E14 Production et propagation du son

Topique

La production et la propagation du son chez les poissons intègrent la physique acoustique des sources sous-marines, la mécanique vibratoire des structures biologiques du poisson et l'acoustique des guides d'ondes formés par l'océan lui-même. Les poissons produisent du son grâce à trois mécanismes principaux : la vibration de la vessie natatoire par la contraction de muscles soniques spécialisés, mécanisme le plus courant et le plus puissant, capable de produire des impulsions jusqu'à 200 décibels à un mètre de distance ; le frottement de surfaces dures l'une contre l'autre, comme lors de la stridulation des dents ou des épines ; et la turbulence hydrodynamique générée par les mouvements du poisson.

Lorsque la vessie natatoire agit comme une source sonore, elle se comporte comme un résonateur de Helmholtz sphérique, c'est-à-dire comme une cavité gazeuse ouverte sur le fluide environnant, dont la fréquence de résonance dépend du volume de ce gaz et de la vitesse de propagation du son en son sein.

La force exercée par le muscle sonique sur la paroi de la vessie natatoire génère des oscillations de pression qui se propagent dans l'eau environnante sous forme d'ondes de compression. La fraction de l'énergie mécanique du muscle convertie en son rayonné, au lieu d'être perdue, dépend du rapport entre la taille du résonateur et la longueur d'onde du son produit : plus le résonateur est grand par rapport à cette longueur d'onde, plus il rayonne efficacement le son dans l'eau.

Une fois propagé dans l'océan, ce son suit la même équation d'onde linéaire que toute onde dans un fluide, à une vitesse qui varie selon la température, la salinité et la pression de l'eau, et qui se situe généralement autour de 1 500 mètres par seconde. En eau peu profonde, ce même son cesse de se propager librement dans toutes les directions et se propage comme une onde guidée, piégée entre le fond marin et la surface.

Lorsque le son se propage dans l'eau, il subit une absorption minimale aux basses fréquences, mais significative aux hautes fréquences. C'est précisément cette différence qui limite la communication à longue distance entre les poissons aux basses fréquences, inférieures à 1 000 hertz, car seules ces fréquences peuvent parcourir une distance suffisante sans être atténuées. Chez les poissons acoustiquement actifs, on s'attend à ce que leurs schémas de vocalisation soient liés à des comportements reproductifs et territoriaux, et que la fréquence de ces appels soit inversement proportionnelle à la taille du corps du poisson : les poissons plus grands, dont la vessie natatoire est plus grande et agit comme le résonateur de Helmholtz décrit au début de ce modèle, produisent des appels de fréquence plus basse que les poissons plus petits.

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