Mais d'abord qu'est-ce que le son ? Le son est une vibration mécanique du milieu dans lequel il se propage. Dans l'air, ce sont des variations locales de la pression atmosphérique (en Pascal). On parle d'onde acoustique car un son continu consiste en des vibrations successives se déplaçant à la même vitesse (celle du son dans le milieu considéré). Ces vibrations ont la même amplitude (intensité) et forment une onde sinusoïdale dont les crêtes sont espacées d'un intervalle constant (la période, exprimée en secondes). La fréquence (inverse de la période, exprimée en Hertz) définit le nombre de crêtes par secondes. Notre oreille associe un ton (hauteur) à chaque fréquence. Les basses fréquences sont perçues comme graves et les hautes fréquences sont aiguës. L'oreille humaine ne perçoit pas toutes les fréquences possibles mais seulement un domaine restreint (tout comme pour la lumière visible) qui s'étale de 15 Hz
(grave) et 15 kHz (15000 Hertz, aiguë).
Model d'une onde acoustique simple
En général, les sons émis ne sont pas purs (c'est-à-dire constant,
sinusoïdaux): ils sont la superposition d'ondes de fréquences différentes (appelées harmoniques) pour n'en former qu'une seule qui n'est plus sinusoïdale mais... bizarroïdale. Ainsi on peut extraire d'une onde acoustique toutes ses harmoniques qui, elles, sont sinusoïdales (décomposition en séries de Fourrier). Le son ne peut se propager que dans un milieu physique comme l'air, l'eau, ou le métal mais pas dans le vide (d'où le silence intersidéral). Une harmonique est une succession de compressions et de dépressions du milieu, du milieu dépend la vitesse du son. Ainsi, en fonction du milieu, de la température, de la pression... la vitesse sera différente.
Décomposition d'une onde acoustique en ses harmoniques
La propagation n'est pas instantanée, elle s'effectue dans l'espace (de façon radiale à la source) et le temps. L'onde propagée voit son intensité progressivement diminuer du fait que le milieu prélève de l'énergie à l'onde pour les besoins de son transport : c'est l'atténuation. De plus, l'onde peut également subir le phénomène de distorsion qui provoque sa déformation. Ce phénomène est généralement du à des changements de milieu comme par exemple le passage d'une couche d'air froid vers une autre plus chaude.
Model d'une source de vibrations. Les ondes acoustiques se propagent dans toutes les directions tout comme les ondelettes résultant d'un jet de pierre sur la surface d'un lac.
Voila donc ce qu'on pouvait dire sur la nature du son.
Un avion en plein vol fait vibrer l'air qui l'entoure. Ces vibrations forment des ondes acoustiques qui se propagent tout autour de lui jusqu'au sol. En vitesse subsonique, c'est-à-dire lorsque l'avion est plus lent que le son qu'il produit, les vibrations de l'air se propagent vers l'avant de l'avion. Et dans ces conditions, aucun phénomène particulier ne se produit
: on commence à percevoir le bruit émis par un avion avant qu'il ne passe au dessus de nos têtes.
Avion en vitesse subsonique : le son précède l'avion
A vitesse transsonique, c'est-à-dire lorsque la vitesse de l'avion est égale à celle du son : l'avion se déplace en même temps que l'onde qu'il produit. Les vibrations de l'air s'accumulent sur le nez de l'avion. Ainsi, sur le nez, une superonde résultant de la somme des ondes émises produit une énorme décompression : l'air fait donc défaut à cet endroit et l'appareil doit produire un surcroît d'accélération pour dépasser ce " mur du son ".
Avion en vitesse transsonique : il atteint la vitesse du son
A vitesse supersonique, la vitesse critique du son étant dépassée par l'avion, les vibrations acoustiques forment un cône de choc derrière l'avion (dont le sinus du demi-angle teta au sommet est égal au rapport entre la vitesse du son et celle de l'avion). L'avion précède le bruit qu'il produit, on ne l'entend que trop tard : après son passage. Lorsque deux ondes acoustiques passent successivement au même endroit, les deux surpressions sont tellement rapprochées que l'énergie accumulée dans l'air n'a pas le temps de se dissiper et provoque une élévation de température.
Or les ondes se propagent plus vite dans l'air chaud. Les ondes vont accélérer et rattraper le premier front. La variation cumulée de pression sur ce front (addition des surpressions) va devenir très importance et brutale : c'est l'onde de choc dont la puissance provoque un grand " bang "
et peut même briser des vitres.
Avion en vitesse supersonique : il est en avance sur les ondes acoustiques
Le cône de choc de déplace avec l'avion. Ainsi, sur toute la distance parcourue par l'avion en vitesse supersonique, on entendra le " bang " (et pas seulement lors du franchissement du mur du son). Le passage à Mach 2 (deux fois la vitesse du son) ne provoque pas d'autre " bang ".
Accueil