L'implant cochléaire, une chaîne de transmission dans l'oreille

Ce quatrième exercice du bac S 2013 au Liban est réservé aux candidats de spécialité physique-chimie. Il vaut 5 points, soit environ 50 minutes. Il associe une synthèse argumentée sur le fonctionnement d'un implant cochléaire et un calcul de niveaux sonores à partir d'audiogrammes. On y croise les sons musicaux, la chaîne de transmission de l'information et la numérisation d'un signal.

Partie 1 : la synthèse argumentée

La question posée est la suivante : comment rendre l'implant plus performant pour que la réadaptation devienne inutile ? Le corrigé propose un paragraphe par consigne. D'abord les sons audibles, entre 20 Hz et 20 kHz : la hauteur est fixée par la fréquence du fondamental, le timbre par le nombre et l'amplitude des harmoniques. Le son à un seul pic du document 4 est pur, celui à plusieurs pics est complexe.

Ensuite la chaîne de transmission. Le processeur vocal joue le rôle d'émetteur : son microphone capte le son, qui est analysé puis codé en signal numérique. L'antenne transmet ce signal à travers la peau par propagation libre, la partie implantée le reçoit et le conduit par propagation guidée jusqu'aux électrodes placées dans la cochlée. Il faut nommer chaque maillon : source, émetteur, canal, récepteur, destinataire.

La dégradation se produit lors de la conversion analogique-numérique. La tension n'est mesurée qu'à chaque période T_e, et chaque mesure est codée sur 3 bits, soit 2³ = 8 niveaux seulement : le signal en escalier s'écarte du signal du microphone et une partie de l'information est perdue. Pour améliorer l'implant, on diminue T_e, c'est-à-dire qu'on augmente la fréquence d'échantillonnage, afin de mieux restituer les variations rapides et donc les harmoniques aigus. Augmenter le nombre de bits affine aussi les paliers. Le piège classique est de proposer d'augmenter T_e, ce qui dégraderait encore le signal.

Partie 2 : l'apport de l'implant en décibels

Le son étudié a une fréquence de 4,0 kHz et un niveau de 100 dB. Sur l'audiogramme, la perte vaut environ 80 dB à 90 ans et environ 55 dB à 60 ans, âge auquel l'implant ramène l'audition de Paul. Les niveaux perçus sont donc de 20 dB sans implant et de 45 dB avec. Pour comparer les intensités, on inverse la relation L = 10 log(I/I₀) : le rapport vaut 10^{(45 − 20)/10} = 10^2,5, soit environ 3,2 × 10². Avec l'implant, l'intensité sonore perçue est environ 320 fois plus grande.

L'erreur à éviter est de diviser les niveaux entre eux : les décibels se retranchent, et un écart de 25 dB correspond à un rapport de 10^2,5. L'axe des pertes est gradué vers le bas, de 20 dB en 20 dB, ce qui rend la lecture délicate ; une précision de quelques décibels est acceptée.

Conseils pour réussir

Dans la synthèse, appuyez chaque paragraphe sur un document cité par son numéro et justifiez l'évolution du paramètre proposé. Retenez qu'ajouter 10 dB multiplie l'intensité par 10 : cela permet de contrôler l'ordre de grandeur du résultat. Hauteur, timbre et harmoniques ne figurent plus au programme actuel de spécialité, mais la numérisation et les décibels restent des savoir-faire utiles.