Comment la chauve-souris évite-t-elle les obstacles dans le noir ?
– Voir grâce aux échos
Dans une grotte obscure ou sous le ciel de la nuit, la chauve-souris vole à toute vitesse sans jamais heurter une branche ou un fil électrique. Dans ce noir, elle est aussi capable d'attraper avec précision un minuscule insecte en plein vol. Alors que la vue ne lui sert presque à rien, sur quoi s'appuie-t-elle donc pour voler ?
Au crépuscule, avez-vous déjà vu de petites silhouettes zigzaguer au-dessus d'un parc ou d'une rivière ? Ce sont très souvent des chauves-souris. Là où un humain n'y verrait presque rien, elles volent avec aisance, sans heurter fils électriques, branches ou congénères.
En réalité, la chauve-souris vole en émettant sans cesse, par la bouche ou le nez, des sons aigus que nous n'entendons pas. Ces sons frappent les objets alentour et reviennent sous forme d'« écho ». En l'écoutant, elle « voit » son environnement grâce au son, dit-on.
Ce mécanisme, qui utilise la réflexion du son pour se repérer, s'appelle l'écholocation.
La plupart des cris de la chauve-souris seraient des sons de fréquence si élevée que l'oreille humaine ne peut pas les percevoir (ultrasons).
Elle se servirait du temps que met le son émis à se réfléchir sur un objet puis à revenir à son oreille pour calculer la distance qui l'en sépare.
Voyons pas à pas comment ce « décalage temporel du son » donne la distance.
Le son ne se propage qu'à une vitesse donnée
Dans l'air, le son se propage à une vitesse fixe, d'environ 340 mètres par seconde. C'est bien plus lent que la lumière : à l'échelle de nos distances quotidiennes, on perçoit la différence de temps de trajet. Si l'on entend un feu d'artifice après l'avoir vu éclater, c'est aussi à cause de cette lenteur du son.
On pense que la chauve-souris exploite cette vitesse constante du son pour mesurer les distances. L'écho d'un objet proche revient vite à son oreille. Celui d'un objet lointain arrive un peu plus tard. C'est précisément la durée de ce « retard » qui renseigne sur la distance.
Elle distingue simplement la très courte durée que met le son à revenir.
Pourquoi utiliser des sons trop aigus pour l'humain ?
La plupart des sons émis par la chauve-souris seraient des ultrasons de très haute fréquence, au-delà de ce que l'oreille humaine perçoit. Un son aigu a une courte longueur d'onde : il se réfléchit nettement, même sur de petits objets comme un insecte ou une fine branche. Avec un son grave (grande longueur d'onde), un petit objet ne le renverrait pas et le son passerait facilement à travers.
Pour repérer et capturer avec précision un petit insecte en vol, un son de haute fréquence, capable de se réfléchir sur les objets les plus fins, serait un atout.
Repérer une proie en mouvement grâce au changement du son
La chauve-souris ne se contente pas de mesurer la distance : elle lit aussi dans le son si sa proie bouge. L'indice est le même phénomène que la sirène d'ambulance, plus aiguë quand elle approche et plus grave quand elle s'éloigne. On l'appelle l'effet Doppler.
Quand la chauve-souris émet des ultrasons en s'approchant d'un insecte, la fréquence de l'écho est légèrement plus élevée que celle du son d'origine. On pense qu'elle en déduit, d'après l'ampleur du changement, la vitesse à laquelle elle se rapproche de sa proie.
Mesurer distance et position grâce à la réflexion du son a de nombreuses applications : sondeurs de pêche qui repèrent le fond marin et les bancs de poissons, sonars de sous-marins, capteurs d'obstacles des voitures. Inspirées par la chauve-souris, des recherches portent aussi sur des appareils permettant aux personnes malvoyantes de repérer les objets alentour grâce au son.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Cherchez un grand lieu où le son se réfléchit bien : gymnase, tunnel, ou devant un grand mur.
- À quelques mètres du mur, frappez un grand coup dans vos mains, une seule fois.
- Juste après le claquement, tendez l'oreille : entendez-vous un « écho » un peu plus faible, renvoyé par le mur ?
- Éloignez-vous puis rapprochez-vous du mur, et constatez comment change le délai avant l'écho.
Même l'oreille humaine peut parfois percevoir le léger décalage avant le retour du son. La chauve-souris, elle, distingue ce décalage avec beaucoup plus de finesse et de précision.
En résumé
On pense que la chauve-souris émet des ultrasons inaudibles pour nous et connaît la distance des objets d'après le temps que met leur écho à revenir. Comme le son se propage à une vitesse à peu près constante dans l'air, la durée donne directement la distance. Grâce au changement de fréquence de l'écho (effet Doppler), elle lirait aussi la vitesse de déplacement de sa proie.
Même dans un noir où la vue ne sert à rien, la chauve-souris voit une « carte faite de décalages temporels ».
Parmi les animaux qui perçoivent l'invisible autrement que par le son, il y a aussi le requin, dont la peau capte les faibles champs électriques de ses proies : voir l'article sur le requin.
Pour aller plus loin – termes, valeurs et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège japonais
- LycéeAu programme de « Physique de base » au lycée
- Lycée+« Physique » au lycée, ou contenu avancé ou encadré des manuels
- Univ.Matières spécialisées de l'université (neurosciences, biologie), hors programme du lycée
- RechercheSujets encore à l'étude, pas enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots de l'écholocation
- Ultrason : son de haute fréquence, au-delà de ce que l'oreille humaine entend (environ 20 Hz à 20 000 Hz).
- Écholocation : méthode qui consiste à repérer la position des objets en écoutant l'écho du son que l'on a soi-même émis.
- Effet Doppler : phénomène par lequel la hauteur du son perçu change quand la source et l'auditeur se rapprochent ou s'éloignent.
LycéeVérifier par la formule : de l'écart de temps à la distance
Calculons la distance entre la chauve-souris et un objet à partir de la vitesse du son et du temps d'aller-retour.
Distance à l'objet ＝ vitesse du son × temps d'aller-retour ÷ 2
| Vitesse du son | Environ 340 mètres par seconde dans l'air |
| Temps d'aller-retour | Temps entre l'émission du son et le retour de l'écho |
| ÷2 | Le son parcourt la distance à l'objet deux fois : à l'aller et au retour |
| Distance aller-retour (m) | 1.7 × 2 ＝ 3.4 |
| Durée (s) ＝ distance aller-retour ÷ vitesse du son | 3.4 ÷ 340 ＝ 0.01 |
| Conversion des secondes en millisecondes | 0.01 × 1000 ＝ 10 |
| Résultat | Environ 10 millisecondes (10 millièmes de seconde) |
Pour repérer une branche à seulement 1,7 m, la chauve-souris doit donc distinguer un écart de temps extrêmement court, 10 millisecondes (un centième de seconde). En vol, des échos reviennent l'un après l'autre d'objets situés à des distances très variées : l'oreille et le cerveau de la chauve-souris traiteraient ces écarts de temps à très grande vitesse.
※ La vitesse du son varie avec la température ; 340 m/s est une valeur approximative.
Lycée+L'écho d'une proie qui approche a une fréquence plus élevée
La formule de l'effet Doppler permet de relier la vitesse à laquelle la chauve-souris s'approche de sa proie à la hausse de fréquence de l'écho. Supposons qu'elle s'approche à 5 m/s en émettant un ultrason de 50 000 Hz.
| Fréquence du son atteignant la proie (Hz) | 50000 × 340 ÷ 335 ≒ 50746 |
| Fréquence de l'écho revenant à la chauve-souris (Hz) | 50746 × 345 ÷ 340 ≒ 51492 |
| Écart avec le son d'origine (Hz) | 51492 − 50000 ＝ 1492 |
Comme l'effet Doppler s'applique à l'aller puis au retour, l'écho revient avec une fréquence supérieure d'environ 1 500 Hz à celle du son d'origine. On pense que la chauve-souris lit dans l'ampleur de ce changement la vitesse à laquelle elle et sa proie se rapprochent.
Univ.Comment le cerveau traite-t-il une multitude d'échos ?
En neurosciences, on a rapporté que le système auditif de la chauve-souris possède des neurones spécialisés dans la détection du très bref écart entre l'émission du son et le retour de l'écho. Grâce à eux, elle séparerait et traiterait instantanément les échos superposés qui reviennent presque simultanément de plusieurs objets.
RechercheCe qui reste flou
- Comment la chauve-souris isole les seuls échos utiles dans un environnement complexe où ils se brouillent, comme une forêt au feuillage dense reste un sujet de recherche en neurosciences.
- Des études indiquent que lorsque de nombreuses chauves-souris volent au même endroit, elles ajusteraient la fréquence et le moment de leurs cris pour éviter que leurs ultrasons n'interfèrent ; le détail de ce « mécanisme d'évitement du brouillage » est encore étudié.
- Des recherches s'inspirent de l'écholocation pour concevoir des aides sonores destinées aux personnes malvoyantes et des techniques de détection d'obstacles pour les robots.
Le vol nocturne de la chauve-souris ouvre un vaste terrain de recherche, à la croisée de la physique du son et des neurosciences.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés du son | Vocabulaire de base : ultrasons, écholocation |
| Lycée | Physique de base : ondes sonores | Calcul de la distance à partir de la vitesse du son et du temps |
| Lycée+ | Physique : effet Doppler (approfondissement) | Calcul du changement de fréquence de l'écho d'une proie qui approche |
| Univ. | Neurosciences | Rôle du système auditif dans la détection des écarts de temps |
| Recherche | Neurosciences, écologie comportementale (en cours) | Tri des échos en milieu complexe, évitement du brouillage entre nombreux individus |
- Explications sur l'écholocation des chauves-souris dans des manuels et documents de biologie.
- Explications sur la vitesse du son et l'effet Doppler dans des manuels de physique.
- Revue de recherche en neurosciences sur la détection des écarts de temps par le système auditif de la chauve-souris.
- Revue de recherche en écologie comportementale sur l'évitement du brouillage ultrasonore entre chauves-souris.
- Explications en acoustique sur les techniques de détection d'obstacles fondées sur l'écholocation.
※ Les valeurs de vitesse du son, de fréquence, etc. sont des valeurs approximatives couramment utilisées. Les valeurs réelles peuvent varier selon la température, l'individu et la situation.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique. Si vous observez des chauves-souris sauvages, évitez de vous approcher trop près et de déranger leur gîte.