Réfraction - Définition

Réfraction des ondes mécaniques

De façon générale, et donc en mécanique, la propagation suit les mêmes lois fondamentales, en particulier le fait que la célérité ne dépend que du milieu : son élasticité et son inertie. Les phénomènes de réflexion, réfraction, diffraction et interférences existent donc également pour ces ondes. Suivant le nombre de dimensions spatiales offertes par le milieu à la propagation, tout ou partie de ces phénomènes sont visibles.

Ainsi pour une propagation unidimensionnelle (une onde le long d'une corde par exemple) il est facile d'observer la réflexion, et possible d'expérimenter la transmission (avec réflexion partielle) entre deux cordes de masses linéiques différentes. Pour les ondes à la surface de l'eau, les phénomènes de réflexion, réfraction et diffraction sont faciles à observer. Quant aux ondes acoustiques qui nous entourent, leur propagation en trois dimensions jusqu'à notre oreille est bien souvent le fruit de tous ces phénomènes à la fois.

Réfraction des ondes dans l'eau

La célérité des ondes dans l'eau dépend de la profondeur du liquide, de la vitesse du courant et plus modérément de leur amplitude. En particulier la célérité est plus faible si la profondeur est plus faible. Ceci permet d'avoir une première interprétation du fait que les crêtes des vagues deviennent presque parallèles à la plage lorsqu'elles se rapprochent du rivage : la partie de la crête en eau plus profonde se propage plus vite que la partie en eau peu profonde et la crête tourne vers la plage. On constate également qu'il y a une convergence au voisinage d'un cap et un épanouissement dans une baie.

Ce changement de célérité est donc précisément la cause du changement de direction de propagation d'une onde plane comme l'explique le principe de Huygens évoqué ci-dessus.

L'observation de ce phénomène peut-être réalisée sur une « cuve à ondes »: un bac plat contient une faible hauteur d'eau (de l'ordre du centimètre). Sur une partie du fond du bac, on place une plaque qui provoque donc une brusque variation de la profondeur. Une onde plane (provoquée par la vibration d'une barre qui affleure l'eau) est alors déviée au passage de ce dioptre.

Réfraction des ondes sonores

Les ondes sonores subissent aussi une telle déviation. Dans l'atmosphère la vitesse du son varie avec la pression et la température(donc l'altitude), l'humidité et la vitesse du vent. Le phénomène de variation de la température avec l'altitude, appelé gradient de température, a pour effet d'incurver les rayons sonores vers le haut en temps normal, c’est-à-dire lorsque la température diminue avec l'altitude, et vers le bas lors d'une inversion de température. C'est pour cette raison que le son remonte les pentes, phénomène souvent audible en montagne.

De la même façon lorsque la vitesse du vent augmente avec l'altitude les rayons sonores sont réfractés vers le bas dans la direction du vent, et vers le haut dans la direction opposée au vent. C'est pour cela que le vent « porte le son ». C'est la variation du vent avec l'altitude (le gradient de vent) qui est importante et non la vitesse du vent elle même (bien plus faible que la vitesse du son).

Réfraction des ondes sismiques

La vitesse de propagation des ondes sismiques dépend de la densité, donc de la profondeur et de sa composition. Il se produit donc :

• une réfraction à la transition entre deux couches géologiques, notamment entre le manteau et le noyau ;
• dans le manteau, une déviation : c'est un milieu à indices variables.