2.3. Perte d'énergie d'une onde sonore


2.3.1. Perte d'énergie par divergence géométrique


Nous avons vu que la propagation d'une onde sonore se fait de manière sphérique ou plane. Dans les deux cas l'énergie acoustique s'étale sur une surface de plus en plus grande. L'énergie se conserve mais elle est répartit sur une surface de plus en plus grande, ce qui provoque une diminution de l'intensité:
C'est le phénomène de perte par divergence géométrique.

L'intensité diminue proportionnellement à l'inverse de la surface donc la perte par divergence exprimée en décibels vaut donc :
 PT = 20 log Rayon

Prenons un milieu homogène illimité et d’une source rayonnant dans toutes les directions. L’énergie émise est conservée, mais se répartit sur des sphères de plus en plus grandes.



Atténuation de l'onde sonore par divergence géométrique (Lurton, 1998)

2.3.2. Perte d'énergie par amortissement

L’eau de mer constitue un milieu dispersif et hétérogène (stratification) une partie de l’énergie acoustique d’un signal est transmise au milieu sous la forme d’énergie calorifique. Ce phénomène est du à la viscosité de l’eau de mer qui induit des forces de frottements à l’échelle moléculaire lors du passage d’une onde. C'est l'absorption moléculaire.

Cependant l’absorption par la viscosité du milieu ne constitue pas la majeure partie de l’absorption des ondes acoustiques.
En effet, lors du passage d’une onde acoustique dans l’eau de mer, une partie des sels (ou composés ioniques) se dissocient, en particulier le sulfate de magnésium (MgSO4) mais aussi les molécules d'acide borique (B(OH)3).
Il existe donc une atténuation par dissociation de composés chimiques

L'amortissement est exprimé grâce à un coefficient d’absorption tenant principalement compte de la dissociation des composés ioniques, et négligeant la viscosité du fluide. Ce coefficient est exprimé en dB perdu par kilomètre.

Le coefficient d'absorption est directement lié à la fréquence de l'onde sonore, en effet plus la fréquence de l'onde est importante et plus l'absorption sera grande. Ce facteur limite donc largement la portée des dispositifs acoustiques sous marin.









Sur la figure de droite, nous constatons que plus la fréquence augmente et plus l'absorption est importante. De plus cette figure met  en évidence les effets cumulés de la dissociation du sulfate de magnésium et de l’acide borique.








Absorption de l’énergie acoustique à différentes fréquences dans de l’eau de mer pour une température et une pression particulière.  (Le Calvé, s.d.).

  

2.3.3. Perte totale de propagation


La perte totale de propagation correspond a la perte par divergence géométrique additionné a la perte par amortissement.
Pour l'évaluation de la perte totale de propagation et donc les performance des systèmes acoustiques sous-marins on utilise la formule: Soit en décibel : 

PT=20logR+Rα    
Avec R : rayon
Et α : coefficient d'absorption (directement lié a la fréquence)

Tout les systèmes exploitant un écho de cible subissent des pertes de propagation sur les trajets aller mais aussi retour; La perte totale à considérer est alors :

2PT=40logR+2Rα

 
2.3.4. Absorption par les bulles d'air

Une cause supplémentaire de pertes de propagation, très difficile à quantifier, est la présence de bulles d’air, soit à proximité de la source sonore, soit sur le trajet des ondes sonores. Lorsque cela se produit un système acoustique peut se trouver complètement inopérant: absorption des signaux émis dans la couche de bulles, niveau de bruit supplémentaire provoqué par l’éclatement des bulles, masquage des systèmes de réception. Ces bulles sont dues à la forme de la coque, aux conditions météorologiques, à l’activité biologique par exemple. La présence de bulles est inévitable mais sa minimisation doit être soigneusement recherchée.

Le phénomène d’absorption des ondes acoustiques par les bulles devient particulièrement gênant en sismique réflexion. Certains sédiments sont complètement hermétiques à la pénétration du son en présence de bulles. En effet les vases riches en matière organique produisent u méthane. Les structures géologiques ne sont alors plus observables sur les profils sismiques. Ce phénomène est appelé phénomène de table.