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Les équations de l'acoustique décrivent la propagation d'une onde sonore dans un fluide dans le cas le plus général où sont présents les phénomènes non-linéaires, d'absorption, de dispersion, de diffusion et de réfraction.
Histoire
Venant après les travaux de Galilée et de Mersenne (1638) sur la vibration des cordes et de Newton sur la propagation du son (1686), la première mise en équation de l'acoustique est l'équation des ondes due à d'Alembert en 1747[1],[2]. Par la suite les travaux d'Euler (1759) et de Lagrange (1760) sur les ondes d'amplitude finie resteront tributaires des travaux ultérieurs de Poisson (1808), Stokes (1848) et Riemann (1860) pour la compréhension des phénomènes liés à l'apparition de discontinuités[3].
Au XXe siècle les efforts de modélisation sont liés à la résolution de problèmes technologiques, souvent liés au domaine militaire comme la détection aérienne (réseau de surveillance du TICE[4]) ou sous-marine (utilisation du sonar) ou bien aux mesures ultrasonores dans le domaine industriel ou médical (échographie). Le problème est de simplifier les équations constitutives, Navier-Stokes ou Euler, pour en tirer des équations plus simples pour lesquelles il existe des solutions analytiques ou tout au moins d'un coût de résolution moindre. C'est ainsi qu'apparaît la notion de rayon acoustique et le calcul des trajectoires associées, synthétisé par Milne (1921)[1]. Les efforts ultérieurs portent sur l'obtention d'équations plus simples comme l'équation de Burgers (1948), celle de Westervelt (1963), l'équation KZK (Khokhlov, Zabolotskaya, Kuznetzov, 1971).
Description du milieu
Le milieu considéré ici est un milieu fluide, pour l'essentiel l'air ou l'eau. Dans ces milieux seules les ondes longitudinales peuvent se propager (mode acoustique)[1]. L'onde induit un écoulement du fluide irrotationnel.
Le système est caractérisé par les variables pression , masse volumique ,
température , énergie volumique totale ou entropie et vitesse , qui obéissent aux équations de Navier-Stokes avec champ de pesanteur mais sans prise en compte d'un éventuel rayonnement.
Dans le cas d'un gaz le possible déséquilibre vibrationnel nécessite la prise en compte de l'énergie volumique vibrationnelle ou, de manière équivalente, de la température vibrationnelle , i désignant la molécule et j le degré de liberté en rotation. En pratique on ne s'intéresse généralement qu'à des molécules diatomiques possédant un seul degré de liberté en rotation.
On définit l'entropie « figée » (où les degrés de liberté en vibration sont figés, dont correspondante aux degrés de liberté translation-rotation) donnée par :
Équation d'état, vitesse du son
Les équations d'état habituelles étant parfois insuffisantes pour décrire les phénomènes non-linéaires qui nous intéressent on utilise un développement de Taylor[5],[6],[1] :
est la dérivée de par rapport à à constant, prise en .
Fluide quelconque
On rappelle la définition de la vitesse du son :
Dans le cas d'un fluide quelconque mais à entropie constante un développement de Taylor de la pression s'écrit :
En comparant les expressions ci-dessus on trouve les coefficients du développement :
est le module élastique adiabatique et est le paramètre de non-linéarité (ou paramètre de Beyer) :
Pour les liquides le cas de l'eau est le plus répandu. Pour ce liquide à température normale , valeur légèrement croissante avec la température et avec la salinité et , valeur croissant avec la température.
On se place dans le cas où le signal sonore constitue une petite perturbation :
où est la valeur de la pression en l'absence de perturbation et la pression acoustique, de même pour la masse volumique, la température et la vitesse. Les valeurs non perturbées obéissent elles-même aux équations de Navier-Stokes.
Ces perturbations, pouvant être négatives, sont telles que :
A contrario les perturbations créées par des évènements fortement énergétiques comme les ondes en N correspondent à des surpressions fortes, au moins dans la première partie de leur propagation, et donc à un nombre de Mach acoustique élevé. Leur traitement se fait en deux temps : un premier calcul détaillé local utilisant les équations de Navier-Stokes puis un passage à l'une des méthodes décrites ci-dessous en utilisant des conditions initiales issues du premier calcul.
Pour une vitesse horizontale (les vents dans l'atmosphère et les courants marins sont généralement supposés tels), des équations à l'ordre 0 la première est trivialement vérifiée et la seconde exprime l'équilibre hydrostatique. Ce point est important car il conditionne la qualité du profil des quantités indicées 0 qui, dans ce problème, sont données a priori.
Le terme qui apparaît à l'ordre 1 dans l'équation de quantité de mouvement, important pour décrire les ondes de gravité de l'atmosphère, est ici négligé[8].
Pour l'équation de l'énergie :
Pour l'équation de la température vibrationnelle :
Pour cette équation on utilise pour simuler le retour à l'équilibre translation-rotation-vibration une loi de Landau-Teller avec un temps caractéristique .
Pour l'équation de l'entropie (en lieu et place de l'équation sur l'énergie) :
où est l'entropie correspondante aux seuls degrés de liberté en translation et rotation. On a choisi .
Équation pour la pression
On suppose les phénomènes thermo-visqueux et le déséquilibre vibrationnel (dans le cas de l'air) sont négligeables. De plus le milieu est au repos et l'onde est supposée isentropique. Dans ce cas on peut établir une équation d'évolution de la pression. Par la suite on utilise la dérivée totale :
Pour établir l'équation de pression on part :
de l'équation de continuité
de la variation de pression
Le milieu étant supposé isentropique cette équation se réduit à , d'où :
D'où le développement asymptotique :
Équation des ondes
En milieu homogène
La description la plus simple concerne une onde isentropique se déplaçant dans un milieu homogène sans pertes ni dispersion. Le système s'écrit alors :
De la première et la troisième équations on tire la relation pression-masse volumique :
Cette expression correspond à l'équation d'état établie plus haut, au premier ordre.
En prenant la divergence de la seconde équation on obtient après substitution l'équation des ondes :
En milieu inhomogène
Le système avec les mêmes approximations physiques que ci-dessus mais dans un milieu inhomogène au repos (mais toujours sans gravité) s'écrit :
les mêmes manipulations mènent à :
Équations paraboliques pour le système avec absorption
On considère le système non-dispersif avec viscosité dans un milieu homogène au repos (donc sans pesanteur). En supposant la capacité thermique isobare constante il est décrit par :
On suppose de plus un écoulement irrotationnel où la vitesse dérive d'un potentiel
On obtient l'équation de Kuznetsov :
où est le coefficient d'absorption thermo-visqueuse donné par :
↑(en) David T. Blackstock, John M. Cormack et Mark F. Hamilton, « Early history of nonlinear acoustics », Proceedings of Meetings on Acoustics, vol. 36, no 1, (lire en ligne)
↑Alexis Le Pichon et Élisabeth Blanc, « À l’écoute des infrasons. Les infrasons sillonnent le globe », Acoustique & Technique, vol. 67, , p. 13-18 (lire en ligne)
↑(en) S. Makarov et M. Ochmann, « Nonlinear and Thermoviscous Phenomena in Acoustics, Part I », Acta Acoustica, vol. 82, , p. 579-606 (lire en ligne)
↑(en) S. Makarov et M. Ochmann, « Nonlinear and Thermoviscous Phenomena in Acoustics, Part II », Acta Acoustica, vol. 83, , p. 197-222 (lire en ligne)
↑Benjamin Cotté, AE-01: Acoustic propagation in inhomogeneous moving media. Course notes 2019-2020, ENSTA (lire en ligne)
↑(en) V. Ostashev, D. Wilson, L. Liu, D. Aldridge, N. Symons et D. Marlin, « Equations for finite-difference, time-domain simulation of sound propagation in moving inhomogeneous media and numerical implementation », Journal of the Acoustical Society of America, vol. 117, , p. 503-517