L'analyse des variations spatio-temporelles du charriage est un élément important pour la compréhension de la dynamique fluviale. Ce manuscrit présente les recherches réalisées sur le développement d'une méthode de mesure du transport solide par acoustique passive. Un capteur de pression acoustique est utilisé pour mesurer le bruit généré par le transport par charriage au fond du lit de la rivière. Cette méthode originale a fait l'objet de quelques explorations durant les dernières décennies, qui ont montré que la puissance et le contenu fréquentiel du son généré dépendaient de la granulométrie des matériaux et du flux solide. Mais les applications au milieu naturel sont restées très limitées ; elles sont donc au centre de cette recherche.La première difficulté de la mesure est liée à l'existence de bruit environnant qui se superpose au bruit du charriage. Des mesures acoustiques ont été réalisées dans différentes typologie de rivières, du torrent à la grande rivière navigable. A l'aide de ces différentes expériences et de la bibliographie, les éléments du paysage acoustique d'une rivière sont identifiés. Le paysage acoustique d'une rivière est composé par les processus hydrodynamiques que sont la turbulence, l'agitation de surface et le transport de sédiment par charriage. Le charriage produit des bruits larges bandes, dans la partie haute du spectre et peut être masqué par les bruits de surface dans la région du kilohertz. Des outils de traitement du signal sont proposés afin de repérer les différentes dynamiques contenues dans le signal acoustique mesuré.L'interprétation du signal ne peut être faite sans une bonne compréhension des phénomènes de propagation des ondes acoustiques dans la rivière. On montre que la rivière se comporte comme un guide d'onde et une résolution de l'équation d'onde par une approche modale est proposée. On comprend alors que la propagation des ondes acoustiques est limitée par une fréquence de coupure inversement proportionnelle à la hauteur d'eau. Les observations de terrain faites sur la variation du champ de pression acoustique dans la verticale sont bien reproduites par le modèle d'un guide d'onde de Pekeris. Le modèle est alors utilisé pour montrer l'importance de la profondeur, de la constitution du fond de la rivière ou encore de la géométrie du canal sur la constitution du signal.Finalement, trois chroniques de signaux acoustiques enregistrés dans des rivières différentes sont analysées. Un descripteur est proposé pour chaque chronique de signaux, en fonction des bruits ambiants présents dans l'environnement lors de la mesure. Ce descripteur acoustique est confronté à des mesures comparatives du charriage et de bonnes corrélations sont observée. Elles montrent que la mesure hydrophone permet d'identifier la phase de l'initiation du transport par charriage et qu'elle est intégrative du transport sur une surface importante de la rivière. Ces expériences confirment la simplicité de mise en œuvre de la méthode et précisent les limites d'utilisation de l'acoustique passive, particulièrement pour les rivières à fortes pentes. Elles confirment également la validité des méthodes d'analyse du signal qui ont été utilisées et le besoin de mesures comparatives du milieu pour interpréter le signal. / Analysing the spatio-temporal variability of solid transport processes is key to the study of fluvial morphodynamics. Our research focusses on the development of passive acoustics to monitor bedload transport. A hydrophone is used to sense the acoustic pressure in the river in order to record the sound generated by inter-particle collisions. This original method has been mostly developed in laboratories during the past decades. It has been shown that the acoustic power and the frequencies of the monitored signals are linked to bedload fluxes and granulometry. The use of passive acoustics in natural streams has encountered limited success. It is the core of our research.First we address the existence of multiple sound sources in the environment. Acoustic measurements have been realised in several types of rivers: steep channels and large gravel bed rivers. These multiple experiences along with the bibliography have allowed us to describe river soundscapes. Hydrodynamics govern the soundscape, namely turbulence, agitating surfaces, and bedload transport. Inter-particle collisions generate sound in a wide range of frequencies, which depend on their sizes. It can be masked by the occurrence of agitating surface noise in the kilohertz region. Signal processing tools are proposed to study the dynamics of the different processes composing the signal.Signal interpretation could only be achieved by understanding the propagation properties of the acoustic waves in the river. It is shown that the river acts as an acoustic wave guide. A modal approach is suggested to solve the wave equation. The model points to the existence of a cutoff frequency inversely proportional to the water depth. Observations made on the vertical variation of the field pressure are correctly simulated. The signal dependence on water depth, the structure of the bed, and the geometry of the channel are studied using this model.Finally, we analyze three chronicles of acoustic signals recorded in the field. A signal descriptor is constructed for each data set, depending on the ambient noise conditions. This descriptor is compared to other measurements of bedload transport and good correlations are found. Initiation of motion is monitored and the integrative aspect of the acoustic measure is shown. These experiences highlight the simplicity of the method and show some of its limits. It is also shown that measurements of other environmental parameters are needed to interpret the results.

De nombreux prédateurs marins se nourrissent directement des prises des pêcheurs. Ces interactions, définies comme de la déprédation, engendrent des conséquences socio-économiques considérables pour les pêcheurs ainsi que des implications de conservation pour la faune sauvage. D’un côté, la déprédation endommage le matériel et augmente l’effort de pêche pour atteindre les quotas. D’un autre côté, la déprédation augmente le risque de mortalité des prédateurs marins (prise accidentelle ou rétorsion létale par les pécheurs). La pêcherie à la palangre est la plus impactée par la déprédation, principalement par les odontocètes, ce qui incite à trouver des solutions. La majorité des études se concentrant sur la déprédation s’est principalement basée sur des observations en surface, de ce fait la manière dont les prédateurs retirent les poissons sur les lignes reste confuse. Par ailleurs, l’impact de la déprédation sur le comportement des pêcheurs ainsi que les facteurs expliquant leur détectabilité n’ont reçu que peu d’intérêt. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier ces problématiques par un suivi acoustique, une utilisation de balises et une approche en écologie comportementale humaine, en se concentrant sur la pêcherie palangrière française ciblant la légine australe (Dissostichus eleginoides) impactée par la déprédation des orques (Orcinus orca) et des cachalots (Physeter macrocephalus). Les capitaines ont été décrits comme recherchant leur ressource selon la théorie de « l’optimal foraging », mais avec des perceptions de la compétition et du succès de pêche qui divergent. Certains capitaines seraient ainsi plus enclins à remonter les palangres au plus proche et à rester sur une zone, même en présence de compétition, augmentant alors le risque d’interaction. L’acoustique des navires a révélé que certaines manoeuvres (marche arrière par exemple) propagent différemment sous l’eau. La manière dont les capitaines manoeuvrent leur palangrier influencerait ainsi leur détectabilité et donc leur risque d’interaction avec les prédateurs. D’autre part, l’utilisation de capteurs sur les palangres et les animaux a révélé que les orques et les cachalots sont capables de déprédater sur les palangres posées sur le fond marin. Ces observations laissent à penser que les odontocètes sont en mesure de localiser l’activité de pêche bien avant la remontée de la ligne, ce qui pourrait être expliqué par une signature acoustique spécifique du déploiement de la ligne. L’ensemble des résultats de cette thèse suggère que la déprédation sur les palangres démersales est très probablement sous-estimée. Cette thèse apporte également des éléments importants pour la lutte contre la déprédation, en montrant la nécessité de protéger les palangres dans l’intégralité du processus de pêche. / Many marine predator species feed on fish caught by fishers directly from the fishing gear. Known as depredation this interaction issue has substantial socio-economic consequences for fishermen and conservation implications for the wildlife. Costs for fishers include damages to the fishing gear and increased fishing effort to complete quotas. For marine predators, depredation increases risks of mortality (lethal retaliation from fishers or bycatch on the gear). Longline fisheries are the most impacted worldwide, primarily by odontocetes (toothed whales) depredation, urging the need for mitigation solutions to be developed. Most of studies assessing depredation have primarily relied on surface observation data, thus the way odontocetes interact with longlines underwater remains unclear. Besides, the way fishermen respond to depredation during fishing operations, or can influence their detectability to odontocetes, have been poorly investigated. This thesis therefore aimed at investigating these aspects through a passive acoustic monitoring, bio-logging and human ecology approaches, focusing on the French Patagonian toothfish (Dissostichus eleginoides) longline fisheries impacted by killer whales (Orcinus orca) and sperm whales (Physeter macrocephalus). Firstly, this thesis reveals that captains behave as optimal foragers but with different personal perception of competition and fishing fulfilment. Some captains would thus be more likely to stay within a patch or to haul closest longline even in presence of competition, suggesting these captains would show higher interaction rates. Additionally, the propagation of vessels’ acoustics varied depending on the type of manoeuvre (e.g. going backward vs. forward). The way captains use their vessels to navigate may therefore influence their detectability and so their depredation level. Secondly, loggers deployed on both the longlines (accelerometers) and odontocetes (GPS-TDR) revealed that killer whales and sperm whales are able to depredate on longlines while soaking on the seafloor. These observations suggest, therefore, that odontocetes can localise fishing activity before the hauling, which could be partially explained by specific acoustic signatures recorded during the setting process. Altogether, the results of the thesis suggest that depredation rates on demersal longlines are most likely underestimated. The thesis also brings some important insights for mitigation measures, suggesting that countermeasures should start from setting to hauling.

La production sonore biologique, étudiée par acoustique passive, doit être évaluée comme méthode complémentaire pour l’étude des effets des perturbations anthropiques sur les milieux côtiers.Alors que les sons émis par les mammifères marins et les poissons sont largement documentés, ceux issus des invertébrés benthiques restent peu décrits, même si ces derniers peuvent assurer des fonctions-clés dans les systèmes marins. L’enjeu principal de cette thèse était d’évaluer la pertinence de l’utilisation de l’acoustique passive comme outil écologique en s’appuyant sur la biophonie des invertébrés benthiques d’habitats côtiers tempérés et plus particulièrement en prenant comme habitat-modèle les bancs de maërl de la rade de Brest. Nous avons mis en évidence l’existence d’espèces sonifères remarquables qui constituent de bons candidats pour leur suivi en milieu naturel. Ces travaux ont de plus montré l’importante contribution de certains invertébrés benthiques dans le paysage sonore sous-marin, encourageant à ne plus imputer systématiquement les sons benthiques uniquement aux « crevettes claqueuses ». Le deuxième volet de cette thèse a montré que les variations de production sonore des invertébrés benthiques, à l’échelle individuelle ou collective, offrent des informations précieuses sur la mise en évidence de stress tels qu’un bloom d’algues toxiques ou l’impact du dragage. Ainsi, le nombre de mouvements sonifères des coquilles Saint-Jacques est doublé en présence de fortes concentrations d’algues toxiques, et le paysage sonore des bancs de maërl fortement pêchés est trois fois plus silencieux et moins complexe que celui du maërl préservé. Les résultats de ce travail de thèse, discutés dans un contexte de développement d’outils pour l’évaluation de l’état de santé des écosystèmes marins, permettent l’émergence de nouvelles hypothèses de travail en écologie marine. / Biological sound production, as studied by passive acoustics, should be considered as a complementary method to study the effect of anthropogenic disturbances on coastal systems. While sounds emitted by marine mammals and fish are well documented, those from benthic invertebrates are poorly described, although they can play key roles in marine ecosystems. The main goal of this PhD work was to evaluate the suitability of passive acoustics as an ecological tool based on sound production by benthic invertebrates living in temperate coastal habitats, and particularly in maerl beds of the Bay of Brest.We highlighted the existence of interesting soniferous species that appear to be good candidates to monitor in the field. This work also showed the important contribution of some benthic invertebrates to the underwater soundscape, suggesting that benthic sounds should not be attributed only to snapping shrimps. The second part of this PhD thesis emphasized that changes in benthic invertebrate sound production, at individual or collective scales, provides valuable information on the detection of stress such as a toxic algal blooms or the impact of dredging. Thus, the number of soniferous movements made by the great scallop doubles in the presence of high concentrations of toxic algae, and the soundscape of heavily fished maerl beds is three times quieter and less complex than preserved ones. The results of this PhD thesis, which are discussed in the context of tool development for the assessment of marine ecosystem health, raise new working hypotheses in marine ecology.

Les contraintes de rapidité et de discrétion imposées à un système moderne de caractérisation du milieu océanique ont conduit au développement de la tomographie passive, définie comme un moyen discret et rapide d'estimation des paramètres d'un canal acoustique. Ce concept fait appel aux signaux existants dans le milieu et transmis par des sources d'opportunité. Les signaux d'opportunité sont inconnus à la réception mais contiennent des informations relatives aux paramètres physiques du canal défini entre la source et le récepteur. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire est d´edié à la caractérisation des milieux sous-marins en utilisant des signaux bioacoustiques d'opportunité (sifflements à modulation fréquentielle). La méconnaissance du signal transmis, de la position et de la vitesse de la source acoustique d'opportunité rendent la tomographie passive difficile à mettre en oeuvre. La propagation dans l'environnement océanique et le mouvement inconnu de la source transforment conjointement les signaux d'opportunité enregistrés. Dans un premier temps, nous présentons de nouvelles méthodes d'estimation simultanée des paramètres environnementaux et des déformations engendrées par le mouvement dans le plan d'ambiguïté large-bande, dans un contexte d'émissions actives (le signal transmis est supposé connu). Ces méthodes, permettant de compenser les effets du mouvement dans les scénarios d'´emissions actives, sont appliquées et validées sur différents jeux de données simulées et réelles enregistrées en mer. Puis nous nous intéressons à la tomographie océanique acoustique passive sur un unique hydrophone. Dans ce contexte, le signal transmis, la position et la vitesse de la source sont entièrement inconnus. A partir des estimateurs développés pour les scénarios d'émissions actives, nous présentons une nouvelle méthodologie permettant d'estimer les paramètres environnementaux en utilisant des vocalises de mammifères marins enregistrées sur un unique hydrophone. Les informations extraites sur les signaux naturels d'opportunité sont ensuite utilisées pour estimer la position puis le vecteur vitesse de la source d'opportunité. Ces méthodes sont appliquées et validées sur différents jeux de données simulées et réelles enregistrées en mer.

Les océans subissent des pressions d'origine anthropique particulièrement fortes comme la surpêche, la pollution physico-chimique, et le bruit rayonné par les activités industrielles et militaires. Cette thèse se place dans un contexte de compréhension de l'impact du bruit rayonné dans les océans sur les mammifères marins. L'acoustique passive joue donc un rôle fondamental dans ce problème. Ce travail aborde la tâche de détection de signatures acoustiques de mammifères marins dans le spectrogramme. Cette tâche est difficile pour deux raisons : 1. le bruit océanique a une structure complexe (non-stationnaire, coloré), 2. les signaux de mammifères marins sont inconnus et possèdent eux aussi une structure complexe (non-stationnaires bande étroite et/ou impulsionnels). Le problème doit donc être résolu de manière locale en temps-fréquence, et ne pas faire d'hypothèse a priori sur le signal. Des détecteurs statistiques basés uniquement sur la connaissance des statistiques du bruit dans le spectrogramme existent, mais souffrent deux lacunes : 1. leurs performances en terme de probabilité de fausse alarme/ probabilité de détection se dégradent fortement à faible rapport signal à bruit, et 2. ils ne sont pas capables de séparer les signaux à bande étroite des signaux impulsionnels. Ce travail apporte des pistes de réflexion sur ces problèmes.L'originalité de ce travail de thèse repose dans la formulation d'un test d'hypothèse binaire prenant explicitement en compte l'organisation spatiale des pics temps-fréquence. Nous introduisons une méthode d'Analyse de la Densité des Fausses Alarmes (FADA) qui permet de discriminer les régions temps-fréquence abritant le signal de celles n'abritant que du bruit. Plus précisément,le nombre de fausses alarmes dans une région du plan est d'abord modélisé par une loi binomiale, puis par une loi binomiale corrélée, afin de prendre en considération la redondance du spectrogramme. Le test d'hypothèse binaire est résolu par une approche de Neyman-Pearson. Nous démontrons numériquement la pertinence de cette approche et nous la validons sur données réelles de mammifères marins disposant d'une grande variété de signaux et de conditions de bruit. En particulier, nous illustrons la capacité de FADA à discriminer efficacement le signal du bruit en milieu fortement impulsionnel. / The oceans experience heavy anthropogenic pressure due to overfishing, physico-chemical pollution, and noise radiated by industrial and military activities. This work focuses on the use of passive acoustic monitoring of the oceans, as a tool to understand the impact of radiated noise on marine ecosystems, and particularly on marine mammals. This work tackles the task of detection of acoustical signals of marine mammals using the spectrogram. This task is uneasy for two reasons : 1. the ocean noise structure is complex (non-stationary and colored) and 2. the signals of interest are unknown and also shows a complex structure (non-stationary narrow band and/or impulsive). The problem therefore must be solved locally without making a priori hypothesis on the signal. Statistical detectors only based on the local analysis of the noise spectrogram coefficients are available, making them suitable for this problem. However, these detectors suffer two disadvantages : 1. the trade-offs false alarm probability/ detection probability that are available for low signal tonoise ratio are not satisfactory and 2. the separation between narrow-band and impulsive signals is not possible. This work brings some answers to these problems.The main contribution of this work is to formulate a binary hypothesis test taking explicitly in account the spatial organization of time-frequency peaks. We introduce the False Alarm Density Analysis (FADA) framework that efficiently discriminates time-frequency regions hosting signal from the ones hosting noise only. In particular the number of false alarms in regions of the binary spectrogram is first modeled by a binomial distribution, and then by a correlated binomial distribution to take in account the spectrogram redundancy. The binary hypothesis test is solved using a Neyman-Pearson criterion.We demonstrate the relevance of this approach on simulated data and validate the FADA detector on a wide variety of real signals. In particular we show the capability of the proposed method to efficiently detect signals in highly impulsive environment.

La baleine bleue Antarctique, Balaenoptera musculus intermedia, est en danger critique d’extinction depuis la chasse baleinière intensive du 20e siècle. L’état de ses populations et leur écologie restent encore mal connus. En raison de l’inefficacité des observations visuelles, la surveillance par acoustique passive est privilégiée pour étudier cette espèce vocalement très active. Cette thèse porte sur l’analyse de 7 ans de surveillance acoustique passive dans l’océan Indien austral, région d’habitat et de migration particulièrement importante pour la baleine bleue Antarctique. Déployé depuis 2010 sur une aire de près de 9 000 000 km2, le réseau d’hydrophones OHASISBIO fournit une base de données acoustiques multi-site et pluri-annuelle. L’application d’un algorithme de détection automatique des vocalisations de baleines bleues Antarctique, préalablement testé et validé, a permis d’établir les patrons géographiques et saisonniers de présence de l’espèce au sein du réseau. L’analyse systématique de ces vocalisations a également permis de caractériser des variations intra- et inter-annuelles de leur fréquence, affectée par une décroissance long-terme et des modulations saisonnières. L’analyse préliminaire de signatures vocales d’autres espèces présentes dans le réseau - rorquals communs et trois populations de baleines bleues pygmées – a révélé des variations de fréquence similaires de leur vocalisation et permis d’esquisser leurs patrons géographiques et saisonniers. Enfin, deux vocalisations, jusqu’alors non décrites, aux caractéristiques semblables à celles de baleines bleues, ont été identifiées et caractérisées. / The Antarctic blue whale, Balaenoptera musculus intermedia, is currently critically endangered since the commercial whaling in the 20th century. The population recovery of this species, as well as its ecology, are still poorly known. Due to the ineffectiveness of visual observations, passive acoustics is a preferred method to monitor this highly vocal species. This dissertation presents an analysis of 7 years of passive acoustic monitoring in the southern Indian Ocean, known as a particularly important area of habitat and migration for the Antarctic blue whale. Deployed since 2010 over an area of about 9,000,000 km2, the OHASISBIO hydrophone network provides a multi-site and multi-year acoustic database. An algorithm for the automated detection of Antarctic blue whale calls, first tested and validated, has been applied to characterize the seasonal and geographic patterns of the species presence in the study area. The systematic analysis of these vocalizations also allowed to characterize intra- and inter-annual variations of their frequency, with a long-term decline and seasonal variations. A preliminary analysis of other vocal signatures recorded by the network, from 3 populations of pygmy blue whales and fin whales, highlighted similar variations of their frequencies and outlined their geographic and seasonal patterns of presence in the area. Finally, two previously undescribed vocalizations, with characteristics close to that of blue whale calls, were identified and characterized.

La compréhension de la dynamique spatiale et temporelle des peuplements benthiques qu’elle soit naturelle et induite par des forçages anthropiques, nécessite de nouvelles méthodes d'observation du benthos avec des besoins affichés de haute résolution temporelle et de longues périodes de mesures. L'enregistrement et l’analyse des sons produits dans l’environnement marin donnent accès au paysage acoustique, et notamment à l’une de ses composantes biologiques la biophonie benthique. Observer les variabilités spatio-temporelles de cette biophonie benthique, afin de contribuer à l'évaluation de la structure, du fonctionnement, de l’état et des évolutions du compartiment benthique, constitue l'objectif principal de la thèse. Pour ce faire nous avons développé deux outils permettant d'évaluer la variabilité spatiale de ces émissions avec un ou plusieurs capteurs. Le premier est un descripteur de la forme des spectres des impulsions du benthos permettant de mieux caractériser la diversité de la biophonie benthique. Le second est une méthode de localisation tridimensionnelle des sources sonores benthiques et de cartographie de cette biophonie pour des échelles spatiales allant de 500 mètres jusqu’à 5 mètres. En utilisant ces deux outils, nous avons démontré la faisabilité de l'observation du benthos au travers de sa biophonie sur des sites spécifiques. Dans une partie applicative, nous nous sommes intéressés aux projets de site de production d’énergies marines renouvelables et à la compréhension et à l’observation de leurs impacts sur la faune marine. Sur un site atelier de géométrie similaire à celle d’une ferme d’éoliennes offshores, nous avons défini, réalisé et analysé une preuve de concept pour l’observabilité d’un effet de type binaire : présence ou absence de faune fixée dans une surface sentinelle de quelques mètres carré. Les travaux de thèse ont été conclus par une étude mesurant le niveau sonore rayonné par une hydrolienne en phase de production d’énergie (Paimpol-Bréhat) puis évaluant les impacts acoustiques sur trois compartiments biologiques : les mammifères marins, les poissons et les invertébrés. / Understanding the spatial and temporal dynamics of benthic populations, both natural and induced by anthropogenic pressures, requires new observation methods with high temporal resolution and long periods of measurement. The recording and analysis of sounds produced in the marine environment give access to the soundscape, and in particular to one of its biological components, the benthic biophony. Observing the spatiotemporal variability of this benthic biophony, in order to contribute to the evaluation of the structure, functioning, state and evolution of the benthic compartment, is the main objective of the thesis. To do this we have developed two tools to evaluate the spatial variability of these emissions with one sensor or more. The first is a descriptor of the shape of the spectra of the benthic snaps allowing to better characterize the diversity of benthic biophony. The second is a method of three-dimensional localization of the benthic sound sources and mapping of this biophony for spatial scales ranging from 500 meters to 5 meters. Using these two tools, we have demonstrated the feasibility of benthos monitoring through its biophony at specific sites. In an applicative part, we were interested in sites of production of marine renewable energies and the understanding and observation of their impacts on the marine fauna. On a workshop site of geometry similar to that of an offshore wind farm, we defined, realized and analyzed a proof of concept for the observability of a binary impact: presence or absence of fixed benthic fauna in a sentinel area of a few square meters. The thesis work was concluded by a study measuring the sound level radiated by a tidal current turbine in the energy production phase (Paimpol-Bréhat) and then evaluating the acoustic impacts on three biological compartments: marine mammals, fish and invertebrates.