Cet article a été écrit par Mike Bannon
Fermez les yeux un instant et faites comme si vous pique-niquiez, en milieu d’après-midi, avec votre famille et vos amis à Central Park. À environ deux terrains de football, vous pouvez voir un match de softball. Vous pouvez voir les hommes et les femmes acclamer pendant que les joueurs de ballon frappent la balle et font la course autour des bases. Vous voyez un joueur glisser dans la plaque et vous regardez l’arbitre lui signaler sa sortie. Vous pouvez voir toute cette action, mais vous ne pouvez pas l’entendre.
Plus tard dans la nuit, alors que la température se refroidit et que d’autres équipes de softball jouent sous les lumières, vous pouvez tout voir et tout entendre clairement. Pourquoi en est-il ainsi ? Se pourrait-il que, pendant la journée, vous vous trouviez dans une ombre acoustique?
Pendant la journée, le soleil réchauffe la surface de la terre, réchauffant l’air près du sol. Le son se déplace plus rapidement dans l’air plus chaud. Ainsi, le son se déplace plus rapidement dans l’air près du sol. L’inverse se produit la nuit. La nuit, le sol se refroidit rapidement. L’air le plus élevé est plus chaud que l’air proche du sol. Pendant la journée, le son se déplace plus rapidement près du sol. Cela provoque la réfraction de l’onde sonore vers le haut. La nuit, le contraire se produit. Le son plus éloigné du sol se déplace plus rapidement la nuit, ce qui provoque la réfraction de l’onde sonore vers la terre.
Dans les années 1800, Osborne Reynolds a effectué le premier test enregistré de réfraction des ondes sonores. Il plaça une cloche qui sonnait, à un pied du sol, et rampa vingt mètres. Il a dû lever la tête pour entendre le son de la sonnerie. Il a ensuite rampé soixante-dix mètres et a dû se tenir debout avant de pouvoir entendre le son de la sonnerie.
En 2001, Charles D. Ross a publié un livre intitulé Civil War Acoustic Shadows. Dans cet article, nous allons explorer le phénomène de réfraction des ondes sonores et comment il se rapporte aux sons de la guerre à la formation d’ombres acoustiques.
Réfraction des ondes sonores descendantes
Au début du 20e siècle, avec l’utilisation de montgolfières, les scientifiques ont commencé à en apprendre davantage sur notre atmosphère et ses différentes couches. En 1923, les changements de température atmosphérique ont été documentés lors de l’étude des météores. En 1924, Erwin Schrodinger, physicien autrichien lauréat du prix Nobel, a suggéré que « les sons à basse fréquence seraient moins absorbés dans l’atmosphère et seraient donc réfractés vers la terre plus fortement que les sons à haute fréquence ».
Les couches qui abritent notre ozone ont tendance à être plus chaudes en raison du rayonnement capté par le soleil. Lorsque l’onde sonore frappe cette couche plus chaude, elle est réfractée vers la terre.
Vent
Le vent joue également un rôle important dans la réfraction des ondes sonores et finalement sur la distance qu’elles parcourent. Le vent qui se déplace directement dans une onde sonore venant en sens inverse la fera réfracter plus fortement vers le haut. Le vent se déplaçant dans la même direction qu’une onde sonore rendra la réfraction de l’onde sonore plus progressive. Dans la haute atmosphère, un vent fort se déplaçant dans la direction de la vague poussera la vague plus loin et plus vite.
Réfraction des ondes sonores & Guerre
Avant l’ère de la technologie moderne, les commandants de l’armée comptaient sur le son pour les guider dans leur processus de prise de décision militaire. Plusieurs fois, à leur détriment, les commandants ont pris des décisions en fonction de ce qu’ils entendaient. Beaucoup ont été pris dans le no man’s land de l’ombre sonore. Le premier effet d’ombre sonore enregistré s’est produit en mer entre les côtes anglaises et hollandaises. Pendant quatre jours, la Marine anglaise a combattu la marine néerlandaise au large de Dunkerque pendant la deuxième guerre anglo-néerlandaise. Les historiens attribuent la victoire à la plus grande marine néerlandaise. Pendant la bataille, les passagers naviguant non combattants situés en mer dans une zone d’ombre quelque part entre la bataille et la côte de l’Angleterre n’ont pas entendu la bataille. D’autre part, la bataille a été entendue dans divers endroits en Angleterre.
Pendant la première Guerre mondiale, le 28 septembre 1914, l’artillerie allemande commence à bombarder la ville belge d’Anvers et les fortifications qui la protégeaient. La zone d’ombre acoustique a commencé à une trentaine de milles de l’artillerie et s’est terminée à une soixantaine de milles. Après la marque des soixante milles, le bombardement d’artillerie allemand a été entendu. Les gens dans le rayon de trente à soixante milles de l’artillerie ne pouvaient pas l’entendre.
Le 19 septembre 1862, le général Grant prévoyait d’attaquer le major général confédéré Sterling Price près de la petite ville d’Iuka, dans le Mississippi. Le plan était que le major général de l’Union William Rosecrans attaque d’abord Price, puis, après avoir entendu le Major général Edward Ord de la bataille Grant, déplace ses troupes pour empêcher Price de battre en retraite. Ord devait engager ses troupes après avoir entendu les bruits de la bataille. Ces sons ne sont jamais venus. Alors que l’armée de Rosecran s’engageait dans la bataille avec les confédérés tout l’après-midi, Ord et son armée, situés dans une ombre acoustique, n’ont jamais entendu les sons de la bataille et n’ont finalement jamais attaqué. Price se retira et finalement, pour le moment, sauva son armée.
Général Longstreet (1821-1904)
À Gettysburg, le 2 juillet 1863, le général Lee donne l’ordre au lieutenant–général James Longstreet d’attaquer les sommets ronds – l’extrémité sud de cemetery ridge. Le sommet de la colline était pratiquement sans défense. Lee espérait amener ses canons aux sommets ronds afin que les confédérés puissent bombarder les troupes de l’union avec des tirs de canon. En entendant l’attaque de Longstreet, le lieutenant-général Richard Ewell devait attaquer par la gauche. Il devait ordonner à ses hommes d’attaquer dès qu’il entendait le tir de canon de Longstreet. Il n’a jamais entendu les canons de Longstreet. Ewell et son armée se sont retrouvés dans une ombre acoustique. Pendant ce temps, le major général de l’Union George Meade déplace les hommes de sa droite vers sa gauche pour arrêter l’avance de Longstreet.
Le « Waterloo » du général Lee
En 1865, Lee avait son armée située à l’extérieur de la ville de Petersburg en Virginie. Lee a bien deviné que Grant chercherait à attaquer son flanc droit. Lee envoie le général George Piquet avec l’armée de Virginie du Nord, cinq mille soldats confédérés, à Cinq Fourches pour creuser et mettre en place des défenses en terre et en bois. Lee a compris la nécessité de tenir cette zone afin de protéger son chemin de fer d’approvisionnement du sud ouvert.
Grant connaissait cette importance stratégique et envoya son Major général de l’Union Phillip Sheridan attaquer le flanc gauche de Lee aux Five Forks. Le matin de l’attaque, le major général confédéré Fitzhugh Lee invite Piquet avec le major général Thomas Rosser à une cuisson au poisson à deux miles de la ligne de front de Piquet. Piquet a négligé de lui dire aux hommes qu’il partait. Les historiens spéculent qu’il ne lui a pas dit des hommes, qui avaient probablement faim et mal nourris, parce qu’il se sentait coupable.
Tout en dégustant de l’alose cuite au four et de l’alcool, Sheridan et ses commandants attaquèrent les défenses de Piquet, décimant finalement les forces de Piquet et faisant des milliers de prisonniers. Alors que la bataille faisait rage à deux miles de la cuisson du poisson, Piquet et les autres commandants n’entendirent rien. En fin d’après-midi, Piquet décide d’envoyer un courrier pour vérifier ses hommes. Alors que le courrier s’éloignait au loin, les généraux, à leur horreur, purent voir leur courrier fait prisonnier par les troupes de l’Union qui avançaient. Piquet sauta sur son cheval et monta vers ses hommes mais il était trop tard.
Les confédérés subissent une défaite majeure qui accélérera la fin prochaine de la guerre civile. Piquet et ses commandants ont été pris dans une ombre acoustique. Cet après-midi-là, alors que les généraux pensaient profiter d’une cuisson au poisson tranquille et relaxante, leur monde s’effondrait.
Essais de bombes nucléaires
En 1951, le gouvernement des États-Unis a fait exploser une bombe nucléaire à soixante-cinq kilomètres de Las Vegas. Le test a brisé des fenêtres à Las Vegas. Les testeurs de bombes ont découvert que les ondes sonores de la bombe se réfractaient six fois vers le haut et vers le bas avant de frapper Las Vegas. Les ondes ont été réfractées vers le haut dans l’atmosphère, puis ont été réfractées vers le bas jusqu’à la surface de la terre tous les onze miles.
Calcul de la vitesse du son à différentes températures
La vitesse du son à 0 degré Celsius est de 331 m / s. Pour chaque 1 degré Celsius ajouté, la vitesse du son augmente. Voici la formule pour calculer l’augmentation de la vitesse:
C =(331 + 0.6T) m / s
C = la nouvelle vitesse du son
T = la température de l’air en degrés Celsius
Pour calculer la vitesse du son dans l’air à 30 degrés:
C = (331 + 0.6 × 30) = 349 m / s
À 30 degrés Celsius, la vitesse du son est de 349 m / s.
Conclusion
Lorsque les ingénieurs en environnement cherchent à minimiser le bruit industriel pour les communautés environnantes, ils doivent considérer le concept de réfraction des ondes sonores et son effet d’ombre acoustique. Le bruit industriel, dans les zones entourant immédiatement les usines, sera plus important la nuit que le jour.
Regardez la raffinerie de pétrole sur la photo ci-dessous. La communauté environnante entendra peu de sons émis par les piles au-dessus de la raffinerie pendant la journée. Les ondes sonores de ces sources vont finalement se réfracter vers le haut. Les communautés situées à plusieurs kilomètres de là seront ici ce bruit. Cependant, pendant la nuit, c’est une autre histoire. Ces ondes seront réfractées directement sur la communauté.
Disons qu’une pile émet une onde sonore à 20 mètres au-dessus du sol. Les ingénieurs doivent calculer l’angle de réfraction afin de déterminer la meilleure façon de lutter contre ce phénomène et, finalement, de réduire les niveaux de décibels dans la communauté environnante. Dans un article de suivi, « Mathématiques proposées pour réfracter les ondes sonores », nous proposerons de nouvelles mathématiques utilisées pour calculer l’angle de réfraction (flexion) des ondes sonores. Plus tard cette année, nous avons également l’intention de mener une expérience similaire à celle réalisée par Osborne Reynolds dans les années 1800.Recherchez cet article en septembre 2015.