Nous avons tous remarqué qu'il est difficile de communiquer face au vent, lorsque ce dernier est fort. Mais ce paramètre météo n'est pas le seul à influencer la propagation du son. A l'occasion de la fête de la musique découvrez comment l'état de l'atmosphère peut influencer la propagation des ondes sonores.

Qu'est-ce que le son ?

Dans l'air, le son est une succession de petites variations de pression qui se propagent de proche en proche par compressions successives d'une particule d'air (petite quantité d'air), qui comprime l'air voisin en se détendant, et ainsi de suite. Le nombre de compressions-détentes par seconde définit la hauteur du son. Le "LA" du diapason correspond par exemple à 440 cycles de compressions-détentes par seconde en chaque point de l'air.
Lorsque l'air est en contact avec un corps solide, ces variations de pression peuvent le mettre en mouvement, c'est ce qui se passe au niveau du tympan dans l'oreille par exemple.

Au final, la propagation d'une onde sonore est semblable à celle illustrée par le ressort ci-dessous, mais qui serait répétée plusieurs centaines de fois par seconde.

En théorie, ces ondes se propagent selon une direction rectiligne. Mais en réalité, différents éléments vont impacter leur trajectoire. Parmi ceux-là se trouvent le vent et la température, qui vont incurver les ondes vers le haut ou vers le bas, rendant favorable ou défavorable leur propagation.

La température

La température n'est pas constante avec l'altitude.
Dans la partie basse de la troposphère, elle peut décroître avec l'altitude, on parle alors de gradient vertical de température négatif. Ce type de gradient se produit notamment durant une journée ensoleillée : le soleil chauffe le sol, qui à son tour réchauffe l'air ambiant. La température au sol devient alors plus élevée qu'en altitude.
Mais la température peut également croître avec l'altitude, on parle alors de gradient vertical de température positif, que l'on appelle également "inversion de température". Ce type de situation se produit notamment durant les nuits où le ciel est dégagé (le sol se refroidit, il devient plus frais que l'air ambiant et le refroidit par contact dans ses plus basses couches) ou bien à la surface de la mer quand l'eau est plus froide que l'air au-dessus. La température au sol devient alors plus faible qu'en altitude.

Ces changements de température créent, en quelque sorte, des couches différentes que doivent traverser les ondes sonores. Et ces dernières vont, à chaque changement de couches, subir la réfraction comme les ondes lumineuses lorsqu'elles changent de milieu.

Cette réfraction va dévier les ondes sonores dans la direction des plus faibles températures.

Effet d'un gradient vertical de température négatif sur la propagation des ondes sonores

Effet d'une inversion de température sur la propagation des ondes sonores

Lorsque les ondes sont incurvées vers le haut, des zones d’ombre se créent dans lesquelles le son n'est plus perceptible.

Au final :

• une inversion de température donne des conditions favorables à la propagation du son en incurvant les ondes vers le bas ;
• un gradient vertical de température négatif donne des conditions défavorables à la propagation du son en incurvant les ondes vers le haut.

Le vent

La vitesse du vent évolue également avec l'altitude : les frottements avec le sol font qu'il est moins fort au sol qu'en hauteur. Ce gradient va également courber les ondes sonores.

Effet du vent sur la propagation des ondes sonores

Et donc :

• un vent de direction identique à la direction de propagation des ondes sonores favorise la propagation du son en courbant les ondes sonores vers le bas ;
• un vent de direction contraire à la direction de propagation des ondes sonores défavorise la propagation du son en courbant les ondes sonres vers le haut.

A ce phénomène s’ajoute l’effet Doppler dû au différentiel de vitesse entre l’émetteur immobile et le milieu de propagation mobile, l’air. La conséquence va être une déformation du son, répartie ainsi :

• une baisse des fréquences dans la direction du vent ;
• une hausse des fréquences dans la direction contre le vent.

La turbulence de l'atmosphère

A proximité de la surface, l'atmosphère est toujours plus ou moins turbulente. Cette turbulence qui varie en fonction des conditions météorologiques et de la nature du sol, se caractérise par des fluctuations aléatoires de température et de vitesse du vent. Elle va donc avoir un impact sur la direction de propagation d'une onde sonore, pouvant parfois entraîner la diffusion de l'onde sonore dans une zone identifiée précédemment comme zone d'ombre ou disperser l'onde sonore, la rendant inaudible ou donnant l'impression de son haché.