Dans l’océan profond aux latitudes moyennes, la vitesse du son la plus lente se produit à une profondeur d’environ 800 à 1000 mètres. C’est ce qu’on appelle la vitesse minimale du son. La vitesse minimale du son crée un canal sonore dans lequel les ondes sonores peuvent parcourir de longues distances. Le son est focalisé dans le canal sonore parce que les ondes sonores sont continuellement courbées, ou réfractées, vers la région de vitesse sonore inférieure. Le son qui se déplace vers le haut à partir d’une source à la vitesse minimale du son est replié vers le minimum. De même, le son qui descend de la source est replié vers le minimum.
La figure suivante comporte deux parties. Sur la gauche se trouve un graphique de la vitesse du son en fonction de la profondeur. La vitesse sonore minimale à une profondeur de 1000 mètres est appelée canal sonore profond ou, plus historiquement, canal SOFAR. SOFAR est synonyme de Fixation Et de Télémétrie du Son. Sur la droite se trouvent les chemins suivis par les ondes sonores lorsqu’elles s’éloignent de la source. Ces ondes sont continuellement réfractées vers la vitesse minimale du son.
Graphique montrant la vitesse du son et le trajet dans la colonne d’eau. Sur la gauche se trouve un tracé de la vitesse du son en fonction de la profondeur. Sur la droite se trouvent les chemins suivis par les ondes sonores lorsqu’elles s’éloignent d’une source sonore située à une profondeur de 1000 m, sur l’axe du canal sonore. Seuls les rayons qui ne touchent pas la surface de l’océan ou le fond marin sont affichés. Adapté de la figure 2.3 de Munk et al., 1995.
Les distances verticales de cette figure sont grandement exagérées par rapport aux distances horizontales. Cela fait en sorte que les angles de l’horizontale auxquels les ondes sonores voyagent semblent beaucoup plus raides qu’ils ne le sont réellement. Les chemins les plus raides représentés sur cette figure ne sont qu’à environ 12° de l’horizontale et sont en réalité presque horizontaux.
Seules certaines ondes sonores restent dans le canal sonore sans heurter la surface de l’océan ou le fond marin. Les ondes sonores se déplaçant vers le haut depuis la source à des angles inférieurs à environ 12° sont réfractées vers la vitesse minimale du son avant d’atteindre la surface. De même, les ondes sonores se déplaçant vers le bas depuis la source à des angles inférieurs à environ 12° seront réfractées vers le minimum avant d’atteindre le fond marin. Les ondes sonores qui partent de la source vers le haut à des angles plus raides sont toujours réfractées, mais pas assez brusquement pour éviter de frapper la surface de l’océan. De même, les ondes sonores qui commencent vers le bas à partir de la source à des angles plus raides ne seront pas réfractées assez fortement pour éviter de frapper le fond marin.
Le son perd de l’énergie chaque fois qu’il touche la surface de l’océan ou le fond marin. Chaque fois que le son se reflète de la surface rugueuse de l’océan ou du fond marin, une partie de l’énergie sonore est dispersée et perdue. Une onde sonore qui frappe la surface de l’océan ou le fond marin plusieurs fois sera trop faible pour être détectée.
Le son qui ne touche pas la surface de l’océan ou le fond marin perdra encore de l’énergie par absorption. Les sons à basse fréquence perdent cependant très peu d’énergie par absorption. Le résultat est que des sons de basse fréquence qui n’interagissent pas avec la surface de l’océan ou le fond marin peuvent être détectés après avoir parcouru de longues distances à travers l’océan.
La quantité d’absorption augmente à mesure que la fréquence du son augmente, et les sons de fréquence plus élevée ne sont donc détectables qu’à des distances plus courtes. Les distances auxquelles les sons peuvent être détectés dépendent de la fréquence, de la puissance de la source et du bruit de fond (ambiant).
Les ondes sonores se déplaçant dans le canal sonore suivent de nombreux chemins différents. Lorsque la source sonore et le récepteur sont situés à la profondeur de la vitesse minimale du son, appelée SOFAR ou axe du canal sonore, les ondes sonores se déplacent presque directement sur l’axe et tournent au-dessus et au-dessous de l’axe, atteignant presque à la fois la surface et le fond.
Axe du canal sonore. Sur la gauche, profil de la vitesse du son des latitudes moyennes. Sur la droite, seuls les chemins parcourus par le son d’une source à 1000 m de profondeur à un récepteur à 1000 m de profondeur à 210 km de la source sont affichés. Contrastez cette image avec l’image vers le haut de la page où tous les chemins parcourus par un son à partir d’une source sonore sont affichés. Adapté de la figure 1.1 de Munk et al., 1995.
Bien que le son s’éloigne d’une source sonore dans toutes les directions, seul le son s’éloigne d’une source sur des chemins qui quittent la source à des angles spécifiques atteindra un récepteur à un endroit spécifique. Les ondes sonores voyageant sur ces différents chemins ont des temps de trajet légèrement différents. Une seule source explosive sera donc entendue comme un certain nombre d’arrivées distinctes, conduisant à la signature caractéristique d’une transmission SOFAR se développant jusqu’à son apogée:
bump bump bump bump
L’impulsion finale du son est généralement la plus forte et provient de l’onde sonore qui se déplace presque sur l’axe du canal sonore. Bien que cette onde sonore parcourt la distance la plus courte, elle se déplace dans la région proche du minimum de vitesse du son où la vitesse du son est la plus basse.
Les chemins que le son empruntera pour une source proche de la surface de l’océan sont très différents. Si le canal sonore profond s’étend jusqu’à la surface, les rayons qui partent de la source presque horizontalement ne toucheront pas la surface de l’océan ou le fond marin. Les sons qui voyagent sur ces chemins peuvent être détectés à de longues distances, tout comme c’est le cas pour les sons qui s’éloignent d’une source profonde qui n’interagissent pas avec la surface de l’océan ou le fond marin. Les chemins sonores d’une source proche de la surface se rejoignent ou convergent, créant des régions de pression acoustique plus élevée à environ la même profondeur que la source tous les 50 à 60 km de celle-ci. Ces régions de pression acoustique plus élevée sont appelées zones de convergence. Entre les zones de convergence, il existe des zones de pression acoustique plus faible appelées zones d’ombre.
Sur la gauche se trouve un graphique de la vitesse du son en fonction de la profondeur. Sur la droite se trouvent les chemins suivis par les ondes sonores qui s’éloignent d’une source sonore située à une profondeur de 50 m. Seuls les rayons qui ne touchent pas la surface de l’océan ou le fond marin sont affichés. Les rayons reviennent ensemble près de la surface à une portée d’environ 55 km, formant une zone de convergence. Les rayons n’atteignent pas la région proche de la surface entre la source et la zone de convergence, formant une zone d’ombre.
Liens supplémentaires sur les DOSITS
- Historique du canal SOFAR
- Vitesse Minimale du son
- Variabilité du Canal sonore