I-Le mur du son

A/La Nature du Son :

Dans l'air, le son se propage sous forme d'une variation de pression créée par la source sonore. Un haut-parleur, par exemple, utilise ce mécanisme. Seule la compression se déplace et non les molécules d'air. La vitesse de propagation du son dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu.
Un avion en vol provoque des vibrations des molécules qui composent l'air, une onde sonore est émise.

B/Les vitesses :

1°/La vitesse SUBSONIQUE

Si un avion vole à une vitesse inférieure à 1224 km/h on dit qu'il vole à une vitesse subsonique.
Aucun phénomène particulier ne se produit. Tous les avions commerciaux, sauf le Concorde et le Tupolev TU144 volent à cette vitesse.

2°/La vitesse TRANSSONIQUE

Si un avion vole à la même vitesse que celle du son (on appelle cette vitesse Mach 1), on dit qu'il vole à une vitesse transsonique. Dans ce cas, les vibrations sonores se déplacent à la même vitesse que l'avion, ces vibrations s'accumulent sur le nez de l'avion. L'avion se heurte alors à un "mur".

Pour le dépasser le moteur à reaction ne suffit pas , l'avion doit obtenir une accélération supplémentaire fournie par un dispositif particulier : la post combustion.

3°/La vitesse SUPERSONIQUE

Si un avion vole à une vitesse supérieure à celle du son, on dit qu'il vole à une vitesse supersonique (> à Mach 1), les vibrations sonores sont expulsées de part et d'autre de l'appareil, il se crée alors un cône de choc. Puisque les vibrations accumulées devant le nez de l'appareil sont subitement libérées, on entend alors un "Bang" supersonique.
Tant que l'avion volera à une vitesse supérieure à celle du son, les vibrations sonores formeront toujours un cône de choc se déplaçant avec l'avion.

C/ Le bang supersonique :

1°) Explications:

On peut entendre "le bang" lorsqu'un avion se déplace à une vitesse supersonique (pas seulement au moment du passage du mur du son).
Lorsqu'un avion atteint le mur du son, à Mach 1, un piéton, par exemple, n'entend pas l'avion s'approcher parce que ce dernier va plus vite que les ondes sonores. Au lieu de se diffuser au devant de l'appareil, les ondes sonores forment une onde de choc derrière lui (cône).
Au passage du mur du son le piéton ressent un changement soudain dans la pression de l'air, et entend un "Boum" retentissant très caractéristique qui persiste tant que la vitesse de l'avion dépasse celle du son.

2°) Le problème du bang supersonique

Le bang supersonique est un problème majeur pour le Concorde, l’effet au sol des ondes de choc est important sur des distances latérales d’environ 50km à la verticale de la trajectoire de l’avion. Ce « bang » interdit donc le vol en supersonique de pratiquement toutes les terres habitées d’où la nécessité du Concorde de posséder de bonnes performances à vitesse subsonique.

Plus l avion est large, grand, plus l’intensité du bang supersonique est intense. De plus, plus l'avion est à une altitude faible, plus le bruit sera intense car le son mettra moins de temps pour atteindre le sol. De même la pression et la température de l’air influent sur la vitesse de propagation du son.

D/Le cône supersonique :

1°) Explications:

Là où la pression est la plus forte, la vapeur d'eau présente dans l'air peut parfois se condenser brutalement et donner alors ce curieux phénomène.
Ce "nuage" se forme parfois quand l'air est suffisamment humide.

2°) Causes:

La singularité de Prandtl-Glauert( Ludwig Prandtl, Hermann Glauert), par laquelle une baisse soudaine de la pression de l'air se produit, est généralement acceptée comme cause du nuage de condensation apparaissant lorsqu'un aéronef passe le mur du son, mais cela est encore débattu. C'est un exemple de singularité mathématique en aérodynamique.

3°) Angle du cône:

Si on considère un avion suivant une trajectoire rectiligne, sa vitesse est constante et supérieure à celle du son. La succession des ondes sonores émises tout au long de son déplacement produit un cône de choc supersonique comme illustré sur les schémas suivants. Dans cet exemple, la vitesse de l'avion est égale à 1,5 fois la vitesse de propagation du son.
Le cône de choc est matérialisé par la tangente aux différents cercles correspondant à la propagation des ondes sonores, sur le schéma seuls trois cercles ont été représentés. Chaque cercle correspond à l'onde sonore émise alors que l'avion se trouvait au point de même couleur que le cercle.

Le demi-angle au sommet du cône de choc n'est pas quelconque, il est lié à la vitesse de propagation du son et à la vitesse de l'avion.

Pendant la durée t, l'avion a parcouru la distance :
vAvion x t
L'onde sonore a "parcouru" la distance :
vSon x t

La relation trigonométrique dans le triangle rectangle représenté ci-contre donne :

sinus (Alpha) = vSon / vAvion

Si la vitesse de l'avion est égale à celle du son, le demi-angle au sommet Alpha est égal à 90 °. Plus la vitesse sera élevée, plus l'angle Alpha sera aigu.

Cette relation peut être utilisée pour déterminer la vitesse d’un objet supersonique dès lors que le cône de choc est matérialisé d'une façon ou d'une autre.

Développeurs: Tom CORDONNIER
Lucas NAGEOTTE