Les avions de chasse, les missiles, les fusées, sont capables de dépasser la vitesse du son. On dit qu’ils passent le mur du son. Ce dernier est accompagné d’un gros « BOUM », qui en fait sursauté plus d’un. Mais d’où vient-il ? Comment se forme-t-il, et est-ce vraiment un « mur » ?

Des ondes de pression

Un objet soumis à un écoulement uniforme perturbe ce dernier. En effet, lorsque l’écoulement rencontre un obstacle, des ondes de pressions provenant de l’objet et se propageant dans le fluide sont émises dans toutes les directions. Lorsque les particules fluides rencontrent l’obstacle, ces dernières vont être perturbées (changement local de pression). Cette perturbation va se propager de proche en proche, de particules en particules, à une vitesse qui dépend des caractéristiques du fluide et de sa température : la vitesse du son. Cette variation locale de pression va se propager sous forme d’une onde : c’est une onde de pression, ou plus familièrement, du son !

Bien sûr, seules quelques ondes de pression sont représentées sur le schéma. En réalité, elles sont très rapprochées et très nombreuses. Par manque de place, je n’en ai représenté que quelques-unes.

Influence de la vitesse de l’objet dans le fluide

Prenons un avion se propageant dans l’air, à une vitesse de croisière inférieure à la vitesse de son.

Écoulement subsonique

L’avion perturbe localement l’écoulement autour de lui, ce qui va générer des ondes de pressions en forme de sphère car l’onde est émise dans toutes les directions. Ces dernières sont d’intensités modérées car elles sont séparées : elles n’ont pas eu le temps de s’additionner. En effet, la vitesse de propagation de ces ondes est grande devant celle de l’avion. Imaginons qu’une onde soit émise à l’instant t, et une deuxième à l’instant t+dt. L’avion s’étant déplacé pendant l’intervalle dt, elles ne proviennent pas du même endroit. Or, l’avion ne s’est pas déplacé suffisamment pour que les ondes se superposent.

Imaginons maintenant que l’avion vole à une vitesse identique à celle du son (ou plus précisément de la vitesse de la propagation qu’il génère autour de l’écoulement).

Mur du son atteint

A cette vitesse, l’avion rattrape les ondes de pression qu’il émet. En effet, on peut utiliser l’analogie du poisson à contre-courant : si ce dernier nage à contre-courant à la même vitesse que la rivière, il fera du surplace ! C’est exactement la même chose pour les ondes de pression. Lorsqu’une onde est émise, le « devant » de l’onde (appelé front d’onde) fait du surplace par rapport à l’avion, car ce dernier vole à la même vitesse. Les ondes de pressions vont stagner au même endroit : elles vont se sommer. Nous aurons donc une onde de pression de grande intensité : c’est une onde de choc.

La présence de l’onde de choc devant l’avion est ce qu’on appelle le mur du son.

Imaginons maintenant que notre avion dépasse la vitesse du son. L’avion va plus vite que les ondes de pression qu’il émet.

Mur du son dépassé

L’avion va donc « dépasser » les ondes qu’il émet. Les fronts d’ondes vont s’ajouter en formant un cône. Cela va générer deux onde de choc, des deux côtés de l’avion. (Même si elles se croisent, les fronts d’onde ne s’ajoutent pas derrière l’avion car elles sont perpendiculaires). Le mur du son a été passé. De plus, sur certaines images d’avion passant le mur du son, on peut voir une sorte de nuage autour de ce dernier. Cela est dû à la condensation de l’eau (passage de l’état gazeux à l’état liquide) causée par l’augmentation de pression de l’air au niveau de l’onde de choc.

Un bruit d’explosion

Le gros « BOUM » que vous entendez est le passage de l’onde de choc au niveau de vos oreilles. En effet, à l’extérieur du cône de Mach, vous n’entendez rien. Au passage de l’onde de choc, vous entendez comme une explosion causée par l’importante variation de pression de l’air. (Oui, une onde de choc n’est rien qu’un très gros bruit). Enfin, à l’intérieur du cône, vous entendrez le son des moteurs et des perturbations dans l’air.

Le mur du son est donc le phénomène d’onde de choc causée par le passage d’un objet dans un fluide, propulsé à une vitesse supérieure ou égale à la vitesse du son.