Comment font les oiseaux pour chanter ? En fait, à peu près comme vous et moi.

Une nouvelle recherche du Dr. Coen Elemans et al publiée dans le journal Nature Communications (“Universal mechanisms of sound production and control in birds and mammals,” le 27. Nov. 2015) a découvert que les oiseaux et les mammifères utilisent le même mécanisme physique de production du son – le mécanisme myoélastique-aérodynamique (MEAD). Le point crucial de sa recherche fut la capacité de reproduire la vibration des tissus dans le syrinx (la boîte vocale des oiseaux, l’équivalent de notre larynx) en contrôlant parfaitement les pressions au-dessus et en-dehors de cet organe. Pour cela, le Dr. Elemans a choisi les régulateurs de pression double-vannes d’ Alicat (Série PCD) compte tenu de la précision de leur exactitude et de leur contrôle dans des volumes fermés.

Le contrôle de la pression anime les vibrations MEAD

Une partie de l’image 1 provenant de l’article de l’équipe publié dans Nature, montrant les vibrations MEAD. Cliquez pour voir l’image complète

Les sons des animaux sont composés de discrètes impulsions d’air générées par les vibrations des tissus vocaux qui peuvent se produire à une fréquence de plus de centaines de fois par seconde. Le mécanisme myoélastique-aérodynamique (MEAD) décrit la façon dont ces vibrations sont soutenues sans que les muscles aient besoin de vibrer activement à la même fréquence, ce qui épuiserait sans doute n’importe quel animal. (Les muscles les plus rapides ne peuvent se contracter à plus de 250 Hz) Dans la théorie MEAD, la pression d’air monte en-dessous des tissus de l’organe vocal fermé jusqu’à ce qu’il y ait suffisamment de pression pour forcer leur ouverture. Toutefois, les tissus s’ouvrent et se ferment de façon asymétrique, et l’air qui passe est haché par ses vibrations, ce qui produit le son. La fréquence des vibrations détermine la hauteur du son, et la fréquence de la vibration est déterminé par le débit qui passe dans la boîte vocale (le larynx pour les mammifères, le syrinx pour les oiseaux) et la tension musculaire de ses tissus.

Pour déterminer si le MEAD fonctionnait chez les oiseaux comme il a été démontré chez les mammifères, l’équipe du Dr. Elemens a répliqué le flux d’air induit par la pression à travers le syrinx. L’équipe voulait contrôler précisément la pression dans les bronches en-dessous du tissu vocal pour tester la présence des vibrations MEAD. Puisque le reste du système respiratoire de l’oiseau est effectivement bloqué, le régulateur de pression double-vannes d’Alicat (PCD) était la solution idéale. Les deux vannes du PCD lui permettent de maintenir les pressions constantes nécessaires en ajoutant ou en enlevant l’air du volume fermé au besoin.

Le régulateur de pression différentielle pour les volumes fermés (avec affichage à distance) par Alicat Scientific. Notez les ports de détection de double pression sur l’avant

L’équipe de recherche avait également besoin de contrôler une faible quantité de pression positive (jusqu’à 3 kPa, ou 0,4 psi, au-dessus de l’atmosphère) pour éviter d’endommager les structures biologiques. Pour cela, Alicat a recommandé l’utilisation d’un capteur de pression différentielle au sein du régulateur de pression. Un des deux ports de détection à distance fut connecté aux bronches de l’oiseau, et l’autre laissé ouvert à l’atmosphère. Ceci voulait dire que la pression bronchique se référait toujours exactement à la pression atmosphérique locale, quels que soient les minuscules changements qu’elle ait pu subir pendant l’expérimentation. Des signaux de contrôle analogiques et numériques intégrés ont permis à l’équipe de facilement soumettre le syrinx à des niveaux grandissants de pression bronchique.

Espaces de contrôle de la pression et redondance

Une partie de l’image 6 de l’article de l’équipe dans Nature, montrant la redondance des espaces de contrôle de la pression. Cliquez pour voir l’image complète.

En plus de prouver le fonctionnement du MEAD chez les oiseaux, le Dr. Elemens voulait aussi déterminer si les vocalisations des oiseaux étaient le résultat de commandes musculaires uniques ou d’un contrôle redondant de l’espace. Pour tester cela, l’équipe a varié la pression des sacs aériens inter-claviculaires (SAIC) qui entourent le syrinx, tout en soumettant le syrinx à une pression bronchique grandissante et différents degrés de stimulation musculaire. Un deuxième PCD fut utilisé pour varier la pression simulée dans les SAIC au sein de la même plage de 1 à 3 kPa(G) que le volume bronchique. L’équipe a découvert que différentes combinaisons de pressions dans les deux zones de pression (ainsi que la stimulation musculaire) ont pu rendre la même fréquence fondamentale, une fonction redondante qui est habituelle dans le MEAD.

De manière significative, l’équipe du Dr. Elemens a découvert que le moteur aérodynamique qui supporte les vibrations du tissu vocal n’était pas généré par “la masse d’inertie de la colonne d’air du conduit vocal, mais par les changements de pression intra-glottale causés par l’ondulation du tissu” (page 6 de leur étude). L’alternance de pressions hautes et basses nécessaire au maintien du flux d’air dans le tissu vocal n’était pas causé par la masse d’air qui remonte dans la gorge de l’oiseau, qui crée une région de basse pression en arrière jusqu’à ce que le tissu s’ouvre de nouveau. À la place, c’est le mouvement ondulant des bords du tissu qui génère les variations de pression nécessaires à l’intérieur du syrinx.

Cette étude apporte une vision fantastique de l’aérodynamique à l’œuvre chez les animaux. Comment Alicat peut-il contribuer à la réalisation de votre projet de recherche ? Contactez l’un des nos ingénieurs d’applications par téléphone (888.290.6060), e-mail (info@alicat.com) ou sur notre forum pour discuter de votre projet.

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