Le bang sonique sera-t-il intolérable ou supportable ? Autant d’experts, autant d’opinions. Troublés par les affirmations contradictoires des uns et des autres, bien des gens attendent avec impatience les résultats des expériences qui ont été faites récemment, à l’instigation du gouvernement des Etats-Unis, sur la base d’Edwards appartenant à l’USAF. Le programme d’essais, mettant en jeu divers types d’avions, les uns subsoniques, les autre supersoniques, s’est déroulé en deux phases, la première du 3 au 23 juin 1966, la seconde du 31 octobre 1966 au 17 janvier 1967, sous la direction du National Sonic Boom Evaluation Office (NSBEO), organisme créé pour les besoins de la cause au sein de l’USAF Directorate of Science and Technology. Le 28 juillet 1967, le NSBEO publiait un rapport provisoire, décrivant en détail les effets des bangs soniques de différentes intensités sur les hommes, les animaux et les bâtiments.
L’avion supersonique expérimental XB-70 construit par North American Aviation et utilisé pour des essais à grande vitesse dans le cadre du projet SST américain, a pris part également au programme de recherches sur le bang sonique du NSBEO. Le bang qu’il produit a été jugé, par des sujets se trouvant à l’extérieur, plus difficile à supporter que ceux produits par les B-58 et F-104, appareils plus petits que le XB-70.
Diagramme montrant les profils d’ondes de choc caractéristiques du bang sonique à proximité immédiate d’un XB-70 en vol comparés à ceux qui ont été enregistrés au sol dans les mêmes conditions de vol.
A – 11.300 mètres.
B – 1.500 mètres.
C – 600 mètres.
Ces essais avaient été organisés avec une très grande rigueur par la NASA (spécifications expérimentales)), l’ESSA (influence des conditions météorologiques), le Stanford Research Institute (effets psychologiques) et la firme John A. Blume and Associates (effets sur les bâtiments). Il s’agissait :
– d’enregistrer les réactions subjectives des personnes soumises aux bangs soniques produits par des appareils appartenant aux types XB-70, B-58 et F-104.
– d’apprécier l’acceptabilité des bangs produits par des B-58, par comparaison avec celle du bruit provoqué par le passage d’appareils subsoniques (KC-135 et WC-135B).
– de procéder à une comparaison des réactions subjectives au bruit provoqué d’une part par des avions subsoniques, d’autre part par des appareils supersoniques (avions utilisés : XB-70, F-104 et WC-135B).
– de mesurer les caractéristiques physiques des signaux acoustiques et vibratoires atteignant les sujets (les uns se trouvant dans les immeubles choisis pour les tests, les autres en plein air).
– d’étudier les réactions subjectives provoquées par le passage d’un F-104 ; les sujets étaient réunis en plusieurs groupes, chacun de ceux-ci se trouvant dans un cercle de 6 mètres de diamètre centré sur un des six microphones jalonnant, à des intervalles variés, une ligne droite de 2,5 kilomètres environ, survolée par l’appareil.
– de déterminer les relations de cause à effet entre les bangs de profils caractéristiques variés et les contraintes subies par les éléments de structure des bâtiments.
– d’enregistrer les profils caractéristiques de la surpression due aux ondes de choc et d’en étudier, à des fins statistiques, les variations (valeurs de la surpression, délai d’établissement de la surpression maximale, etc.) en fonction de l’emplacement des postes de mesures, ceux-ci étaient alignés les uns parallèlement à la ligne de vol, les autres perpendiculairement à celle-ci.
– de vérifier et d’améliorer la méthode générale employée pour la prévision des surpressions et des profils caractéristiques des bangs soniques qui seront provoqués par les futurs avions de lignes supersoniques (appareils utilisés : XB-70 et SR-71).
– d’étudier l’influence des conditions météorologiques sur la propagation des bangs soniques.
– de procéder à l’étude des phénomènes similaires à Edwards, ainsi que dans l’Utah et l’Arizona, au moyen d’alignement d’instruments spéciaux, afin de déterminer la part qui revient aux secousses telluriques dans les contraintes subies par les éléments de structure des bâtiments.
– de réaliser certaines expériences spéciales en ce qui concerne la résistance des éléments de structure, on a utilisé pour cela des résonateurs de Helmholz, un simulateur à tube de choc sonique et on a procédé à des tests d’ébranlement des structures à différents points d’attache.
– d’observer le comportement des animaux domestiques au bang sonique.
Les autres appareils qui ont été mis en oeuvre pour les essais de bang supersonique sont le F-104, le F-106 le B-58, le SR-71 et le YF-12. A gauche, le bombardier B-58 Hustler et à droite, le F-104 Starfighter.
Pendant la première phase des essais furent réalisés 165 bangs soniques et 129 vols subsoniques, contre respectivement 202 et 132 pendant la seconde phase. L’altitude de vol des avions supersoniques était généralement compris entre 13.000 pieds (environ 9500 mètres) et 60.000 pieds (environ 18.000 mètres) ; toutefois quelques vols supersoniques furent effectués à 16.000 pieds (environ 4900 mètres), un seul eut lieu à très haute altitude (72.000 pieds ou 21.950 mètres environ). Les vitesses allaient de Mach 1 à Mach 2 sauf pour le XB-70 qui volait généralement à plus de Mach 2 et atteignit parfois Mach 2,94.
Expériences psychologiques.
La grande difficulté, dans ce genre d’expériences, était d’obtenir des sujets, qu’ils expriment sans ambiguïté ni idées préconçues, une opinion précise sur le bang. Quatre cents adultes (dont trois cents femmes), dont la moyenne d’age était de 40 ans, furent choisis les uns dans le personnel de la base d’Edwards, les autres parmi les habitants de deux localités californiennes : Fontana et Redlands ; on leur demanda d’apprécier (1) d’une part la différence entre les bangs soniques et le bruit normal des avions subsoniques et (2) d’autre part, la différence entre les bangs produits par différents types d’avions supersoniques volant à diverses altitudes et vitesses. Ces observateurs furent placés, les uns à l’intérieur d’immeubles, les autres en plein air. Notons que les 142 sujets choisis dans le personnel de la base d’Edwards étaient habitués depuis plusieurs années aux bangs soniques, alors que les habitants de Fontana et d’Edwards n’étaient pas familiarisés avec le phénomène. Trois types d’avions supersoniques furent utilisés : le F-104, le B-58 et le XB-70. La surpression maximale nominale variait entre 3,66 kg/m2 et 14 kg/m2, la durée de la surpression allait de 0,075 à 0,3 seconde ; quant aux vitesses-sol, elles s’échelonnaient de 1450 à 2740 km/h. Le XB-70 n’étant disponible que pour un vol par semaine, la plupart des essais furent effectués avec le B-58 et le F-104. Pour obtenir un bang d’une intensité nominale de 6,63/kg.m2, équivalent à un bruit subsonique de 110 PNdB à l’intérieur des immeubles, il fallait décaler de 21 kilomètres la trajectoire du XB-70 par rapport à la ligne de survol normal du site d’expérience.
Le KC-135 a été l’appareil le plus utilisé pour la production de bruits subsoniques compris entre 90 et 125 PNdB. (Le PNdB ou Perceived Noise Decibel est une unité qui permet d’évaluer le niveau de bruit selon une échelle qui correspond à peu près à la sensibilité de l’oreille humaine). Une intensité de 109 PNdB correspond au bruit que perçoit un sujet se trouvant exactement au-dessous d’un avion équipé de 4 réacteurs à double flux, en approche à une altitude de 240 mètres ou se trouvant à 425 mètres pendant la phase de montée qui suit le décollage. Un bruit de 118/119 PNdB correspond aux mêmes phases de vol, mais à des altitudes respectives de 90 et 180 mètres environ.
Le bruit produit par les avions subsoniques devant servir de base de comparaison, on a utilisé des appareils à quatre turboréacteurs – silencieux enlevés – comme ce KC-135 et des avions équipés de 4 turboréacteurs à soufflante, les uns et les autres utilisés aux puissances d’atterrissage et de décollage. Le niveau de bruit
perçu au sol allait de 85 à 15 dB pour des avions volant à des altitudes comprises entre 75 et 2500 mètres environ (250 à 8000 pieds).
A la base d’Edwards étaient prévues les expériences suivantes :
– comparaison entre le bruit provoqué par le passage d’avions subsoniques et les bangs soniques, avec évaluation comparative, puis absolue du niveau de bruit tolérable dans chaque cas, les sujets d’expérience se trouvant soit à l’intérieur, soit à l’extérieur.
– comparaison entre les bangs provoqués par deux avions de type différent volant dans les mêmes conditions, puis entre ceux provoqués par le même avion dans des conditions différentes ; évaluation comparative et absolue du niveau de bruit tolérable.
– sondage d’opinion au sujet du bang sonique parmi les résidents d’une communauté militaire familiarisée avec le phénomène.
En plus des sujets d’expérience, 50% des habitants d’Edwards furent priés de fournir leurs appréciations afin d’établir le degré d’acceptation du bang sonique, du bruit de la rue, dehors et dans les maisons. Ces informations furent obtenues par une enquête effectuée par la voie postale après clôture du programme d’essais.
Résultats des expériences psychologiques
.Voici les principaux résultats publiés dans le rapport provisoire :
a) comparaison du bang sonique et du bruit sonique.
– Selon les sujets choisis dans le personnel de la base d’Edwards et se trouvant dans les bâtiments retenus pour les essais, les bangs produits par le B-58 (surpression nominale maximale de 8,25 kg/m2, mesurée à l’extérieur) étaient équivalents au bruit provoqué par un avion à réaction subsonique et dont l’intensité atteignait à l’extérieur 109 PNdB.
– Pour les sujets choisis parmi les habitants de Fontana et de Redlands, placés dans les mêmes conditions, les mêmes bangs étaient jugés comparables à des bruits subsoniques d’une intensité de 118 à 119 PNdB (toujours mesurés à l’extérieur).
– Placés à l’extérieur, les sujets des communautés d’Edwards, de Fontana et de Redlands estimaient respectivement que les bangs de 8,25 kg/m2 étaient comparables à des bruits subsoniques de 105 PNdB, 111 PNdB et 108 PNdB.
– Placés à l’intérieur des bâtiments, 27% des sujets d’Edwards et 40% des sujets de Fontana et de Redlands réunis, estimaient intolérables les bangs de B-58 atteignant une surpression nominale maximale de 8,25 kg/m2.
– Placés à l’extérieur, la proportion des sujets intolérants passait à 33% pour Edwards et à 39% pour Fontana et Redlands.
NB : Les résidents de la base d’Edwards qui servaient de sujet s’y trouvaient depuis 2 ans en moyenne et avaient été exposé à des bangs d’une valeur moyenne de 5,85 kg/m2 à raison de 4 à 8 par jour et à des bruits d’avions subsoniques dont le maximum atteignait environ 110 PNdB. Les villes de Fontana et de Redlands, par contre, sont à l’écart des route aériennes généralement empruntées par des avions supersoniques et ne sont exposées qu’exceptionnellement au bruit des avions subsoniques, atteignant alors un niveau maximal de 95 à 100 PNdB.
b) variation des bangs soniques.
– A surpression maximale (nominale ou mesurée) approximativement égale, les bangs produits par le XB-70 et perçus par des sujets se trouvant à l’intérieur ont été jugés – par comparaison avec le bruit d’avions subsoniques – légèrement moins acceptables que ceux produits par le F-104 ou le B-58 et perçus dans les mêmes conditions. Perçus à l’extérieur et également jugés par comparaison avec les bruits d’avions subsoniques, les bangs du B-58 sont légèrement moins acceptables que ceux des XB-70 et F-104.
– A égalité de surpression, la comparaison de deux bangs provoqués par deux types d’avions ne fait ressortir aucune différence d’appréciation en ce qui concerne l’acceptabilité.
– L’inacceptabilité des bangs soniques, évaluée en fonction de l’intensité, croît plus vite que celle des bruits subsoniques : un accroissement de 6dB dans l’intensité du bang (la surpression passant par exemple de 4,8 kg/m2 à 9,76 kg/m2) est ressentie comme aussi désagréable qu’un accroissement de 10 PNdB dans le bruit d’un avion subsonique.
La moyenne des résultats, calculée sur l’ensemble des tests, fait ressortir que les bangs et surtout les bruits des avions subsoniques sont moins bien tolérés par les témoins se trouvant à l’extérieur. Les tableaux accompagnant cet article donnent la proportion des sujets qui ont considéré les bruits et les bangs comme inacceptables.
Résultats des expériences de propagation.
Une série de 25 vols, exécutés par le XB-70 a permis de mesurer les valeurs de la surpression due aux ondes de choc en rase campagne. Dans les cas où il a été possible de disposer d’un grand nombre de points de mesure, les valeurs moyennes des mesures correspondaient aux valeurs prévues théoriquement. Les variations notées dans les profils de bangs et les variations concomitantes des surpressions, des impulsions et des durées ont été trouvées similaires à celles déjà enregistrées avec des avions plus petits. Les mesures des surpressions effectuées à 21 kilomètres de la trajectoire, parallèlement à celle-ci, ont montré des variations plus importantes que les mesures faites directement sous la route d’avion. Ces divergences, liées à la distance, avaient déjà été constatées lors de précédents tests. L’écart entre les mesures était plus grand pendant les essais du mois de juin que pendant ceux effectués de novembre à janvier ; on suppose que ce phénomène est en rapport avec les conditions météorologiques, le réchauffement par convection des basses couches de l’atmosphère étant moins important en hiver.
En mesurant les bangs soniques à une altitude de 600 mètres, on a pu constater que c’étaient généralement les couches de l’atmosphère comprises entre 0 et 600 mètres qui avaient un rôle déterminant dans ces variations. Les mesures au sol des bangs ont été faites grâce à un F-106 équipé d’instruments spéciaux volant selon une trajectoire rectiligne, puis en “montagnes russes” au-dessus d’un alignement de microphones. On a pu ainsi démontrer que les mouvements de l’appareil n’exerçaient pratiquement aucune influence sur les variations des profils caractéristiques qu’on pouvait observer. L’influence de la portance est plus sensible pour un avion plus gros en sorte que les mouvements d’un SST en vol pourront conduire à des variations accentuées du bang. On a noté également qu’un appareil subsonique traversant les ondes de choc produites par un avion supersonique créait des tourbillons capables de modifier les surpressions.
La Geotech Company a été chargée par la NASA de mesurer les ondes sismiques engendrées par les bangs soniques. La vitesse maximale communiquée aux particules du sol par un bang, dont la surpression maximale mesurée atteint 10 kg/m2, représente moins de 1% de la valeur minimale considérée par l’US Bureau of Mines comme susceptible de provoquer des dommages matériels. La NASA a réclamé une analyse plus approfondie de ces données, ainsi qu’une étude de la réfraction des ondes sismiques dans les couches géologiques de la région afin que l’on puisse mieux comprendre le mécanisme par lequel les ondes de choc aérienne peuvent produire des secousses telluriques.
Prévision du profil des ondes de choc.
Afin d’obtenir les données nécessaires à une vérification critique de la théorie générale employée jusqu’ici pour la prédiction des profils affectés par les ondes de choc sonique, on a profité de l’occasion pour effectuer des mesures en vol du champ d’écoulement dans des conditions telles que les influences atmosphériques soient réduites à un minimum. Le sillage du XB-70 a été exploré par un F-104 de la NASA équipé d’instruments spéciaux et volant à des distances comprises entre 600 et 1500 mètres environ au-dessus et en-dessous de l’appareil supersonique. Ces mesures ont été faites pendant les 4 vols que le XB-70 a faits à Mach 1,5 et à 11.000 mètres d’altitude. Le diagramme accompagnant cet article permet de comparer les profils caractéristiques mesurés en vol avec les profils enregistrés au sol qui leur correspondent. On voit que les profils enregistrés à proximité de l’appareil sont plus complexes et qu’à mesure que la distance croît, les ondes de choc individuelles tendent à fusionner. On voit aussi que le profil de l’onde de choc enregistré au-dessus de l’appareil diffère nettement de celui qui est enregistré au-dessous de celui-ci, à une distance comparable.
Contraintes exercées sur les éléments de structure.
Il a pu être établi que : (1) les bangs produits par de gros avions du type XB-70 ou Boeing 2707 affecteront beaucoup plus d’éléments de structure que les ondes de choc émises par des appareils plus petits, comme le B-58 et le F-104 ; les effets du bang sont prévisibles si l’on a connaissance des caractéristiques du profil de l’onde de choc et des caractéristiques de réponse des éléments de structure. (2) aucun dommage attribuable aux bangs n’a pu être constaté dans les bâtiments d’essais durant les expériences. Toutefois, on a accusé les bangs soniques de quelques dommages constatés dans le voisinage de la base pendant la période des essais. Cinquante sept plaintes ont été déposées, aboutissant à 19 réclamations de dommages et intérêts auprès du gouvernement pour dégâts attribués au bang sonique. (3) Trois rapports concernant des bris de glace dans les bâtiments de la base ont été adressés aux autorités compétentes ; ces bris de glace pourraient être attribués aux vols expérimentaux.
Réactions des animaux domestiques.
Exception faite pour les volatiles, les animaux domestiques observés ont très peu réagi au bang sonique ; en fait, ils sont beaucoup plus sensibles au passage d’un avion subsonique à basse altitude. Bien que les bruits n’aient pratiquement pas affecté la production, il apparaît que les tests choisis n’étaient pas assez probants pour que l’on parvienne à des conclusions précises. Il conviendrait de tenir compte du fait que les environs de la base d’Edwards sont exposés aux bangs soniques depuis plusieurs années, à raison de 4 à 8 bangs par jour et qu’un certain nombre des animaux choisis pour les essais ont pu s’adapter au phénomène. Le comportement de la volaille allait de réactions modérées à des réactions nulles et ce n’est que dans quelques cas exceptionnels que l’on a pu noter une terreur panique dans la basse-cour.
Le rapport provisoire du NSBEO, purement empirique, doit être interprété avec précaution – cela n’a rien d’étonnant si l’on considère l’imprécision qui caractérise les témoignages subjectifs aux implications commerciales.
Pour résumer les résultats les plus significatifs des essais d’Edwards, il semble qu’un bang sonique d’intensité moyenne (surpression maximale de 8,25 kg/m2) n’est pas plus pénible qu’un bruit d’avion subsonique moyen (109 PNdB), qu’on se trouve à l’intérieur ou en plein air. Cependant, pour un accroissement identique, le premier devient vite plus désagréable que le second. La dimension de l’avion n’a pas beaucoup d’importance et un SST volant à haute altitude et régulièrement produirait des bangs beaucoup moins nuisibles qu’on ne l’imagine communément. La montée et la descente seraient toutefois des phases critiques si le bang excède 7,3 kg/m2. On peut éliminer la possibilité d’effets destructifs sur les bâtiments et de secousses telluriques. Les animaux domestiques ne semblent pas incommodés à l’exception de la volaille ; mais il semble que l’accoutumance doive jouer rapidement pour celle-ci. Les circonstances météorologiques et les saisons ont une certaine action sur le profil caractéristique des indes de choc. Toutefois, on a complètement négligé d’étudier un aspect important de la question : l’opinion de dormeurs arrachés à leur sommeil par un bang sonique.
La maquette en métal grandeur nature du Concorde a fait sensation au Salon de Paris 1967. Le prototype 001 doit voler pour la première fois le 28 février 1968 et le Concorde dont la vitesse de croisière sera de 2300 km/h entrera en service en 1971.
Le diagramme ci-dessous, montre comment étaient organisés les essais et où se trouvaient les différents lieux d’expérience. Les flèches indiquent les trajectoires de vol généralement utilisées pour les essais ; toutefois quatre vols du XB-70 furent décalés de 21 kilomètres et certains vols du B-58 de 8 kilomètres.
A – générateur de signaux de temps transmis par radio aux différentes stations.
B – station de radar pour le guidage des avions, les pilotes étant prévenus par radio des corrections de trajectoire nécessaires pour les amener à survoler leur objectif dans les conditions prévues ; cette station commande également la mise en route des enregistreurs placés aux sites d’expérience et aux stations éloignées.
C – installations mobiles de traitement des données.
D – station météorologique sur la base principale.
E1 et E2 – bâtiments destinés à l’étude des réactions des sujets placés à l’intérieur et des contraintes subies par les matériaux de construction.
E3 – piste de bowling consacrée uniquement aux essais de résistance des bâtiments.
E4 – blockhaus en béton.
F – site d’expérience pour les sujets placés en plein air.
G – observation des animaux.
H – tour d’enregistrement de l’ESSA (30 mètres) pour l’étude des rafales de vent et la mesure de leur vitesse et de leur température.
J – avion de mesures météorologiques volant à 2 500 mètres.
Proportion (en %) des sujets d’expérience appartenant à la base d’Edwards qui ont estimé intolérable le bruit provoqué par le passage d’avions subsoniques et supersoniques
Proportion (en %) des sujets d’expérience venant de Fontana et de Redlands qui ont estimé intolérable le bruit provoqué par le passage d’avions subsoniques et supersoniques.
Le SST Boeing, représenté par le dessinateur dans ses deux configurations de vol (vol à grande vitesse et vol à vitesse réduite) aura une vitesse de croisière de l’ordre de 2900 km/h. Le premier prototype doit voler le 31 décembre 1970 et les appareils de série entreraient en service vers la fin de 1974. Cent treize Boeing 2707 sont déjà commandés.