Ondes de choc acoustiques en milieu hétérogène, des ultrasons au bang sonique

The influence of the planetary boundary layer on the sonic boom received at the ground level is known since the 1960s to be of major importance. Sonic boom propagation in a turbulent medium is characterized by an increase of the mean rise time and a huge variability. An experiment is conducted at a 1:100 000 scale in water to investigate ultrasonic shock wave interaction with a single heterogeneity. The experiment shows a very good scaling with sonic boom, concerning the size of the heterogeneities, the wave amplitude, and the rise time of the incident wave. The wave front folding associated with local focusing, and its link to the increase of the rise time, are evidenced by the experiment. The observed amplification of the peak pressure by a factor up to 2 , and increase of the rise time by up to about one magnitude order , are in qualitative agreement with sonic boom observations. A nonlinear parabolic model is compared favorably to the experiment on axis, though the paraxial approximation turns out less precise off axis. Simulations are finally used to discriminate between nonlinear and linear propagations, showing nonlinearities affect mostly the higher harmonics that are in the audible range for sonic booms.La propagation à grande distance du bang sonique (onde de choc) est sensible aux caractéristiques de l'atmosphère terrestre, notamment dans la couche turbulente située entre 0 et environ 1 km d'altitude. Des expériences de propagation d'une onde de choc dans un milieu aléatoire (avec des fluctuations de température et de vitesse) ont déjà été réalisées pour tenter de comprendre les mécanismes physiques expliquant la distorsion des formes d'ondes mesurées au sol. Or, la nature aléatoire de ces expériences ne permet pas de discriminer l'importance de chaque effet (focalisation, hétérogénéité, non-linéarité). Nous avons donc tout d'abord réalisé des expériences déterministes à l'échelle 1 : 100 000 dans l'eau ainsi que des simulations numériques pour étudier l'interaction entre une onde de choc et un milieu hétérogène. Les hétérogénéités sont modélisées par des tubes cylindriques en caoutchouc siliconé de diamètre de l'ordre de la longueur d'onde. Toutes les caractéristiques du milieu sont mesurées (atténuation, taille, vitesse du son). Ces expériences nous permettent de comprendre le lien entre le repliement du front d'onde (" wave front folding ") et l'augmentation du temps de montée ainsi que la distorsion des formes d'ondes. L'influence de la taille des hétérogénéités est aussi étudiée expérimentalement et nous renseigne sur la sensibilité d'un signal non-linéaire à des tailles d'hétérogénéités différentes. Ensuite, un modèle théorique et numérique en régime non-linéaire dans l'approximation paraxiale est validé grâce au caractère déterministe de nos expériences. Les simulations numériques démontrent l'influence de la propagation non-linéaire et son effet sur la perception auditive du bang sonique. Une extension du modèle théorique est proposée pour mieux prendre en compte la propagation des ondes acoustique aux angles plus élevés. Les simulations numériques de ce modèle montrent l'amélioration des comparaisons entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux notamment dans le cas de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu comportant plusieurs hétérogénéités