TPE
Le son
Peut-on voir un son?
TPE réalisé par Nicolas, Amaury et Martin
1èreS2 2013/2014
La Providence, Amiens
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A) Le "mur" du son.
1- Les différentes vitesses dans l'air.
Dans les paragraphes suivants, nous prenons l'exemple de l'avion qui est le plus souvent utilisé pour franchir le mur du son.
Nous étudierons les différentes vitesses qui permettront d'atteindre le "mur du son".
A l'arrêt, les ondes sonores se dispersent à la même vitesse dans toutes les directions puisque l’avion est immobile. Ces dernières sont, par définition, rondes et également espacées.
Ces ondes sont alors comparables aux ondulations de l'eau autour d'un bateau lorsque ce dernier est à l'arrêt.
a) Avion à l'arrêt.
b) Avion à vitesse subsonique.
Lorsqu'un avion est à moins de 340m/s, sa vitesse est dite subsonique, les ondes sonores commencent à se rapprocher au nez de l'appareil.
Ce phénomène est encore une fois comparable à un bateau à basse vitesse.
c) Avion à vitesse transsonique.
Un avion à vitesse transsonique vole à une vitesse située entre Mach 0.8 et Mach 1.2.
C'est à cette vitesse que les aviateurs rencontrèrent les premières difficultés : le "mur du son" resta très longtemps infranchissable!
En effet, à cette vitesse, les ondes sonores s'accumulent au nez de l'avion et deviennent tangentes rendant l’appareil très instable.
Les ondes se chevauchent créant alors un phénomène de résonnance (phénomène physique selon lequel certains systèmes sont sensibles à certaines fréquences ). L'avion est alors soumis à des oscillations de plus en plus fortes entraînant, soit un stade d'équilibre entre l'avion et les ondes, soit une rupture d'un des éléments de l'appareil. Ce phénomène s'est déjà appliqué à des ponts qui furent complétement déruits (ex : Pont de Tacoma, Etats-Unis).
Certains appareils parmi les premiers ont été complètement disloqués par cette résonnance ce qui causa la mort de douzaines de pilotes.
Si l'avion veut traverser ce mur d'onde, il doit alors accélérer très fortement. Ce mur formé par les ondes sonores est bien sûr appelé "le mur du son". Les ondes alignées forment un mur.
Les ondes sonores forment un "mur", l'avion doit alors accelérer pour le "percer"
d) Avion à vitesse supersonique.
Lorsque l'avion dépasse les 340m/s, il dépasse le mur du son : le son qu'il crée en volant est derrière lui et ne le rattrape pas, sauf si l'avion décélère. Lors du dépassement du mur du son, un phénomène caractéristique se produit, les ondes derrière l'appareil s'alignent en forme de cône qui est appelé cône de Mach, visible sur la photo à droite. Le cône est identifiable au sillage d’un bateau, le sillage correspondant aux ondes sonores. Le cône est délimité par deux lignes appelées lignes soniques ( ligne réunissant autour d’un corps tous les points où la vitesse du fluide est égale à la vitesse du son ).
L’angle à l’origine des lignes soniques est appelé l’angle de Mach. Plus la vitesse de l’avion sera importante, plus l’angle de Mach sera aigu et par conséquent les lignes soniques seront rapprochées. Plus un bateau va vite, plus son sillage est étroit.
e) Vitesse hypersonique.
Certains avions sont capables de voler à une vitesse hypersonique qui équivaut à plus de Mach 5. Ce terme est plus souvent utilisé pour parler des fusées. Par exemple la fusée Apollo 10 a atteint une vitesse de 39000 km/h ce qui équivaut à Mach 32.