Étude de l'Impact du Bruit Anthropique

Comprendre le Problème du Bruit Anthropique

Les océans, autrefois silencieux, sont de plus en plus pollués par le bruit des activités humaines (transport maritime, sonars, exploration sismique). Ce bruit, dit anthropique, peut gravement perturber la faune marine, en particulier les cétacés qui dépendent de l'acoustique pour communiquer, naviguer et chasser. Un des principaux problèmes est le masquage acoustique, où le bruit anthropique recouvre les sons émis par les animaux, réduisant drastiquement leur "espace de communication". Cet exercice vise à quantifier la réduction de la portée de communication d'une baleine due au passage d'un navire.

Données de l'étude

On étudie une baleine (Source S) tentant de communiquer avec un congénère (Récepteur R). Un porte-conteneurs (Bruit N) passe à proximité.

Données acoustiques sous-marines :

Niveau de puissance du chant de la baleine (\(L_{W,baleine}\)) : \(185 \, \text{dB re 1 } \mu\text{Pa}\)
Niveau de puissance du bruit du navire (\(L_{W,navire}\)) : \(190 \, \text{dB re 1 } \mu\text{Pa}\)
Bruit de fond marin ambiant (sans navire) : \(L_{p,ambiant} = 80 \, \text{dB re 1 } \mu\text{Pa}\)
Distance entre les deux baleines : \(d_{SR} = 10 \, \text{km}\)
Distance entre le navire et la baleine réceptrice : \(d_{NR} = 2 \, \text{km}\)

Hypothèse : on considère une propagation sphérique et on ignore l'absorption de l'eau pour simplifier.

Schéma : Masquage de la Communication

Le chant de la baleine (vert) doit être perçu par le récepteur malgré le bruit du navire (rouge) qui masque le signal.

Questions à traiter

Calculer le niveau de pression acoustique du chant de la baleine S perçu par la baleine R (\(L_{p,S\rightarrow R}\)).
Calculer le niveau de pression acoustique du bruit du navire perçu par la baleine R (\(L_{p,N\rightarrow R}\)).
Déterminer le niveau de bruit ambiant total au niveau de R lorsque le navire est présent.
Calculer le rapport signal/bruit (SNR) pour la baleine R et conclure sur la possibilité de communication.

Correction : Étude de l'Impact du Bruit Anthropique sur la Communication des Cétacés

Question 1 : Niveau du Chant de la Baleine Reçu

Principe :

On calcule le niveau de pression acoustique à une distance \(d\) à partir du niveau de puissance \(L_W\) en soustrayant l'atténuation due à la divergence géométrique sphérique. On doit convertir les distances en mètres.

Formule(s) utilisée(s) :

L_p = L_W - 10 \log_{10}(4\pi d^2)

Calcul :

d_{SR} = 10 \, \text{km} = 10000 \, \text{m}

\begin{aligned} L_{p,S\rightarrow R} &= 185 - 10 \log_{10}(4\pi \cdot 10000^2) \\ &= 185 - 10 \log_{10}(1.2566 \times 10^9) \\ &\approx 185 - 10 \times 9.1 \\ &= 185 - 91 \\ &= 94 \, \text{dB re 1}\mu\text{Pa} \end{aligned}

Résultat Question 1 : Le niveau du chant perçu par la baleine R est de \(94 \, \text{dB}\).

Question 2 : Niveau du Bruit du Navire Reçu

Principe :

On applique la même formule pour calculer le niveau du bruit du navire au niveau de la baleine réceptrice.

Calcul :

d_{NR} = 2 \, \text{km} = 2000 \, \text{m}

\begin{aligned} L_{p,N\rightarrow R} &= 190 - 10 \log_{10}(4\pi \cdot 2000^2) \\ &= 190 - 10 \log_{10}(5.0265 \times 10^7) \\ &\approx 190 - 10 \times 7.7 \\ &= 190 - 77 \\ &= 113 \, \text{dB re 1}\mu\text{Pa} \end{aligned}

Résultat Question 2 : Le niveau de bruit du navire perçu par la baleine R est de \(113 \, \text{dB}\).

Question 3 : Niveau de Bruit Ambiant Total

Principe :

Le bruit total perçu par la baleine est la somme énergétique du bruit ambiant naturel et du bruit du navire. On ne peut pas additionner les décibels directement.

Formule(s) utilisée(s) :

L_{p,total} = 10 \log_{10} \left( 10^{\frac{L_{p,ambiant}}{10}} + 10^{\frac{L_{p,navire}}{10}} \right)

Calcul :

\begin{aligned} L_{p,bruit\_total} &= 10 \log_{10} \left( 10^{\frac{80}{10}} + 10^{\frac{113}{10}} \right) \\ &= 10 \log_{10} (10^8 + 10^{11.3}) \\ &= 10 \log_{10} (1 \cdot 10^8 + 199.5 \cdot 10^8) \\ &= 10 \log_{10} (200.5 \cdot 10^8) \\ &\approx 10 \times 11.3 \\ &\approx 113 \, \text{dB re 1}\mu\text{Pa} \end{aligned}

Note : Comme le bruit du navire (113 dB) est beaucoup plus fort que le bruit ambiant (80 dB), le bruit total est quasiment égal au bruit du navire. C'est le principe du masquage.

Résultat Question 3 : Le niveau de bruit total au niveau du récepteur est d'environ \(113 \, \text{dB}\).

Question 4 : Rapport Signal/Bruit et Conclusion

Principe :

Le rapport signal/bruit (SNR) est la différence entre le niveau du signal utile (le chant de la baleine) et le niveau du bruit total (ambiant + navire).

Formule(s) utilisée(s) :

\text{SNR} = L_{p,S\rightarrow R} - L_{p,bruit\_total}

Calcul :

\begin{aligned} \text{SNR} &= 94 \, \text{dB} - 113 \, \text{dB} \\ &= -19 \, \text{dB} \end{aligned}

Un SNR fortement négatif signifie que le bruit est beaucoup plus puissant que le signal. Dans ces conditions, il est impossible pour la baleine réceptrice d'entendre et de comprendre le chant de son congénère. L'espace de communication est totalement réduit à néant par le passage du navire.

Conclusion : Le SNR est de -19 dB, ce qui rend la communication impossible.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances

1. Le "Lombard effect" chez les animaux est la tendance à...

Chanter à plus basse fréquence en présence de bruit.
Augmenter l'amplitude (le volume) de leurs vocalisations en présence de bruit.
Se taire complètement en présence de bruit.
Changer la structure de leur chant.

2. Quelle est la principale raison pour laquelle le bruit basse fréquence du transport maritime est si problématique ?

Il est très directionnel.
Il est facilement absorbé par l'eau.
Il se propage sur de très longues distances et se superpose aux basses fréquences utilisées par les grands cétacés.
Il n'affecte que les poissons.

Glossaire

Bruit Anthropique: Bruit généré par les activités humaines. En milieu marin, il provient principalement du trafic maritime, des sonars, des constructions et de l'exploration pétrolière.
Masquage Acoustique: Phénomène par lequel un son (le masqué) devient inaudible ou inintelligible en raison de la présence d'un autre son (le masquant), généralement le bruit de fond.
Rapport Signal/Bruit (SNR): Rapport, généralement exprimé en décibels, entre la puissance d'un signal désiré et la puissance du bruit de fond qui le perturbe. Un SNR positif élevé est nécessaire pour une bonne communication.
Effet Lombard: Tendance involontaire des locuteurs (humains ou animaux) à augmenter leur effort vocal (intensité, fréquence) lorsqu'ils parlent dans un environnement bruyant.

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