Pourquoi la voix des baleines porte-t-elle à des centaines de km ?
― Le « couloir » sonore caché des grands fonds
Même en criant, la voix humaine porte au mieux quelques centaines de mètres. Pourtant, la voix grave des baleines peut atteindre des congénères situés à des centaines de km, voire à plus de 1000 km si les conditions s'y prêtent. C'est le même « son » : pourquoi va-t-il si loin ?
Au milieu de l'océan, une baleine émet un long chant grave. Le son file dans l'eau et parvient aux oreilles d'une autre baleine, très loin. La distance peut équivaloir à celle de Tokyo à Osaka, voire davantage.
Dans une piscine, même en criant, on n'entend plus rien au bout de quelques dizaines de mètres. Le son voyage pourtant dans la même eau : pourquoi la voix des baleines porte-t-elle si loin ?
Deux conditions se combinent
Dans la mer, il existe une couche où le son va particulièrement lentement. Elle piège le son et le transporte au loin, comme un couloir naturel.
Les sons graves (basses fréquences) sont moins absorbés par l'eau que les sons aigus. Ils perdent moins d'énergie et voyagent donc plus loin.
C'est seulement quand ces deux conditions sont réunies que la voix atteint des centaines de km. Voyons-les l'une après l'autre.
Raison 1 : un « couloir » sonore caché dans les abysses
La vitesse du son dépend de la température et de la pression de l'eau. Près de la surface, l'eau est chauffée par le Soleil et le son va vite. En descendant, l'eau se refroidit et le son ralentit.
Mais à partir d'une certaine profondeur, c'est l'effet de la pression qui l'emporte : même si la température ne change presque plus, le son accélère de nouveau. Autrement dit, si l'on suit la vitesse du son en fonction de la profondeur, il existe une profondeur précise où elle est minimale.
Quand un son traverse un milieu où la vitesse varie doucement, sa trajectoire se courbe peu à peu vers la zone lente. Grâce à cela, un son qui circule près de cette « profondeur la plus lente » ne s'échappe ni vers le haut ni vers le bas : il oscille autour d'elle et file très loin, presque en ligne droite. Ce couloir s'appelle le canal sonore. Cette même propriété, la courbure d'une onde là où la vitesse change doucement, explique aussi pourquoi on entend mieux les sons lointains la nuit et pourquoi on voit des mirages.
Raison 2 : plus la voix est grave, plus elle porte loin
Quand le son voyage dans l'eau, une part de son énergie se transforme peu à peu en chaleur, et il s'affaiblit. Cet affaiblissement dépend de la hauteur du son : plus un son est aigu, plus il est absorbé ; plus il est grave, moins il l'est.
La voix des baleines, en particulier celle du rorqual bleu et du rorqual commun, est faite de sons si graves (basses fréquences) que l'oreille humaine les perçoit à peine. Comme ils sont graves, l'eau les absorbe peu et ils parcourent de longues distances.
Ce canal sonore sert aussi à détecter, depuis des endroits très éloignés, des séismes, des activités volcaniques ou des bruits de navires survenus au loin en mer. Nos instruments d'observation empruntent en quelque sorte le couloir qu'utilisent les baleines.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Demandez à quelqu'un, de l'autre côté d'un mur ou d'une porte, de fredonner le plus grave possible (voix profonde)
- Demandez-lui ensuite d'émettre le même son, sur la même durée, le plus aigu possible (voix perçante)
La voix grave s'entend sans doute mieux de l'autre côté du mur. Il y a des différences de détail entre l'air et l'eau, mais la tendance est la même : « plus un son est grave, plus il porte loin et passe les obstacles ». La voix grave des baleines relève de la même logique.
En résumé
La voix des baleines porte loin parce que deux conditions sont réunies : ① il existe dans les grands fonds un canal sonore qui piège et transporte le son ; ② la voix des baleines est faite de sons graves, peu absorbés.
Les baleines ne se contentent pas de crier fort.
Elles chantent dans la tessiture la plus favorable de cet immense instrument qu'est la mer.
Cette propriété, la grande portée des sons graves, existe aussi dans l'air. L'histoire de l'onde d'une énorme éruption volcanique qui a fait plusieurs fois le tour de la Terre est racontée dans Jusqu'où porte le bruit d'une grande éruption ?.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche, le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend au lycée en « physique de base »
- Lycée+La « physique » du lycée, ou les contenus d'approfondissement et encadrés des manuels
- Univ.Matière spécialisée de l'université (acoustique océanique), non enseignée au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots autour de la voix des baleines
- Basse fréquence : son grave, dont le nombre de vibrations (la fréquence) est faible.
- Réfraction : changement de direction d'un son ou d'une lumière quand il traverse des zones de vitesses différentes.
- Canal sonore : couche de la mer centrée sur la profondeur où le son est le plus lent, qui piège le son et le transporte au loin.
- Absorption : affaiblissement du son dont l'énergie se change peu à peu en chaleur pendant sa propagation.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : jusqu'où porte un son grâce au canal ?
Un son peut se propager dans toutes les directions (en sphère) ou rester piégé dans une bande du canal (en cylindre). L'affaiblissement de son intensité n'est pas le même. Le calcul montre nettement l'écart.
Ordre de grandeur de l'intensité = intensité de référence ÷ (distance à la puissance ?)
| Propagation libre en sphère | L'intensité diminue comme l'inverse du carré de la distance |
| Son piégé dans le canal | L'intensité diminue comme l'inverse de la distance (puissance 1) |
Pour une même distance, la « vitesse » d'affaiblissement diffère. Et cet écart grandit avec la distance.
| Rapport d'intensité, propagation libre en sphère | 1 ÷ 1000 ÷ 1000 ＝ 0.000001 ［fois］ |
| Rapport d'intensité, son piégé dans le canal | 1 ÷ 1000 ＝ 0.001 ［fois］ |
| Combien de fois plus d'intensité reste dans le canal | 0.001 ÷ 0.000001 ＝ 1000 ［fois］ |
À la même distance, un son piégé dans le canal garde une intensité 1000 fois supérieure à celle d'un son qui se propage librement, selon ce calcul.
Avec une propagation libre, à une distance 1000 fois plus grande, l'intensité tombe à un millionième : on n'entend plus rien. Dans le canal, à la même distance, elle n'est réduite qu'à un millième. Entre « un millionième » et « un millième », voilà ce qui porte la voix des baleines à des centaines de km.
Lycée+Univ.De quoi dépend la vitesse du son ?
Dans l'eau, la vitesse du son dépend de trois facteurs : la température, la salinité et la pression. En surface, l'effet de la température domine : plus on descend, plus l'eau se refroidit et plus le son ralentit. Au-delà d'une certaine profondeur (en général de l'ordre de 600 à 1200 m), la température varie peu et c'est l'effet de la pression (qui facilite la propagation du son en profondeur) qui l'emporte : la vitesse remonte. Près de la profondeur où l'effet de la température cède la place à celui de la pression, se forme une couche où la vitesse du son est minimale. C'est le canal sonore de la raison 1.
Un son dans le canal se propage en cylindre plutôt qu'en sphère, car il est piégé verticalement et ne peut s'étendre que horizontalement. Cette différence explique l'écart entre « puissance 1 » et « puissance 2 » vu dans le calcul ②.
RechercheCe qu'on ne comprend pas encore bien
- La profondeur et les propriétés du canal sonore varient selon les zones et les saisons, et les prévoir avec précision reste aujourd'hui un sujet de recherche en acoustique océanique. La répartition de la température et de la salinité change beaucoup selon le lieu et l'époque.
- On souligne que le bruit d'origine humaine, comme celui des hélices de navires, pourrait réduire la distance effective de portée de la voix des baleines, mais il reste difficile d'en estimer précisément l'ampleur.
- On n'a pas encore pleinement élucidé quelles informations, au-delà de la position des congénères, portent les voix graves des baleines. Les recherches sur le sens des motifs fins des chants se poursuivent.
Même la voix des baleines, qui résonne chaque jour dans la mer, reste un objet d'étude dans les détails de sa propagation et dans ce qu'elle signifie. Être familier et être compris sont deux choses différentes.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés du son (fréquence et hauteur) | Basse fréquence, notions de réfraction |
| Lycée | Physique de base : propriétés des ondes | Calcul de l'affaiblissement de l'intensité |
| Lycée+ | Physique : propagation des ondes (approfondissement) | Différence entre propagation sphérique et cylindrique |
| Univ. | Acoustique océanique, physique de l'océan | Profil de vitesse du son, formation du canal sonore |
| Recherche | Acoustique océanique, écologie comportementale (non résolu) | Variations saisonnières du canal, effet du bruit marin, sens des chants |
| ― | Observation du quotidien | Voix grave et voix aiguë entendues à travers un mur |
- Descriptions générales, dans les manuels d'acoustique océanique, du profil de vitesse du son selon la profondeur et de la formation du canal sonore (canal SOFAR).
- Synthèse de recherches en bioacoustique marine (connaissances sur la distance de propagation des sons graves des grands cétacés).
- Descriptions générales, dans les manuels de physique, du lien entre atténuation des ondes sphériques et cylindriques et distance.
- Synthèse de recherches sur l'effet du bruit d'origine humaine en mer (bruit des navires) sur la communication des animaux marins.
※ Les valeurs de profondeur du canal sonore, de distance de propagation, etc. varient selon les zones et les conditions. Cet article donne des ordres de grandeur couramment utilisés.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les valeurs de vitesse du son, de distance de propagation, etc. varient selon les zones et les sources ; elles sont données comme repères pour comprendre le mécanisme.