Mur du son - Définition

Origine physique du « bang » supersonique

Onde de pression sonore et onde de choc

Le « bang » supersonique est une onde qui est à la fois de pression sonore et de choc.

La pression sonore s'étale dans l'espace et dans le temps en partant de son point d'origine et en rayonnant dans toutes les directions en l'absence d'obstacle. Une onde correspond à un profil de la variation dans l'espace d'une grandeur donnée (pression, énergie, ...) qui se déplace au cours du temps (comme la vague d'étrave d'un bateau) ; ce profil s'aplatit à la longue ; on dit qu'il s'« amortit ». Quand le phénomène qui varie est la pression, on l'appelle une « onde de pression sonore ».

Une onde de choc est un cas particulier d'onde, dont le profil a une très forte discontinuité. En réalité, il n'y a jamais de réelle discontinuité en physique, mais la variation au niveau de la « discontinuité » est telle que le phénomène devient qualitativement différent par rapport à ce qui se passe dans le reste de l'espace.

Signal de déplacement et vitesse du son

Une onde accompagne le déplacement de tout mobile dans un fluide (ici, un avion dans l'air). Elle vient de ce que l'avion qui force son passage dans l'air impose à chaque instant T une petite variation de pression (surpression due à l'intrusion suivie d'une détente), qui se propage comme un signal pour les molécules d'air ; « poussez-vous, l'avion arrive ».

Par définition, ce signal se propage à la vitesse du son, notée c. Si l'avion fait un déplacement élémentaire à un instant T0, au bout d'un temps t l'information parvient aux molécules situées sur une sphère de rayon c.t, centrée sur la position initiale de l'avion. Cependant, entre temps, l'avion a continué d'avancer.

Voir schémas dans Nombre de Mach. Les dessins explicatifs sont faits en deux dimensions, et la sphère en question y est figurée par un cercle. Cela ne change rien à l'explication, bien entendu.

Formation de l'onde de choc

Quand la vitesse de l'avion dépasse la vitesse c du son, au bout d'un instant T1 il a dépassé l'onde qu'il avait émise à l'instant T0 (puisqu'il va plus vite que le son). On montre facilement que le cercle correspondant aux deux signaux T0 et T1 (qui s'élargissent avec le temps) ont toujours une intersection.

Au point d'intersection de ces deux cercles, les deux signaux se superposent ; l'un dit « poussez-vous l'avion arrive d'ici » et l'autre dit « poussez-vous vraiment, il arrive de là ». L'intersection des ondes fait que le signal est renforcé. En fait, l'avancement de l'avion étant continu, la superposition des ondes ne se réduit pas à une intersection, mais forme une enveloppe continue dont on montre qu'elle forme un cône ; le cône de Mach.

Avant le passage de ce cône, le signal n'est pas arrivé aux molécules. C'est donc le calme plat. Au passage du cône, les molécules reçoivent brusquement le signal correspondant à toute une portion de la trajectoire, portion d'autant plus longue et en un temps d'autant plus bref que l'avion va vite.

Littéralement, il se crée un choc, toute une armée hurlant en phase « poussez-vous, l'avion arrive » ; le signal surpression / détente qu'une molécule reçoit prend une brusque marche d'escalier, techniquement décrite comme un « choc ». C'est cette alternance d'un pic de surpression et d'une relaxation, signal d'avancement extrêmement amplifié par le cône de Mach, qui peut briser les vitres.

Bang supersonique en altitude

En altitude, deux phénomènes se combinent ; d'une part, l'énergie de l'onde est conservée dans le cône de choc, et donc se dilue quand ce cône s'élargit ; elle est inversement proportionnelle à la distance de la source d'origine (ou au rayon du cône). D'autre part, l'atmosphère n'étant pas homogène, il y a des phénomènes de réfraction (exactement comme des mirages) qui font que l'énergie du choc tend à se dissiper vers le haut.

Du coup, les supersoniques en altitude ne s'entendent pratiquement pas au sol; il faut un passage à basse altitude (moins de 6 000 m) pour que le « bang » supersonique ait un effet quelconque.