Briser le mur du son

Comme nous l’avons vu dans l’article précédent [1], lorsqu’une explosion est plus rapide que la vitesse du son, une onde de choc est crée, avec un bang supersonique. Je n’ai alors pas détaillé ce phénomène. Donc je vais le faire maintenant en expliquant ce qu’il se passe lorsqu’un objet produisant du son devient supersonique.

Propriétés du son

Un son est une onde mécanique se déplaçant dans un milieu [2]. Elle est caractérisée pas une sinusoïde avec une intensité et une période.

Une source statique produisant du son émet cette sinusoïde dans toutes les directions, dans une forme similaire aux vaguelettes sur une surface d’eau, mais en trois dimension. Dans la figure suivante, les cercles représentent les pics de sinusoïde.

La vitesse du son n’est pas absolue mais relative au milieu dans lequel il est et se note Mach 1. La vélocité va donc être différente quand le son se propage dans l’eau par rapport à quand il se propage dans l’air. Dans l’air, à 15°C et 0% d’humidité, la vitesse du son est égale à 340,3 mètres par seconde.

Effet Doppler

Cependant, une source sonore n’est pas toujours statique. Quand un objet est en mouvement, l’onde se propagera depuis la nouvelle position, comme illustré dans la figure suivante.

L’on distingue deux parties intéressantes dans cette figure.

Tout d’abord, sur la gauche, la distance entre le même point de deux cercles est plus grande que pour la source statique. Transposé en une sinusoïde, cela résulte en une courbe avec une plus grande période, donc une fréquence plus faible. Fréquence plus faible signifie son plus grave. C’est pour cela qu’un objet s’éloignant sonne plus grave qu’il ne devrait.

Ensuite, sur la droite, la distance entre le même point de deux cercles est plus petite que pour la source statique. Transposé en une sinusoïde, cela résulte en une courbe avec une plus petite période, donc une fréquence plus élevée. Fréquence plus élevée signifie son plus aigu. C’est pour cela qu’un objet s’approchant sonne plus aigu qu’il ne devrait.

L’effet Doppler est la caractérisation de ce changement de fréquence entre un observateur (nous ou un instrument de mesure) et une source sonore se déplace de manière relative. Cet effet est le même que ce soit l’observateur ou la source sonore qui se déplace. C’est ce qui arrive lorsqu’une ambulance passe près de vous.

Mach 1 et plus

Le nombre de Mach est calculé avec l’équation suivante :

Mach 1 est équivalent à la vitesse du son. Lorsqu’un objet atteint Mach 1, il brise le mur du son, créant un bang supersonique, et l’on obtient un front d’onde comme sur la figure suivante :

Ce front d’onde est l’onde de choc. Quand la vitesse de l’objet augmente encore, il devient supersonique et la propagation de l’onde continue d’être retardé derrière l’objet :

L’angle de l’onde de choc que l’on observe est égal à 1/Ma, l’inverse du nombre de Mach. Nous sommes capable d’observer à l’œil nu la forme de cône de l’onde de choc.

Dernière chose, le bang supersonique ne se produit pas uniquement lorsque l’objet atteint Mach 1 et se propage depuis l’endroit où il l’a atteint. En fait, il est audible tout le long du bord de l’onde de choc en forme de cône.

Objets rapides

Il y a des objets qui sont capables d’aller assez vite pour atteindre la vitesse du son et briser le mur du son. Nous allons passer en revue certains d’entre eux.

Le premier qui me vient en tête lorsque je pense à un objet très rapide est l’avion supersonique. Ces avions militaires peuvent aller jusqu’à Mach 3 [3]. D’une façon très similaire, les navettes spatiales peuvent aussi être supersoniques.

Les balles, à la vitesse à la bouche (la vitesse lorsque la bulle quitte le bout du canon de l’arme), peut atteindre 370 m/s et donc être plus rapide que la vitesse du son (340,3 m/s). Cela résulte en un bang supersonique en plus du son du coup de feu.

Un autre objet, plus commun, peut aussi être supersonique, et celui-ci pourrait vous surprendre. Je parle du fouet, en particulier du bullwhip. Lorsqu’il est lancé, le bout du fouet va dépasser la vitesse du son et créer un petit bang supersonique.

Même si c’est amusant d’imaginer Indiana Jones briser le mur du son ou impressionnant de regarder un avion atteindre Mach 1, les bangs supersoniques et les ondes de chocs peuvent être dangereux pour les tympans ou pour les constructions lorsqu’ils sont produits par des objets massifs.

Références

[Figures de propagation des ondes sonores] Ejs Open Source 1 Dimension Doppler Effect Sound Wave Java Applet | Open Source Physics @ Singapore, https://weelookang.blogspot.com/2011/09/ejs-open-source-1-dimension-doppler.html

[1] All You Need Is Science, Comment se déclenche une explosion ?

[2] All You Need Is Science, Do Ré Mi Fa Sol La Sinusoïde 🎶 (partie 1)

[3] NASA Armstrong Fact Sheet: Sonic Booms | NASA, https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-016-DFRC.html