Le son se déplace dans l’eau quatre fois plus vite que dans l’air[s]. Cette propriété fait de la propagation du son sous-marin une méthode privilégiée pour détecter, communiquer et naviguer sous la surface des océans, où la lumière disparaît rapidement avec la profondeur.
Le sonar, abréviation de SOund Navigation And Ranging (navigation et télémétrie par le son), exploite cette physique. Le sonar actif émet une impulsion sonore, souvent appelée « ping », puis écoute les échos de cette impulsion[s]. Le temps écoulé entre l’émission et le retour donne la distance ; les différences de temps d’arrivée sur plusieurs récepteurs indiquent la direction.
Pourquoi le son voyage si bien sous l’eau
Les propriétés physiques de l’eau permettent au son de se propager à environ 1 493 mètres par seconde[s]. Dans l’air, le son se déplace à environ 343 m/s. Cette différence de vitesse signifie que la propagation du son sous-marin peut transmettre des informations sur des distances où les communications radio sont fortement limitées.
Trois facteurs déterminent la vitesse du son dans l’eau de mer : la température, la pression et la salinité. La vitesse du son varie généralement entre 1 450 et 1 570 mètres par seconde dans les océans, augmentant d’environ 4,5 mètres par seconde pour chaque degré Celsius d’élévation de la température et de 1,3 mètre par seconde pour chaque augmentation d’une unité de salinité pratique (psu)[s].
La thermocline : là où le son se courbe
La température des océans varie avec la profondeur, mais entre 30 et 100 mètres, on observe souvent un changement marqué appelé thermocline, qui sépare les eaux de surface plus chaudes des eaux froides et calmes qui composent le reste de l’océan[s]. Le son émis d’un côté tend à être dévié, ou réfracté, en s’éloignant de la thermocline. Cela peut perturber le sonar, car les pings émis au-dessus peuvent être réfractés avant d’atteindre des cibles situées sous cette couche.
Le canal SOFAR : l’autoroute acoustique naturelle
À une certaine profondeur, la température a suffisamment baissé pour que son effet ralentisseur sur le son soit exactement compensé par l’accélération due à la pression. Cela crée un minimum de vitesse du son. Ce minimum, situé à environ 1 000 mètres de profondeur, est appelé canal sonore profond ou, historiquement, canal SOFAR, acronyme de SOund Fixing And Ranging (fixation et télémétrie par le son)[s].
Les données mondiales de l’Atlas mondial des océans 2023 montrent que l’axe du canal sonore profond se situe en moyenne à environ 872 mètres de profondeur, avec une médiane de 950 mètres et des variations régionales importantes[s]. Comprendre cette structure est crucial pour le fonctionnement efficace du sonar, les communications sous-marines et la propagation acoustique[s].
Les ondes sonores dans le canal SOFAR se courbent continuellement vers la profondeur où la vitesse est minimale. Le son qui n’atteint ni la surface ni le fond marin perd tout de même de l’énergie par absorption. Cependant, les sons à basse fréquence perdent très peu d’énergie par absorption[s]. Il en résulte que les sons à basse fréquence voyagent plus loin que les fréquences plus élevées, parfois sur des milliers de kilomètres dans des conditions favorables[s].
Zones de convergence : la focalisation périodique du son
Les trajectoires sonores d’une source proche de la surface se rejoignent, ou convergent, créant des zones de pression sonore plus élevée à peu près à la même profondeur que la source, tous les 50 à 60 km[s]. Ces zones de convergence signifient que la propagation du son sous-marin ne s’atténue pas de manière régulière avec la distance. Une cible peut être plus difficile à détecter entre les zones de convergence et plus facile à entendre près de l’une d’elles.
Applications de la propagation du son sous-marin
Le 27 avril 2017, l’OTAN a annoncé que JANUS, un protocole normalisé de communications acoustiques sous-marines, avait été reconnu comme norme OTAN par tous les Alliés depuis le 24 mars 2017[s]. Cette norme permet l’interopérabilité entre les dispositifs sous-marins de l’OTAN et ceux qui ne le sont pas.
Les mammifères marins dépendent également de la propagation du son sous-marin. Les dauphins, les orques et d’autres espèces de cétacés utilisent le sonar pour communiquer, naviguer et localiser leurs proies et prédateurs[s]. Ils comptent particulièrement sur le son, qui se propage au moins quatre fois plus vite dans l’eau que dans l’air[s].
Le problème du sonar et de la vie marine
La même physique qui rend le sonar efficace peut aussi le rendre nocif pour les animaux qui dépendent du son sous-marin. En 1998, un article de la revue Nature décrivait un cas inhabituel d’échouage de 13 baleines à bec lors d’un exercice naval utilisant le sonar. En 2005, les chercheurs avaient identifié une douzaine de cas où plus de 10 baleines à bec s’étaient échouées lors d’exercices navals impliquant des sonars à moyenne fréquence[s].
Des recherches présentées lors d’un atelier intergouvernemental ACCOBAMS-ASCOBANS en 2024 ont révélé que des niveaux de sonar inhabituellement bas perturbaient les plongées de chasse des baleines à bec basées sur l’écholocation, et ce jusqu’à 100 km de distance[s]. Dans un article de 2024, l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique appliquée (TNO) a décrit une approche alternative : au lieu d’émettre des sons courts et forts sous l’eau, les chercheurs ont testé des ondes sonores plus douces mais plus longues, dans le cadre de travaux visant à utiliser le sonar de manière efficace tout en protégeant les mammifères marins[s].
La propagation du son sous-marin se produit à environ 1 493 m/s dans l’eau de mer[s], soit environ 4,4 fois la vitesse dans l’air au niveau de la mer. Cet écart de vitesse fait de l’acoustique une modalité de détection essentielle sous la zone photique, où les communications par radiofréquences sont fortement limitées et la lumière visible rare.
Le sonar actif émet une impulsion sonore, souvent appelée « ping », puis écoute les échos de cette impulsion[s]. Pour mesurer la direction, les systèmes utilisent le beamforming sur des réseaux d’hydrophones, en mesurant les temps d’arrivée relatifs à chaque élément transducteur.
Dépendances de la vitesse du son
La vitesse du son dans l’eau de mer est déterminée par la température T, la pression hydrostatique (profondeur d) et la salinité S. Une approximation empirique en unités impériales : c(ft/s) ≈ 4388 + (11,25 × T(°F)) + (0,0182 × d(ft)) + S(ppt)[s]. En unités métriques, la vitesse du son varie généralement entre 1 450 et 1 570 m/s dans les océans, augmentant d’environ 4,5 m/s par degré Celsius et de 1,3 m/s par unité de salinité pratique[s].
La thermocline, une zone de diminution rapide de la température entre 30 et 100 mètres de profondeur[s], crée un gradient négatif de vitesse du son qui réfracte les rayons descendant vers la surface. La loi de Snell régit cette réfraction : le son se courbe vers les zones de moindre vitesse.
Structure du canal sonore profond
Le minimum de vitesse du son à environ 1 000 mètres de profondeur définit l’axe du canal sonore profond (DSC), historiquement appelé canal SOFAR[s]. Au-dessus de cet axe, le gradient négatif de température domine ; en dessous, c’est le gradient positif de pression qui domine. Certains rayons sonores oscillent autour de ce minimum sans interagir avec les limites.
L’analyse de l’Atlas mondial des océans 2023 donne une profondeur moyenne mondiale de l’axe DSC de 871,6 m, une médiane de 950 m et un écart-type de 400,2 m[s]. La profondeur de la couche sonore (SLD), marquant la limite supérieure du DSC, a une moyenne mondiale de 24,2 m avec une médiane de 10 m[s].
Les sons à basse fréquence perdent très peu d’énergie par absorption[s], ce qui permet à la propagation du son sous-marin de couvrir des milliers de kilomètres à travers le DSC dans des conditions favorables[s]. L’absorption augmente avec la fréquence, limitant la portée de détection des hautes fréquences.
Zones de convergence et zones d’ombre
Pour les sources proches de la surface, les trajectoires sonores convergent à intervalles réguliers, créant des zones de pression sonore plus élevée à peu près à la même profondeur que la source, tous les 50 à 60 km[s]. Entre les zones de convergence se trouvent des zones d’ombre où l’intensité acoustique est réduite. Cette périodicité spatiale signifie que la probabilité de détection ne diminue pas de manière monotone avec la distance.
Modélisation de la propagation
Les approches computationnelles courantes pour la modélisation de la propagation du son sous-marin incluent le tracé de rayons (BELLHOP), l’équation parabolique (RAM) et les modes normaux (KRAKEN). Une étude de 2025 publiée dans Frontiers in Marine Science a révélé que, dans un environnement océanique plat de 200 m de profondeur, BELLHOP offre une grande précision pour les fréquences supérieures à 200 Hz, KRAKEN performe de manière comparable à RAM en dessous de 50 Hz, et RAM excelle en dessous de 200 Hz[s].
BELLHOP, basé sur la théorie des rayons, convient bien aux scénarios en eaux profondes et à haute fréquence. Cependant, dans les environnements peu profonds et à basse fréquence, sa précision peut être réduite en raison de la négligence des interférences modales et des effets de diffraction[s].
Normes de communication
Le 27 avril 2017, l’OTAN a annoncé que JANUS, un protocole normalisé de communications acoustiques sous-marines, avait été reconnu comme norme OTAN par tous les Alliés depuis le 24 mars 2017[s]. JANUS permet l’interopérabilité entre les dispositifs sous-marins de l’OTAN et ceux qui ne le sont pas.
Implications biologiques
De nombreux cétacés dépendent de systèmes de sonar biologiques. Les dauphins, les orques et d’autres espèces de cétacés utilisent le sonar pour communiquer, naviguer et localiser leurs proies et prédateurs[s].
Le sonar naval à moyenne fréquence a été associé à des événements d’échouage massif. En 1998, un article de la revue Nature décrivait l’échouage de 13 baleines à bec lors d’un exercice naval utilisant le sonar. En 2005, les chercheurs avaient identifié une douzaine de cas où plus de 10 baleines à bec s’étaient échouées lors d’exercices navals impliquant des sonars à moyenne fréquence[s]. Des recherches présentées lors de l’atelier ACCOBAMS-ASCOBANS de 2024 ont révélé que le sonar perturbait les plongées de chasse des baleines à bec jusqu’à 100 km de distance[s].
En 2024, la TNO a rapporté des formes d’ondes alternatives : au lieu d’impulsions courtes et intenses, les chercheurs ont testé des ondes sonores plus douces mais plus longues, dans le cadre de travaux visant à utiliser le sonar de manière efficace tout en réduisant les perturbations comportementales[s].
