Le
son se propage bien sous l'eau
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Le son et la lumière
ont des comportements très différents, bien que tout deux
puissent être considérés comme des ondes. La lumière,
composée d'énergie électromagnétique, se propage
mieux dans le vide, et en général de moins en moins bien
dans les milieux de densité croissante. Le son est constitué
d'énergie acoustique due aux vibrations du milieu parcouru. En général
le son se propage mieux dans les solides et les liquides que dans les gaz,
et pas du tout dans le vide.
Les longueurs d'onde couramment rencontrées dans l'océan
s'étendent du millimètre à environ 50 mètres.
La vitesse du son dans l'eau étant approximativement égale
à 1500 m.s-1, cela correspond à des fréquences
de 30 Hz à 1,5 Mhz (la limite audible pour l'homme est de 20 Khz).
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figure 3.13 : absorption
de l'énergie acoustique
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Le son se propage particulièrement bien sous
l'eau, l'atténuation due à l'absorption et à
la diffusion est beaucoup plus faible que pour les ondes électromagnétiques.
Les ondes acoustiques constituent le meilleur moyen de transmission sous
l'eau.
La diffusion, due à la réflexion du son par les
particules en suspension et les bulles d'air est pratiquement indépendante
de la fréquence. L'absorption due à la conversion
d'énergie acoustique en chaleur et énergie chimique dépend
par contre fortement de la fréquence. Aux hautes fréquences
l'absorption est principalement due à la viscosité de l'eau,
alors qu'aux basses fréquences, elle est due à la relaxation
de l'acide borique B(OH)3 et du sulfate de magnésium
MgSO4. Le processus de relaxation consiste en l'absorption d'énergie
par changement de structure moléculaire au passage de l'onde acoustique
et conduit à la dissociation des molécules et hydratation
des ions (figure 3.13).
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La
vitesse du son
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La vitesse de propagation des
ondes acoustiques est donnée par :
avec coefficient
de compressibilité de l'eau de mer.
La vitesse du son peut être obtenue à partir de l'équation
d'état de l'eau de mer (IES 80), mais il existe de nombreuses
formules simplifiées. A titre d'exemple on donne la formule suivante
:
c vitesse du son en m.s-1, T température en °C, S salinité, p la pression en Pa. En général on considère que la pression est hydrostatique, ce qui permet de remplacer dans la formule précédente le dernier terme par 0,016 z ( z la profondeur en m). A T = 0 °C, S = 35 , z = 0, on trouve c = 1449,2 m.s-1. Dans ces conditions, la vitesse du son augmente d'environ :
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figure 3.14 : exemple de variation de la vitesse du son en fonction de la profondeur dans l'atlantique. |
Comme le montre la figure
3.14, dans les couches supérieures de l'océan la température
varie fortement et est la première cause de variation de la vitesse
du son. En profondeur c'est la pression. Les variations de la salinité,
généralement faibles, ont peu d'effet.
La diminution de la température et l'augmentation de la pression
avec la profondeur ont des effets inverses et conduisent généralement
au profil caractéristique de la vitesse du son de la figure
3.14 avec un minimum au voisinage de 1000 m.
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Propagation
des ondes acoustiques
figures 3.15 et 3.16 : exemples de propagation |
Lorsqu'une onde acoustique
se propage dans l'eau de mer, elle est soumise à de multiples réfractions
au fur et à mesure que la densité de l'eau varie. Ces réfractions
peuvent êtres mises en évidence en suivant un " rayon " émis
dans une direction et constamment perpendiculaire au front de l'onde. Un
exemple est donné figure 3.15
pour un profil de vitesse du son présentant un minimum à
900 m de profondeur dans un milieu homogène horizontalement. Le
rayon en se propageant est systématiquement dévié
vers la zone pour laquelle la vitesse du son est la plus faible. On constate
dans ce cas un phénomène de guide d'ondes, au voisinage
du minimum.
Dans certains cas, le profil de vitesse du son peut présenter
un maximum local, par exemple dans le cas d'une couche de surface bien
mélangée (température constante sur plusieurs dizaines
de mètres). Les rayons acoustiques sont alors déviés
vers la surface dans la partie supérieure, et vers le fond dans
la partie inférieure. Il existe une " zone d'ombre " jamais atteinte
par les rayons (figure 3.16).
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Applications
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Compte tenu de la faible atténuation
des ondes acoustiques, il existe de nombreuses applications pour l'acoustique
sous marine : citons la détection sous marine, à l'aide
de SONAR (émetteur - récepteur), et la tomographie
qui permet à l'aide d'un émetteur et d'un récepteur
distants de mesurer le temps de propagation d'une onde acoustique et d'obtenir
une information sur la répartition des densités sur le trajet
parcouru, pour ensuite en déduire les mouvements d'eau en profondeur.
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