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Mur du son
Pour les articles homonymes, voir Mur (homonymie).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.
Sommaire
Explication du phénomène
Un McDonnell Douglas F/A-18 de l'US Navy à vitesse supersonique. Le nuage est dû à la singularité de Prandtl-Glauert.
Quand un mobile atteint la vitesse du son dans un fluide (comme un avion dans l'air par exemple), 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). (*) Regroupement d'ailleurs plus rapide sur les avions modernes, la section de l'avion étant ajustée de manière qu'il n'y ait pas de discontinuité de la section globale de l'avion, ce qui se traduit notamment par un pincement du fuselage à la jonction avec les ailes ("loi des aires").
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.
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-S1 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.
En pratique
Depuis l'arrêt du Concorde en 2003, seuls des avions militaires atteignent des vitesses supersoniques. De nos jours, il est très rare d'entendre le bang d'avions passant le mur du son, notamment en raison des réglementations sur le bruit. Lorsque cela arrive, c'est assez exceptionnel pour être mentionné par les médias[1].
Notes et références
Voir aussi
Liens externes
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