Le son dans la mer

• Le son se propage bien sous l'eau

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).

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).

Figure 3.13 : Absorption de l'énergie acoustique à différentes fréquences dans de l'eau de mer pour une température et une pression particulière. On met en évidence les effets cumulés de la relaxation du sulfate de magnésium et de l'acide borique. 

• La vitesse du son

La vitesse de propagation des ondes acoustiques est donnée par :

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, 7 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 :

• 4,5 m.s-1 par °C,
• 1,3 m.s-1 par unité de salinité,
• 16 m.s-1 par 1000 m.

Figure 3.14 : un exemple de variation de la vitesse du son en fonction de la profondeur dans l'atlantique. De gauche à droite : 1) température, 2) salinité, 3) influence de la température, de la salinité et de la pression sur la vitesse du son (référence T = 0°C, S = 35, z = 0), 4) vitesse du son. On note la faible influence des variations de salinité, l'influence de la température dans la couche supérieure et l'influence de la pression en profondeur. 

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.

• Propagation des ondes acoustiques

Figure 3.15 : propagation de rayons acoustiques émis à partir d'une source à 900 m de profondeur. En pointillés : rayon émis vers le haut (0 à 7°); en traits pleins : rayons émis vers le bas (2 à 12°). A gauche le profil de vitesse du son correspondant 

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.

Figure 3.16 : propagation des rayons acoustiques au voisinage de la surface dans une couche de mélange. Notez l'existence d'une zone d'ombre jamais atteinte par les ondes acoustiques 

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).