Où la vitesse du son est-elle la plus élevée ?

Le son est une onde de pression transmise par des particules qui poussent leurs voisines. Sa vitesse dépend de deux facteurs : la résistance du milieu à la compression (sa rigidité, ou module de compressibilité) et la masse qu'il faut déplacer (sa densité). Plus un milieu est rigide et peu dense, plus l'onde se propage vite. C'est pourquoi l'acier, très rigide, transmet le son à environ 5 900 mètres par seconde ; l'eau, à environ 1 480 ; et l'air, très compressible, à 343 mètres par seconde à 20 °C. L'intuition selon laquelle un air dense « conduit mieux » est fausse : ce qui compte, c'est le rapport entre rigidité et densité, pas la densité seule.

Dans un gaz parfait, la rigidité et la densité augmentent ensemble avec la pression, si bien que la pression s'annule et que la vitesse du son ne dépend que de la température absolue et de la composition du gaz. Dans l'air sec, elle est d'environ 331 m/s à 0 °C et augmente d'environ 0,6 m/s par degré. À 40 °C, elle atteint environ 355 m/s ; dans la tropopause de l'atmosphère standard, à 11 000 m et -56,5 °C, elle chute à 295 m/s. Cette baisse explique pourquoi un avion de ligne en croisière à 850 km/h se situe autour de Mach 0,8 : la valeur de référence qui définit le nombre de Mach est plus faible en altitude. La composition compte aussi : dans l'hélium, léger et monoatomique, le son se propage à près de 1 000 m/s, ce qui explique pourquoi l'inhaler rend la voix plus aiguë ; dans l'hexafluorure de soufre, bien plus lourd, elle chute à environ 130 m/s.

La vitesse locale du son fixe le nombre de Mach, et celui-ci détermine l'apparition des ondes de choc, de la traînée d'onde et du buffeting. Le même avion, à la même vitesse propre, est plus proche du régime transsonique dans l'air froid en altitude que dans l'air chaud au niveau de la mer. C'est pourquoi les essais supersoniques historiques, comme celui du Bell X-1 en 1947, ont été réalisés en haute altitude : l'air froid abaisse la vitesse nécessaire pour dépasser Mach 1, et la densité plus faible réduit les charges sur la cellule. Les instruments d'un avion à réaction calculent en continu le nombre de Mach à partir de la température totale de l'air mesurée par une sonde installée sur le nez.

Le son se propage aussi dans le métal de l'avion lui-même, et cette vitesse bien plus élevée est à la base de l'inspection par ultrasons des lisses et des assemblages rivetés : une impulsion émise et son écho mettent quelques microsecondes à traverser l'épaisseur d'une pièce, et toute fissure se révèle par une réflexion précoce. Dans l'eau de mer, à environ 1 500 m/s, les avions de patrouille maritime s'appuient sur des bouées sonar et des sonars. Ainsi, selon l'endroit où l'on regarde, le même phénomène physique est lent dans la cabine, rapide dans l'aile, et encore plus rapide sous la mer.