Etude physique

Etude physiopathologique

 

I- Définition:

            Une vibration se définit comme la variation, en fonction du temps, du mouvement ou de la position d’un système mécanique, dont l’amplitude est alternativement plus grande et plus petite qu’une certaine valeur moyenne de référence.

            Les paramètres qui entrent en jeu dans une vibration sont :  

·     la fréquence

·     l’amplitude ou déplacement (m)

·     la vitesse (m/s)

·     l’accélération et son sens de déplacement (m/s²)

On peut aussi définir la secousse (m/s³) comme la dérivée de l’accélération par rapport au temps.  

On estime généralement que:  

- les vibrations de très basse fréquence correspondent à des fréquences de 0 à 2 Hz

- les vibrations de basse fréquence correspondent à des fréquences de 2 à 20 Hz

- les vibrations de haute fréquence correspondent à des fréquences de 20 à 1000Hz   

  La direction des vibrations peut être:

·      longitudinale

·      transversale

·      latérale

 II- Types de vibrations:  

            On distingue généralement 4 types de vibrations:  

·     les vibrations sinusoïdales

·     les vibrations périodiques

·     les vibrations aléatoires

·     les vibrations transitoires.  

            II-1 Les vibrations sinusoïdales:  

            Une vibration est dite sinusoïdale lorsque le mouvement d’un point m se reproduit avec une fréquence et une amplitude maximale constantes et si son amplitude instantanée se définit par la formule:

x(t) = x(m) sin(2ft)  

            II-2  Les vibrations périodiques:  

            Ce sont des mouvements vibratoires qui se reproduisent  identiquement à eux-mêmes au bout d’un intervalle de temps constant T.

Leur amplitude répond à la formule:

x(t) = x (t+nT)  

            II-3 Les vibrations transitoires:  

            Ce sont des mouvements vibratoires de durée brève, qui peuvent perturber un mouvement vibratoire préétabli.  

            II-4 Les vibrations aléatoires:  

            Ce sont des phénomènes vibratoires imprévisibles en fréquence et en amplitude.

III- Valeurs limites d’exposition aux vibrations:

            A bord des navires, les personnels sont soumis essentiellement à des expositions de type corps entier, c’est- à- dire à des expositions globales du corps.  

            Compte tenu de la complexité du phénomène, il n’existe pas de valeurs limites parfaitement satisfaisantes. En France, une évaluation de l’exposition des individus à des vibrations globales du corps est donnée dans la norme AFNOR  E 90-401. La norme internationale est ISO 2631.

 I- Généralités sur les vibrations des navires:  

            Les sources de vibrations à bord des navires sont :  

            -    l’hélice ( vibrations périodiques)

-          l’appareil propulsif et les groupes auxiliaires ( vibrations périodiques)

-          des appareils de travail (treuils par exemple)

            -    les effets de la mer ( vibrations aléatoires)  

            L’installation sur les navires de gros tonnage de propulsions de plus en plus puissantes sur une seule ligne d’arbres a aggravé la disproportion entre la raideur des lignes d’arbres et la flexibilité de la charpente des navires. Ceci a entraîné une augmentation des phénomènes vibratoires sur les navires.  

            Il peut se produire un phénomène dit « de battement » provoquant une résonance , lorsque deux sources d’excitation possèdent des fréquences voisines. La fréquence de battement, différente de chacune des fréquences composantes, est généralement  plus basse que celles-ci.

Or, il existe sur les navires de nombreuses situations à l’origine de ce type de résonance, par exemple :  

            - l’ensemble de la ligne d’arbre, répondant aux excitations provenant de l’hélice et de l’appareil propulsif, pouvant exciter la charpente du double-fond.  

            - l’ensemble formé par un moteur diesel de propulsion et la charpente du double-fond le supportant est susceptible de faire vibrer la charpente de la coque.  

D’autres résonateurs « passifs » peuvent être excités, tels que pont, cloisons, mât, radars...  

 

II- Vibrations engendrées par l’hélice:  

            L’hélice peut exciter des vibrations de charpente d’un navire par:

- des forces transmises à la coque par l’intermédiaire de la ligne d’arbres;

- des fluctuations de pression réparties sur toute la partie de la coque arrière;

- des forces exercées sur le gouvernail;

- un couplage hydro-élastique entre l’hélice et la ligne d’arbres.  

            Le sillage dans lequel l’hélice travaille est à l’origine des fluctuations de pression sur la coque. Ces fluctuations de pression sont liées :  

            1- aux variations de poussée de l’hélice. Lorsque l’hélice fournit une poussée , le dos de chaque pale est soumis à une dépression par rapport à la pression ambiante, et la face à une surpression.  

            2- au nombre, à la surface et à l’épaisseur des pales. Les fluctuations de pression sont fonction linéaire de l’épaisseur moyenne des pales et décroissent très vite quand le nombre de pales croît.  

            3- à la présence d’une poche de vapeur variable sur la surface de la pale et dans son sillage, par suite de la cavitation. La cavitation est à l’origine de la plupart des problèmes de vibrations rencontrés sur les navires à la suite des fluctuations de pression trop élevées sur les oeuvres vives arrières.

La cavitation agit de deux façons:

            - elle est équivalente à une augmentation d’épaisseur des pales, et comme telle, augmente les fluctuations de pression

            - la variation du volume de la poche de cavitation en fonction du temps est une deuxième source de fluctuation de pression.  

            Dans le cas où la fréquence de la réponse des pales d’hélice est très élevée (fréquence audible), on constate le phénomène du « chant des hélices ». Ceci peut constituer une gêne pour l’équipage.  

 

III- Vibrations engendrées par le moteur:  

            Les vibrations du moteur sont dues aux mouvements alternatifs des systèmes piston-bielle-manivelle.  

            Les excitations dues aux forces et moments libres du moteur peuvent avoir des répercussions sur la réponse vibratoire de la charpente du navire et même de la « poutre-navire », surtout pour les navires de taille moyenne équipés d’un moteur à 2 temps.

La fréquence vibratoire des moteurs est généralement comprise entre 3 et 30Hz. Szczepanski  a, par exemple, retrouvé à bord d’un RO-RO une fréquence  moyenne de vibrations de 8 Hz.

Le niveau vibratoire dépend bien entendu du type de machine et en particulier de la vitesse de rotation, exprimée en mm/sec.  

   

IV- Vibrations engendrées par l’état de la mer:  

 

            1- Vibrations intéressant le navire dans sa globalité :  

La houle provoque des vibrations aléatoires de très basse fréquence (inférieure à 2Hz) de l’ensemble du navire, dans le sens longitudinal ( tangage) et transversal ( roulis). La fréquence de ces vibrations est comprise entre 0,01 Hz par mer très calme et 1,5 Hz par mauvais temps. Les accélérations vont de 0,01 à 0,8 g, quelquefois  même 1g.

Ces vibrations sont à l’origine du mal de mer.  

            2- Vibrations de la poutre-navire dues à l’état de la mer :  

On en considère en général deux types :  

·      le « whipping »: engendré par des impacts aux chocs hydrodynamiques appliqués à l’avant du navire ( phénomène transitoire de mise en vibration de la poutre-navire).

     Le phénomène de whipping se produit, en général, lorsque le navire navigue en mer de l’avant avec des mouvements relatifs de l’étrave suffisamment importants pour créer des impacts:

            - de « slamming »: chocs se produisant sur la partie plane au fond du navire quand il retombe dans la mer après émergence.

            - de « slapping »: chocs sur le bordé d’étrave, sans émergence.

            - de paquets de mer: « green sea ».          

 

·      Le « springing »:il est créé par les excitations dues aux forces hydrodynamiques variables de la houle et correspond à un phénomène de mise en vibrations libres entretenues de la poutre-navire.  

On peut se demander si, dans certains cas, ces vibrations exercées sur un navire dont la coque est en mauvais état, ne pourraient pas contribuer à la fracture de celle-ci, et donc au naufrage.  Le naufrage de l’Erika, en 1999, avec fracture du navire en deux, pourrait être due en partie à ces phénomènes. Curieusement, aucun rapport ne semble avoir évoqué ces phénomènes.  

En conclusion, les navires sont des milieux où les nuisances dues aux vibrations sont importantes. Ces vibrations se situent dans les très basses fréquences, les basses fréquences et , dans une moindre mesure , les hautes fréquences ( plage entre 0,01 Hz et 80 Hz, avec un maximum entre 3 et 30 Hz). Ces vibrations sont périodiques ou aléatoires.  

 

 I- Caractéristiques biophysiques du corps humain:  

            Le corps humain soumis à des vibrations peut être assimilé à des masses élémentaires suspendues (tête, thorax, bassin) réunies entre elles par des systèmes de ressorts et d’amortisseurs (ligaments, muscles, disques intervertébraux).

              Les effets physiologiques et psychologiques des vibrations sur l’homme sont dus aux déformations et aux déplacements relatifs que subissent les organes ou les tissus à certaines fréquences.  

            L’oscillation libre qu’aurait un système non amorti, après avoir subi une impulsion, s’appelle fréquence propre ou matérielle.

            Lorsque le système est amorti (cas général du corps humain), la transmission du mouvement est maximale pour une fréquence particulière appelée fréquence de résonance. La fréquence de résonance est inférieure à la fréquence propre, mais les deux fréquences sont le plus souvent assez proches, les organes du corps humain correspondant à des systèmes peu amortis.  

            Les fréquences de résonance pour un sujet soumis à des vibrations verticales sont les suivantes :  

·      tête : 20 à 30 Hz.

·      globes oculaires : 60 à 90 Hz

·      thorax : 3 à 7 Hz.

·      Cœur: 4 à 8 Hz.

·      masse thoraco-abdominale :  4 à 9 Hz.

·      Bassin : 4 à 9 Hz

 

Ces niveaux de vibrations permettent de comprendre les pathologies qui peuvent apparaître : troubles visuels, troubles cardiaques, pulmonaires ou ostéo-articulaires. 

Au dessous de 2 Hz, le corps réagit comme une masse unique. Chez l’homme assis, la première résonance apparaît entre 3 et 6 Hz; chez l’homme debout, on note deux valeurs maximales à 5 Hz et 12 Hz.  

Le seuil de perception des vibrations est de 0,01 m/s² environ.  

La perception des vibrations est fonction:

-          de la zone  de contact du corps avec la source d’excitation

-          de sa surface de contact

-          des caractéristiques physiques de la vibration (intensité, fréquence, direction

-          de la posture du sujet

-          de sa sensibilité aux vibrations, des propriétés des vêtements (épaisseur, propriétés physiques,)

-          de l’environnement physique du sujet (bruit, température)

-          de l’activité physique du sujet

-          de l’activité mentale, psychologique et comportementale du sujet  

 

II- Classification des effets des vibrations sur l’homme:  

            On utilise généralement la classification suivante pour étudier les effets des vibrations :  

·      très basses fréquences:  0 à 2 Hz ( mal de mer)

·      basses fréquences: 2 à 20 Hz

·      hautes fréquences: 20 à 1000 Hz (troubles ostéo-articulaires et vasculaires)  

            On considère trois conditions d’exposition aux vibrations:

·      les vibrations transmises au corps entier et omni-directionnelles;

·      les vibrations transmises au tronc à travers les membres inférieurs d’un homme debout, le bassin d’un homme assis ou le support d’un homme couché. C’est la situation que l’on retrouve à bord des navires.

·      les vibrations à travers des extrémités, telles que les mains, les bras ou la tête.  

Dans le milieu maritime, seules les vibrations de très basse fréquence (<2Hz) et les vibrations de basse fréquence (2 à 20Hz) peuvent être génératrices de pathologies. Nous étudierons uniquement les effets de ces deux plages de fréquences.

 A- Le mal de mer ou naupathie :  

Le mal de mer ou naupathie est provoqué par les vibrations de très basse fréquence (0 à 2 Hz).  

I- Facteurs étiologiques:  

            1-1 Conditions déterminantes:  

·      Mouvements du navire : il s’agit surtout du roulis et du tangage. La fréquence des vibrations est comprise entre 0,01 Hz par mer très calme et 1,5 Hz par mauvais temps. les accélérations vont de 0,01 à 0,8g, quelquefois 1g. A ces fréquences, le corps se comporte comme une masse unique et les vibrations sont entièrement transmises en amplitude et en accélération. La fréquence et l’accélération varient alors selon l’état de la mer et aussi selon le tonnage du navire.

·      Répétition régulière et durée du mouvement : plus que l’intensité du mouvement, c’est son caractère oscillant qui joue. Un mouvement qui se répète régulièrement est plus nocif qu’un mouvement brusque et irrégulier.    

            1-2 Conditions favorisantes:  

·      l’ambiance : elle peut accélérer l’apparition d’une naupathie

·      la vision : l’apparition d’une naupathie peut être favorisée par la superposition d’images immobiles et d’images mobiles (phénomène de hublot). Il existe le plus souvent un conflit visuo-vestibulaire, lorsque l’on est à l’intérieur d’un navire, la vision n’intégrant pas les mouvements détectés par le système vestibulaire.

·      les odeurs : tabac, peintures, essence, parfums, vomissements

·      la chaleur

·      le confinement

·      la position : la position couchée atténue le mal de mer ( mais incompatible avec un travail !)

·      l’état général : la fatigue, le manque de sommeil favorisent l’apparition d’une naupathie.

·      l’absence d’accoutumance : généralement le mal de mer disparaît au bout de quelques heures à quelques jours . On est alors « amariné ».

·      l’état du  système nerveux :

            - le système neurovégétatif: les vagotoniques sont particulièrement sensibles

            - le psychisme: l’hyperémotivité

            - la contagion: lorsqu’un sujet est malade, les voisins le sont souvent aussi.

-          l’appréhension, la peur: le souvenir d’un mal de mer précédent  favorise la réapparition du phénomène

-          l’hypersensibilité labyrinthique.  

 

II- Séméïologie:  

            L’importance des symptômes peut varier d’une façon très marquée selon les individus, la nature, la durée et l’amplitude du mouvement.  

            Classiquement, on distingue trois phases:  

2-1 Début:  

            Le début s’annonce par un sentiment d’insécurité. Puis apparaissent :  

            -   des signes subjectifs: malaise indéfinissable, anxiété

            - des signes objectifs: pâleur, sueurs froides, somnolence, sensation désagréable au niveau de l’épigastre, bâillements, troubles de l’équilibre, maladresse, salivation, bradycardie, hyperpnée avec hypocapnie. On peut noter également: inhibition du tonus et de la mobilité gastrique, chute des températures centrale et cutanée, froideur des extrémités.

 

2-2 Phase d’état:  

            La phase d’état se caractérise par des nausées, des vomissements. La pâleur est  marquée, le nez est pincé, la TA basse. Une hyperglycémie peut être notée, ainsi qu’une oligurie

            Il existe toujours une prostration psychique marquée et souvent invalidante, avec altération importante de la performance, diminution de la spontanéité, des réflexes, inactivité totale, état de soumission, altération de la force et de la coordination musculaire.

 

2-3 Evolution:  

·      à court terme : si les conditions qui ont déclenché le mal de mer disparaissent, tout rentre dans l’ordre en quelques minutes à 2 heures.

·      à long terme: l’évolution est le plus souvent favorable. L’accoutumance s’acquiert relativement vite, en 72 heures (on est « amariné »). Chez certains pourtant, il n’y a pas d’accoutumance et c’est alors une inaptitude à la mer.

·      Les complications sont exceptionnelles: déshydratation, baisse de TA , acidocétose.  

 

 III- Physiopathogénie :  

L’équilibre est un système complexe : des informations lui sont apportées par 3 voies :  

            - le système vestibulaire

            - le système visuel, en particulier de poursuite,

            - le système proprioceptif et somato-sensoriel, en particulier celui des pieds et de la nuque.  

Ces informations sont transmises aux centres où elles sont comparées entre elles et  comparées aux informations antérieurement stockées pour juger de leur cohérence. L’équilibre est acquis s’il y a cohérence des données entre elles.

Dans certaines circonstances, par exemple le mal de mer, les informations sont conflictuelles et se traduisent alors par la pathologie que l’on vient de décrire.  

            3-1 Facteur vestibulaire:  

Le  stimulus normal du vestibule est l’accélération provoquée par les déplacements de la tête.

Rappelons que l’appareil vestibulaire périphérique est constitué de cinq récepteurs: trois canaux semi-circulaires et deux otolithes (le saccule et l’utricule).

Par suite de la mise en jeu des forces d’inertie proportionnelles aux accélérations, le liquide endolymphatique contenu dans les canaux semi-circulaires est animé d’un mouvement en sens contraire de celui du crâne. Ce mouvement détermine une déflexion des cils sensoriels qui constituent le système récepteur de chaque canal. La sensibilité des canaux semi-circulaires aux accélérations angulaires est importante.

Dans les utricules et les saccules, les otolithes sont formés de cristaux de carbonate de calcium. Au dessous de ces cristaux, se trouvent les cils des cellules ciliées. C’est le glissement de la masse otolithique sur la macule qui provoque l’excitation d’une partie des cellules. Les utricules et les saccules détectent l’accélération linéaire dans les plans horizontal (utricule) et vertical (saccule) de la tête. Le système otolithique mesure également la position de la tête : les otolithes détectent les vibrations linéaires et les changements de position de la tête par rapport à la gravité.

L’origine vestibulaire du mal de mer est admise. Les données expérimentales montrent en effet que les animaux privés de leur labyrinthe n’ont pas le mal de mer. Les vibrations de très basse fréquence correspondent à une zone de fréquence d’activation des récepteurs vestibulaires provoquant une difficulté d’intégration centrale des données, en discordance avec les autres récepteurs.

Le roulis agirait surtout sur les canaux semi-circulaires, le tangage sur les otolithes.  

            3-2 Facteur visuel:  

Pour que l’image d’un objet puisse être regardée avec précision, il est nécessaire qu’elle se forme à un degré près sur la fovéa et qu’elle reste stable au moins 300 ms. La stabilisation de la tête et celle du regard sont donc deux éléments essentiels de l’équilibre de l’homme.  

            3-3 Facteurs musculo-squelettiques:  

Les récepteurs tendineux de Golgi mesurent la force développée par le muscle.  

            D’une façon générale, le mal de mer est souvent expliqué en disant que l’information visuelle est en conflit avec l’information vestibulaire et des propriocepteurs. Il existe une difficulté centrale d’intégration des différents messages sensoriels sur le mouvement du corps.

Il semble que le système nerveux central mette en mémoire les informations sensorielles correspondant à une situation de mouvement donnée. Si les signaux des différents récepteurs sensoriels sont compatibles avec ce modèle interne, il ne se produit pas de trouble. Si une discordance apparaît, deux effets apparaissent:

            a/ une réorganisation du modèle interne: un exemple typique en est le « mal de terre », lorsque, revenant d’un séjour  à la mer, on continue à percevoir un mouvement illusoire de roulis. C’est aussi la diminution de la gravité des symptômes avec la répétition des voyages. L’entraînement diminue considérablement la fréquence d’apparition du mal de mer.

            b/ l’induction de la séquence des effets neurovégétatifs. C’est la durée et l’intensité du conflit sensoriel qui est responsable des symptômes. 

 

Un horizon artificiel peut, dans certains cas, rendre compatible les sensations d’origine vestibulaire et visuelle. Tout récemment, on a mis au point des lunettes comportant une petite ligne noire de type horizon artificiel qui permet de conserver un repère horizontal en toutes circonstances sans que cela ne gêne la vision. Ces lunettes ont été en expérimentation chez certains personnels de la Marine Nationale, mais il ne semble pas qu’elles se soient imposées jusqu’à présent.  

 

B- Les troubles statiques et de posture :  

Les mouvements de la mer provoquent également des troubles de la stabilité posturale, générateurs de fatigue musculaire importante, de douleurs rachidiennes et aussi d’accidents de tous ordres, au premier rang desquels ont retrouves des chutes, des blessures par instruments, des glissades, voire des passages par dessus bord.

 

   

Pour les fréquences de 2 à 20 Hz, le corps n’est plus considéré comme une masse unique, mais comme un système de masses suspendues. Le labyrinthe n’est plus sensible à ces vibrations.         

A bord des navires, on retrouve des vibrations de fréquences situées entre 2 et 20 Hz, liées comme nous l’avons vu à l’appareil propulsif et aux hélices, mais d’intensité généralement assez faible.  

 

I- Séméiologie :  

            1-1 Effets sur l’activité musculaire:  

Chez un sujet soumis à ce type de vibrations, le déplacement des masses corporelles et le maintien de la posture ( surtout pour des vibrations aléatoires de type secousses ( whipping et springing par exemple) vont se traduire par une stimulation de l’activité de la musculature pour compenser les effets vibratoires.

 

            1-2 Action sur la colonne vertébrale:  

Les vibrations peuvent entraîner des microtraumatismes au niveau du rachis, surtout lombaire, microtraumatismes d’autant plus nuisibles que la colonne est en déséquilibre. A bord des navires, surtout de pêche, les vibrations sont un facteur aggravant, venant s’additionner aux contraintes de posture et de maintien de l’équilibre lié aux mouvements du navire. Il a été suggéré que ces troubles rachidiens seraient dus à des atteintes vasculaires.

 

            1-3 Effets sur les performances :  

De nombreux auteurs ont essayé de quantifier les diminutions de la performance de l’homme soumis à des vibrations sinusoïdales ou aléatoires. Les vibrations rendent en effet la tâche plus difficile et plus pénible.

Les vibrations gênent les mouvements précis, la préhension correcte avec les mains et les doigts, l’écriture.

Elles entraînent une augmentation du temps de réaction, obligeant à une concentration plus importante sur la tâche principale aux dépens de l’attention portée aux tâches secondaires, donc aux dépens de la vigilance.

 

            1-4 Effets sur la vision:  

La fréquence pour laquelle l’acuité visuelle est la plus diminuée se situe vers 5 Hz.

Le réflexe vestibulo-oculaire a pour fonction de maintenir l’image du monde extérieur stable sur la rétine pendant les mouvements du corps. Il a un rôle fondamental puisqu’il déplace les globes oculaires en sens inverse du mouvement de la tête.

Un sujet immobile peut suivre de l’œil une cible se déplaçant dans l’espace: c’est la poursuite visuelle. Lorsque la cible est animée d’un mouvement vibratoire supérieur à 2 Hz, cette poursuite devient difficile.

           

            1-5 Effets sur la fonction respiratoire :  

Les vibrations de basse fréquence, surtout entre 4 et 12 Hz, ont tendance à augmenter les paramètres respiratoires: fréquence respiratoire, ventilation pulmonaire et consommation d’oxygène.

Cette augmentation serait liée à la tension musculaire générale engendrée par les vibrations: à 10 Hz, il y a une tension très importante des muscles des lombes, du thorax, de l’abdomen et du dos. Il n’est pas certain qu’à bord des navires, l’intensité des vibrations soit suffisamment forte pour engendrer cette pathologie. Aucune donnée n’est d’ailleurs collectée sur ce sujet dans le milieu maritime.

 

            1-6 Effets cardio-vasculaires :  

Une augmentation de la fréquence cardiaque a été expérimentalement notée. Entre 4 et 11 Hz, lors d’intensités vibratoires importantes, des perturbations de l’activité cardiaque ont été enregistrées, avec extrasystoles et quelquefois tachycardie ou encore hypertension artérielle.

Quelques rares cas d’infarctus du myocarde chez des jeunes, sans antécédents d’artériosclérose ou d’insuffisance coronarienne, ont été reliés à une origine vibratoire, mais ceci est discuté. Mais la remarque concernant la fonction pulmonaire est ici la même.

Nous avons néanmoins été frappés par le nombre important  d’artériopathies oblitérantes des membres inférieurs chez les marins, certes liées à l’importance du tabagisme dans ce milieu, mais nous avons évoqué également la possibilité d’une implication des vibrations (et peut-être de l’association bruit-vibrations) dans le processus causal de cette maladie ( par vasoconstriction). Jovanovic (1994) trouve des résultats similaires aux nôtres et avance les mêmes conclusions.

 

            1-7 Effets digestifs et urinaires :  

On observe des troubles du tractus digestif et du tractus urinaire, en partie dus à des modifications du péristaltisme des muscles lisses viscéraux.

 Dr D. Jégaden  

 20/09/04

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