Ce projet de recherche a pour objectif d'évaluer le potentiel des capteurs acoustiques sousmarins, tout particulièrement la caméra DIDSON, dans l'inspection des infrastructures portuaires et ceci à travers la conception et le développement d'une méthode permettant la détection et la caractérisation des défauts sur les infrastructures portuaires à partir d'images acoustiques. L'approche mise en oeuvre s'articule autour de deux principaux axes: le premier est dédié à l'amélioration et au dé-bruitage des images; le second concerne la caractérisation et l'extraction des éléments représentant potentiellement des défauts sur les infrastructures portuaires. L'amélioration de la qualité des images s'est appuyée sur les caractéristiques d'acquisition de la caméra DIDSON. La détection et la caractérisation des défauts ont été effectuées selon une approche de segmentation des images et une analyse en composantes connexes. Les premières évaluations des résultats démontrent le potentiel de l'approche pour l'exploitation des données acoustiques dans l'inspection des installations portuaires.

En milieu océanique grand-fond (profondeur >1000 m), la propagation d'ondes acoustiques UltraBasse Fréquences (UBF, 1-300 Hz) est caractérisée par une forte influence des propriétés géo-acoustiquede l'environnement marin. Classiquement, des méthodes de localisation du type matched field processing sont mises en place pour intégrer cet aspect lors de l'inversion. Cependant, ces méthodes sont connues pour être très sensibles à de petites erreurs de modélisation de l'environnement, qui sont en pratique inévitables. C'est pourquoi il convient mieux de se tourner vers d’autres méthodes d’inversion plus robustes à la méconnaissance de l'environnement. Dans ce manuscrit on choisit d'étudier une quantité, appelée invariant océanique. Elle est associée à la formation d’interférence et montre des propriétés intéressantes de robustesse à de petites variations des propriétés géo-acoustique du milieu. En adoptant une approche ondulatoire de la propagation, on s’intéresse particulièrement à deux phénomènes responsables de sa dépendance à la configuration source récepteur (la prédominance du champ acoustique par des groupes de modes et le comportement différencié des ondes montante et descendante constituant un mode). Cette approche permet une prédiction précise et une compréhension profonde du phénomène d'interférence en milieu grand-fond. En couplant cette théoriede l'invariant océanique avec le concept d'énergie piégée, une méthode de localisation est ensuite proposée. Elle prend la forme d'une discrimination en immersion utilisant comme entrée l'intensité acoustique d'un signal large bande reçu sur une antenne horizontale. / Within the deep-water ocean (depth >1000 m), low frequencies (1-300 Hz) acoustic waves are characterized by very long range propagation. In this context, the propagation is largely impacted by the oceanic environment. Thus, localization methods based on classical plane wave models do not perform well. Matched field processing has been proposed to include better environmental models, but it is known to perform poorly as soon as the environment is not perfectly known. Given that the ocean is a dynamic system, it changes quickly over time and space making this method inapplicable in an operational context. To circumvent this issue, a better way is to consider methods that do not require detailed knowledge about the environment.In this manuscript I consider a quantity called the Waveguide Invariant (WI) which is known to be robust to small environment variations. In particular, I investigate two phenomenons responsible for its dependence to the source-receiver configuration: the dominance of the acoustic field by groups of modes and the frequency dependence of the Eigenmodes. Using a ray-mode approach, these two features are integrated in a WI derivation which provides a thorough way to predict and understand the striation patterns in deep-water context. Then, using this underlying physics driving the propagation along with the concept of mode trapping, a depth localization method is proposed. The input data for the algorithm is a range-frequency intensity, as measured on a horizontal line array. This idea is explored and extended to propose a source depth discrimination which is performed as a binary classification problem.

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.]

Cette thèse est une contribution à la caractérisation des fonds sous-marins par des techniques acoustiques. On s'intéresse aux fonds sédimentaires, principalement sédiments sableux. Les fonds de sables sont en effet fréquemment rencontrés par petits fonds sous nos latitudes. Les procédés existants de caractérisation acoustique des fonds visent le plus souvent à qualifier la géométrie du sol ou du sous-sol: morphologie du fond, typologie des faciès sédimentaires, identification du toit rocheux ... Toutefois, les détails du sous-sol marin (stratification et composition des sables) nous échappent le plus souvent et on a alors recours à des sondages in-situ ponctuels, coûteux et souvent difficiles à réaliser. Afin de résoudre ce problème, nous avons développé SCAMPI (Système de Caractérisation Acoustique Marine Propagation Interface). C'est un dispositif de caractérisation géoacoustique breveté qui vise justement à réduire notre myopie chronique dans les premiers mètres des sous-sols sableux immergés en calculant des profils verticaux des vitesses du son. Le système développé est typique d'un processus d'inversion basé sur des mesures distantes et indirectes (on ne touche pas le sol). Disposer de profils de vitesses pour caractériser le sous-sol est une étape nécessaire, mais insuffisante pour les applications visées. Pour ces dernières, il s’agit notamment de déterminer si le sable est fin ou grossier, s'il est homogène ou hétérogène, s'il contient des coquilles, s'il est compacté ou pas.Pour répondre à de telles questions, il est nécessaire d'utiliser des relations entre les vitesses du son et les propriétés des matériaux granulaires. Ces relations géoacoustiques sont quasi-inexistantes pour les sables marins, surtout pour les sables grossiers. Pour constituer de nouvelles relations géoacoustiques, il est proposé d’établir des bases de données à partir de mesures in-situ des vitesses acoustiques et des analyses des échantillons de sédiments prélevés au même endroit. Pour cela, un prototype de célérimètre a été développé, INSEA (INvestigation of SEdiment by means of Acoustic), qui permet de mesurer les vitesses et l'atténuation du son dans des sédiments, y compris dans des sables grossiers. / This thesis is a contribution to the seabed exploration by means of acoustical methods. We focus on sediment seabeds, especially on sand sediments because there are often encountered off European coasts. Existing acoustic methods for seabed characterization generally aim to qualify the sub-seafloor: sediment thickness or bedrock cap detection.Nevertheless, accurate sediment stratification or details of the involved sediment are generally out of reach. This is why SCAMPI (Sub-seafloor Characterization by Acoustic Measurements & Parameters Inversion) have been have designed. This patented device is a geoacoustical inversion method based on an underwater acoustic instrumentation towed in water column. It aims to identify and characterize sediment layers over a thickness of 5-10 meters below the seabed, quantifying major physical parameters as compressional speed. But vertical sound speed profiles of the sub-seabed is a necessary step but is insufficient to predict refined information about the sediment: is it coarse, homogeneous, does it contain inclusions ..?To give answers to these questions, geoacoustical relations linking acoustic parameters to sedimentological parameters are required. But these relations are sparse, particular for coarse sands.A velocimeter prototype INSEA (INvestigation of SEdiment by means of Acoustic) have been designed, to measure in situ acoustical parameters of the first centimeters of the seafloor, even in coarse sands. This work is the preliminary work leading to a new project which consist in building specific data bases to elaborate these geoacoustical relations and theoretical modeling in granular wet media suited to marine geophysics applications.

Ce manuscrit de thèse résume trois ans de travaux sur l’utilisation des méthodes d’apprentissage statistique pour l’analyse automatique de signaux naturels. L’objectif principal est de présenter des outils efficaces et opérationnels pour l’analyse de signaux environnementaux, en vue de mieux connaitre et comprendre l’environnement considéré. On se concentre en particulier sur les tâches de détection et de classification automatique d’événements naturels.Dans cette thèse, deux outils basés sur l’apprentissage supervisé (Support Vector Machine et Random Forest) sont présentés pour (i) la classification automatique d’événements, et (ii) pour la détection et classification automatique d’événements. La robustesse des approches proposées résulte de l’espace des descripteurs dans lequel sont représentés les signaux. Les enregistrements y sont en effet décrits dans plusieurs espaces: temporel, fréquentiel et quéfrentiel. Une comparaison avec des descripteurs issus de réseaux de neurones convolutionnels (Deep Learning) est également proposée, et favorise les descripteurs issus de la physique au détriment des approches basées sur l’apprentissage profond.Les outils proposés au cours de cette thèse sont testés et validés sur des enregistrements in situ de deux environnements différents : (i) milieux marins et (ii) zones volcaniques. La première application s’intéresse aux signaux acoustiques pour la surveillance des zones sous-marines côtières : les enregistrements continus sont automatiquement analysés pour détecter et classifier les différents sons de poissons. Une périodicité quotidienne est mise en évidence. La seconde application vise la surveillance volcanique : l’architecture proposée classifie automatiquement les événements sismiques en plusieurs catégories, associées à diverses activités du volcan. L’étude est menée sur 6 ans de données volcano-sismiques enregistrées sur le volcan Ubinas (Pérou). L’analyse automatique a en particulier permis d’identifier des erreurs de classification faites dans l’analyse manuelle originale. L’architecture pour la classification automatique d’événements volcano-sismiques a également été déployée et testée en observatoire en Indonésie pour la surveillance du volcan Mérapi. Les outils développés au cours de cette thèse sont rassemblés dans le module Architecture d’Analyse Automatique (AAA), disponible en libre accès. / This manuscript summarizes a three years work addressing the use of machine learning for the automatic analysis of natural signals. The main goal of this PhD is to produce efficient and operative frameworks for the analysis of environmental signals, in order to gather knowledge and better understand the considered environment. Particularly, we focus on the automatic tasks of detection and classification of natural events.This thesis proposes two tools based on supervised machine learning (Support Vector Machine, Random Forest) for (i) the automatic classification of events and (ii) the automatic detection and classification of events. The success of the proposed approaches lies in the feature space used to represent the signals. This relies on a detailed description of the raw acquisitions in various domains: temporal, spectral and cepstral. A comparison with features extracted using convolutional neural networks (deep learning) is also made, and favours the physical features to the use of deep learning methods to represent transient signals.The proposed tools are tested and validated on real world acquisitions from different environments: (i) underwater and (ii) volcanic areas. The first application considered in this thesis is devoted to the monitoring of coastal underwater areas using acoustic signals: continuous recordings are analysed to automatically detect and classify fish sounds. A day to day pattern in the fish behaviour is revealed. The second application targets volcanoes monitoring: the proposed system classifies seismic events into categories, which can be associated to different phases of the internal activity of volcanoes. The study is conducted on six years of volcano-seismic data recorded on Ubinas volcano (Peru). In particular, the outcomes of the proposed automatic classification system helped in the discovery of misclassifications in the manual annotation of the recordings. In addition, the proposed automatic classification framework of volcano-seismic signals has been deployed and tested in Indonesia for the monitoring of Mount Merapi. The software implementation of the framework developed in this thesis has been collected in the Automatic Analysis Architecture (AAA) package and is freely available.

Les travaux présentés s'intéressent à la discrimination en immersion d'une source acoustique sous-marine monochromatique ultra basse fréquence (UBF, 0-500 Hz) à l'aide d'une antenne horizontale d'hydrophones. La discrimination en immersion consiste à déterminer si un signal reçu a été émis à proximité de la surface ou par une source immergée. Cette problématique est particulièrement intéressante pour la lutte sous-marine (discrimination entre bâtiments de surface et sous-marins) ou la biologie marine (discrimination entre espèces vocalement actives à la surface et en profondeur). Le champ acoustique généré par une source UBF peut être décomposé en modes, dont les caractéristiques dépendent de l'environnement et de la position de la source. Cette propagation modale est source de dispersion modale : les différents modes se propagent à différentes vitesses. Cela empêche d'utiliser les techniques classiques de traitement d'antenne. Cependant, l'antenne horizontale peut être utilisée comme un filtre spatial pour estimer les propriétés des différents modes : on parle alors de filtrage modal. Si l'antenne est suffisamment longue, les modes sont résolus et les modes filtrés peuvent servir à localiser la source (matched-mode processing). Dans le cas d'une antenne trop courte, les modes sont mal filtrés et la localisation est impossible. Nous cherchons donc une information moins précise mais plus robuste sur la position de la source, d'où le problème de la discrimination en immersion.Dans ces travaux, nous cherchons à exploiter les modes mal filtrés pour prendre une décision sur le caractère immergé ou non de la source. Nous proposons de baser cette décision sur la valeur estimée du taux d'énergie piégée, i.e. la proportion de l'énergie acoustique qui est portée par les modes piégés. Le problème de la discrimination est alors posé comme un test d'hypothèses binaire sur la profondeur de la source. Cette formulation physique du problème permet d'utiliser des méthodes de Monte Carlo pour prédire, à l'aide de simulations, les performances en discrimination dans un contexte donné. Cela permet de comparer diverses méthodes d'estimation du taux d'énergie piégée, et surtout de choisir un seuil auquel comparer ce taux pour décider si la source est en surface ou immergée.La méthode développée pendant la thèse est validée sur des données expérimentales marines. Les résultats alors obtenus sont cohérents avec les conclusions tirées des simulations. La méthode proposée permet notamment d'identifier avec succès une source de surface (le bruit d'un navire en déplacement) ainsi qu'une source immergée (une source UBF tractée à 30 m de profondeur), à l'aide d'une antenne horizontale de 360 m. / This work focuses on acoustic source depth discrimination in the ultra-low frequency range (ULF, 0-500 Hz), using a horizontal line array. Depth discrimination is a binary classification problem, aiming to evaluate whether a received signal has been emitted by a source near the surface or by a submerged one. This could serve applications such as anti-submarine warfare or marine biology.The acoustic field generated by a ULF source can be described as a sum of modes, which properties depend on environment and source location. This modal propagation leads to modal dispersion: the different modes propagate at different velocities. This forbid the use of classical beamforming schemes. However, the horizontal array can be used as a spatial filter to estimate the properties of the modes: this is modal filtering. With a sufficient array length, modes are resolved, and the filtered modes can be used to localise the source using matched-mode processing. If the array is too short, the poorly-filtered modes cannot be used for localisation. Therefore, we are looking for a less precise but more robust information on source location, which leads to source depth discrimination.In this work, the poorly-filtered modes are used to decide whether the source is near the surface or submerged. Because some of the modes (the "trapped modes") are weakly excited by a surface source, we propose this decision relies on the estimation of the trapped energy ratio, i.e. the ratio of acoustic energy borne by trapped modes to the total acoustic energy. The problem of depth discrimination is then formulated as a binary hypothesis test on source depth. This physical formulation allows using Monte-Carlo methods and simulations to predict performance in a given context. This enables comparison between several estimators of the trapped energy ratio and the choice of a relevant threshold which this ratio is compared to in order to decide between the two hypotheses. The approach developped in the manuscript is validated by its application to marine experimental data. The results are consistent with the conclusions drawn from simulations. The proposed method enables the succesfull identification of both a surface source (the noise of a travelling ship) and a submerged source (a ULF source towed 30 m below the surface), using a 360-m horizontal array.

Dans le cadre de la lutte en mer, la détection acoustique des structures immergées s’effectue généralement sur des signaux stationnaires. Une nouvelle génération de sonars permet de détecter sur des signaux transitoires. Ceci implique de compléter le processus de conception des projets industriels qui ne tient compte d’exigences qu'en matière de bruits rayonnés en régime stationnaire. Il est donc nécessaire de comprendre les mécanismes de transfert des sources de bruit transitoires sur les structures immergées. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre et consiste à étudier les mécanismes de transfert vibratoire et de rayonnement acoustique qui peuvent intervenir sur ces structures lorsque l’excitation est transitoire. L’analyse porte sur différents éléments de la chaine de transfert : le rayonnement dans l’eau du bordé, la diffraction des ondes par les raidisseurs, et le comportement résonnant des structures internes supportant les matériels. Le premier chapitre présente une analyse bibliographique autour de l’étude des phénomènes vibroacoustiques transitoires des structures immergées, de l’influence d’un fluide lourd sur le comportement vibroacoustique des plaques, et des méthodes de calcul vibroacoustiques en régime transitoire. Dans le second chapitre nous étudions la réponse transitoire d’une plaque infinie immergée soumise à une force impulsionnelle ponctuelle. La méthode de calcul s’appuie sur les calculs spectraux fréquences-nombre d’onde. Les réponses temporelles sont obtenues par transformées de Fourier inverses. L’analyse des spectres et des réponses temporelles de l’accélération vibratoire de la plaque et de la pression rayonnée, met en évidence l’influence de la présence du fluide. La prise en compte de l’inertie rotationnelle et du cisaillement à travers le modèle de plaque de Mindlin-Timoshenko est également étudiée. Ces résultats sont confrontés à une expérimentation présentée dans le troisième chapitre. La structure étudiée est une plaque rectangulaire posée horizontalement à la surface d’une cuve remplie d’eau. Deux types de sources transitoires sont utilisés : marteau de choc, lâché d’une bille. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux montre que l’on retrouve certains phénomènes évoqués précédemment. L’effet des raidisseurs sur le rayonnement acoustique fait l’objet du quatrième chapitre. Une plaque raidie périodiquement dans une direction est considéré. L’influence des ondes de Bloch-Floquet sur la réponse temporelle est étudiée. Les résultats sont comparés à des mesures effectuées sur une barge d’essais. Dans le cinquième chapitre, l’effet des structures internes est étudié à partir d’un modèle de plaque couplé à un système résonnant constitué d’un assemblage poutre-plaque. La méthode des inertances est utilisée pour obtenir les forces de couplage entre les différents éléments. Les signaux temporels sont étudiés en fonction de l’importance de la rupture d’inertance entre la plaque et l’assemblage. / In the sea, the acoustic detection of other battle engines is done by detecting mostly stationary signals. However, new types of detection systems are being developed, and are able to detect and to analyze transient signals. Therefore, the industrial conception process needs to be improved, so that the underwater vehicles transient noises can be taken in account. In order to do so, the mechanism of vibroacoustic transfer of transient sources of submerged structures has to be understood. The object of this thesis is then the study of the mechanism of vibration transfer and acoustic radiation of those structures when they are excited by transient sources. The shell radiation in the water, the wave diffraction by circumferential stiffeners and the resonant behavior of internal substructures are analyzed. The first chapter presents the bibliographical study of three themes: the study of transient phenomenon of submerged structures, the influence of heavy fluid coupling on vibroacoustic behavior of plates, and the different calculation methods in transient vibroacoustics. In the second chapter, we study the transient response of a submerged infinite plate excited by an impulsively point force. First, the calculations are done in the wavenumber-frequency domain. Then the spatio-temporal responses are obtained using inverse Fourier transforms. The discretization of wavenumber and frequency domains and the damping model are studied. The analysis of frequency and time responses of the plate vibration and the radiated pressure enable us to observe the influence of heavy fluid coupling. Besides the Mindlin-Timoshenko plate model is also used and the effect of rotation inertia and shear stress are studied. In the third chapter, these numerical results are confronted to experimental data, obtained experimentally. The studied structure is a rectangular plate lying on the surface of a water tank. Two different excitations are used: an impact hammer and the free fall of a steel ball. The study of the correlation between numerical and experimental results showed that some phenomena are observed in both cases. The influence of stiffeners on the acoustic radiation is the theme of the fourth chapter. An infinite plate which is periodically stiffened through one direction is considered. The effect of Bloch-Floquet waves on time response is studied. Numerical results are compared to measurements data obtained on an industrial submerged structure. In the fifth chapter, the effect of internal structures is analyzed by modelling an infinite plate coupled to a resonant system made of a beam and a rectangular finite plate. The inertance coupling method is used to obtain the coupling forces between the different substructures. Influence of inertance difference between the substructures is illustrated by the time signals.

Ce travail de thèse propose d’analyser les signaux issus d’une source omnidirectionnelle sphérique réfléchis par un milieu sédimentaire stratifié et enregistré par une antenne d’hydrophones, en vue de caractériser quantitativement les sédiments marins aux moyennes fréquences, i.e. comprises entre 1 et 10 kHz. La recherche développée dans ce manuscrit propose une méthodologie facilitant la recherche des paramètres géoacoustiques du milieu avec la méthode des sources images, ainsi qu’un ensemble de solutions techniques appropriées afin d’améliorer cette méthode d’inversion récemment développée. La méthode des sources images repose sur une modélisation physique de la réflexion des ondes émises par une source sur un milieu stratifié sous l’approximation de Born. Par conséquent, la réflexion de l’onde sur le milieu stratifié peut être représentée par une collection de sources images, symétriques de la source réelle par rapport aux interfaces, dont les positions spatiales sont liées à la vitesse des ondes acoustiques et aux épaisseurs des couches. L’étude se décline en deux volets : traitements des signaux et inversion des paramètres géoacoustiques. La première partie du travail est focalisée sur le développement de la méthode des sources images. La méthode originelle se basait sur la construction de cartes de migration et de semblance de signaux pour déterminer les paramètres d’entrée de l’algorithme d’inversion qui sont des temps de trajet et des angles d’arrivée. Afin d’éviter cette étape, nous détectons les temps d’arrivée avec l’opérateur d’énergie de Teager-Kaiser (TKEO) et nous trouvons les angles par une méthode de triangulation. Le modèle d’inversion a été ensuite intégré en prenant en compte la possibilité de déformation de l’antenne. Cette partie se termine par une nouvelle approche qui combine TKEO et des méthodes temps fréquence afin d’avoir une bonne détection du temps d’arrivée dans le cas de signaux fortement bruités. Sur le plan du modèle et de l’inversion géoacoustique, nous proposons tout d’abord une description précise du modèle direct en introduisant le concept de sources images virtuelles. Cette étape permet de mieux comprendre l’approche développée. Ensuite, nous proposons une extension de la méthode des sources image pour l’inversion de paramètres géoacoustiques supplémentaires : la densité, l’atténuation et la vitesse des ondes de cisaillement. Cette extension est basée sur les résultats de l’inversion originelle (estimation du nombre de strates, de leur épaisseur, et de la vitesse des ondes de compression) ainsi que sur l’utilisation de l’amplitude des signaux réfléchis. Ces améliorations et extensions de la méthode des sources images sont illustrées par leur application sur des signaux synthétiques et des signaux réels issus d’expérimentations en cuve et à la mer. Les résultats obtenus sont très satisfaisants, tant au niveau des performances de calcul que de la qualité des estimations fournies. / This thesis aims at analyzing the signals emitted from a spherical omnidirectional source reflected by a stratified sedimentary environment and recorded by a hydrophone array in order to characterize quantitatively the marine sediments at medium frequencies, i.e. between 1 and 10 kHz. The research developed in this manuscript provides a methodology to facilitate the estimation of medium geoacoustic parameters with the image source method, and some appropriate technical solutions to improve this recently developed inversion method. The image source method is based on a physical modeling of the wave reflection emitted from a source by a stratified medium under the Born approximation. As result, the reflection of the wave on the layered medium can be represented by a set of image sources, symmetrical to the real source with respect to the interfaces, whose spatial positions are related to the sound speeds and the thicknesses of the layers. The study consists of two parts : signal processing and inversion of geoacoustic parameters. The first part of the work is focused on the development of the image source method. The original method was based on migration and semblance maps of the recorded signals to determine the input parameters of the inversion algorithm which are travel times and arrival angles. To avoid this step, we propose to determine the travel times with the Teager-Kaiser energy operator (TKEO) and the arrival angles are estimate with a triangulation approach. The inversion model is then integrated, taking into account the possible deformation of the antenna. This part concludes with a new approach that combines TKEO and time-frequency representations in order to have a good estimation of the travel times in the case of noisy signals. For the modeling and geoacoustic inversion part, we propose first an accurate description of the forward model by introducing the concept of virtual image sources. This idea provides a deeper understanding of the developed approach. Then, we propose an extension of the image sources method to the estimation of supplementary geoacoustic parameters : the density, the absorption coefficient, and the shear wave sound speed. This extension is based on the results of the original inversion (estimation of the number of layers, their thicknesses, and the pressure sound speeds) and on the use of the amplitudes of the reflected signals. These improvements and extents of the image source method are illustrated by their applications on both synthetic and real signals, the latter coming from tank and at-sea measurements. The obtained results are very satisfactory, from a computational point of view as well as for the quality of the provided estimations.

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 finalité du mémoire est double : appréhender la solution exacte de propagation d'ondes élastiques harmoniques (tant longitudinales que transversales) régnant dans diverses zones d'un milieu sphérique multi-couches (nombre fini de sphères concentriques) ; apprécier, par voie asymptotique, l'influence de cette stratification sur le phénomène de diffraction sévissant à l'extérieur de l'obstacle. Une méthode est développée qui permet de s'affranchir d'une des principales difficultés inhérentes à ce type de milieu : les conditions aux limites. La méthode s'appuie sur la solution de point source dans un espace infini, sur la détermination des coefficients de réflexion, de réfraction et débouche sur la notion de séries de Debye généralisées.<br />De nombreuses situations sont examinées. La méthode du col et la méthode des résidus permettent des interprétations physiques de la solution de propagation dans l'espace en terme de rayons qui s'enroulent autour de l'obstacle ou de rayons réfléchis et réfractés rejoignant les lois de l'optique géométrique appliquées ici aux ondes « P, SV et SH ».<br />Les résultats acquis ont pour champ d'application les domaines très variés tels que l'acoustique sous-marine, la géophysique, le contrôle non destructif et d'une manière générale toutes les branches d'activités où interviennent des dispositifs de détection ou d'émission d'ondes se propageant en présence de corps de forme géométrique simple (géométrie dite déparable : cylindre, plan, sphère,...).