Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 1998. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 401-406). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

En géophysique, les réseaux denses améliorent la caractérisation spatiale et fréquentielle des différents types d’ondes dans le milieu. Bien entendu, l’acquisition en surface est sujette aux ondes de surface qui sont très fortes. Les ondes de surface ont un fort impact sur les données géophysiques acquises au niveau du sol. Elles peuvent être considérées comme du bruit et être sujettes à la suppression puisqu’elles cachent l’information de sous-surface. Cependant, elles peuvent être utiles pour l’imagerie de proche surface si elles sont convenablement récupérées.Dans tous les cas, leur caractérisation est cruciale en géophysique d’exploration active et passive. Dans la surveillance microsismique passive, le bruit de surface ambiant est composé d’ondes de surface. L’objectif principal de la surveillance passive est de minimiser l’impact des ondes de surface sur les données microsismiques. Le fort bruit de surface diminue la sensibilité etl’efficacité des méthodes de détection et de localisation. De plus, les méthodes actuelles de localisation et de détection nécessitent généralement la connaissance d’informations telles qu’un un modèle de vitesse ou un modèle d’événement. Dans la sismique active, de fortes ondes de surface sont générés par des sources actives. Les stratégies actuelles de traitement sont généralement basées sur une sélection manuelle des ondes de surface afin de choisir lesquelles garder. Il s’agit là d’une tâche complexe, coûteuse et sujette à interprétation. Cependant, cette tâche est nécessaire pour l’imagerie de proche-surface et de sous-surface. Les ondes de surface peuvent être particulièrement difficiles à récupérer dans des acquisitions clairsemées.Nous proposons d’appliquer les techniques d’interférométrie et de formation de voies (telles que le Matched Field Processing) dans le contexte des réseaux denses. Une densité de traces importante ouvre de nouvelles possibilités dans les traitements géophysiques, qu’ils soient actifs ou passifs. Nous montrons que le bruit ambiant peut être utilisé dans le traitement microsismique pour extraire des informations importantes sur les propriétés du milieu. De plus, nous développons une approche de débruitage qui permet de supprimer les sources de bruit à la surface et détecter les événements microsismiques. Nous proposons également une méthode automatique de détection et de localisation qui se base sur une quantité minimale d’information préalable qui permet de récupérer la distribution des hétérogénéités du réservoir, dans le voisinage du puits. En ce qui concerne la sismique active, nous proposons une approche interférométrique et automatique de caractérisation des ondes de surface. Nous récupérons les noyaux de sensibilité de phase des ondes de surface entre deux points quelconques de l’acquisition. Ces noyaux de sensibilité sont par conséquent utilisés pour obtenir les courbes de dispersion multimodales. Ces courbes de dispersion permettent la séparation des différents modes des ondes de surface, et fournissent l’information de proche surface suite à une simple inversion.Le réseau dense permet l’amélioration des méthodes présentées ci-dessus: elle permet des applications alternatives et innovantes dans le traitement du signal géophysique. / In geophysics, spatially dense arrays enhance the spatial and frequential characterization of the various waves propagating in the medium. Of course, surface array is subject to strong surface waves. Surface waves highly impact the processing of geophysical data acquired at ground level. They can be considered as noise and subject to suppression as they mask sub-surface information.However, they can be useful for near-surface imaging if they are well retrieved. In any case, their characterization is crucial in active and passive exploration geophysics. In passive microseismic monitoring, ambient surface noise consists of surface waves. The main goal of passive monitoring is to minimize the impact of surface waves on the actual microseismic data. The strong ambient surface noise lowers the sensitivity and the efficiency ofdetection and location methods. Moreover, current location and detection methods usually require strong a priori information (e.g., a velocity model or a template).Active sources generate strong surface waves. In active seismic, current processing strategies often consist in manually picking surface wave arrivals in order to use or remove them. This is often a complex, time consuming, and an ambiguous task. However, it is needed for near- and sub-surface imaging. Surface waves can be particularly difficult to retrieve in sparse arrays. We propose to apply the techniques of interferometry and beamforming (Matched Field Processing in particular) in the context of dense arrays. High trace density opens new possibilities in geophysical processing in both passive and active surveys. We show that the ambient noise can be explored in the case of microseismic monitoring to extract important information about the medium properties. Moreover, we develop a denoising approach to remove the noise sources at the surface and detect the microseismic event. Furthermore, we propose an automatic detection and location method with a minimum a priori information to retrieve the distribution of heterogeneities in the reservoir, in the well vicinity.In active survey, we propose an interferometric, automatic approach to characterize the surface waves. We retrieve phase-sensitivity kernels of surface waves between any two points of the acquisition. These kernels are consequently used to obtain multi-mode dispersion curves. These dispersion curves make it possible to separate different modes of surface waves and provide near-surface information if inverted.The above presented methodologies benefit from spatially dense arrays.Dense arrays of sources or receivers enable alternative, innovative applications in geophysical processing.

La turbulence d’onde cherche à apporter une description statistique des interactions d’un ensemble d’ondes faiblement non-linéaires. Initiée dans les années 1960 par les travaux de Zakharov et de Hasselmann, cette théorie est régulièrement mise en défaut par les observations expérimentales, en particulier dans le régime d’ondes de gravité ainsi qu’aux abords de la transition gravito-capillaire. L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement ces deux régimes en analysant directement les interactions résonantes qui sont le cœur de la théorie de la turbulence faible. Une première expérience concerne le régime gravito-capillaire. Une cascade d’énergie constituée d’ondes faiblement linéaires est observée en accord avec la phénoménologie de la turbulence faible. L’utilisation d’outils statistiques d’ordre supérieur a permis de montrer que ce sont des interactions à 3-ondes essentiellement colinéaires qui gouvernent la cascade. La seconde expérience explore le régime gravitaire dans la plateforme de Coriolis. Le spectre de puissance montre la présence systématique d’une branche harmonique qui reste faible devant la composante linéaire. Les corrélations indiquent la présence d’interactions à 3-ondes entre la branche linéaire et la branche harmonique. Aucune interaction à 4-ondes comme le prévoit la théorie n’est observée. La dernière partie rapporte les résultats d’une expérience sur des ondes internes ainsi qu’une campagne de mesure in-situ de la mer Noire dont les données ont été mises à disposition par F. Ardhuin. Ces deux expériences confirment les résultats de la partie précédente et soulèvent la question de l’importance des interactions à 3-ondes avec la branche harmonique pour la génération de la cascade en régime de gravité… / The wave turbulence provides a statistical description of the interactions of a large set of weakly non-linear waves. Introduced in the 1960s by the works of Zakharov and Hasselmann, this theory often fails against experiments, particularly for gravity waves and at the crossover for capillary-gravity waves. The objective of this PhD is to study experimentally these two regimes by looking directly at the resonant interactions that are the heart of the weak turbulence theory. The first experiment focuses on the capillary-gravity regime. An energy cascade composed of weakly linear waves is observed in agreement with the phenomenology of the theory. The use of higher order statistical tools shows that it is essentially 3-waves collinear interaction that govern the cascade. The second experiment explores the pure gravity regime thanks to the large dimensions of the Coriolis platform. The full energy spectrum shows the systematic presence of the harmonic branch, although it remains small compared to the linear component. The correlations indicate the presence of strong 3-waves interactions between the linear branch and the harmonics branches. No 4-waves interaction as assumed by the theory is observed. The last section reports the results from an experiment on internal waves and from in situ data of the Black Sea made available by F. Ardhuin. These two experiments confirm the results of the previous section and raise the question of the importance of the 3-wave interaction with the harmonic branch for generating the energy cascade in the gravity wave regime…

Le projet de recherche consiste à observer en laboratoire la radiation de Hawking, cette prédiction stupéfiante de l'astrophysicien anglais Stephen Hawking faite en 1974 : les trous noirs ne sont pas noirs. Autrement dit, ils n'absorbent pas tout ce qui est à leur portée mais émettent un rayonnement. En plus des complications du fait que ces objets célestes sont à des milliers d'années-lumière, ce rayonnement est tellement faible que cela reviendrait à essayer d'entendre un murmure dans un concert de rock. Mais William Unruh, en 1981, a proposé une solution : utiliser des systèmes hydrodynamiques qui présentent les mêmes équations mathématiques qu'en astrophysique. Plus précisément, dans notre cas, nous utilisons la correspondance entre la propagation des ondes lumineuses au voisinage d'un trou noir et celles des ondes de surface dans un contre-courant rendu inhomogène par la présence d'un obstacle immergé. Pour cela, une compréhension approfondie de la mécanique des ondes de surface est nécessaire (bathymétrie variable, vorticité, non-linéarités…). Du côté technique, une méthode de mesure de surface libre a été développée et optimisée. / The aim of the PhD is the observation the Hawking radiation in the laboratory, this astounding prediction of the English astrophysicist Stephen Hawking made in 1974: black holes are not black. In other words, they do not absorb anything within reach but emit a radiation. In addition to the complications of the fact that these celestial objects are thousands of light years away, this radiation is so weak that it would be like trying to hear a whisper in a rock concert. But William Unruh, in 1981, proposed a solution: to use hydrodynamic systems which have the same mathematical equations as in astrophysics. More precisely, in our case, we use the correspondence between the propagation of light in the vicinity of a black hole and surface waves propagation on a inhomogeneous countercurrent (due to the presence of a submerged obstacle). For this, a thorough understanding of the surface waves physics is necessary (variable bathymetry, vorticity, non-linearities ...). On the technical side, a free surface measurement method has been developed and optimized.

A highly successful architecture for the exchange of single quanta between coupled quantum systems is circuit quantum electrodynamics (QED), in which the electrical interaction between a qubit and a high-quality microwave resonator offers the possibility to reliably control, store, and read out quantum bits of information on a chip. This architecture has also been implemented with mechanical resonators, showing that a vibrational mode can in principle be manipulated via a coupled qubit. The work presented in this thesis consists of realising an acoustic version of circuit QED that we call circuit quantum acoustodynamics (QAD), in which a superconducting qubit is piezoelectrically coupled to an acoustic cavity based on surface acoustic waves (SAWs). Designing and building this novel platform involved the following main accomplishments: a systematic characterisation of SAW resonators at low temperatures; successfully developing a recipe for the fabrication of Josephson junction on quartz and diamond; measuring the coherence time of superconducting 3D transmon qubits on these substrates and demonstrating the dispersive coupling between a SAW cavity and a qubit on a planar geometry. This thesis presents evidence of the coherent interaction between a SAW cavity and a superconducting qubit in several ways. First of all, a frequency shift of the mechanical mode as a function of qubit frequency is observed. We also measure the acoustic Stark shift of the qubit due to the population of the SAW cavity. The extracted coupling is in agreement with theoretical expectations. A time delayed acoustic Stark shift serves to further demonstrate that the Stark shifts that we observe are indeed due to the acoustic field of the SAW mode. The dispersive coupling between these two quantum systems offers the possibility to perform qubit spectroscopy using the SAW resonator as readout component, indicating that these acoustic resonators can, in principle, be adopted as an alternative qubit readout scheme in quantum information processors. We finally present preliminary measurements of the direct coupling between a SAW resonator and a transmon on diamond, suggesting that strong coupling can in principle be obtained.

abstract: Articially engineered two-dimensional materials, which are widely known as metasurfaces, are employed as ground planes in various antenna applications. Due to their nature to exhibit desirable electromagnetic behavior, they are also used to design waveguiding structures, absorbers, frequency selective surfaces, angular-independent surfaces, etc. Metasurfaces usually consist of electrically small conductive planar patches arranged in a periodic array on a dielectric covered ground plane. Holographic Articial Impedance Surfaces (HAISs) are one such metasurfaces that are capable of forming a pencil beam in a desired direction, when excited with surface waves. HAISs are inhomogeneous surfaces that are designed by modulating its surface impedance. This surface impedance modulation creates a periodical discontinuity that enables a part of the surface waves to leak out into the free space leading to far-eld radia- tion. The surface impedance modulation is based on the holographic principle. This dissertation is concentrated on designing HAISs with Desired polarization for the pencil beam Enhanced bandwidth Frequency scanning Conformity to curved surfaces HAIS designs considered in this work include both one and two dimensional mod- ulations. All the designs and analyses are supported by mathematical models and HFSS simulations. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2017

Durant cette thèse, nous appliquons la méthode de la corrélation de bruit ambiant dans la région particulièrement hétérogène des Pyrénées et des ses alentours (socle rocheux affleurant et bassin sédimentaires épais). Le jeu de données utilisé est une combinaison de deux réseaux temporaires large-bande français et espagnol (PYROPE et IBERARRAY) et de stations des réseaux permanents large-bande français et catalan. Le bruit sismique, enregistré pendant un an par les 158 stations est utilisé pour calculer les corrélations dans la gamme de période 5-55 s. Les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh et de l'onde de Love entre paires de stations sont inversées de manière linéarisée et nous obtenons, pour chaque période, des cartes de vitesses de groupe avec une résolution latérale d'environ 40 km. La comparaison entre les deux types d'ondes montre qu'il existe une anisotropie radiale à courtes périodes, alors que peu ou pas d'anisotropie radiale n'est visible aux périodes plus longues. Nous avons développé une nouvelle stratégie d'inversion des courbes de dispersion en modèle de vitesse d'onde S que nous avons appliqué sur les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh. Cette approche d'inversion est basée sur une exploration complète de l'espace des modèles et une inversion linéarisée. Le modèle obtenu, validé par la comparaison avec des résultats provenant d'autres méthodes, est le premier modèle 3-D crustale en vitesse d'onde S de la région et il permet d'apporter des contraintes sur la géodynamique des Pyrénées et de ses alentours. Deux points importants sont soulevés : (1) Des profils de vitesses atypiques sous l'Est du Massif Central, avec une croûte amincie et des vitesses anormalement faibles dans le manteau supérieur. (2) Deux anomalies de vitesses rapides sous la zone du Labourd-Mauléon et dans le prolongement du bassin de Parentis. Ces anomalies, situées à 25 km de profondeur, sont interprétées comme les traces de l'hyper-extension qui aurait précédée la phase de collision amenant à la formation des Pyrénées. La forte hétérogénéité de la zone permet également de faire l'analyse de l'influence de la non prise en compte des déviations de rais lors de l'inversion. Les premiers résultats montrent que le modèle obtenu en utilisant la théorie des rais droits ne permet pas d'expliquer les déviations calculées par la méthode de formation de voie. Ces déviations observées peuvent donc apporter une amélioration du modèle en considérant l'utilisation d'une inversion combinée. / In this thesis, we applied the ambient noise correlation method in the very heterogeneous region of the Pyrenees and the surrounding areas (mountain belt and thick sedimentary basins). The dataset used is a combination of two temporary broadband arrays from France and Spain (PYROPE and IBERARRAY) and stations of the French and Catalan permanent broadband arrays. Seismic noise recorded over years by the 158 stations was used to calculate correlations in a period range of 5-55 s. Observed Rayleigh and Love wave group velocities between pairs of stations were used as input to a linearized inversion scheme, where we obtained for each period group velocities maps, with a lateral resolution of approximately 40 km. The comparison between the two type of waves demonstrates radial anisotropy at short periods, while little or no radial anisotropy is present at long periods. We developed a new strategy for the inversion of dispersion curves to shear wave velocity models and applied it to the Rayleigh waves group velocity. This approach is based on the combination of a full exploration of the model space and a linearized inversion. The obtained model, validated by the comparison of our results with the results of other methods, is the first complete 3-D crustal Vs model of the region. We in particular note : (1) Atypical S-waves profiles in the Eastern part of the Massif Central which indicate a thinned crust and low velocities in the uppermost mantle. (2) High-velocity anomalies at 25 km depth beneath the Labourd-Mauléon area and the on-land continuation of the Parentis basin. We suggest that they are the traces of the hyper-extension which might have preceded the collision phase which lead to the formation of the Pyrenees. The strong heterogeneity of our study region is also well-adapted to analyze the influence of the ray deviations on the reconstruction of the model. First results show that the reconstructed model, using great-circle paths, does not explain the ray deviations as observed by beamforming. Observed deviations therefore carry the potential of improving the model in a combined inversion scheme.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale des ondes non-linéaires à la surface de l'eau. Premièrement, l'étude présente les mesures spatio-temporelles des ondes non-linéaires lors du passage sur une marche immergée. Celles-ci ont permis de séparer et d'analyser les diffèrent composants jusqu'au deuxième ordre. En particulier, la contribution de la tension de surface, a été mise en évidence en mesurant la longueur du battement de la deuxième harmonique. Les résultats obtenus ont été comparés à un modèle théorique multi-modal des coefficients de transmission et de réflexion. Dans la même configuration, la construction d'un bassin fermé en ajoutant un mur réfléchissant à la fin, a permis d'observer l'excitation de modes à basse fréquence, avec une dynamique quasi-périodique intéressante. En parallèle, deux aspects expérimentaux impliqués dans les manipulations à petite échelle ont été étudiés. Premièrement, l'atténuation produite par la friction sur le fond a été mesurée et analysée pour des ondes distribuées de façon aléatoire, en montrant l'importance relative de cet effet. Deuxièmement, la dynamique de la ligne de contact joue un rôle important lorsque les ondes ont des amplitudes suffisamment petites et que les bords se trouvent suffisamment proches. Dans ce cas, nous avons constaté des différences considérables en réflexion et en courbure du front d'onde. La dernière partie porte sur les mesures expérimentales de l'absorption parfaite avec un résonateur couplé dans un guide d'onde étroit. Les modes piégés générés par un cylindre décalé dans le guide, ont été excités pour produire l'absorption. / This thesis presents an experimental investigation on the propagation of nonlinear water waves. The first part focuses on the space-time measurements of nonlinear water waves, when it passes over a submerged step. The space-time resolved measurement allows us to separate the different components at the second order, which are compared with a theoretical nonlinear multi-modal model. The important contribution of the surface tension at higher orders is verified by measuring the beating length of the second harmonic. In the same conditions, the addition of a reflecting wall at the end of the channel sets a rectangular tank with submerged step, where the excitation of low-frequency modes yields a quasi-periodic dynamics. Concurrently, a research about aspects that have to be considered in small scale experiments of surface waves has been carried out. In shallow water, the damping of water waves is highly influenced by the bottom friction. This dependence was measured for randomly distributed waves, revealing the relative contribution of this effect. Moreover, the dynamic of the contact line plays a significant role when the wave-amplitude is small and the boundaries are near, both in relation to the capillary length. We observed experimentally how the wetting of the boundaries changes the reflection and the wave-front curvature. The final part covers the measurement of perfect wave absorption by a coupled resonator in a narrow waveguide. The trapped modes generated by a cylinder shifted from the channel axis were excited to generate the absorption.

This dissertation revolves around various mathematical aspects of nonlinear wave motion in viscoelasticity and free surface flows. The introduction is devoted to the physical derivation of the stress-strain constitutive relations from the first principles of Newtonian mechanics and is accessible to a broad audience. This derivation is not necessary for the analysis carried out in the rest of the thesis, however, is very useful to connect the different-looking partial differential equations (PDEs) investigated in each subsequent chapter. In the second chapter we investigate a multi-dimensional scalar wave equation with memory for the motion of a viscoelastic material described by the most general linear constitutive law between the stress, strain and their rates of change. The model equation is rewritten as a system of first-order linear PDEs with relaxation and the well-posedness of the Cauchy problem is established. In the third chapter we consider the Euler equations describing the evolution of a perfect, incompressible, irrotational fluid with a free surface. We focus on the Hamiltonian description of surface waves and obtain a recursion relation which allows to expand the Hamiltonian in powers of wave steepness valid to arbitrary order and in any dimension. In the case of pure gravity waves in a two-dimensional flow there exists a symplectic coordinate transformation that eliminates all cubic terms and puts the Hamiltonian in a Birkhoff normal form up to order four due to the unexpected cancellation of the coefficients of all fourth order non-generic resonant terms. We explain how to obtain higher-order vanishing coefficients. Finally, using the properties of the expansion kernels we derive a set of nonlinear evolution equations for unidirectional gravity waves propagating on the surface of an ideal fluid of infinite depth and show that they admit an exact traveling wave solution expressed in terms of Lambert’s W-function. The only other known deep fluid surface waves are the Gerstner and Stokes waves, with the former being exact but rotational whereas the latter being approximate and irrotational. Our results yield a wave that is both exact and irrotational, however, unlike Gerstner and Stokes waves, it is complex-valued.

Quality control and quality assurance of pavements is today primarily based on core samples. Air void content and pavement thickness are parameters that are evaluated. However, no parameter connected to the stiffness is evaluated. There is a need for fast and reliable test methods that are truly non-destructive in order to achieve an effective quality control and quality assurance of pavements. This licentiate thesis presents surface wave testing using air-coupled microphones as receivers. The measurements presented in this work are performed in order to move towards non-contact measurements of material stiffness. The non-contact measurements are compared to conventional accelerometer measurements in order to compare the noncontact measurements to a “reference test”. The two appended papers are focused on evaluating one parameter in each paper. In the first paper all equipment needed to perform non-contact measurements are mounted on a trolley in order to enable measurements while rolling the trolley forward. It is shown that rolling measurements can provide rapid and reliable measurements of the Rayleigh wave velocity over large areas. However, the measurements are shown to be sensitive to misalignments between the microphone array and the measured surface. An uneven surface can thus cause major errors in the calculated results. The second paper presents an alternative method to evaluate the thickness resonance frequency of a concrete plate. It is demonstrated how the established Impact Echo method can give erroneous results when aircoupled microphones are used as receivers. Instead a method based on backward wave propagation is introduced. It is demonstrated how waves with negative phase velocities can be identified in a narrow frequency span close to the thickness resonance. / <p>QC 20141128</p>