La communication chez les baleines

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Caractéristiques et propriétés des ondes
Type : Exercice | Année : 2014 | Académie : Nouvelle-Calédonie
Corpus Corpus 1
La communication chez les baleines

Caractéristiques et propriétés des ondes

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Observer

8

Nouvelle-Calédonie • Novembre 2014

Exercice 3 • 5 points

Cet exercice est de type « résolution de problème ».

Jeux, ruts, combats ou fuites, les baleines communiquent par leurs « chants ». Sans cordes vocales, elles émettent des sons par leur larynx et leur évent. Ces messages peuvent, pour les grandes espèces, être perçus à plusieurs centaines de kilomètres.

Pour communiquer entre elles, deux baleines doivent non seulement se trouver à une certaine profondeur dans un couloir d’une hauteur de quelques centaines de mètres, mais aussi à une certaine distance l’une de l’autre.

> À partir des documents et de vos connaissances, évaluer :

1 la profondeur du couloir de communication ; (2 points)

2 la distance maximale entre deux baleines pour qu’elles puissent communiquer. (3 points)

L’ensemble de l’argumentation et des calculs doivent apparaître de manière détaillée.

 Document 1 LE SOFAR (SOund Fixing And Ranging), un guide d’ondes sonores

Dans les océans et dans certaines conditions, une onde sonore qui se dirige vers le haut est ramenée vers le bas dès qu’elle parvient dans les couches supérieures où la vitesse du son est plus grande ; à l’inverse, elle est ramenée vers le haut quand elle se dirige vers le bas dès qu’elle y rencontre des couches inférieures où la vitesse du son est supérieure. Quand une zone respecte ces critères, on parle de SOFAR.

Ce couloir SOFAR agit comme un guide d’ondes sonores comme illustré ci-dessous.

Illustration du trajet du son dans un SOFAR

 
 Document 2 Cartographie de la vitesse du son en fonction de la profondeur dans l’océan

 
 Document 3 « La voix et l’oreille » des mammifères marins

Les cétacés produisent des émissions sonores dans une très large bande de fréquence, entre 10 Hz et 150 kHz environ. Les sons produits peuvent être de type bref (clics, tics, bourdons…) ou continu (sifflements, chants, mugissements). Le tableau suivant met en évidence quelques émissions sonores de cétacés.

 

Fréquence moyenne d’émission

Niveau d’intensité sonore moyen à l’émission

Seuil d’audibilité1

Baleine (chant)

4 000 Hz

170 dB

50 dB

Grand dauphin (clics)

120 kHz

222 dB

40 dB

 

D’après un extrait de Richardson et al., 1995, Marine mammals and noise.

1. Le seuil d’audibilité correspond au niveau d’intensité sonore minimal perceptible par l’animal.

 Document 4 Absorption acoustique de l’eau de mer

 
Les clés du sujet

Notions et compétences en jeu

Niveau d’intensité sonore.

Conseils du correcteur

Analyse des documents fournis

Le document 1 illustre la trajectoire du son dans l’océan quand il est dans un couloir SOFAR (guide d’ondes sonores), véritable « couloir de communication » pour les cétacés.

Le document 2 montre comment la vitesse du son varie en fonction de la profondeur dans l’océan.

Le document 3 fournit différentes caractéristiques des émissions sonores chez les cétacés (fréquence et intensité des sons, seuil d’audibilité).

Le document 4 est un graphique donnant l’absorption acoustique de l’eau de mer selon la fréquence du son.

Résolution des deux questions-problème

1 Relisez le document 1 pour déterminer comment varie la vitesse du son dans un couloir SOFAR. Déterminez ensuite, à l’aide du graphique du document 2, quelle est la profondeur remplissant les critères favorables à l’existence de ce guide d’ondes sonores.

2 Les étapes à suivre pour résoudre la deuxième question-problème sont les suivantes.

  • Déterminez la fréquence d’émission des baleines et utilisez le document 4 pour trouver l’absorption du son par l’eau de mer.
  • À partir du document 3, trouvez le niveau d’émission et le seuil d’audibilité des baleines.
  • Trouvez à partir de quelle distance parcourue le niveau sonore « descend » du niveau d’émission au seuil d’audibilité.
Corrigé
Corrigé

1 Évaluer la profondeur du couloir de communication qu’utilisent les baleines

Attention !

Cet exercice est sur 5 points. Surtout s’il vous paraît simple, il ne faut pas le bâcler mais bien montrer vos enchaînements et vos arguments. Pensez à justifier à l’aide des documents et des connaissances du cours.

D’après le document 1, nous savons que, dans les océans, sous certaines conditions, la propagation d’une onde sonore est guidée : « Une onde sonore qui se dirige vers le haut est ramenée vers le bas dès qu’elle parvient dans les couches supérieures où la vitesse du son est plus grande ; à l’inverse, elle est ramenée vers le haut quand elle se dirige vers le bas dès qu’elle y rencontre des couches inférieures où la vitesse du son est supérieure. »

Si l’on suppose être dans ces conditions, le son émis par une baleine ne pourra pas sortir de ce couloir appelé SOFAR. Dans d’autres circonstances, cela peut être un inconvénient mais ici c’est un avantage. En effet, la localisation d’un émetteur est beaucoup plus facile avec une onde guidée qu’avec une onde qui se propage librement.

Le document 1 nous apprend aussi que l’onde est rabattue si elle rencontre une couche dans laquelle la célérité sonore est plus grande. De la même façon, elle est ramenée vers le haut si elle était descendante. On en conclut que le couloir SOFAR se situe à une profondeur où la célérité du son est minimale car, que l’onde soit montante ou descendante, sa célérité augmente et cette onde est ainsi « contenue » dans le SOFAR.

On déduit alors du document 2 que la profondeur de ce SOFAR est d’environ 1 100 m.

On peut donner une idée des limites supérieure et inférieure de profondeur entre lesquelles se situe ce couloir à l’aide de l’indication de l’énoncé : « deux baleines doivent non seulement se trouver à une certaine profondeur dans un couloir d’une hauteur de quelques centaines de mètres ». Le SOFAR n’est large que de quelques centaines de mètres. À partir de la courbe du document 2, nous pouvons donc envisager un couloir dans une fourchette de largeur allant de 200 m (de 1 000 m à 1 200 m de profondeur), à 600 m (de 800 m à 1 400 m de profondeur).


 

2 Évaluer la distance de communication

Attention !

Regardez toujours avec attention les verbes des questions posées. « Évaluer » ne doit pas être traité de la même façon que « calculer » ou « déterminer ».

Deux paramètres limitent la distance de communication :

  • l’absorption des ondes émises ;
  • le seuil d’audibilité des baleines.
  • Le document 4 donne l’absorption du son par l’eau de mer en fonction de sa fréquence. De plus, nous connaissons la fréquence d’émission moyenne des baleines grâce au document 3 : 4 000 Hz. Nous lisons sur le graphique du document 4, reproduit ci-après, que l’absorption acoustique à cette fréquence est de 0,2 décibel par kilomètre. Cela signifie que le niveau sonore diminue de 0,2 décibel lors de la propagation sur un kilomètre.
  • Nous lisons sur le document 3 que le seuil d’audibilité des baleines est de 50 dB.

 
  • En connaissant le niveau d’intensité sonore d’émission des baleines : 170 dB (document 3) et la valeur de l’absorption par l’eau de mer (0,2 dB/km), on peut déduire la distance au bout de laquelle le son devient inaudible pour la baleine.

Gagnez des points

Il n’est pas obligatoire de créer cette relation algébrique pour répondre à la question mais elle sera valorisée lors de la correction. Essayez toujours de vous servir d’une relation algébrique avant d’effectuer les calculs numériques.

Le niveau sonore perçu à une distance d du lieu de l’émission s’exprime à l’aide de la relation suivante :

L(d) =L(émission) – 0,2 × d

d est exprimé en kilomètres.

Les baleines ne distinguant pas les sons qui ont un niveau inférieur à 50 dB (seuil d’audibilité), on déduit de la relation précédente la distance maximale D entre deux baleines pouvant communiquer :

D ==.