Pourquoi la barrière du son gronde-t-elle ?

L'image populaire est celle d'un avion traversant un mur de son avec une seule détonation. La réalité est un phénomène continu. Tout avion supersonique traîne derrière lui un cône d'ondes de choc, et le bang sonique est le bruit de ce cône balayant le sol. Un auditeur entend une détonation quand le cône passe, mais un autre auditeur à 10 km plus loin sur la trajectoire l'entend quelques secondes après, et ainsi de suite pendant tout le vol supersonique. L'équipage n'entend rien, car le cône reste derrière lui ; un chasseur à Mach 1,5 laisse un tapis de bang sonique d'environ 30 à 50 km de large sous sa trajectoire.

Aux vitesses subsoniques, les perturbations de pression précèdent l'avion et se propagent en douceur. Au-delà de Mach 1, elles ne peuvent plus devancer leur source, donc elles s'empilent pour former des ondes de choc, des surfaces fines où la pression bondit presque instantanément. Loin de l'avion, les nombreux chocs individuels du nez, du cockpit, des ailes et de la queue fusionnent en deux : un choc avant où la pression monte brusquement et un choc arrière où elle remonte brutalement après une chute. Représentée en fonction du temps, cette forme est un N, et l'oreille répond aux deux changements brusques par une double détonation séparée d'un dixième de seconde chez un chasseur, et davantage chez un avion de ligne. Le bang sonique du Concorde a été mesuré autour de 100 Pa de surpression au sol, suffisant pour faire vibrer les vitres.

Le moment de l'accélération à travers Mach 1 peut produire un bang concentré. À mesure que l'avion accélère, les chocs générés à des vitesses légèrement différentes atteignent le sol simultanément dans une zone étroite, et la surpression y peut être plusieurs fois supérieure à la valeur en régime stable. C'est l'origine de l'idée que la barrière elle-même gronde. Le temps ajoute une autre variante : les gradients de température et de vent réfractent le choc, si bien qu'un bang peut être entendu loin de la trajectoire ou, à des nombres de Mach supersoniques faibles, ne jamais atteindre le sol, le choc se courbant vers le haut avant d'y arriver.

Comme le bang suit l'avion partout, la plupart des pays ont interdit le vol supersonique civil au-dessus des terres dans les années soixante-dix, confinant le Concorde à des routes océaniques. L'expérience X-59 de la NASA inverse la question : en allongeant le fuselage et en plaçant le moteur et l'aile de façon que les chocs individuels ne fusionnent jamais en une onde en N marquée, l'objectif est un coup sourd d'environ 75 décibels perçus, comparable à la portière d'une voiture qui se referme à distance.