Quelques notions

Pour pouvoir suivre sans problèmes dans la suite du site, il faut d’abord acquérir quelques notions d’aéronautique. Ainsi nous allons décrire les différents composants de l’avion, ainsi que quelques principes appliqués aux ondes sonores.

I.                   Les différents composants de l’avion

Avion de ligne : désigne un appareil utilisé pour le transport de passagers sur des bases commerciales. Ils sont, le plus souvent, exploités par des compagnies aériennes qui en sont propriétaires ou locataires et desservent des lignes régulières.

Nez : avant d’un fuselage d’avion ayant des répercussions sur l’aérodynamisme  

Turboréacteur : moteur de turbine à gaz fournissant directement, par éjection à grande vitesse de gaz chauds, la poussée nécessaire à la propulsion de l’avion.

Réservoir à carburants : contenant où est stocké le carburant.

Aile : surface horizontale sur laquelle s'exercent les forces aérodynamiques de portance assurant la sustentation d'un avion (aussi appelée Voilure).  

Aileron : pièce mobile placée à l'arrière de l'aile de l'avion qui, commandée par le manche à balai, permet à l'avion de virer.

Volet d’atterrissage : pièce mobile placée à l'arrière de l'aile de l'avion qui permet de modifier les conditions de vol.

Fuselage : corps fuselé d'un avion ou d'un planeur, reliant les ailes à l'empennage et constituant généralement l'habitacle de l'appareil.

Stabilisateur : dispositif qui corrige automatiquement les erreurs et les écarts et qui assure la stabilité de l'avion.

Dérive : partie fixe de l'empennage vertical d'un avion servant à l’empêcher de dériver.

Gouvernail de profondeur : dispositif servant à faire monter et descendre l'avion.

II.        Les ondes et le son

1. Les ondes : Généralités

Une onde désigne, en général, la propagation de proche en proche, à une vitesse finie, de la perturbation d'une certaine grandeur physique. Elle produit sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales du milieu, celui-ci pouvant être matériel ou vide. L'onde transporte de l'énergie sans toutefois transporter de matière. 

Ainsi, prenons pour exemple une vague : Celle-ci se déplace mais l'eau reste au même endroit, elle ne suit pas la vague et se contente de se déplacer verticalement. La vague transporte alors horizontalement l'énergie du vent de manière totalement indépendante du transport global de l'eau. Il en va de même pour un bateau placé sur l'eau, il reste à la même position sans se déplacer. (On part évidemment du principe qu'il n'y a aucun courant, celui ci correspondant à un déplacement horizontal de matière).

De plus, pour qu'une onde se propage, il faut que :

- le milieu avoisinant permette la propagation de l'onde, ainsi les rayons X se propagent dans les tissus mous mais pas dans les os.

- la source de l'onde soit dans un état vibratoire, par exemple une corde de guitare.

Il existe 2 grandes familles d'ondes :

- Une onde longitudinale vibre le long de sa direction de propagation. Elle correspond par exemple à la propagation du son dans l'eau ou encore à celle d'une onde sur un ressort tendu.

- Une onde est transversale lorsque le phénomène est perpendiculaire à la direction de propagationde l'onde. C'est le cas du déplacement des points d'une corde ou du champ magnétique d'une onde électromagnétique.

Une onde se caractérise par 4 caractéristiques principales : 

- L'amplitude A est le maximum atteint, en valeur absolu, par la grandeur qui oscille.

- La longueur d'onde λ est la distance minimale qui sépare, le long de la direction de propagation, 2 points se situant exactement dans le même état d'oscillation. C'est à dire la distance entre 2 "bosses" ou 2 "creux". Ainsi, plus la longueur d'onde est petite, plus la succession de "bosses" ou de "creux" est rapide.

- La fréquence ν est le nombre d'oscillations par cycle de temps. C'est-à-dire, le nombre de "creux" ou de "bosses" qui se succèdent en 1 seconde au même endroit.

- Le sens de propagation

La vitesse de l'onde se trouve grâce à la relation : v = λ × ν et elle s'exprime en m.s^-1

La notion d'onde est un concept unificateur, il en regroupe une grande variété :

- Les ondes de choc, c'est le cas lors d'une explosion

- Les ondes électromagnétiques, telles la lumière ou les ondes radio

- Les ondes gravitationnelles

- Les ondes mécaniques comme les ondes sismiques, les vagues et, celle qui nous intérresse particulièrement : le son.

2. Le son

Le son est une onde mécanique, cela veut dire qu'il ne peut se déplacer que dans un milieu matériel. Il est produit par la vibration mécanique d'un support, fluide ou solide. Elle se propage grâce à l'élasticité du milieu environnant ; un milieu élastique est un élément qui peut se déformer sous l'action d'une contrainte mécanique (une force) et reprendre sa forme initiale lorsque cette contrainte disparaît. C'est un peu comme une éponge. Ainsi, le son se propage partout où il y a un support matériel, il est le résultat matériel des vibrations des molécules, ou des atomes, les un(e)s par rapport aux autres.

Le son est créé par une onde de compression longitudinale. Une onde de compression est le résultat de la compression et de la dilatation des molécules du milieu dans laquelle l'onde se propage, et ceci, de manière oscillatoire. Ce phénomène produit le son par oscillation de la pression locale. L'oscillation est la conséquence de 2 effets opposés :

- Lorsqu'une molécule bouge, elle bouscule la suivante qui se met alors en mouvement et bouscule encore la suivante, etc. Il y a diffusion du mouvement de proche en proche : c'est la force de rappel.

- L'inertie du milieu, qui s'oppose à la force de rappel en freinant le mouvement et ramenant les molécules dans leurs positions primitives.

Ainsi, seule la compression se déplace, les molécules, restent à leur place.

Le son se propage aussi dans les solides cristallins : il prend alors la forme d'une vibration d'atomes, les uns par rapport aux autres. Celle-ci étant transportée par une quasi-particule appelé phonon. (Une quasi-particule est un concept utilisé, en physique, pour décrire des systèmes en interaction dont le comportement peut être caractérisé par une particule plus ou moins libre). Là encore, seule la vibration se propage, les atomes ne font que vibrer très légèrement autour de leurs points d'équilibre.

Le son, comme toutes les ondes, est spécifié par 4 caractéristiques :

- La fréquence est déterminée par la vitesse à laquelle oscille la source du son et est exprimée en Hertz (Hz). C'est un des composant de la hauteur d'un son. Ainsi, plus une source oscille rapidement, plus la fréquence sera élevée et plus le son sera aigüe. L'oreille humaine perçoit les sons dans des fréquence comprisee entre 20 Hz et 20 000 Hz.

- L'amplitude, correspondant aux variations de pressions de l'onde dans l'air, est exprimée en décibels (dB). C'est une grandeur sans dimensions basée sur une échelle logarithmique. Ainsi lorsqu'un son augmente de 3 dB, sa puissance réelle a quant à elle doublée. Elle désigne donc l'intensité ou le volume d'un son. Les musiciens parlent de piano ou forte pour indiquer qu'un son est plus ou moins fort.

- La longueur d'onde

- La période

La vitesse de propagation du son dépend de nombreux facteurs dont principalement la masse volumique  et la constante d'élasticité ou de compressibilité du milieu de propagation. Ainsi, plus la masse volumique du milieu et sa compressibilité sont faibles, plus la vitesse du son est élevée. De même, le son se propage bien mieux sous des angles ascendants grâce aux changements de densité de l'air qu'à l'horizontal ; cette propriété est d'ailleurs connue et utilisée depuis l'antiquité notamment dans les théâtres grecs.

Voici quelques vitesses du son pour différents matériaux, pour une température de 20°C, sous une même pression et avec la même source sonore :

La température et l'altitude influent sur la vitesse du son, ainsi dans l'air à 100°C, le son se propage à 386 m.s^-1. Donc, plus la température augmente, plus le son se déplace rapidement.

On remarque aussi grâce au tableau que plus un milieu est rigide, plus la vitesse du son est importante.

3. Le mur du son et le Bang sonique

Tout le monde a dejà entendu parler de ce phénomène assez particulier qu'est le bang sonique : lorsqu'un avion (ou tout autres corps en mouvement) dépasse et vole à la vitesse du son , il produit de manière continue une onde de choc sous forme de bang supersonique, qui est une détonation très puissante.

Comme on l'a vu précédemment, le son est une onde, il est le résultat des variations de pression exercée par l'avion.

Lorsque l'avion est immobile, les ondes soniques s'éloignent de manière concentrique et à une vitesse constante. De même, si l'avion se déplace à une vitesse très inférieure à la vitesse du son, soit très inférieure à 1227 km.h^-1 au niveau de la mer et pour une température extérieur de 15°C, les ondes sonores ont toujours le temps de s'éloigner de l'avion. Le son parvient alors à un observateur au sol légèrement avant le passage de l'avion.

Plus l'avion accélère, plus les ondes qui se déplacent dans le même sens que lui, c'est-à-dire vers l'avant, ont du mal à le distancer. Le "cercle" formé par les ondes sonores est de plus en plus aplati vers l'avant.

Quand l'avion se déplace à la vitesse du son, soit à la même vitesse que les ondes, celles situées devant lui ne peuvent plus le distancer. Ces ondes s'accumulent perpendiculairement à la direction de vol. L'avion volant exactement à la même vitesse que le son, il "surfe" ainsi sur les ondes sonores qu'il a produit auparavant. C'est au nez de l'avion que se trouve alors la pression la plus forte, une énorme onde sonore se déplace donc en même temps que l'avion.

Lors des nombreuses tentatives effectuées pour dépasser la vitesse du son, les pilotes se sont rendus compte que, lorsqu'ils approchaient de la vitesse du son, l'avion subissait d'énormes vibrations, les commandes ne répondaient plus, certains élément se détachaient du fuselage. L'avion pouvait même se disloquer en plein vol. Cela s'explique par le fait qu'avec l'augmentation de la vitesse, la compression de l'air forme des ondes de choc qui pilonnent la structure de l'avion. Plusieurs pilotes sont d'ailleurs morts en essayant de franchir ce "mur de son". De nos jours, on a identifié tous les phénomènes impliquant l'avion durant un vol à vitesse supersonique mais ne dépassant pas 2450 km.h^-1. Il y a une augmentation du coefficient de trainée, réduction du coefficient de portance, déplacement du centre de poussée vers l'arrière de l'appareil, échauffement et dilatation de la structure.

Lorsque l'avion se déplace plus rapidement que la vitesse du son, il laisse derrière lui les ondes sonores qu'il a précédemment émises. Ainsi, le décalage progressif entre chaque onde donne la forme d'un cône tridimensionel, appelé cône de Mach. C'est uniquement sur les bords du cône que l'on peut entendre le fameux Bang sonique. Le pilote se trouvant à l'intérieur, il n'entend absolument rien. L'angle du cône dépend de la vitesse de l'avion : Vitesse de l'avion/Vitesse du son = 1/sinus de l'angle du cône. Cela veut dire que, plus la vitesse de l'avion est grande, plus le cône est étroit.

Contrairement aux idées reçues, le bang sonique ne représente pas le franchissement du mur du son, c'est le résultat des ondes produites par l'avion mais qui persistent à aller moins vite que lui. Le Bang continue donc de se faire entendre tant que l'avion vole à une vitesse supérieure à celle du son. Ce que nous entendons sont les chocs d'air comprimés qui produisent sur nos tympans le bruit de détonation. Eviter le bruit est toujours l'un des plus grands défis des constructeurs (voir Les nuissances sonores).

Lorsque le taux d'humidité dans l'air est important, on peux visualiser le passage du mur du son des appareils supersoniques par la condensation de l'eau, ce qui forme un cône blanc et donne des images spectaculaires :