Bang supersonique
Le bang supersonique caractérise le bruit causé par une onde de choc d'un objet physique comme un avion (ou le bout d'un fouet) qui atteint une vitesse supersonique , donc supérieure à celle du son.
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Causes
On peut définir pour tout milieu une vitesse de propagation des déformations mécaniques appliquées à ce milieu. Cette vitesse de propagation des déformations est appelée vitesse du son. Elle dépend des conditions qui règnent dans le milieu. On la note c (à ne pas confondre avec la vitesse de la lumière dans le vide). Par exemple, pour l'air, à une température de 20 °C et à une pression normale, cette vitesse est de 340 m/s. Si on déplace un mobile dans ce milieu, il est facile de comparer sa vitesse v à c :
- si on dit que la vitesse du mobile est subsonique ;
- si le régime est dit transsonique ;
- si le régime est dit supersonique ;
- si le régime est dit hypersonique.
Le bang supersonique se produit lorsque le mobile se déplace à une vitesse supérieure à la vitesse du son.
Origine physique du « bang » supersonique
Onde de pression sonore et onde de choc
Le « bang » supersonique est une onde qui est à la fois une pression sonore et un 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 brutalement marqué (le signal est quasi-rectangulaire).
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 dépasse (allant plus vite que le son) l'onde O0 qu'il avait émise à l'instant T0 . On montre facilement que les cercles O0 et O1 correspondant aux deux signaux T0 et T1 (qui s'élargissent avec le temps) ont constamment une intersection; alors qu'en deçà du mur du son, l'onde O1 reste constamment à l'intérieur de O0.
Au point d'intersection de ces deux cercles, les deux signaux se superposent. L'intersection des ondes fait que le signal est renforcé. Et l'avancement de l'avion étant continu, cette superposition des ondes ne se réduit pas à une intersection ponctuelle, mais forme une enveloppe continue dont on montre qu'elle forme un cône, le cône de Mach. Et à chaque instant Ti, ce cône se renforce du signal Oi survenu : tout se passe comme si l'avion 'accumulait sur son cône' la succession de chocs survenus depuis qu'il a passé la vitesse du son. Ce signal cumulé correspond donc 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. Cette accumulation en cône de surpressions constitue ainsi un 'mur de son' :
Au passage du cône (qui s'étend par définition à la vitesse du son), les molécules reçoivent brusquement cette forte surpression, il se crée alors un choc, le signal surpression / détente qu'une molécule reçoit ayant la forme d'un signal rectangulaire (le 'mur'). Ce mur reste évidemment inaudible tant qu'il n'a pas atteint l'observateur.
C'est l'alternance de pic de surpression et de la 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.
De ce fait, 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.
