vignette|Simulation acoustique dans un environnement océanique simple.
L'acoustique sous-marine est l'étude de la propagation du son dans l'eau et de l'interaction des ondes mécaniques constituant le son avec l'eau, son contenu et ses frontières. L'eau peut être l'océan, un lac, une rivière ou un réservoir. Les fréquences typiques de l'acoustique sous-marine sont comprises entre 10 Hz et 1 MHz. La propagation du son dans l'océan à des fréquences inférieures à se poursuit dans les fonds marins, tandis que les fréquences supérieures à sont rarement utilisées car elles sont absorbées très rapidement. L'acoustique sous-marine est parfois connue sous le terme hydroacoustique.
Ce domaine est étroitement lié à d'autres domaines d'études acoustiques, tels que le sonar, la transduction, le traitement du signal acoustique et la bioacoustique.
Histoire Les mammifères marins utilisent le son sous-marin depuis probablement des millions d'années. L'étude de l'acoustique sous-marine commença en 1490, quand Léonard de Vinci écrivitUrick, Robert J. Principles of Underwater Sound, édition. New York. McGraw-Hill, 1983. :
En 1687 Isaac Newton écrivit Philosophiae naturalis principia mathematica Principes mathématiques de la philosophie naturelle, , sur Gallica, trad. française de la marquise du Châtelet (1706-1749). et Principes mathématiques de la philosophie naturelle, tome II, sur Gallica, trad. française de la marquise du Châtelet (1706-1749)., qui contient le premier traité mathématique sur le son.
En 1826, Daniel Colladon, physicien suisse, et Charles Sturm, mathématicien français mesurèrent sur le lac de Genève la différence de temps d'arrivée entre un éclair de lumière et le son d'une cloche de bateau immergée en utilisant une corne d'écoute sous-marineC. S. Clay & H. Medwin, Acoustical Oceanography (Wiley, New York, 1977) sur une distance de . Ils évaluèrent la vitesse du son à , fournissant ainsi la première mesure quantitative de la vitesse du son dans l'eauAnnales de chimie et de physique 36 236 (1827). Le résultat obtenu était précis à environ 2 % de la valeur réelle.
En 1877 Lord Rayleigh écrivit La Théorie du son et établit la théorie acoustique moderne.
Au début du , les appareils de signalisation sous-marine permettent, même par temps sans visibilité (brouillard, neige, etc), aux navires équipés de se situer par rapport à des stations côtières, des bouées-cloche, des bateaux-phare ou des navires émetteurs de signaux. Les sociétés d'assurance exigent vers 1907 que la mention "Sub.Sig." soit apposée dans les registres de classification pour les bateaux équipés de cette technologie révolutionnaire.
Le naufrage du Titanic en 1912 et le début de la Première Guerre mondiale déclenchèrent une nouvelle vague de progrès dans l'acoustique sous-marine. Des systèmes de détection d'icebergs et de sous-marins furent développés. De nombreux brevets portant sur les sonars furent déposés en Europe et aux États-Unis, jusqu'à l'echo-ranger de Reginald Fessenden en 1914. Durant cette période Paul Langevin en France et A B Wood et associés en Angleterre réalisèrent le travail de pionnierA. B. Wood, From the Board of Invention and Research to the Royal Naval Scientific Service, Journal of the Royal Naval Scientific Service Vol. 20, No 4, (185–284).. Les sonars (SOund Navigation And Ranging) actifs ASDIC et passifs furent développés pendant la guerre à partir de 1917, du fait de l'efficacité des U-Boot pour perturber l'approvisionnement maritime de l'Europe.. L'acoustique sous-marine conduisit notamment à développer des mines acoustiques.
En 1919 fut publié le premier article scientifique sur l'acoustique sous-marine., donnant un modèle mathématique de la réfraction des ondes acoustiques par les gradients de température et de salinité dans l'océan. Des mesures de pertes de propagation validèrent expérimentalement les calculs de cet article.
Les deux décennies suivantes virent le développement de plusieurs applications d'acoustique sous-marine. L'écho-sondeur fut développé commercialement pendant les années 1920. Les premiers transducteurs utilisaient des matériaux naturels, mais dans les années 1930 des transducteurs piézo-électriques réalisés en matériaux synthétiques les remplacèrent dans les systèmes d'écoute passive et les systèmes de sonars actifs, utilisés avec succès pendant la Seconde Guerre mondiale sur les sous-marins et les frégates anti sous-marines. Le livre Physics of Sound in the Sea, publié en 1946 rassemble les avancées en acoustique sous-marine de l'époque de la guerre.
Après la Seconde Guerre mondiale, la guerre froide stimula le développement des systèmes sonars, menant à des avancées dans la compréhension théorique et pratique de l'acoustique sous-marine, aidée des techniques utilisant les ordinateurs.
Théorie
Ondes acoustiques dans l'eau Une onde acoustique se propageant dans l'eau consiste en l'alternance de compressions et de raréfactions de l'eau. Ces compressions et raréfactions sont détectées par un récepteur, comme l'oreille humaine ou un hydrophone, comme des variations de pression. Ces ondes sont d'origine humaine ou naturellement générées.
Vitesse de son, densité et impédance La vitesse du son , appelée également célérité du son (i.e. le mouvement longitudinal du front d'ondes) est liée à la fréquence et la longueur d'onde d'une onde par la relation suivante: .
Cette grandeur diffère de la vitesse particulaire , correspondant au mouvement des molécules dans le milieu dû au son. Celle-ci s'exprime par la relation entre la pression acoustique de l'onde plane , la densité du fluide et la vitesse du son :
Le produit de la formule précédente est appelé impédance acoustique. La puissance acoustique par unité de surface est appelée intensité acoustique, et pour une onde plane l'intensité moyenne est donnée par: , où est la racine carrée de la pression acoustique.
À , la longueur d'onde dans l'eau est d'environ .
L'écart important d'impédance entre l'eau et l'air (le ratio est d'environ 3600) et le niveau de rugosité de la surface a pour conséquence que la surface de l'eau se comporte comme un réflecteur parfait du son à des fréquences inférieures à . La vitesse du son dans l'eau est 4,4 fois plus importante que celle dans l'air, et le rapport de densité est d'environ 820.
Absorption du son L'absorption du son de basse fréquence est faibleR. E. Francois & G. R. Garrison, Sound absorption based on ocean measurements. Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption, J. Acoust. Soc. Am. 72, 1879–1890 (1982).. (voir Technical Guides – Calculation of absorption of sound in seawater pour un outil de calcul en ligne). La cause principale d'atténuation du son dans l'eau douce, et à fréquence élevée dans l'eau de mer (au-delà de ), est la viscosité. Les principales contributions additionnelles aux fréquences plus faibles dans l'eau de mer sont la relaxation ionique de l'acide borique (jusqu'à ) et du sulfate de magnésium (de à ) R. E. Francois and G. R. Garrison, Sound absorption based on ocean measurements. Part I: Pure water and magnesium sulfate contributions, J. Acoust. Soc. Am. 72, 896–907 (1982)..
Le son est également atténué du fait des pertes aux frontières du fluide. Près de la surface de la mer, une couche de bulles ou la glace peut accentuer les pertes, tandis qu'au fond de la mer le son peut pénétrer les sédiments et être atténué.
Réflexion et diffraction du son
Interactions aux limites du milieu
Surface La frontière eau/air peut être considérée comme un réflecteur quasi parfait. L'écart d'impédance est tellement élevé qu'une très faible part de l'énergie traverse la frontière. La réflexion des ondes de pression acoustique sur la surface de l'eau provoque une inversion de phase. Ceci se représente mathématiquement par un coefficient de réflexion égal à -1Ainslie, M. A. (2010). Principles of Sonar Performance Modeling. Berlin: Springer. p36.
Aux fréquences élevées (au-delà de 1 kHz) ou lorsque la mer est agitée, une partie du son incident est diffractée. La valeur absolue du coefficient de réflexion est alors inférieure à 1. Par exemple, à proximité de l'incidence normale, le coefficient de réflexion vaut , où h est la valeur efficace de la hauteur des vaguesH. Medwin & C. S. Clay, Fundamentals of Acoustical Oceanography (Academic, Boston, 1998).
La présence de bulles générées par le vent ou de poissons proches de la surface de l'eau modifient également la réflexion du sonD. E. Weston & P. A. Ching, Wind effects in shallow-water transmission, J. Acoust. Soc. Am. 86, 1530–1545 (1989). Les bulles peuvent également former un panache qui absorbe et diffracte le sonG. V. Norton & J. C. Novarini, On the relative role of sea-surface roughness and bubble plumes in shallow-water propagation in the low-kilohertz region, J. Acoust. Soc. Am. 110, 2946–2955 (2001).
Fond marin L'écart d'impédance acoustique entre l'eau et le fond est en général bien inférieur à celui avec la surface de l'eau, et est plus complexe. Il dépend de la nature du fond et de la profondeur des différentes couches. Plusieurs théories ont été développées pour prédire la propagation du son dans le fond marin, notamment celle de Biot N Chotiros, Biot Model of Sound Propagation in Water Saturated Sand. J. Acoust. Soc. Am. 97, 199 (1995) et celle de BuckinghamM. J. Buckingham, Wave propagation, stress relaxation, and grain-to-grain shearing in saturated, unconsolidated marine sediments, J. Acoust. Soc. Am. 108, 2796–2815 (2000)..
Sur cible La réflexion du son sur une cible dont les dimensions sont grandes comparées à la longueur d'onde acoustique dépend de sa taille, de sa forme et de son impédance acoustique.
Des formules permettent de calculer l'indice de cible de différentes formes simples, en fonction de l'angle d'incidence du son. L'indice de cible de formes plus complexes peut être approximé en combinant ceux de formes simples.
Propagation du son La propagation acoustique sous-marine dépend de plusieurs facteurs. La direction de propagation du son est déterminée par le gradient de la vitesse du son dans l'eau. En mer les gradients verticaux sont en général beaucoup plus élevés que les horizontaux. Les variations de température et de salinité peuvent provoquer des inversions de gradient de célérité dans la thermocline, créant ainsi un guide d'ondes efficace à la profondeur correspondant au minimum de la célérité. Ce type de profil peut générer des régions à faible intensité sonores, appelées « zones d'ombre », et des régions à intensité élevée, appelées « Caustiques. » Ces régions peuvent être calculées par les méthodes de tracé de rayons.
À l'équateur et aux latitudes tempérées, la température de surface de l'océan est suffisamment élevée pour inverser l'effet de la pression, de sorte que le minimum de célérité apparaît à une profondeur de quelques mètres. La présence de ce minimum créé un canal spécial, appelé canal sonore profond (DSC), ou canal SOFAR (pour SOund Fixing and Ranging), permettant la propagation du son sur des milliers de kilomètres sans interaction avec la surface de la mer ou le fond marin. Les zones de convergence du son constituent également un autre phénomène. Dans ce cas le son est diffracté vers le bas à partir d'une source proche de la surface, puis renvoyé vers le haut. La distance horizontale de la source à laquelle ce phénomène apparaît dépend des gradients de célérité positifs et négatifs. Un conduit de surface peut également apparaître dans les eaux profondes ou modérément peu profondes quand il existe une diffraction vers le haut, par exemple du fait de températures de surface froides. La propagation se fait par rebonds successifs sur la surface.