Explication du phénomène

Le mur du son est un phénomène physique de nature acoustique. D’un point de vue physique, le son est une succession de vibrations. Ces vibrations correspondent aux molécules d’air qui s’entrechoquent les unes aux autres, créant une onde sonore qui se déplace jusqu’à notre oreille à la vitesse du son du milieu dans lequel elle se trouve. La vitesse du son (et donc des ondes sonores) varie en fonction du milieu, de la pression atmosphérique et de plusieurs autres paramètres météorologiques. Elle est d’environ 340 m/sec (soit 1224 km/h) dans l’air à 20°C. Elle s’exprime dans une unité de mesure , le Mach, qui permet de mesurer la vitesse d’un avion par rapport à la vitesse du son.

Le nombre de Mach correspond au rapport entre la vitesse V de l’avion et la célérité C du son dans le milieu considéré.

Lorsque le nombre de Mach est inférieur à 0.8, la vitesse est dite subsonique ; lorsque qu’il est compris entre 0.8 et 1.2 la vitesse est dite transsonique ; lorsqu’il est compris entre 1.2 et 5 elle est dite supersonique et au-delà elle est dite hypersonique.

La plage de vitesse transsonique marque l'arrivée de phénomènes particuliers comme l'augmentation de la traînée, la réduction de la portance, le déplacement brutal du centre de poussée vers l'arrière et l'échauffement de la structure.

 

Lorsqu’un avion vole, il met en mouvement les molécules d’air qu’il croise, produisant des ondes sonores.

En vitesse subsonique (V<Mach 1), les ondes émises par l’avion se déplacent plus vite que l’avion et se propagent tout autour de l’appareil. Cela correspond à ce qui se produit pour tous les avions de ligne, ceux-ci volant toujours en vitesse subsonique (sauf pour le Concorde et l'appareil soviétique Tupolev Tu144).

En vitesse transsonique (V environ égale à Mach 1), l'avion rattrape les ondes qu'il émet. Elles s’accumulent devant le nez de l’appareil, perpendiculairement à sa trajectoire, et forment une sorte de mur à cause de la pression qui est alors très élevée (surpression), le fameux « mur du son ».

Cette accumulation d'ondes produit au sol des effets sonores : les «  BANG ».

Pour franchir ce mur, l’appareil doit alors accélérer très fort ce qu’il peut faire grâce à la puissance fournie par la post-combustion. Ce système de poussée particulier consiste à injecter du kérosène après la turbine du moteur, ce qui l’enflamme et engendre une accélération intense.

Au passage du mur du son, un gros bang sonore se fait entendre. On dit que l’avion vole en vitesse supersonique : il se déplace plus vite que les ondes qu’il provoque. Ces ondes sonores se déplacent alors vers l’arrière de l’avion, de part et d’autre de l’appareil. Elles prennent la forme d’un cône, c’est un cône de choc. Plus l’avion vole vite, plus ce cône est étroit. Tant que l’avion vole en vitesse supersonique et que les ondes sonores persistent à aller moins vite que l’appareil, ce cône de choc restera formé et le bang sonore se fera toujours entendre. Ainsi, lorsqu’un avion vole en vitesse supersonique, on ne l’entend qu’après son passage.

 

Nous avons vu qu'une vitesse proche du mur du son (domaine transsonique) était à  l'origine de phénomènes particuliers qui affectent les parties constituantes de l'avion. On dit alors que l'avion a atteint sa vitesse critique. 

Le vol ne redevient normal qu'à condition que le fuselage et la voilure soient convenablement adaptés à la formation du cône, c'est-à-dire que l'avant du fuselage doit-être pointu, les bords d'attaque en lame de couteau et la voilure doit être en forme de flèche. Cependant, aucun moyen n'a été trouvé pour contrer la détonation produite par le bang sonique.

 

                     Perturbations en subsonique.pngPerturbations en sonique.pngPerturbations en supersonique.png                     

  






Cette animation interactive facilite la vision des ondes sonores suivant la vitesse. On distingue à droite un "machmètre", réglable de mach 0 (vitesse 0km/h) à mach 2 (2x la vitesse du son).

Les ondes sonores sont matérialisées par des lignes blanches s'éloignant de l'appareil à la vitesse du son, l'appareil étant symbolisé par le point rouge.

Les commandes "play" (de 2 côtés), "pause" et "stop" sont également disponibles, ainsi qu'un microphone (déplaçable avec le curseur de votre souris) permettant d'entendre les ondes sonores. Enfin, avec les fonctions "draw', "stop draw" et "clear", vous pouvez dessiner tout schéma.

 

La vitesse réglée à mach 1, on distingue sur le devant de l'appareil une concentration d'ondes sonores qui ne peuvent se détacher de l'appareil (comme le montre la fréquence de son), car celui-ci va précisément à la vitesse du son.

C'est ainsi notre phénomène qui est matérialisé, LE MUR DU SON.

Si vous placez le microphone au niveau de ce "mur" et que vous suivez le mouvement de l'appareil, vous entendrez une succession rapide d'ondes sonores dont le bruit se rapproche de celui d'une mitraillette. C'est donc cette concentration d'ondes très serrées qui fait un véritable mur.