices acoustiques en milieu subaquatique

La distance est l'un des trois paramètres qui permettent de définir un point dans un espace tridimensionnel. Par conséquent, on ne peut parler de localisation sans évoquer la perception de la distance. L'estimation de la distance sur la base d'indices acoustiques est‑elle possible en milieu subaquatique?

 

Une recherche aborde la question de la perception de la distance d'une source acoustique en milieu subaquatique. Contrairement aux expériences décrites précédemment, celles‑ci se déroule en mer. Les sujets, par équipe de deux, descendent à 7 mètres de profondeur. Une fois en position, ils entendent plusieurs stimuli. Des sons purs exclusivement, aux fréquences de 0.5, de 1.0, de 6.0 et de 10.0 kHz. La tâche du sujet consiste à déterminer si le signal entendu vient d'une source située à 5 , à 25 ou à 45 mètres de distance. Les résultats enregistrés montrent que l'estimation de la distance se situe au‑delà du niveau du hasard. Les sources proximale et distale sont identifiées avec le maximum de précision, respectivement 64.6% et 61.7%. La performance chute à 53.7% avec la source intermédiaire située à 25 mètres. Les résultats n'indiquent pas de différences en ce qui concerne le rôle de la fréquence dans la perception de la distance. Toutes les fréquences sont comparables, avec 66% d'estimation correcte à l'exception du signal de 10 kHz. À cette fréquence, l'estimation de la distance chute et s'approche du niveau hasard avec seulement 38% d'estimation correcte (Hollien, Hicks & Klepper, 1986).

 

En résumé, l'Homme est capable d'estimer ou plutôt de classer la distance d'une source acoustique sur la seule base d'indices acoustiques dans un paradigme simple "source proche/éloignée/lointaine". Les fréquences comprises entre 0.5 et 6 kHz n'ont pas d'incidence sur la qualité de cette estimation. Par contre la fréquence du signal a des conséquences négatives sur l'estimation de la distance de la source, à partir de 10 kHz.

 

La problématique de l'estimation de la distance ne sera pas abordé dans ce travail. Les sources utilisées  seront équidistantes de la tête du sujet et se situeront à un mètre de celle‑ci.

 

3.4.7   La conduction osseuse et la perception acoustique intracrânienne ou transcrânienne en milieu subaquatique

Il y a une dissimilitude d'impédance mécanique entre la tête et le milieu aérien. Cette différence d'impédance est suffisante pour que la tête tienne, dans l'air, le rôle d'une barrière acoustique. Cette relation disparaît dans l'eau. Au cours de l'immersion, il y a similitude d'impédance entre les tissus crâniens et le milieu liquide. Ainsi, le son traverse le crâne, ce qui réduit substantiellement ou supprime complètement l'effet d'ombrage induit par la barrière acoustique que constitue la tête; ce qui réduit de manière concomitante l'importance des indices interauriculaires d'intensité et la capacité qu'a l'Homme de localiser sous l'eau un signal acoustique (3.3.2). La littérature scientifique ne fournit aucune référence en ce qui concerne l'étude spécifique de la conduction osseuse en milieu subaquatique. Les scientifiques mentionnent la conduction osseuse et tirent des conclusions théoriques pour le monde subaquatique sur la base de données aériennes connues. La conduction osseuse est généralement considérée comme l'un des principaux mécanismes de la perception auditive chez l'Homme pendant l'immersion (Brandt & Hollien, 1967; Andersen & Christensen, 1969; Feinstein, 1973a, 1973b; Hollien, 1973; Hollien & Feinstein, 1975, Wells & Ross, 1980; Hollien, Hicks & Klepper, 1986). Le fait qu'il est difficile d'isoler la boîte crânienne du milieu ambiant explique probablement pourquoi la conduction osseuse n'a pas été étudiée.

 

Dans la nature, les mammifères marins, qui ont quitté le milieu aérien pour retourner dans le milieu aquatique, se sont adaptés. Du point de vue anatomique, l'oreille des cétacés a évolué en isolant la cochlée du reste de la boîte crânienne. En effet, leurs oreilles ne sont pas assujetties de manière rigide, mais fixées par des cartilages qui assurent une meilleure isolation acoustique de l'oreille interne et atténuent les effets de la conduction osseuse (Purves & Pilleri, 1983).

 

 

Cette évolution ne s'est pas généralisée à l'ensemble des mammifères menant une vie amphibie, tels le lion de mer, le phoque, la loutre, le castor... chez lesquels, comme chez de l'Homme, la bulla ossea est soudée à la boîte crânienne. Ce qui ne semble pas pénaliser les premiers nommés outre mesure dans des tâches de discrimination de l'angle minimum audible.

 

Chez l'Homme, si on cherche des éléments sur la transmission du signal acoustique par conduction osseuse en milieu subaquatique, il faut se tourner vers le monde des arts, de la musique en particulier. Dans un article intitulé: "Écouter sous l'eau: les musiques subaquatiques", le compositeur français Michel Redolfi explique comment il tire parti des propriétés de la conduction osseuse pour composer une musique qui doit être écoutée dans l'eau mais sans recours aux oreilles externes. Les auditeurs flottent la tête hors de l'eau dans une piscine. La musique est émise sous la surface. Les vibrations du signal acoustique sont transmises à l'oreille interne des auditeurs sans passer par l'oreille externe (Redolfi, 1991).

 

En résumé, on ne sait pas grand-chose... D'immenses zones d'ombres subsistent. Cependant, on suppose que la conduction osseuse est la principale responsable de l'audition sous‑marine, et qu'elle est responsable, en totalité ou en partie, de la disparition des indices interauriculaires d'intensité.

 

Dans la dernière expérience de ce travail, on essaiera de neutraliser ou au moins réduire les effets de la transmission du signal acoustique par conduction osseuse en isolant la tête et le corps avec une couche de Néoprène^TM de l'élément dans lequel ils baignent. Cette isolation devrait permettre de limiter la transmission du signal par conduction osseuse et d'estimer sa réelle importance.

 

3.4.8   Navigation à l'aide d'indices acoustiques en milieu subaquatique

Par navigation, on entend ici le fait, pour un plongeur, de se situer dans l'espace, de s'orienter, et de se déplacer vers une cible. La localisation même approximative d'un signal sonore est la première étape de la navigation sur la base d'indices acoustiques. L'une des principales différences qui séparent le milieu aquatique de l'aérien est la visibilité. Dans l'air, l'Homme dépend principalement d'indices visuels pour localiser un objet ou se déplacer vers lui. Sous l'eau, la distance de vision est limitée et est très variable. Elle va de quelques centimètres à une soixantaine de mètres. Ceci explique la raison pour laquelle les plongeurs sont bien souvent incapables de retrouver un objet ou de se diriger vers une cible à l'aide de la seule vision. Pour remédier au manque de visibilité quand ils naviguent sur de grandes distances, les plongeurs s'orientent un peu comme le "Petit Poucet". Ils avancent en prenant des points de repère de proche en proche ou se déplacent à l'aide d'un compas. Contrairement à la vision, le son n'est pas limité au cours de l'immersion, il ne subit qu'une faible atténuation et peut être perçu sur de grandes distances (Leroy, 1979). Ces caractéristiques font que les signaux sonores pourraient fonctionner comme des balises acoustiques s'ils étaient utilisés à cet égard sous l'eau. Les signaux acoustiques sont‑ils utilisables pour s'orienter et se diriger vers une cible en milieu subaquatique?

 

Cinq sujets ont participé à une étude sur les techniques de navigation à l'aide d'un signal acoustique en milieu subaquatique. Ils ne peuvent s'appuyer sur des indices visuels car leur masque est opaque. Les sujets plongent dans une piscine de moyenne dimension: 25 * 11 mètres dont la profondeur est de 1.3 mètres. Le stimulus utilisé est un bruit blanc qui se répète. La durée du signal est de 0.16 seconde et son intensité est de 94 dB SPL. La consigne demande au sujet de rejoindre le point du bassin d'où émane le signal acoustique. Les résultats montrent que les sujets sont capables de retrouver la source sans trop de difficulté. Ils ne mettent pas plus de 2 à 3 minutes pour atteindre le but. L'observation du comportement des sujets a permis de mettre en évidence un patron de recherche stéréotypé (Figure 17). Initialement, le corps tout entier participe aux mouvements de recherches, et au fur et à mesure que les sujets s'approchent de la source, les mouvements de recherches finissent par se résumer à un simple balayage latéral de la tête (Wells & Ross, 1980).

 

 

Dans un entretien post-expérimental, les sujets disent s'être déplacés en fonction d'un gradient d'intensité sonore perçu. Ils s'appuieraient pour cela sur les poches aériennes naturelles (cavités buccale, nasale et auriculaire) et artificielles (masque et détendeur) pendant l'immersion. Ces espaces isoleraient les oreilles l'une de l'autre, ce qui rétablirait certaines différences interauriculaires, notamment d'intensité. La tête retrouverait partiellement, grâce à l'équipement de plongée en particulier, son rôle de barrière acoustique (Ray, 1976; Wells & Ross, 1980).

 

Dans une autre recherche, menée en mer celle‑ci, 7 plongeurs ont pour tâche de naviguer vers une source sonore distante de 150 mètres. La cible est une balise acoustique. Elle émet un signal de 500 Hz, de 1 kHz, ou un bruit blanc, d'une durée de 0.5 seconde, qui est répété avec un intervalle de 0.1 seconde. Les sujets sont maintenus à 4 mètres de profondeur par une corde reliée à une bouée en surface. Le délai maximal mis à disposition des sujets pour retrouver la cible est de 20 minutes. Les résultats de cette expérience montrent qu'avec un son complexe, un bruit blanc, les sujets retrouvent la source dans les deux tiers des cas. Le niveau de réussite chute légèrement avec les stimuli de 500 Hz et de 1 kHz. Les résultats montrent également que c'est avec le son complexe que les sujets atteignent la cible le plus rapidement, c'est‑à‑dire en 9.2 minutes. Les plongeurs sont plus lents à retrouver la cible avec les sons purs. Dans ce cas, ils mettent une quinzaine de minutes environ pour l'atteindre. L'observation des déplacements des plongeurs révèle qu'au début de l'expérience, les sujets se déplacent de manière erratique. Toutefois, bien que les plongeurs zigzaguent, les expérimentateurs rapportent qu'ils ne s'éloignent pas de la source, mais s'en rapprochent constamment. Dans une seconde expérience en tous points identiques, le signal est émis à une seule reprise. Dans cette condition, les performances chutent de manière drastique (Hollien, Hicks & Klepper, 1986).

 

En résumé, on peut naviguer sous l'eau sur la seule base d'indices acoustiques. Les sons complexes sont de meilleurs indicateurs de la position de la cible. On doit répéter le signal pour en augmenter l'efficacité. Les mouvements de recherche sont amples et quelque peu erratiques au départ. Ils s'affinent au fur et à mesure qu'on s'approche de la source.

 

Le thème de la navigation ne sera pas abordé dans le cadre de ce travail. Par contre, nos expériences permettront peut‑être de retrouver un comportement de recherche de la source émettrice similaire ou proche des mouvements de tête observés dans la phase finale dans cette étude sur la navigation avec l'enregistrement des mouvements de rotation de la tête.

 

3.4.9   Effet du mélange gazeux sur les performances en milieu subaquatique

La majorité des recherches sur la plongée sous‑marine porte sur les effets du mélange respiré. Ces effets augmentent parallèlement à l'accroissement de la profondeur. Ils ne sont jamais mentionnés dans les recherches décrites dans ce travail. Cette omission est due à la faible profondeur à laquelle se déroulent ces expériences, 12 mètres pour la plus profonde d'entre elles. On n'a trouvé aucune étude spécifique sur rôle du mélange respiré en lien avec une tâche de localisation sur la base de stimuli acoustiques. La présente thèse ne fera pas exception à cette règle.

 

Un scaphandre de plongée contient de l'air comprimé. Cet air n'est pas "pur" dans la mesure où il n'est pas composé d'un seul gaz. On admet généralement que l'air ambiant est composé de: 21% d'oxygène, 78% d'azote et 1% de gaz rares. Les premiers "aquanautes" ont découvert, aux dépens de leur vie parfois (Tailliez, 1954), que la composition du mélange contenu dans le scaphandre n'est pas anodine. Le désir de compréhension et le besoin de pousser toujours plus loin les limites de la conquête du "sixième continent" ont amené les chercheurs à s'intéresser tout particulièrement au mélange respiré. La nécessité de trouver des mélanges de substitution, qui repoussent ces limites, explique pourquoi la majorité des recherches en plongée se préoccupe des effets que les mélanges respirés produisent sur le système nerveux. La motivation principale de ces recherches est liée aux enjeux économiques et sécuritaires que représentent la conquête des océans et l'accès aux richesses qu'ils recèlent.

 

En ce qui concerne les expériences présentées dans ce travail, le mélange respiré à toujours été de l'air comprimé. Ce mélange n'engendre aucun problème à la profondeur de passation expérimentale choisie pour l'ensemble de nos recherches. Même si, par souci d'information, on ne peut manquer d'attirer l'attention du lecteur sur certains aspects liés aux effets du mélange que constitue l'air.

 

La mécanique des gaz est relativement simple. Au fur et à mesure que la pression augmente, l'azote se dissout dans le sang, les tissus et le système nerveux, ce qui provoque un épaississement de la membrane synaptique, et dès lors un ralentissement de la transmission de l'information nerveuse (Jammes & Burnet, 1991). Ce phénomène est connu par les plongeurs sous le nom de "narcose" ou "ivresse des profondeurs". Les premiers effets de cette narcose sont ressentis à partir d'une trentaine de mètres (Bennett, 1982). Cette intoxication à l'azote agit sur le niveau d'anxiété, entraîne des troubles de la coordination visuo-manuelle et des troubles de la motricité, puis engendre une diminution des perceptions en général (De Mojà, et al., 1987); elle agit également sur les aptitudes cognitives (Rostain & Charpy, 1976; Bennett, 1982; Philp et al., 1989). Bien que les performances des sujets diminuent avec l'augmentation de la profondeur, les sujets les plus expérimentés sont moins sensibles aux effets du mélange. De nombreuses recherches laissent supposer une forme d'accoutumance aux effets du mélange respiré (De Mojà, et al., 1987). Malgré cette accoutumance, il est impossible de séjourner régulièrement au‑delà de 50 à 60 mètres de profondeur sans encourir de risques. Aujourd'hui, dans le cadre de ses activités professionnelles, un plongeur hyperbare atteint fréquemment des profondeurs de ‑200 à ‑250 mètres. L'élévation de la pression hydrostatique nécessite l'utilisation d'un mélange respiratoire différent de l'air ambiant. L'utilisation de l'un ou l'autre mélange est alors en lien direct avec la durée et la profondeur planifiées pour l'immersion. Les mélanges les plus couramment utilisés sont l'azote-hélium-oxygène, l'hélium-oxygène et l'hydrogène-hélium-oxygène. Ce dernier mélange, aussi appelé hydreliox, a permis à l'Homme d'atteindre la profondeur maximale de ‑701 mètres. Cette profondeur est fictive, elle a été atteinte au cours d'une expérience menée en chambre de recompression par le centre expérimental hyperbare de la Comex (Jammes & Burnet, 1991).

 

En ce qui concerne le système auditif, il n'est pas affecté par les changements de pression hydrostatique et reste fonctionnel quelle que soit la profondeur où le plongeur évolue, puisque: a) l'oreille externe est inondée lors de l'immersion, b) la pression dans l'oreille moyenne est égalisée via les trompes d'Eustache, et c) le liquide cochléaire qui emplit l'oreille interne est incompressible (Grandjean, 1993; Bear, et al., 1996).

 

En résumé, la toxicité de l'azote contenu dans l'air augmente avec la profondeur. Elle a pour effet une diminution de la transmission de l'information nerveuse. Ce ralentissement de la transmission synaptique a une incidence sur les performances cognitives. Du point de vue fonctionnel, l'oreille n'est pas affectée par l'augmentation de la pression hydrostatique.

 

La profondeur de passation est fixée à 10 mètres pour l'ensemble des expériences prévues dans le cadre de ce travail. À cette profondeur, les effets du mélange respiratoire, de l'air, ne se font pas ressentir, ils sont ainsi neutralisés.

3.4.10                Synthèse

Les quelques expériences passées en revue montrent clairement la prédominance des indices temporels interauriculaires sur les indices interauriculaires d'intensité dans la localisation d'un signal acoustique en milieu subaquatique. Les recherches en milieu subaquatique qui se sont penchées sur les problèmes de localisation n'ont pas étendu leur champ d'investigation à toutes les directions dans le plan horizontal, se limitant généralement à quelques haut‑parleurs placés face au sujet. Elles n'ont jamais quantifié ni défini le rôle des mouvements de tête, même si certains chercheurs en relèvent parfois la présence (Wells & Ross, 1980; Savel, 1996). L'enregistrement et l'analyse des mouvements de tête sont au nombre des spécificités de ce travail.

 

Les principales caractéristiques des expériences qui ont été décrites résident: a) dans le faible nombre de sujets expérimentaux et b) dans le niveau de pratique des plongeurs, tous des professionnels civils ou militaires. Depuis le début des années '70, la plongée sous-marine est devenue accessible au plus grand nombre; cela explique notamment que, jusqu'à cette époque, l'on ait sélectionné uniquement des sujets professionnels.

 

Grâce aux connaissances acquises jusqu'ici, la localisation acoustique en milieu subaquatique peut être décrite comme suit, à partir de ses propres paramètres: 1) elle ne semble pas faire recours aux mouvements de tête, 2) elle nécessite des stimuli de forte intensité, 3) elle dépend de la familiarité avec le contexte expérimental, 4) elle donne lieu à de meilleures performances avec des sons ayant des composantes de basses fréquences, qu'ils soient sinusoïdaux ou complexes (Andersen & Christensen, 1969; Feinstein 1966, 1973a, 1973b; Hollien 1969, 1973; Leggiere, McAniff, Schenk & van Ryzin, 1970; Norman, Phelps & Wightman, 1971).

 

4    Problématique et hypothèses

Dans la partie précédente, les fondements de ce travail ont été exposés. Ils montrent que la capacité de localiser une source sonore est fortement réduite dans l'eau, du fait de la détérioration des indices tant monauriculaires que binauriculaires. On se propose, dans le cadre de ce travail, de quantifier et d'analyser la performance de localisation, et de quantifier et d'analyser le rôle des mouvements de rotation de la tête dans la localisation d'une source sonore en milieu aquatique.

 

On essayera de répondre aux interrogations suivantes:

 

1.   Quel est le rôle des indices binauriculaires dans la localisation d'une source sonore en milieu subaquatique? L'immersion a, comme mentionné précédemment, une incidence sur les indices binauriculaires. Les indices temporels sont modifiés par l'accroissement de la vitesse de transmission de l'onde provoquée par la densité du milieu de propagation, et par la conduction osseuse. Les indices d'intensité décroissent, la tête ne constituant plus une barrière acoustique efficace. Néanmoins, on pense que les indices interauriculaires, parce qu'ils subsistent partiellement, restent une source d'informations cohérente qui permet la localisation même approximative de la source émettrice.

 

2.   Quelle est l'importance de la fréquence du stimulus? Mills (1958) a démontré le rôle de la fréquence dans une tâche de localisation par la dissociation des indices binauriculaires temporels et d'intensité. Les sons complexes, qui par leur nature sont plus riches du point de vue spectral, permettent d'obtenir en milieu subaquatique de meilleures performances que celles qui sont obtenues avec des sons purs, en particulier s'ils sont comparés à des signaux de hautes fréquences (Hollien, 1971; Hollien & Feinstein, 1975; Hollien, Hicks & Klepper, 1986), ce résultat est également valable en milieu aérien (Terhune, 1974).

 

3.   Quelles doivent être, en milieu subaquatique, les caractéristiques de la durée d'émission d'un stimulus acoustique pour qu'il soit décelable grâce aux mouvements de tête? Il est impératif que la durée du stimulus soit suffisamment longue pour permettre au sujet d'explorer le paysage auditif par des mouvements de rotation de la tête (Hollien, Hicks & Klepper, 1986; Makous & Middlebrooks, 1990).

 

4.   Quel est, dans la localisation d'une source sonore en milieu subaquatique, le rôle des mouvements de tête, et quelle doit être leur nature? Les mouvements de tête interviennent dans l'écoute monauriculaire et binauriculaire (Thurlow & Runge, 1967; Thurlow et al., 1967). Ils contribuent à la localisation des sources sonores, en particulier lorsqu'une ambiguïté subsiste quant à la position de l'émetteur (avant versus arrière). Dans le cas de l'écoute binauriculaire, deux comportements opposés pourraient être appliqués: 1) une maximisation des différences, 2) une minimisation de celles‑ci.

 

5.   Quelles sont les positions spatiales les plus aisément localisables? Selon Wells et Ross (1980), en raison de l'illusion engendrée par la vitesse sur la position réelle de la source, les réponses devraient être regroupées dans un secteur allant de +22.5° à –22.5° de part et d'autre de l'axe médian, sur l'avant comme sur l'arrière. Mais, selon Feinstein (1975) grâce à la persistance des indices temporels interauriculaires, ce sont les sources latérales qui devraient être identifiées avec la plus grande précision. Enfin, c'est sans mouvements de tête que les plus mauvaises performances seront enregistrées, en particulier avec les sources situées directement devant ou derrière le sujet, en raison de l'absence de différences interauriculaires sur l'axe médian (Mills, 1972; Blauert, 1983; Müller & Bovet, 1999).

 

6.   Quelle est l'influence de la pratique sportive de la plongée sous-marine sur l'aptitude à localiser une source acoustique en milieu subaquatique? On sait que la modification des perceptions en milieu subaquatique est la plus manifeste avec des sujets débutants (Weltman & Egstrom, 1966). La pratique de la plongée n'est pas neutre sur ce point; les sujets les mieux familiarisés avec l'environnement subaquatique effectuent un apprentissage latent et développent des comportements adaptatifs. On constate chez des sujets expérimentés de meilleures performances, dans ce type de tâche, que chez des sujets débutants (Stouffer, Douherty & Hollien, 1975). En ce qui concerne les capacités acoustiques et en particulier celle de la localisation, il n'existe, à notre connaissance, aucune donnée. Seule une expérience dont la tâche consistait à localiser une embarcation se déplaçant en surface a fourni des rudiments de réponse. Dans un questionnaire pré‑expérimental, les sujets auto‑évaluent leur aptitude à réaliser la tâche. Expérimentés ou débutants, ils se jugent incapables de la réaliser. Les résultats montrent néanmoins une différence en faveur des experts si l'on compare les performances du groupe "experts" à celle du groupe "débutants" (Savel, 1996).

 

7.   Quel est en milieu subaquatique le rôle des pavillons dans la localisation d'une source sonore située dans le plan horizontal où se trouve le sujet? Le pavillon est le principal organe responsable des mécanismes monauriculaires. Le pavillon modifie la composition spectrale de l'onde acoustique au moyen de sa configuration anatomo‑structurelle, ce qui en fait un outil particulièrement efficace, en milieu aérien, notamment pour déterminer l'élévation d'une source. Il permet également de lever certaines ambiguïtés en matière de localisation d'une source, notamment dans le plan horizontal. En milieu subaquatique, le rôle déterminant joué par les pavillons devrait disparaître. Les cartilages qui composent le pavillon ont une impédance pratiquement égale à celle de l'eau. Cette égalité devrait faire disparaître les phénomènes de résonance et les délais de réflexion de l'onde sonore. Ainsi, l'additivité des effets des pavillons et des mouvements de tête, démontrée par Müller (1995), doit disparaître en milieu subaquatique. Il reste que des études menées sur différentes espèces de mammifères marins interpellent à cet égard. En effet, elles laissent sous-entendre que, chez ces espèces, les pavillons jouent un rôle dans les tâches de localisation. Les Otaridae (otaries, lions de mer...), dotées de pavillons, ont de meilleures performances que les Phocidae (phoques, éléphants de mer...), qui n'en possèdent pas, dans des tâches portant sur l'angle minimal de discrimination auditive entre deux sources sonores (Schusterman, 1969).

 

8.   Quel est le rôle de la transmission du signal acoustique par conduction osseuse dans la localisation d'une source sonore en milieu subaquatique? Dans l'eau, du fait de la nature particulière des ondes acoustiques, l'os temporal devient un meilleur transmetteur du son qu'il l'est dans l'air; c'est le phénomène de conduction osseuse. Ce phénomène atténue les informations temporelles interauriculaires et élimine les différences interauriculaires d'intensité, que crée le jeu des impédances en milieu aérien. La conduction osseuse est l'un des facteurs naturels responsables de la diminution des capacités de localisation auditive de l'Homme en milieu subaquatique (Hollien, 1973). Ce phénomène, bien connu en laboratoire, n'a, à notre connaissance, pas été étudié en milieu subaquatique en raison de la difficulté d'isoler ses différents paramètres.

 

4.1     Hypothèse générale

L'hypothèse générale est que malgré la modification et la diminution des indices de localisation pendant l'immersion, l'aptitude à localiser une source acoustique est maintenue. Cette hypothèse est étayée par des observations ethnologiques sur les techniques de pêche de tribus malaises. On pense que la conservation de cette capacité est liée à la persistance d'indices interauriculaires, notamment à celle des indices interauriculaires temporels, qui à défaut de disparaître sont diminués mais resteront interprétables en termes de localisation.