Academic literature on the topic 'Acoustique physique, sous-Marine et ultrasonore'

Anglo-French Physical Acoustics Conference (AFPAC) 2024 17 to 19 January 2024 Lodge on Loch Lomond Hotel, Luss, Scotland The Anglo-French Physical Acoustics Conference (AFPAC) is organised by the IOP Physical Acoustics Group, IOP Medical Physics Group, Le Groupe d’Acoustique Physique and the Sous-marine et UltraSonore (GAPSUS) of the Société Française d’Acoustique (SFA). AFPAC provides a forum in which the current research activity in physical acoustics and ultrasonics is reviewed. The scope for this conference is intentionally wide to encourage cross-fertilisation of ideas across different application areas in the field of physical acoustics. Topics include, but are not limited to: theoretical developments (all methods); experimental measurements; transduction; linear or nonlinear elastic or acoustic (bulk, surface, guided) wave radiation, propagation, scattering and reception; application to material characterisation, biomedical ultrasound, imaging (nondestructive testing, medical, underwater, seismology), SAW in electronic devices etc. This year AFPAC is additionally organised with the IOP Medical Physics group and includes sessions focussed on Biomedical ultrasound, spanning both medical imaging and therapy. We are also pleased to announce two invited speakers from the field of biomedical ultrasound: Professor Gail ter Haar from the Institute of Cancer Research and Professor Nader Saffari from University College London. Committee: • Theodosia Stratoudaki, University of Strathclyde, UK (IOP - Physical Acoustic Group) • Emma Harris, Institute of Cancer Research (ICR), UK (IOP - Physical Acoustic Group) • Nader Saffari, University College London, UK (IOP - Physical Acoustic Group) • Peter Huthwaite, Imperial College London, UK (IOP - Physical Acoustic Group) • Paul Prentice, University of Glasgow, UK (IOP - Physical Acoustic Group) • Helen Mulvana, University of Strathclyde, UK (IOP - Physical Acoustic Group) • Samuel Raetz, Le Mans University, France (SFA - GAPSUS) • Alain Lhémery, CEA Paris-Saclay, France (SFA - GAPSUS) Dr Bahadar Bhatia, Sandwell and West Birmingham NHS Foundation Trust, UK (IOP – Medical Physics Group) • Dr Caryl Richards, University of Leicester, UK (IOP – Medical Physics Group)

L'analyse de la diffusion acoustique est un outil important pour l'imagerie et la caractérisation. Les applications concernent le contrôle non-destructif, l'imagerie médicale ou l'acoustique sous-marine. La méthode employée dans ce manuscrit est la Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel ou méthode DORT. Elle consiste à étudier les invariants du Retournement Temporel. Pour un réseau donné de transducteurs, ceux-ci correspondent aux vecteurs singuliers obtenus par décomposition en valeur singulières de la matrice K des réponses inter-éléments du réseau. Chaque vecteur est associé à une valeur singulière. La méthode DORT est ici utilisée pour caractériser différents objets élastiques : cylindre, tube, sphère et deux cylindres. Le formalisme de décomposition du champ diffusé en modes normaux de vibrations ou harmoniques, permet de déterminer les invariants du Retournement Temporel théoriques. Il est alors possible de réduire le problème de dimension N, le nombre de transducteurs du réseau, à un problème de dimension d'ordre 2k0a+1, où a est la dimension caractéristique de l'objet et k0 le nombre d'onde dans le fluide environnant. Cette approche fournit des expressions analytiques des valeurs singulières, notamment dans la limite petit objet (k0a < 0,5) et dans la limite de Rayleigh (2a inférieur à la tache de focalisation). Ces résultats, bien vérifiés expérimentalement, sont en accord avec le point de vue qui prévalait jusqu'alors : pour un petit diffuseur, il existe une valeur singulière principale associée au vecteur singulier focalisant de façon isotrope sur l'objet. De plus, les analogies avec l'électromagnétisme à deux dimensions sont également présentées. [Une version augmentée et corrigée de la thèse est disponible sous forme d'ouvrage (EUE septembre 2010). La diffusion des cylindre et sphère fluides a été corrigée. La diffusion acoustique de la sphère élastique creuse a été ajoutée. Le formalisme des modes projetés cylindriques a été adapté au cas sphérique. Les références ont été également mises à jour.]

Un métaréseau est un assemblage périodique de diffuseurs conçu pour réfléchir ou réfracter une onde vers une direction anormale, non prévue par les lois de Snell-Descartes. Dans ce travail, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé expérimentalement de tels métaréseaux pour le contrôle des ondes ultrasonores dans l’eau, en utilisant des tubes et des cylindres en laiton ainsi que des supports plastiques imprimés en 3D. Ces métaréseaux permettent de rediriger un front d'onde incident vers une direction arbitraire souhaitée, avec une efficacité élevée (proche de 100 %), aussi bien en réflexion sur une surface (comme l’interface eau/air) qu'en transmission. L’approche théorique repose sur les principes de la diffraction de Bragg et sur les interactions constructives et destructives des ondes. Les résultats de cette thèse démontrent l'efficacité des métaréseaux à induire des phénomènes acoustiques tels que la rétro-réflexion et la réponse asymétrique, grâce à l’utilisation de structures résonantes et non résonantes, validées par des simulations par éléments finis et des expérimentations. Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour la manipulation des ondes acoustiques sous-marines, avec des applications potentielles dans les domaines de la détection, de l'absorption et de la réflexion des ondes en milieu marin
A metagrating is a periodic assembly of scatterers designed to reflect or refract a wave toward an anomalous direction, not predicted by Snell's law. In this work, we designed, fabricated, and experimentally characterized such metagratings for the control of ultrasonic waves in water, using brass tubes and cylinders as well as 3D-printed plastic supports. These metagratings enable the redirection of an incident wavefront to an arbitrarily desired direction with high efficiency (close to 100%), both in reflection on a surface (e.g., the water/air interface) and in transmission. The theoretical approach is based on the principles of Bragg diffraction and constructive and destructive wave interactions. The results of this thesis demonstrate the efficiency of metagratings in inducing acoustic phenomena such as retroreflection and asymmetric wave response, achieved through the use of resonant and non-resonant structures, validated by finite element simulations and experiments. This research opens new perspectives for the manipulation of underwater acoustic waves, with potential applications in the fields of wave detection, absorption, and reflection in marine environments

Le sujet de cette ihèse s'inscrit dans le cadre du projet international Antares dont l'objectif est la construction d'un télescope à neutrînos situé dans un environnement marin au large de Toulon, A de fortes profondeurs, un neutrino a d'autant plus de chance de rentrer en collision avec une molécule d'eau, générant ainsi une réaction en chaîne générant un flash lumineux et une onde sonore. L'objectif de cette thèse est d'étudier cette onde sonore en vue de développer un système capable de détecter le front d'onde correspondant et d'estimer la direction originelle du neutrino. Dans un premier temps, l'étude se porte sur le signal acoustique. Deux descriptions issues de la littérature et de récents travaux effectués au CPPM sont confrontées et aboutissent à une modélisation mathématique du signal et du front d'onde.
Dans un second temps, plusieurs méthodes de détection sont étudiées, de la plus classique (étude du rapport de vraisemblance} à des méthodes plus récente (filtrage adapté, classification, etc.). La comparaison expérimentale en situation semi-réelle de celles-ci aboutit au choix de la méthode de détection suivante : le FASE (Filtrage Adapté Stochastique Etendu). Enfin, la position et la direction du neutrino sont estimés par un algorithme dérivé de Gauss-Newton, Cet estimateur se base sur la modélisation du déplacement du front d'onde acoustique et sur les informations temporelles de détection fournies par les hydrophones du télescope. De nombreuses configurations sont testées et les performances du système sont évaluées. Une structure d'hydrophone est proposée et une simulation dite « globale » finalisent cette thèse. Dans celle-ci, les étapes de détection et d'estimation sont basées sur les résultats obtenus précédemment. Les bruits de mer sont des bruits réels issus de campagnes de mesure et les résultats obtenus valident les travaux de cette thèse.

Le Retournement Temporel est une technique multi-éléments permettant de focaliser une onde dans un milieu inconnu hétérogène en utilisant la propriété d'invariance par retournement temporel de l'équation des ondes. La formulation matricielle du Retournement Temporel a donné lieu à une technique de détection multi-cibles, la méthode DORT (pour Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel). Cette thèse traite de l'application de la méthode DORT en acoustique sous-marine. Afin d'émettre les vecteurs propres issus de la méthode DORT, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des vecteurs propres temporels baptisée SVP pour Synchronisation des Vecteurs Propres. Cette méthode est basée sur une repropagation numérique en espace libre des vecteurs propres monochromatiques nécessitant peu d'information sur le milieu. L'acquisition instantanée de la matrice de transfert K à l'aide de codes orthogonaux est aussi étudiée. Nous montrons que la méthode DORT permet d'extraire sans aucune connaissance préalable la signature fréquentielle d'une cible placée dans un guide d'onde et ce malgré les chemins multiples brouillant celle-ci. En effet, la première valeur singulière de la matrice K est proportionnelle à la réponse fréquentielle monostatique de la cible. De plus, nous montrons que les autres valeurs singulières donnent accès à des informations supplémentaires sur le diagramme de rayonnement. Par la suite, nous considérons un problème spécifique aux acquisitions DORT en mer. En effet, le milieu marin étant en constante fluctuation, le principe fondateur des méthodes de Retournement Temporel qui est la stationnarité est souvent mis en défaut. Nous montrons ainsi que la méthode DORT est utilisable en milieu non stationnaire, dans le cas où la cible est animée d'un mouvement vertical parallèle au réseau ou d'un guide d'onde présentant des vagues à sa surface. L'étude des vecteurs propres permet alors de remonter au déplacement de cette cible ou à l'état de surface au niveau de la cible et du réseau.

Les mammifères marins grands plongeurs évoluent dans un environnement tridimensionnel dans lequel les conditions physiques et biologiques varient. Les variations de ces conditions peuvent influencer leur utilisation de la dimension verticale. Les travaux de cette thèse s’appuient dans un premier temps sur le traitement du signal acoustique échantillonné par un échosondeur miniaturisé déployé sur des éléphants de mer austraux, pour apporter une caractérisation biologique inédite de la colonne d’eau. A travers ce signal acoustique ont pu être observés des organismes des niveaux trophiques intermédiaires, mais aussi des évènements d’export particulaire importants. Pour déterminer l’influence des variables environnementales dynamiques, telles que la température ou la salinité, sur la position verticale des éléphants de mer et des baleines à bec de Blainville, nous avons proposé une approche méthodologique adaptée à l’utilisation des profils environnementaux en tant que prédicteurs, et ce en utilisant des approches d’analyses fonctionnelles. En utilisant les variables collectées in situ par les éléphants de mer, il en ressort que leur profondeur de plongée est effectivement influencée par les profils environnementaux. En revanche, la prédiction de la position verticale à partir du modèle construit tend à sous-estimer la profondeur à laquelle se trouvent les animaux, notamment dans les zones marquées par une forte dynamique océanique. À l’inverse, la même approche appliquée au jeu de donnée restreint des baleines à bec et avec variables environnementales issues de modèles océanographiques, suggère l’absence d’effet des conditions environnementales sur leur utilisation de la colonne d’eau. Sous réserve de données de résolution spatio-temporelle suffisante, la méthodologie proposée pourrait permettre l’intégration de la dimension verticale dans la conception de modèles d’habitats tridimensionnels
Deep-diving mammals evolve within a tri-dimensional environment where the physical and biological conditions vary. These variations can influence their utilization of the vertical dimension. This Ph.D. thesis focuses, first, on acoustic signal analysis, the signal being sampled by a miniaturized echo-sounder deployed on southern elephant seals, and aims at biologically describing the water column. Through that acoustic signal, mid-trophic level organisms have been observed, as well as important particle export. Second, to determine the influence of dynamic environmental variables, such as temperature or salinity, on the vertical position of elephant seals and Blainville’s beaked whales, we proposed a new methodology suitable for using environmental predictors described in the form of profiles by using functional analysis approaches. When using the variables obtained in situ by elephant seals, we show that the environmental profiles influence the depth of the dives. However, the model tends to underestimate the predicted depth of animals, mainly in areas where high oceanic dynamics are observed. When using the same approach on the restricted beaked whales’ dataset, and by using environmental variables obtained from oceanographic models, we did not observe any impact of the environmental conditions on the whales’ water column use. This methodological approach could allow the integration of the vertical dimension toward the development of tri-dimensional habitat modelling under the conditions that the spatial and temporal resolutions of the dataset are adequate

La pression acoustique diffusée par des tubes de longueur finie, immergés dans l'eau, est analysée expérimentalement et théoriquement dans les espaces de Fourier. La signature, spectrale et temporelle, de tels objets est interprétée en termes de résonance et de propagation d'ondes de surface. Les diffuseurs sont en acier inoxydable, de rapports des rayons interne sur externe égaux à 0,83 et 0,97. Ils sont excités en champ lointain par des signaux ultrasonores large bande, pour des angles d'incidence compris entre 0° (incidence normale par rapport à l'axe principal des objets) et 50°. Les résonances présentes dans les réponses spectrales rétrodiffusées, relatives aux ondes hélicoïdales S0 et T0, sont identifiées. Les modes de vibration associés sont déterminés expérimentalement en utilisant deux dispositifs de mesure bistatiques. Un premier montage, où le transducteur récepteur tourne dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube, conduit à l'identification des modes circonférentiels (n) ; un second montage original, où le récepteur se déplace parallèlement à l'axe de l'objet, permet d'identifier les modes axiaux (m). Ces résultats sont en accord avec ceux obtenus à l'aide d'une approche théorique modale hybride combinant la théorie de l'élasticité et l'intégrale de diffraction de Kirchhoff. Ces informations (fréquence de résonance, n, m) permettent d'évaluer la vitesse de phase et l'angle de propagation de l'onde correspondante. On réalise ainsi l'identification complète des résonances de l'objet (nature de l'onde, n, m). Chaque résonance, manifestation d'un mode propre de l'objet limité sélectionné par les conditions d'excitation, est observée à une seule fréquence pour plusieurs angles d'incidence voisins. Un modèle géométrique décrivant le parcours hélicoïdal des ondes sur le tube permet l'analyse des réponses temporelles. Les temps auxquels les échos sont observés, sont associés à des trajets de l'onde T0. L'influence des dimensions des objets (longueur et diamètre) sur la rétrodiffusion est ainsi étudiée. L'approche géométrique permet également de considérer les effets liés à la présence d'un disque radial dans les tubes : le rôle de l'onde A (onde d'interface) devient prédominant.

La Décomposition Modale Empirique (EMD) est un outil de traitement de signal piloté par les données et dédié aux signaux non-stationnaires issus ou non de systèmes linéaires. L'idée de base de l'EMD est l'interpolation des extrema par des splines pour extraire de composantes oscillantes appelées modes empiriques intrinsèques (IMFs) et un résidu. Dans cette thèse, un nouvel algorithme de l'EMD est introduit où au lieu d'une interpolation rigide, un lissage est utilisé pour la construction des enveloppes supérieures et inférieures du signal à décomposer. Ce nouvel algorithme est plus robuste au bruit que l'EMD conventionnelle et réduit le nombre d'IMFs "artificielles" (sur-décomposition). En combinant le nouvel algorithme et la méthode de séparation d'énergie (ESA) basée sur l'Opérateur d'Energie de Teager-Kaiser (OETK), un nouveau schéma de démodulation des signaux AM-FM multi-composante appelé EMD-ESA est introduit. Différentes versions de l'EMD-ESA sont analysées en terme de performance. Pour l'analyse Temps-Fréquence (TF), une nouvelle formulation de la carte TF de l'EMD-ESA appelée Transformation de Teager-Huang (THT) est présentée. Cette nouvelle Représentation TF (RTF) ne présentant pas de termes d'interférences est comparée aux RTF classiques telles que le spectrogramme, le scalogramme, la distribution de Wigner-Ville Distribution (WVD), la Pseudo-WVD et la réallocation de la Pseudo-WVD. En combinant la nouvelle formulation de la THT et la transformée de Hough, une nouvelle méthode de détection des signaux multi-composante à modulation linéaire de fréquence dans le plan TF est présentée. Cette méthode de détection est appelée transformation de Teager-Huang-Hough (THHT). Les résultats de la THHT sont comparés à ceux de la transformée WVD-Hough. Finalement, l'analyse TF par THT et par des RTF classiques (WVD, spectrogramme, etc.) de signaux réels de rétrodiffusion par des coques cylindriques de dimensions et de caractéristiques physiques différentes est présentée. Les résultats obtenus montrent l'apport de la THT comme un outil TF.

La compréhension du couplage entre les processus biologiques et physiques est un élément fondamental pour évaluer l’état des océans afin de protéger les écosystèmes marins des effets du changement climatique, de l’exploitation humaine, de la pollution, ainsi que pour comprendre le rôle des océans dans le système climatique. En effet, comme les organismes marins vivent dans un environnement fluide et sont continument transportés par les courants, les phénomènes physiques et biologiques sont intimement liés. Ainsi, au contraire de ce qui se passe sur terre, où la topographie du paysage change sur des échelles de temps évolutionnaires (dans l’ordre de centaines ou millions d’années), dans l’océan le paysage évolue sur les mêmes échelles de temps que celles des processus écologiques. Dans cette thèse j’analyse, en particulier, le rôle des structures à fine échelle (désignées dans la suite de ce document comme les « fine échelles »), qui présentent un pic dans le spectre d’énergie océanique, et dont les échelles de temps (jours à semaines) se superposent avec d’importants processus écologiques tels que le développement des blooms phytoplanctoniques ou la durée des périodes de nourrissage des prédateurs supérieurs. Il a été déjà démontré que les fines échelles jouent un rôle central dans le conditionnement de la production primaire, dans l’abondance et la composition des niveaux trophiques inférieurs, et dans le comportement des prédateurs supérieurs. Cependant, leur influence sur les niveaux trophiques intermédiaires est moins connue, alors que ces échelons constituent une partie essentielle de la chaine trophique et sont sous une pression sans précédents de la part activités humaines. Ceci est principalement causé par la disponibilité limitée des données à grande échelle, et à des difficultés de mesures depuis les navires océanographiques. Cette thèse traite ce manque de connaissances sur deux problématiques. La première question concerne l’impossibilité de détecter les niveaux trophiques intermédiaires par satellite, ce qui nécessite le développement des nouvelles stratégies de surveillance ad hoc. La deuxième question irrésolue concerne l’interaction entre la capacité de nage du necton avec les dynamiques de fine échelle. Pour essayer de répondre à ces questions, dans ce travail j’adopte une approche Lagrangienne, en me focalisant donc sur les trajectoires des particules d’eau, et je l’intègre à des nouvelles méthodologies appliquées aux données acoustiques, à l’analyse des systèmes complexes ainsi qu’à la théorie des réseaux. Je me focalise sur la région de Kerguelen, à cause de son importance écologique et de la grande disponibilité d’information qui a permis de caractériser ses dynamiques écologiques relativement simples, basées principalement sur la limitation de la production primaire par le fer qui est fourni par le plateau. Je considère les myctophidés comme le poisson de référence de cette étude par leur abondance dans tous les bassins océaniques, et par l’intérêt qu’ils pourraient recevoir prochainement de la part de la pêche commerciale. (...)
The comprehension of the coupling between physical and biological dynamics is a pivotal step to assess the health of the oceans, in order to protect the ecosystems therein from the effects of global change, human exploitation and pollution as well as for understanding the role of the ocean in the climate system. Indeed, in the oceans, physical phenomena and biological processes are intimately linked, since marine organisms live in a fluid environment, continuously under the effect of the currents. Thus, contrary to what happens on land, where the landscape topography changes over evolutionary timescales (periods in the order of hundreds to millions of year) in the ocean the landscape ("seascape") evolves on the same timescales of ecological processes. In the present thesis I analyse in particular the role of the fine scales, which present a peak in the ocean energy spectrum, and whose time scales (of days to weeks) overlap important marine ecological processes like the development of planktonic blooms and the duration of foraging trips for top predators. The fine scale features have been already shown to play a central role into conditioning primary production, lower trophic levels abundance and composition, and apex predators behaviors. However, less is known on their influence on intermediate trophic levels, i.e. swimming organisms (such as fish), which however constitute an essential part of the trophic chain, and which are under unprecedented pressure by human activities. This is mainly due to the scarce availability of data on them at large scales, and to problems of ship-based measurements. Two knowledge gaps are addressed in this thesis. The first is the fact that intermediate trophic levels distributions cannot be detected by remote sensing, and thus require the development of novel, ad hoc sampling strategies. The second open challenge addressed by this thesis is how the swimming ability of the nekton can interact with the fine scale physical dynamics. In order to address the aforementioned questions, in this work I adopt a Lagrangian approach, therefore focusing on water parcel trajectories, and I integrate it with novel methodologies applied to acoustic data, complex system analysis and network theory. I focus on the Kerguelen region, because of its ecological importance and the large availability of informations, which permitted to characterize its relatively simple ecological dynamics, mainly based on iron limitation which is furnished by the plateau. I consider the myctophids as reference fish of the present study, for their worldwide abundance and for their importance for the ecology of the area, and because they may constitute a future target by commercial fishing. (...)

Antares est un projet de télescope à neutrinos qui sera placé au large de Toulon, à 2500 m de profondeur. L'interaction d'un neutrino avec la matière produit un muon dont la lumière Cerenkov, émise lors de sa propagation, est détectée par 900 photomultiplicateurs répartis sur 12 lignes. Les sursauts gamma (GRB) sont des phénomènes cosmiques violents, observés une fois par jour. Dans le modèle du Boulet de Canon le sursaut est produit par l'interaction d'un jet, composé de boulet de canon (CB), avec le reste d'une supernova (SNR). Des chocs se propagent vers l'avant (dans le SNR) et vers l'arrière (dans le CB), aux abords desquels,
les neutrinos sont produits. Une estimation de la production de neutrinos est donnée et, est étudiée sur un large espace des paramètres. Pour un GRB typique, entre 0,002 et 0,3 $\nu_{\mu}$ cm$^2$ sont produits. Selon les angles de vue, Antares pourra détecter entre 1 et 10 $\nu_{\mu}$ par an, en corrélation avec les GRB.
Le bruit de fond optique ambiant a été enregistré par le prototype d'une ligne d'Antares. L'analyse porte sur l'influence du bruit de fond sur le détecteur ainsi que sur l'activité des organismes qui en sont responsables. Par exemple il apparaît une périodicité entre 17,6 et 20,4 h compatible avec celle des mouvements des masses liquides imposés par la force de Coriolis à la latitude d'Antares.