Le système auditif de l'homme fournit de nombreuses informations sur son environnement sonore. Nous sommes par exemple capables de localiser précisément l'origine d'un son et d'en interpréter sa signification, si bien qu'il parait aujourd'hui extrêmement difficile de se passer de ces informations sonores dans un monde dynamique et imprévisible. Pourtant, la robotique mobile n'a que très peu intégré cette modalité auditive, bien qu'elle apparaisse indispensable pour compléter les informations délivrées par les autres capteurs extéroceptifs tels que les caméras, les télémètres lasers ou les d´etecteurs ultra-sonores. Nous présentons dans cette thèse la conception d'un système auditif artificiel, composé de 8 microphones omnidirectionnels et d'une carte d'acquisition/traitement, pour la localisation de source sonore. Cette problématique a déjà été très largement traitée dans la littérature issue du Traitement du Signal et de l'Acoustique. Cependant, des contraintes inédites d'embarquabilité et de temps réel imposées par la robotique limitent l'applicabilité de ces méthodes pour des signaux large bande tels que la voix. Après une étude bibliographique approfondie sur les solutions de localisation déjà proposées en robotique, nous envisageons la définition de formations de voie invariantes en fréquence. Celles-ci sont synthétisées selon une nouvelle méthode d'optimisation convexe basée sur la représentation modale des diagrammes de directivité. Cette solution permet d'améliorer sensiblement la résolution des basses fréquences, aussi bien en champ proche qu'en champ lointain, malgré l'utilisation d'une antenne de microphones de petite taille. Nous exploitons ensuite ces nouvelles formations de voie optimisées pour le tracé d'une carte de puissance acoustique de l'environnement. Comparativement aux méthodes conventionnelles, la localisation s'avère plus précise et permet de traiter des signaux large bande sur la bande de fréquence 400Hz-3kHz. Nous évaluons enfin une extens ion récente de la méthode MUSIC dans l'espace des formations de voie pouvant être compatible avec les contraintes liées au contexte robotique.

Abstract : This thesis considers the discrimination of inlet / exhaust noise of aero-engines in free-field static tests using far-field microphone arrays. Various techniques are compared for this problem, including classical beamforming (CB), regularized inverse method (Tikhonov regularization), LI - generalized inverse beamforming (LI-GIB), clean-PSF, clean-SC and two novel methods which are called hybrid method and clean-hybrid. The classical beamforming method is disadvantaged due to its need for a high number of measurement microphones in accordance with the requirements. Similarly, the inverse method is disadvantaged due to their need of having a priori source information. The classical Tikhonov regularization provides improvements in solution stability, however continues to be disadvantaged due to its requirement of imposing a stronger penalty for undetected source positions. Coherent and incoherent sources are resolved by LI-generalized inverse beamforming (L1-GIB). This algorithm can distinguish the multipole sources as well as the monopoles sources. However, source identification by LI-generalized inverse beamforming takes much time and requires a PC with high memory. The hybrid method is a new regularization method which involves the use of an a priori beamforming measurement to define a data-dependent discrete smoothing norm for the regularization of the inverse problem. Compared to the classical beamforming and the inverse modeling, the hybrid (beamforming regularization) approach provides improved source strength maps without substantial added complexity. Although the hybrid method rather solves the disadvantage of the former methods, the application of this method for identification of weaker sources in the presence of the strong sources isn't satisfactory. This can be explained by the large penalization being applied to the weaker source in the hybrid method, which results in underestimation of source strength for this source. To overcome this defect, the clean-SC method and the proposed clean-hybrid method, which is a combination of the hybrid method and the clean-SC, are applied. These methods remove the effect of the strong sources in source power maps to identify the weaker sources. The proposed methods which represent the main contribution of this thesis show promising results and opens new research avenues. Theoretical study of all approaches is performed for various sources and configurations of array. In order to validate the theoretical study, several laboratory experiments are conducted at Universito de Sherbrooke. The proposed methods have further been applied to the measured noise data from a Pratt & Whitney Canada turbo-fan engine and have been observed to provide better spatial resolution and solution robustness with a limited number of measurement microphones compared to the existing methods. / Résumé : La présente thèse étudie la discrimination du bruit d'entrée / de sortie des moteurs d'avion dans des tests statiques en champ libre en utilisant des antennes de microphones en champ lointain. Diverses techniques sont comparées pour ce problème, dont la formation de voie classique (CB), la méthode inverse régularisée (régularisation de Tikhonov), la formation de voies généralisée inverse (L1-GIB), Clean-PSF, Clean-SC et deux méthodes proposées qui s'appellent la méthode hybride et la méthode Clean-hybride. La méthode la formation de voie classique est désavantagée en raison de son besoin de nombreux microphones de mesure. De même, la méthode inverse est désavantagée en raison du besoin d'information a priori sur les sources. La régularisation Tikhonov classique fournit des améliorations dans. la stabilité de la solution; cependant elle reste désavantageuse en raison de son exigence d'imposer une pénalité plus forte pour des positions de source non détectées. Des sources cohérentes et incohérentes peuvent être résolues par la formation de voies généralisée inverse (L1-GIB). Cet algorithme peut identifier les sources multi- polaires aussi bien que les sources monopolaires. Cependant, l'identification de source par la formation de voies généralisée inverse prend beaucoup de temps et exige un ordinateur avec une capacité de mémoire élevée. La méthode hybride est une nouvelle méthode de régularisation qui implique l'utilisation d'un traitement par formation de voie a priori pour définir une norme discrète et dépendante des données pour la régularisation du problème inverse. En comparaison avec la formation de voie classique et la méthode inverse, l'approche hybride (régularisation par formation de voie) fournit des cartographies améliorées d'amplitudes de sources sans aucune complexité supplémentaire substantielle. Bien que la méthode hybride lève les limitations des méthodes classiques, l'application de cette méthode pour l'identification de sources de faible puissance en présence de sources de forte puissance n'est pas satisfaisante. On peut expliquer ceci par la plus grande pénalisation appliquée à la source plus faible dans la méthode hybride, qui aboutit à la sous-estimation de l'amplitude de cette source. Pour surmonter ce défaut, la méthode Clean-SC et la méthode Clean-hybrides proposée qui est une combinaison de la méthode hybride et de Clean-SC sont appliquées. Ces méthodes éliminent l'effet des sources fortes dans les cartographies de puissance de sources pour identifier les sources plus faibles. Les méthodes proposées qui représentent la contribution principale de cette thèse conduisent à des résultats fiables et ouvrent des nouvelles voies de recherche. L'étude théorique de toutes les approches est menée pour divers types de sources et de configurations microphoniques. Pour valider l'étude théorique, plusieurs expériences en laboratoire sont réalisées à Université de Sherbrooke. Les méthodes proposées ont été appliquées aux données de bruit mesurées d'une turbo-soufflante Pratt & Whitney Canada pour fournir une meilleure résolution spatiale des sources acoustique et une solution robuste avec un nombre limité des microphones de mesure comparé aux méthodes existantes.

Les sondeurs multifaisceaux (SMF) bathymétriques sont des systèmes sonars permettant une mesure bathymétrique précise sur un large secteur angulaire par la formation de plusieurs centaines de faisceaux très fins dépointés de la verticale. Les thématiques abordées dans ces travaux de thèse sont le développement de méthodes de qualification des sondes fournies par ces sondeurs, et l'étude de l'implémentation d'algorithmes permettant la détection de plusieurs cibles à l'intérieur de chaque faisceau formé. La définition de la qualité associée à chaque sonde se base sur les méthodes d'estimation de la hauteur d'eau utilisées dans les SMF et sur le calcul de leurs variances. Ceci nécessite une connaissance approfondie de la statistique des signaux acoustiques en fonction des conditions de mesure et du paramétrage du sondeur, afin d'obtenir les formules théoriques décrivant la variance du temps d'arrivée de l'onde dans chaque faisceau. Les calculs aboutissent à la définition d'une qualité pour chaque sonde dépendant uniquement des caractéristiques du signal acoustique dans le faisceau considéré. Ils ont été menés en particulier pour la mesure du temps d'arrivée à partir de l'enveloppe du signal d'amplitude de l'écho, en prenant en compte l'influence du rapport signal à bruit et de la durée du signal émis. La validation des formules théoriques obtenues sur données réelles confirme la pertinence de l'approche retenue. L'étude de l'implémentation d'algorithme de détection multiple commence par une mise en évidence de la perte d'information liée à la détection d'une seule cible par faisceau et par la visualisation des limitations intrinsèques liées à la configuration actuelle des antennes de SMF. Par la suite, une série de traitements adaptés à la définition d'un algorithme de détection multiple est proposée. Ces traitements sont notamment basés sur une différenciation du type de cibles sous-marines (cibles linéiques, surfaciques, ponctuelles) et par leur caractérisation spectrale : pour cette dernière, un critère reposant sur la longueur de "bande effective" du signal reçu permet de séparer efficacement les cibles réelles du bruit. Ceci a permis d'implémenter un algorithme de multi-détection, qui a été testé sur différents jeux de données acquises dans des environnements complexes. Les résultats obtenus sur données réelles mettent en évidence l'intérêt de la prise en compte de plusieurs cibles temporellement disjointes dans chaque faisceau. Les résultats de ces travaux contribuent à l'amélioration des performances hydrographiques des SMF bathymétriques en permettant à la fois une qualification en temps réel de la mesure acoustique ainsi qu'une meilleure description des cibles sous-marines complexes.

La thèse s’inscrit dans le cadre industriel de la détection de la réaction entre l’eau et le sodium dans un générateur de vapeur d’un réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium. Plus précisément, il s’agit de détecter une micro-fuite d’eau dans le sodium (débit < 1 g/s) en moins de 10 secondes à partir des signaux vibratoires mesurés sur la virole externe du générateur de vapeur. Le bruit de fond très important de l’installation en fonctionnement risque de mettre en défaut la détection basée sur un dépassement de seuil de l’énergie vibratoire. Nous nous intéressons dans cette thèse à la technique de la formation de voies qui permet d’augmenter le rapport signal à bruit et de détecter et de localiser une source acoustique à l’intérieur du système à partir de signaux vibratoires mesurés par une antenne de capteurs accéléromètres placés sur la coque cylindrique (i.e. virole du générateur de vapeur). Une étude numérique a d’abord été réalisée. Des modèles numériques sont développés afin de simuler les signaux mesurés (virtuellement) par les accéléromètres de l’antenne linéaire considérée. Les performances de la formation de voies sont alors étudiées suivant différents paramètres (i.e. position source, amortissement, fréquence, type de bruit de fond, etc.). Le premier modèle consiste en une plaque plane infinie en contact avec un fluide lourd et excitée par un monopole acoustique situé dans ce fluide. L’analyse des déplacements transverses de la plaque nous permet d’établir un critère sur l’échantillonnage spatial du champ vibratoire par l’antenne. Un second modèle, plus représentatif de la virole du générateur de vapeur, est ensuite proposé. Une coque cylindrique élastique infinie, remplie par un fluide lourd est considérée. Le caractère « fini » de ce système dans les directions radiales et circonférentielles fait apparaitre un comportement modal. Son impact sur la formation de voies est étudié. La méthode est finalement testée expérimentalement. Des mesures sont réalisées sur une maquette composée d’un cylindre en acier rempli d’eau, placé dans un circuit hydraulique dont on maitrise le débit. La source acoustique est générée à partir d’un hydrophone. On étudie alors le gain d’antenne pour différents débits et niveaux d’excitation de la source. / This thesis deals with a new method to detect a sodium-water reaction in a steam generator of a fast sodium-cooled nuclear reactor. More precisely, the objective is to detect a micro-leak of water (flow < 1 g/s) in less than 10 seconds by measuring the external shell vibrations of the component. The strong background noise in operation makes impossible the use of a detection system based on a threshold overrun. A beamforming method applied to vibrations measured by a linear array of accelerometers is developed in this thesis to increase the signal-to-noise ratio and to detect and locate the leak in the steam generator. A numerical study is first realized. Two models are developed in order to simulate the signals measured by the accelerometers of the array. The performances of the beamforming are then studied in function of several parameters, such as the source location and frequency, the damping factor, the background noise considered. The first model consists in an infinite plate in contact with a heavy fluid, excited by an acoustic monopole located in this fluid. Analyzing the transverse displacements in the wavenumber domain is useful to establish a criterion to sample correctly the vibration field of the plate. A second model, more representative of the system is also proposed. In this model, an elastic infinite cylindrical shell, filled with a heavy fluid is considered. The finite dimensions in the radial and circumferential directions lead to a modal behavior of the system which impacts the beamforming. Finally, the method is tested on an experimental mock-up which consists in a cylindrical pipe made in stainless steel and filled with water connected to hydraulic circuit. The water flow speed can be controlled by varying the speed of the pump. The acoustic source is generated by a hydrophone. The performances of the beamforming are studied for different water flow speeds and different amplitude and frequencies of the source.

En sismique pétrolière, les ondes de surface représentent encore un sujet d'investigation important, le plus souvent pour s'affranchir du fait qu'elles masquent les informations de la profondeur véhiculées par les ondes de volume. D'autre part, les expérimentations à l'échelle du laboratoire restent relativement peu usitées pour des études impliquant un grand nombre de points de mesure. Dans ce contexte, cette thèse a d'abord permis de valider un environnement de laboratoire automatisé, adapté à l'étude des ondes de surfaces, présentant en particulier un mélange " ondes de surface - ondes de volume " comparable à celui rencontré en sismique pétrolière. Dans un deuxième temps, ondes de surface et ondes de volume ont pu être séparées efficacement par traitement d'antennes. Après séparation, il devenait possible de suivre les variations de temps d'arrivées des ondes en présence de modification du milieu en surface et/ou en profondeur comme dans le cas d'une surveillance de réservoir d'hydrocarbure (4D). Une étude 4D complète a donc été réalisée, permettant de suivre non seulement les variations de temps d'arrivées mais également d'amplitude et de directions de départ et d'arrivées des ondes. Une méthode pour compenser les variations de vitesses parasites de la proche surface à été proposée. Cette étude de données laboratoire a été complétée par une étude utilisant des données terrains. En outre, l'adaptation d'algorithme haute résolution a permis de considérer les cas d'ondes se propageant avec des angles très voisins. Enfin, en tirant partie de la haute densité spatiale de points d'acquisitions permise par l'environnement mis en place, une étude comparée de deux dispositifs - l'un théoriquement idéal mais peu réaliste et l'autre économiquement viable sur le terrain mais moins efficace - a permis de s'attaquer au problème des ondes de surface réfléchies sur des diffractants qui perturbent beaucoup les acquisitions actuelles. Une nouvelle solution de filtrage a été proposée pour le deuxième cas.

Dans l'océan, les changements de température induisent des perturbations de la vitesse de propagation des ondes acoustiques. La tomographie acoustique océanique utilise les fluctuations de signaux acoustiques enregistrés pour cartographier ces perturbations de vitesse du son. Cette étude propose une méthode alternative utilisant la direction de propagation des ondes acoustiques (plutôt que les temps de propagation utilisés classiquement) pour imager un guide d'onde océanique peu profond (~100 m), petite échelle (1 à 10 km), avec une haute résolution spatiale (10 m horizontalement, 2 m en profondeur). Dans ce contexte, les ondes acoustiques basse fréquence (~1 kHz) à large bande spectrale (~1.5 kHz) se propagent selon des trajectoires multiples assimilables à des rayons géométriques épais spatialement. L'utilisation d'un couple d'antennes (émission/réception) et de la double formation de voies permet de séparer les signaux en provenance des différents trajets acoustiques et de mesurer leur : temps de propagation (TP), direction d'arrivée (DA) et direction de départ (DD). Dans l'hypothèse de faibles perturbations, les variations des TP, DA et DD sont reliées linéairement aux perturbations de la distribution de vitesse du son de manière analytique. Cette formulation, basée sur la physique de la diffraction de Born au 1er ordre, utilise des fonctions noyaux appelées : noyaux de sensibilité temps-angles (NSTA). Les méthodes classiques d'inversion permettent alors de retrouver les perturbations de vitesse à partir des variations de TP, DA et DD en utilisant les NSTA. Les méthodes développées ont été validées sur données simulées, puis appliquées à des données réelles d'expériences à échelle réduites réalisées dans la cuve ultrasonore de l'ISTerre, Grenoble. / In the ocean, temperature changes induce sound-speed perturbations. Ocean acoustic tomography uses the fluctuations of recorded acoustic signals, to map those sound-speed perturbations. To this end, sound-speed perturbations are classically related to the acoustic-wave travel-times measured on the records. This study suggests an alternative method to perform acoustic thermometry based on acoustic-wave propagation directions. It allows imaging a shallow-water waveguide (~100 m), at small scale (1 to 10 km), with high spatial resolution (10 m in range, 2 m in depth). In this context, wideband (~1.5 kHz) low frequency (~1 kHz) acoustic waves propagates along multiple paths similar to spatially « fat » geometrical rays. Using a pair of arrays (source/receiver) and the double-beamforming processing to separate acoustic signals coming from different paths and measure their: travel-time (TT), directions-of-arrival (DOA) and directions-of-departure (DOD). Under the hypothesis of small perturbations, TP, DOA and DOD variations are linearly related to sound-speed perturbations in an analytical way. This formulation based on Born's diffraction physics at the first order uses kernel functions called: the time-angle sensitivity kernels (T-A-SK). The T-A-SK model is then combined to classical inversion methods to retrieve sound-speed perturbations from TT, DOA and DOD variations. The methods developed here have been validated on simulated data, and applied on real small-scale data coming from the ultrasonic tank of the ISTerre, Grenoble.

Dans l'océan, les changements de température induisent des perturbations de la vitesse de propagation des ondes acoustiques. A partir des fluctuations des signaux acoustiques enregistrés, la tomographie acoustique océanique permet d'imager ces perturbations de vitesse du son. Dans un contexte de double antenne de réception et d'émission, cette thèse propose une méthode alternative utilisant la direction de propagation des ondes acoustiques et ses paramètres physiques associés, direction d'arrivée (DA) et direction de départ (DD), plutôt que les temps de propagation (TP) utilisés classiquement. Nous nous plaçons dans un guide d'onde océanique petit fond ( 100 m), sur une échelle spatiale entre 1 et 10 km, et une résolution spatiale d'environ 10 m horizontalement et 2 m en profondeur. Dans ce cas, les ondes acoustiques basses fréquences (1 kHz) se réfléchissent sur les interfaces du guide d'ondes et se propagent entre une source et un récepteur, en suivant des trajectoires multiples. Après extraction des TP, DA et DD par double formation de voies, et dans l'hypothèse de faibles perturbations, nous relions linéairement les variations des TP, DA et DD aux perturbations de la distribution de vitesse du son de manière analytique. Cette formulation, basée sur la physique de la diffraction de Born au 1er ordre, utilise des fonctions appelées : noyaux de sensibilité temps-angles (NSTA). Ainsi après avoir traiter le problème direct, l'utilisation de méthodes d'inversion nous permet alors de retrouver les perturbations de vitesse à partir des variations de TP, DA et DD en utilisant les NSTA. Dans cette thèse, nous montrons que l'inversion utilisant uniquement les angles est identique à celle classiquement réalisée avec les temps. Cette méthode nouvelle de tomographie acoustique, a été validée sur données simulées, et sur des données réelles d'expériences à échelle réduites.