Mur du son - Définition
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Introduction
Le mur du son est un phénomène physique aérodynamique caractérisé par l'atteinte d'une vitesse au moins égale à celle de la vitesse du son, soit 1 224 km/h (dans l'air à 15 °C) ou Mach 1, et provoquant une onde de choc sous forme de « bang » supersonique.
Explication du phénomène
Quand un mobile atteint la vitesse du son dans un fluide (comme un avion dans l'air par exemple, ou l'extrémité d'un fouet), il se produit un phénomène de concentration de l'onde de surpression qui provoque une onde de choc (qui peut être entendue dans l'air). Ainsi, quand, à proximité, un avion s'est déplacé à une vitesse supérieure (ou égale) à celle du son dans l'air, on entend une sorte d'explosion ou bang supersonique, parfois un double bang. Ce phénomène accompagne l'objet tant qu'il dépasse la vitesse du son ; c'est pourquoi le bang que l'on entend ne correspond pas au franchissement du mur du son.
Le mur du son est un phénomène lié au domaine transsonique. Un écoulement autour d'une aile (autour d'une balle de fusil, c'est qualitativement la même chose), subsonique loin de celle-ci, est accéléré dans son voisinage jusqu'à atteindre Mach 1. Le retour au subsonique se fait à travers une compression brutale, l'onde de choc. Ceci entraîne une augmentation de la traînée et un décollement à l'aval de l'onde de choc qui se traduit par une instabilité analogue au décrochage.
Si la vitesse augmente à partir de là, l'onde de choc recule jusqu'à atteindre le bord de fuite et il se forme une autre onde de choc devant le bord d'attaque. Le mur du son est alors franchi ; l'écoulement a retrouvé la stabilité avec le régime supersonique qui se caractérise par les deux ondes de choc à l'origine du double bang.
Quand l'atmosphère est très humide, par un phénomène proche de celui qui produit la traînée blanche courante derrière un avion à réaction, le phénomène peut s'accompagner d'une condensation locale qui permet de visualiser l'onde de choc sous la forme d'une sorte de « bouclier » plus ou moins vaste qui précède légèrement l'avion.
On entendait sur les premiers avions supersoniques un double bang, mais souvent très proches et pas toujours faciles à distinguer. D'après une théorie très commune, le premier correspondrait à l'onde de choc issue du nez de l'avion et surtout du bord d'attaque des ailes, le second serait formé sur l'empennage. En fait l'oreille humaine ne pourrait pas distinguer 2 ondes aussi rapprochées, qui se regroupent en une onde unique à grande distance de l'avion. Le « vrai » double bang était en fait produit par des évolutions brutales (accélérations, virages) entraînant la formation de plusieurs ondes de chocs arrivant successivement, avec des écarts temporels suffisants, aux oreilles des observateurs. Par erreur, certains parlent de double bang du fait que l'onde de choc est formée d'une période de compression et d'une période de dépression, mais l'oreille humaine ne perçoit qu'un seul phénomène sonore (ainsi que ses possibles échos sonores suivant le relief local).
Origine de l'expression
Le terme de mur du son a une signification d'abord historique. En effet, lorsque les aviateurs de la Seconde Guerre mondiale ont commencé à s'approcher de cette limite, ils ont remarqué des phénomènes d'instabilité et un « durcissement » des commandes de l'avion. Cette combinaison a rendu l'approche de cette limite particulièrement difficile, au point que les aviateurs avaient fini par l'appeler le « mur du son ». Lorsque Chuck Yeager a franchi cet obstacle à bord du Bell X-1 le 14 octobre 1947, le terme est quand même resté pour donner une description imagée d'une augmentation brutale de la résistance.
« Mur du son » est en fait une expression que l’on doit à un ingénieur britannique des années 1940, W. F. Hilton, qui se demandait si un avion pourrait jamais dépasser la vitesse du son. Lorsqu'un avion vole à une vitesse inférieure à celle du son, il génère des perturbations de l'écoulement d'air. Si sa vitesse approche celle du son (331 m.s-1 dans l'air à 0°C), il engendre des ondes sonores très fortement comprimées. À la vitesse supersonique, les ondes forment des ondes de choc coniques appelées cônes de Mach. En atteignant le sol, ces derniers produisent le bang supersonique. L'aérodynamisme et la voilure des avions, en forme de flèche, contribuent à pallier les inconvénients des ondes de choc. Cependant, aucun moyen n'a été réellement expérimenté pour éviter le bang supersonique, car la pointe du cône de Mach part de l'avion et sa base se dirige vers la terre. Et c'est le choc de la surpression et de la décompression de l'air sur nos tympans qui produit la (double) détonation. On suppose qu'un appareil qui utiliserait la propulsion par magnétohydrodynamique, notée également MHD, (il y a eu plusieurs essais en soufflerie), ne produirait pas le bang supersonique.
