Écholocation

Comment fonctionne l'écholocation

Les principes de base de l'écholocation sont la nature constante de la vitesse du son dans un milieu donné (autre mot pour matériau) et le fait que les ondes sonores sont partiellement réfléchies par les interfaces (autre mot pour surfaces limites) entre différents milieux. L'idée est de produire un son qui se déplace dans une direction particulière, d'attendre que tu entendes son écho, puis de calculer la distance que le son a parcourue. Cela peut se faire à l'aide de l'équation du mouvement constant :

$\mathrm{distance}\mathrm{travelled}=\mathrm{speed}\mathrm{of}\mathrm{sound}\times \mathrm{time}\mathrm{travelled}$,

ou, sous forme symbolique,

$s=v_{\mathrm{sound}}t$,

où$s$est la distance parcourue par le son en mètres,$v_{\mathrm{sound}}$est la vitesse du son dans le milieu qu'il traverse, en mètres par seconde, et$t$est le temps écoulé entre la production du son et l'audition de son écho, en secondes. La distance$d$de l'objet sur lequel le son s'est réfléchi est donnée par$d=s/2$car le son aura parcouru le double de cette distance une fois que tu auras entendu l'écho :

$\mathrm{distance}\mathrm{to}\mathrm{object}=\frac{1}{2}\times \mathrm{distance}\mathrm{travelled}\mathrm{by}\mathrm{sound}$.

Vois la figure ci-dessous pour une représentation schématique de l'écholocation.

Une chauve-souris produit le son indiqué en bleu, et l'écho par réflexion sur la proie est indiqué en rouge, Wikimedia Commons Public Domain.

Informations supplémentaires provenant de l'écholocalisation

Ce n'est pas la seule information qui peut être recueillie à partir d'un écho. En outre, grâce à la connaissance de l'effet Doppler, la fréquence de l'écho comparée à la fréquence du son original donne des informations sur la vitesse de l'objet. En outre, l'intensité de l'écho (l'amplitude de l'onde sonore) peut être utilisée pour recueillir des informations sur la réflexion de l'onde sonore, qui est fortement influencée par la densité de l'objet. Par conséquent, la densité de l'objet détecté peut également être déterminée. Enfin, si tu peux déterminer la direction des objets (voir ci-dessous comment les animaux procèdent), alors tu peux aussi déterminer la taille des objets en voyant dans quelles directions l'objet est présent (garde à l'esprit que tu sais déjà à quelle distance se trouve l'objet, une simple trigonométrie te donnera donc une taille).

Utilisations de l'écholocalisation

L'écholocation est utilisée par les animaux et les navires, mais aussi en médecine. Une partie de l'utilisation du sonar par un navire est l'utilisation de l'écholocation. Un navire peut envoyer une onde sonore ultrasonique (c'est-à-dire d'une fréquence plus élevée que$20\mathrm{kHz}$mais hors de la portée de l'ouïe humaine) dans l'eau et en détecter l'écho. Il peut ainsi cartographier les objets qui se trouvent autour du navire ainsi que les fonds marins, et il utilise ces informations pour naviguer.

En médecine, une échographie permet d'examiner un bébé à naître. Pour cela, nous utilisons un équipement qui émet des ondes ultrasonores et qui peut également les détecter. Les ondes sonores se réfléchissent sur les limites des tissus, de sorte que l'équipement peut former une image tridimensionnelle de l'endroit où se trouvent toutes les limites des tissus. De cette façon, il peut construire une image complète du bébé à l'intérieur de l'utérus. Il s'agit également d'une forme d'écholocalisation. Consulte l'article sur les applications des ultrasons pour plus d'informations sur l'utilisation de l'écholocalisation par les navires et dans le domaine médical.

Utilisations de l'écholocation par les animaux

Ces musaraignes utilisent l'écholocation pour détecter leurs proies insectes la nuit dans les sous-bois denses. Lavue de la musaraigne étant très faible, elle se fie beaucoup à l'écholocation pour comprendre ce qui l'entoure

Les animaux qui utilisent l'écholocation sont les chauves-souris, certains oiseaux, les baleines, certaines musaraignes et même certaines personnes aveugles. Utiliser l'écholocation signifie que tu n'as pas besoin de te fier à ta vue pour te diriger. Pour tous les animaux, c'est utile pendant la nuit. Pour les animaux qui vivent sous l'eau, c'est également utile pendant la journée, car la lumière ne voyage pas très loin dans l'eau, alors que le son le fait. Ainsi, les baleines sont capables de "voir" beaucoup plus loin en utilisant l'écholocation qu'en utilisant leurs yeux, ce qui est très utile dans les vastes océans.

Son d'écholocation

En général, les sons produits par les animaux pour l'écholocation sont très forts afin qu'ils puissent percevoir des objets éloignés, et à très haute fréquence (le plus souvent des ultrasons) car les hauteurs de ton élevées donnent des informations avec une meilleure résolution (on peut comparer cela à la résolution des ondes lumineuses et à l'utilisation des microscopes électroniques à balayage).

Types d'écholocalisation

Toutes les écholocations sont basées sur le même principe. On pourrait choisir de différencier l'écholocation biologique de l'écholocation technologique et les appeler des types différents. On peut également choisir de différencier le support utilisé pour le son, ce qui permettrait de classer les chauves-souris (air) et les baleines (eau) dans des types d'écholocalisation différents. Il existe également une grande différence dans la façon dont les animaux déterminent la position des objets.

Les dauphins possèdent un organe spécial qui concentre leur son en un faisceau se déplaçant dans une direction particulière. Si un écho est entendu, il doit provenir d'un objet situé dans cette direction. Les dauphins peuvent "scanner" un animal entier en produisant des faisceaux sonores dans plusieurs directions, et sont capables de distinguer différentes espèces animales grâce à cette méthode.

Par ailleurs, les chauves-souris émettent des sons dans toutes les directions (elles se contentent en fait de crier), mais elles utilisent le fait qu'elles ont deux oreilles pour déterminer la direction d'où vient un écho, et la différence de synchronisation et d'intensité sonore que les deux oreilles perçoivent leur donne l'information dont elles ont besoin. Par exemple, si l'oreille droite entend l'écho avant l'oreille gauche, l'écho doit venir de la droite, et l'objet doit donc se trouver à droite. C'est également de cette façon que les humains peuvent interpréter la direction d'un son.

Exemples d'écholocalisation

Pour ces exemples, suppose que la vitesse du son est d'environ$1480\mathrm{m}/\mathrm{s}$dans l'eau et d'environ$343\mathrm{m}/\mathrm{s}$dans l'air.