Le son pénètre-t-il dans l'eau ?
Oui, le son pénètre dans l’eau, et il s’y propage même beaucoup mieux et plus vite que dans l’air. En revanche, il passe très mal de l’air à l’eau, et inversement : la surface se comporte comme un miroir pour les ondes sonores. C’est pourquoi un plongeur entend mal les bruits venus de la rive, mais très bien un moteur de bateau éloigné ou le chant d’une baleine.
Une vitesse plus de quatre fois supérieure
Le son est une onde de pression qui se transmet de proche en proche dans la matière. Dans l’air, à température ordinaire, il avance à environ 340 mètres par seconde. Dans l’eau, il file à environ 1 500 mètres par seconde, soit plus de quatre fois plus vite. La valeur exacte dépend de la température, de la salinité et de la pression : elle augmente quand l’eau est plus chaude, plus salée ou plus profonde. L’eau absorbe aussi beaucoup moins le son que l’air, ce qui permet à certains sons graves de parcourir des centaines, voire des milliers de kilomètres dans l’océan.
Pourquoi la surface fait barrage
Pour qu’une onde passe facilement d’un milieu à l’autre, il faut que les deux milieux « répondent » de façon comparable à la pression. Les physiciens mesurent cette propriété par l’impédance acoustique. Celle de l’eau est environ 3 600 fois plus grande que celle de l’air. Ce déséquilibre fait que l’essentiel de l’énergie sonore est réfléchi à la surface : seule une infime fraction, de l’ordre d’un millième, traverse l’interface. Vue du dessus comme du dessous, la surface de l’eau se comporte donc comme un véritable miroir acoustique.
Le rôle de l’angle : réfraction et réflexion totale
En passant de l’air à l’eau, le son change brutalement de vitesse, ce qui dévie sa direction : c’est la réfraction. Comme il va plus vite dans l’eau, les rayons sonores qui entrent s’écartent de la verticale. Au-delà d’un angle limite d’environ 13 degrés par rapport à la verticale, plus aucun son ne pénètre : il est entièrement réfléchi. Seuls les sons qui arrivent presque à la verticale entrent donc dans l’eau, et encore en très faible quantité.
La différence avec la lumière
La lumière se comporte à l’inverse. Elle va moins vite dans l’eau que dans l’air (environ 1,33 fois moins vite, d’après l’indice de réfraction de l’eau) et elle y pénètre quel que soit son angle d’arrivée. En entrant, ses rayons se rapprochent de la verticale. Pour un observateur sous l’eau qui regarde vers le haut, tout le ciel semble ainsi concentré dans un cône lumineux, appelé fenêtre de Snell ; au-delà, la surface reflète le fond comme un miroir.
Entendre sous l’eau
L’oreille humaine est faite pour capter les sons dans l’air. Sous l’eau, le tympan fonctionne mal et c’est surtout par les os du crâne que les vibrations sont perçues. On entend donc, mais on a beaucoup de mal à savoir d’où vient le son : la vitesse élevée réduit l’écart de temps d’arrivée entre les deux oreilles, que le cerveau utilise pour localiser les sources.
Les animaux marins, eux, tirent parti de ces propriétés. Les dauphins chassent par écholocation et les grandes baleines communiquent sur de longues distances. Les sonars des navires et les instruments d’océanographie exploitent les mêmes lois pour cartographier les fonds et détecter les objets immergés.
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