Ce système de repérage consiste à envoyer des sons et à ensuite écouter l’écho de ces derniers afin de localiser précisément les éléments désirés.
Ce système repose sur les propriétés physiques des ondes sonores.
Certains animaux tels que les chiroptères, une partie des cétacés (orques, dauphins, etc, … ), quelques oiseaux, des musaraignes et bien d’autres encore, utilisent ce système de repérage.
Comme nous l’avons dit auparavant, la vision des chiroptères est assez médiocre. Cette lacune est néanmoins compensée par l’écholocation, surtout chez les microchiroptères, tandis que chez les dauphins, ce système va compléter leur vue.
Le fonctionnement de l’ écholocalisation est pour ainsi dire très complexe.
En effet, l’animal envoie dans un premier temps des ondes sonores grâce à un claquement de langue ou un cri par exemple. Ces ondes vont alors entrer en contact avec tous les éléments qu’elles rencontreront dans l’environnement de l’animal émetteur.
Les ondes ayant heurté des obstacles vont rapidement revenir à l’animal émetteur qui va ensuite les réceptionner à l’aide de ses oreilles ( organe récepteur).
L’animal va ensuite analyser ces données fournis par les variations entre les ondes émises et les ondes reçues, ce qui va lui permettre de constituer une image en tri-dimension de son environnement ainsi que les distances qui s’y trouvent.
Voici un petite vidéo illustrant avec humour l’écholocation :
Cette vidéo a été réalisée par JumpStart. ( voir sur youtube : http://www.youtube.com/user/JumpStart3D?feature=watch)
Les chiroptères vont se servir des cordes vocales situées dans leur larynx pour produire des sons. Ces derniers passeront ensuite par les cavités nasales, bouches, lèvres ou par les narines et feuilles nasales. Le son pourra subir quelques transformations, comme une complexification par résonance, puis être expulsé par les narines ou par les bouches, selon l’espèce, en direction de l’extérieur.
Source: Cyberio
Plus la quantité d’air envoyée dans la trachée augmente, plus les cordes vocales vibreront. Cela augmentera la force, et donc l’amplitude, du signal sonore. En contrepartie, le chiroptère devra dépenser bien plus d’énergie.
Source: Cyberio Image des spectre d’émission de quelques familles de chauve-souris d’Europe
Tout comme les être humains peuvent parler avec des tonalités différentes, les chauves-souris peuvent crier sur différentes octaves. De ce fait, elles possèdent un spectre de cri qui varie selon leur famille ou espèce, allant ainsi de l’audible jusqu’aux ultrasons. La plupart des chauves-souris émettent des sons allant de 10 kHz à 60 kHz et certains arriveront même à monter jusqu’à 110 kHz !
Source: Cyberio
Les chauves-souris sont incapables d’émettre des sons et d’en réceptionner d’autres en même temps.
Elles vont donc devoir adapter leurs cris en fonction de la situation dans laquelle elles se trouvent. Ces émissions seront donc plus ou moins longue et plus ou moins puissante, afin d’éviter le chevauchement entre les signaux émis et les échos reçus.
Les cris des chiroptères peuvent varier en fonction de leurs utilités ou de leurs environnements.
Variation selon l’utilité
Cris sociaux
Les chauves souris utilisent des cris dits « sociaux » pour communiquer entre elles. Ces cris là sont situés dans le domaine audible par l’homme.
Source: Cyberio Image de ci sociaux émis par des chauves-souris
2. Cris de déplacement et de chasse
Lors de la poursuite d’une proie, une chauve souris va émettre des cris de plus en plus proches au fur et à mesure qu’elle se rapproche de celle-ci. Ainsi, elle percevra mieux son environnement.
Source : Cyberio
Comme nous pouvons le voir sur cette image, le chiroptère émettra des sons de plus en plus proche, afin de pouvoir attraper plus aisément sa proie.
Sur ces vidéos, fournies par Cyberio, on peut voir une chauve-souris représentée par un cercle qui bouge, sa proie représentée par une croix et sur les bords des capteurs en forme de cercle. On observe donc cette chauve-souris pourchasser sa proie en émettant des ultrasons dans sa direction. On constate que plus elle s’en approche, plus les sons émis par cette dernière sont fréquents et courts.
Enfin, lorsque la chauve souris cherche seulement à se repérer dans son environnement, elle émet des signaux les plus espacés possibles, qui pourront parcourir la plus grande distance espérée.
Si nous devions donner un exemple pour illustrer ceci, ce serait le suivant:
C’est comme si nous marchions la nuit dans une grande plaine munit d’une lampe de poche et une seule pile. Il faudrait donc économiser au maximum l’énergie. On allumerait donc que brièvement la lampe de temps à autres pour vérifier notre environnement (qu’il n’y ait pas d’obstacles : racines, arbre, buissons, fossés…). En revanche si on avançait dans une forêt, on serait obligé d’allumé très souvent notre lampe, mais on essaierait tout de même d’économiser la lampe au maximum.
Variation selon l’environnement
Lorsqu’elles se déplacent, elles vont émettre des cris adaptés à leurs environnements, en essayant de crier le moins souvent et le moins fort possible afin de préserver leurs énergies.
Selon l’environnement, la durée d’émission va varier :
– Environnement fermé : les ondes reviennent plus vite, l’émission doit être courte pour éviter le chevauchement entre l’émission et la réception des échos.
– Environnement ouvert : Les ondes ont plus de distance à parcourir et donc elles vont revenir plus difficilement : seules les ondes de basses fréquences reviennent.
L’onde émise par la chauve-souris est focalisée dans une certaine direction. De ce fait, la qualité de la perception de son environnement ne sera pas toujours identique selon la direction prise par les ondes et où est dirigée sa tête.
Source : Cyberio
Ainsi, l’intensité acoustique sera plus importance dans l’axe direct d’émission. Ce phénomène se retrouve également à la réflexion et à la réception.
On peut observer ce phénomène avec l’exemple suivant :
Une fois les ondes émises, celles-ci vont être réfléchies en heurtant les obstacles présents dans l’environnement. De ce fait, ces dernières vont perdre de leurs intégrités originelles.
Source: Cyberio
Mais ce n’est pas tout, d’autres facteurs vont s’ajouter à cela et participer à la dégradation de l’onde émise par la chauve-souris. Ainsi cette onde là, va perdre des « couches » au fur et à mesure de son avancée.
Source : Cyberio Détérioration d’un signal émis au fur et à mesure de son avancée.
Lorsqu’une chauve souris émet des ultrasons, elle le fait dans une certaine direction. De ce fait, seule une partie de son environnement est atteint par ses ondes sonores.
Source: Cyberio
De plus, lorsqu’elles vont heurter une proie, si celle-ci est de petite taille, seule une petite partie des ondes émises vont revenir. Ce qui fait, que très peu d’onde vont revenir vers la chauve-souris, rendant plus difficile l’écholocation.
Le coefficient de réflexion est lié aux caractéristiques de la cible : taille, géométrie, texture et orientation permettant l’identification précise de la proie.
On constate donc la présence d’un phénomène d’atténuation.
Lorsque l’onde est émise, elle se retrouve dans un environnement qui ne lui est pas favorable, elle va être « attaquée » par divers facteurs. Cette onde va donc être atténuée de façon plus ou moins importante.
Géométrique:
L’atténuation géométrique est liée à la façon dont l’onde est émise et des obstacles qu’elle va rencontrer.
Soit un son émis par une source omnidirectionnelle qui se propage dans un espace homogène, de façon identique dans toutes les directions de l’espace. Les ondes sonores sont donc émises de façon sphériques.
On a :
I= 1/R²
I est l’intensité sonore (W.m-2) émise par l’émetteur, R est le rayon de la sphère sonore.
Or la surface de la sphère sonore augmente proportionnellement au carré de la distance à la source. L’intensité, ou la puissance par unité de surface, varie donc comme 1/R².
Source: Cyberio L’ énergie de l’onde sonore par unité de surface décroit de façon inversement proportionnelle à la distance et son niveau décroit de 6 dB par doublement de distance.
Comme on peut le voir ci-dessus, la source va émettre une certaine quantité d’onde, mais un seule partie va être réfléchie.
Source: Cyberio
W est un flux d’énergie en Watt,S est la surface de l’objet rencontré par les ondes.
Donc, l’onde sonore va rencontrer seulement une surface sphérique dans ce cas-ci, S = 4π.r². Cela va entraîner un flux d’énergie , par unité de surface, qui varie de façon inversement proportionnelle à la distance. Le flux d’énergie reçus par l’émetteur va donc être égal au flux d’énergie émis par l’émetteur multiplié par la surface du récepteur et divisé par son aire, ici 4π.r².
Absorption atmosphérique
L’onde sonore devra parcourir une certaine distance au travers l’atmosphère, qui va inévitablement l’affecter. En effet l’amplitude d’oscillation des ondes sonores va décroître avec la distance. Ainsi, on va assister à une atténuation de celle-ci au fur et à mesure qu’elle traverse les substances.
Soit l’intensité I d’une onde varie selon une loi exponentielle:
Source : Cyberio
Décroissance exponentielle avec la distance parcourue. Où x est la distance en mètre traversée par un son, I0 est l’intensité initiale, en watt par m², µ est le coefficient d’atténuation de la substance traversée, en m^(-1). De plus µ le coefficient d’atténuation dépend de la fréquence émise et des paramètres du milieu (température, pression, humidité…)
Source : Cyberio
L’humidité ambiante va donc aussi jouer un rôle comme le montrent ces courbes du coefficient d’atténuation en fonction de l’humidité relative.
Il faut aussi savoir, que les hautes fréquences sont plus fortement atténuées que les basses fréquences. De plus elles sont bien plus précises mais demandent un effort bien plus important que les basses fréquences.
Voici une schématisation du principe d’atténuation en fonction du temps de la fréquence :
Source : Cyberio
Vous pouvez voir ici les conséquences des différents types d’atténuations que subissent les ondes sonores. Le point 0 est l’emplacement par défaut du capteur.
Le cas de l’effet doppler sera détaillé plus tard.
Le deuxième graphique montre que l’atténuation atmosphérique est plus importante que l’atténuation géométrique lorsque la distance est très importante entre le capteur et l’émetteur. Et inversement.
Le dernier graphique nous montre que l’atténuation des ondes sonores durant leurs trajet est très important au final.
La différence d’amplitude est donc un précieux outils pour la chauve-souris pour pouvoir comprendre son environnement.
TPE - Les chauves-souris et l'écholocation 