Non-physical arrivals produced by seismic interferometry, the process whereby Green’s functions are synthesized between two points by cross-correlation, crossconvolution or deconvolution, are often considered to provide little information about the Earth’s subsurface. Their contributions are usually suppressed in interferometric Green’s function estimates to suit existing methods of seismic velocity estimation which favour the more familiar physical arrivals. In this thesis we show that the non-physical arrivals retrieved in exploration-type settings are useful for determining the long-wavelength seismic velocity structure and can be used to obtain improved Green’s function estimates. First, we estimate the seismic velocity and layer thickness by measuring the signal coherency along traveltime curves between two receivers in a collection of traces consisting of cross-correlated wavefields, known as the correlation gather. The traveltime curves represent the traveltime differences between wavefields recorded at the two receivers. When the procedure is used to find the velocity and thickness of the uppermost layer, the traveltime curves implicitly incorporate the physical and non-physical wavefields in the Green’s function estimates. When the procedure is applied to a model with more than one layer, the traveltime curves correspond to non-physical wavefields only in the Green’s function estimates. Instead of suppressing multiple reflections as in conventional methods, the procedure incorporates the traveltimes of multiple reflections to constrain velocity and thickness estimates. The procedure above is most suitable for recovering the first-layer seismic velocity. We propose a simpler method to estimate the seismic velocities corresponding to deeper layers. We find that the Green’s functions contain very weak reflections, but are dominated by non-physical refractions if retrieved using a limited source aperture. The seismic velocities are easily identifiable as repeating bright spots after transforming the refraction-dominated Green’s functions to the − p domain. We show that non-physical reflections can be used constructively to provide physical reflections, and therefore improved Green’s function estimates, by using a cross-convolution operation in a new variant of seismic interferometry, called source-receiver interferometry. We also show that non-physical reflections associated with the cross-correlation of reflections from different interfaces allow for the direct estimation of interval velocities and layer thicknesses. This method removes the necessity to first find the root-mean-square velocities and two-way traveltimes required to compute the interval velocities by Dix inversion. Overall, this thesis significantly improves our understanding of how nonphysical energy in seismic interferometry both provides useful information about the Earth’s subsurface and contributes to physical energy in particular interferometric methods.

Le graphène planaire se présente comme un des matériaux les plus prometteurs pour la nanoélectronique de demain, grâce particulièrement à sa conductivité thermique et sa mobilité électronique qui sont les plus élevées jamais mesurées dans un solide. Parmi ses allotropes, le graphène découpé en nanorubans est une des formes les plus intéressantes, notamment pour les possibilités d'ingénierie de bandes qu'il offre. Ses propriétés électroniques et vibrationnelles sont fortement influencées par la présence des bords et s’éloignent de celles du graphène planaire. A ce jour, ses propriétés thermiques et thermoélectriques ont été encore peu explorées. Dans ce travail de thèse, grâce à une modélisation atomistique du réseau cristallin, les modes de vibration caractéristiques de chaque type de ruban ont été identifiés et, dans le cadre du formalisme des fonctions de Green hors équilibre, le transport de ces modes a été simulé. On a ainsi évalué les propriétés thermiques des nanorubans en identifiant les types de rubans offrant la plus forte conductance thermique pour envisager une meilleure gestion de la chaleur dans les dispositifs du futur. Dans la direction opposée, des techniques de nanostructuration du ruban permettent de dégrader le transport des phonons et d’amplifier la figure de mérite thermoélectrique en bénéficiant simultanément d'un phénomène de transport électronique résonant. En exploitant ces techniques, un premier dispositif thermoélectrique basé sur les nanorubans de graphène a été conçu et ses performances ont été évaluées par une approche multi-échelle. La possibilité de très forte densité d’intégration du graphène fait l’intérêt d’un tel dispositif qui pourrait fournir des puissances électriques ou de refroidissement très supérieures à celles des dispositifs thermoélectriques actuels. / 2D graphene is one of the most promising materials for nanoelectronics; its thermal conductivity and electronic mobility are the highest ever measured in solids. Among its allotropes, graphene cut in nanoribbons (GNRs) is one of the most interesting structures because it offers possibilities of bandgap engineering. Electronic and vibrational properties of GNRs are strongly affected by the presence of the edges and can differ significantly from those of 2D graphene. Up to now, their thermal and thermoelectric properties have been rarely explored. In this thesis, using an atomistic model of crystal lattice, the vibrational modes associated to each type of ribbon have been identified and via the formalism of nonequilibrium Green’s functions, the transport of these modes has been simulated. We have evaluated the better ribbon structures in terms of thermal conductance for a better heat management in future devices and circuits. On the other side we have identified some particular nanostructured ribbons where the thermoelectric figure of merit is strongly amplified thanks to both the degradation of phonon conductance and the occurring of resonant electron transport. A first thermoelectric device based on such GNRs has been designed and its performance has been evaluated using a multi-scale approach. This device becomes interesting in the case of high integration density of GNRs.

The majority of commercially available ultrasonic transducers used to excite and measure wave propagation in structures can be coupled only to a free surface. While convenient, this method is likely to excite multiple structural modes, making data interpretation difficult. Furthermore, the many modes excited make predicting the structure’s response a computationally intensive task. Here the dynamic radial displacement induced by a transient radial point load is calculated at more than 230,000 points on the outer surface of a virgin steel pipe to simulate a typical experiment. The radial component of the displacement field is calculated by convolving the Green’s functions of the pipe with the transient load. These functions are calculated on personal computers (in a distributed arrangement) by employing modal summation. The mode shapes are obtained from a Semi-Analytical Finite Element formulation used in conjunction with a separation of variables. The results are presented in a four dimensional animation, providing easier interpretations and insight into how to best select observation points for the detection of defects. The accuracy of the calculated displacements is verified experimentally. Agreement is good when magnitude and phase corrections are incorporated from the frequency response curves of the transducers used. / February 2005

The majority of commercially available ultrasonic transducers used to excite and measure wave propagation in structures can be coupled only to a free surface. While convenient, this method is likely to excite multiple structural modes, making data interpretation difficult. Furthermore, the many modes excited make predicting the structure’s response a computationally intensive task. Here the dynamic radial displacement induced by a transient radial point load is calculated at more than 230,000 points on the outer surface of a virgin steel pipe to simulate a typical experiment. The radial component of the displacement field is calculated by convolving the Green’s functions of the pipe with the transient load. These functions are calculated on personal computers (in a distributed arrangement) by employing modal summation. The mode shapes are obtained from a Semi-Analytical Finite Element formulation used in conjunction with a separation of variables. The results are presented in a four dimensional animation, providing easier interpretations and insight into how to best select observation points for the detection of defects. The accuracy of the calculated displacements is verified experimentally. Agreement is good when magnitude and phase corrections are incorporated from the frequency response curves of the transducers used.

The majority of commercially available ultrasonic transducers used to excite and measure wave propagation in structures can be coupled only to a free surface. While convenient, this method is likely to excite multiple structural modes, making data interpretation difficult. Furthermore, the many modes excited make predicting the structure’s response a computationally intensive task. Here the dynamic radial displacement induced by a transient radial point load is calculated at more than 230,000 points on the outer surface of a virgin steel pipe to simulate a typical experiment. The radial component of the displacement field is calculated by convolving the Green’s functions of the pipe with the transient load. These functions are calculated on personal computers (in a distributed arrangement) by employing modal summation. The mode shapes are obtained from a Semi-Analytical Finite Element formulation used in conjunction with a separation of variables. The results are presented in a four dimensional animation, providing easier interpretations and insight into how to best select observation points for the detection of defects. The accuracy of the calculated displacements is verified experimentally. Agreement is good when magnitude and phase corrections are incorporated from the frequency response curves of the transducers used.

La reconstruction passive des fonctions de Green par corrélation de bruit ambiant suscite aujourd’hui un grand intérêt en contrôle santé intégré (CSI). Dans ce manuscrit, nous proposons une méthode originale reposant sur l’application de cette approche pour détecter et localiser des défauts (fissures, trous, rainures) dans des plaques minces réverbérantes avec un faible nombre de capteurs. Les ondes de flexion qui se propagent sur la plaque sont engendrées soit par un ensemble de sources aléatoirement réparties sur la surface ou un bruit ambiant. Un réseau de capteurs sensibles au déplacement normal permet d’estimer la matrice de corrélations inter-éléments avant et après l’apparition d’un défaut. Un critère d’évaluation de la qualité des corrélations est proposé sous forme d’un niveau de bruit relatif entre les résidus de reconstruction et les fonctions de Green. La matrice différentielle de corrélations avant et après défaut est utilisée pour l’imagerie de défaut. En dépit de la reconstruction imparfaite des réponses impulsionnelles, la technique proposée s’avère comparable aux méthodes actives avec une excellente résolution. On a proposé ensuite une extension de la méthode passive par corrélation de champs pour l’identification des zones de bruit. Un filtrage basé sur la technique de décomposition en valeurs singulières (DORT) est tout particulièrement utilisé pour améliorer les images de localisation. Des sources acoustiques secondaires ont été développées pour la translation du bruit ambiant basses fréquences en composantes hautes fréquences, utilisées pour localiser des défauts dans des plaques. Enfin, on a montré que ce type de méthode pourrait être également utilisé pour caractériser un défaut dans une structure réverbérante, en particulier, il a été souligné que l’intensité des images de localisation obtenues est liée à la section de diffusion de celui-ci. / Green’s functions retrieval from ambient noise correlation has recently drawn a new interest in structural health monitoring. In this manuscript, we propose an original method based on this approach to detect and locate defects (cracks, holes, grooves) in a reverberant thin plate with a limited number of sensors. Flexural waves that propagate on the plate are generated by either a set of sources distributed randomly on the surface or an ambient noise. Covariance matrices are estimated from the sparse array after damage and compared to baseline-correlation matrix recorded from the healthy plate. An evaluation criterion has developed in the form of relative noise level to predict the quality of the GF reconstruction. The differential correlation matrix w/o defect is used to localize the defect. We have shown numerically and experimentally that this technique is exploitable for defect detection and localization, despite a non-perfect estimation of the GF. We have also proposed a passive technique to identify the regions of noise. A filtering technique based on the singular value decomposition is shown to improve the detection. A secondary acoustic sources have been developped to harvesting the LF ambient noise to HF field, used to localize defects in platelike structures. Finally, it was shown that such method could also be used to characterize a defect in a reverberant structure, in particular, it has been drawn that the obtained images intensity is related to the defect cross-section.

In the normal operation of quadrupole ion trap mass spectrometers, the trapped ions are ejected symmetrically through both the upper (detector) and lower(source) endcap electrodes during mass selective boundary ejection experiment. This reduces the sensitivity of the instrument by almost 50%. In this preliminary study, we altered the geometry parameters of the quadrupole ion traps to introduce asymmetry. The asymmetry displaced the ion cloud towards the detector endcap which resulted in a preferential ejection through this endcap, thus imparting directionality to the ejected ions and hence to the sensitivity enhancement. Two symmetrical mass analyzers have been taken up for numerical study. They include the Paul trap(QIT) and the cylindricaliontrap(CIT). Asymmetry to these geometries is introduced in two ways, one by varying the upper endcap hole radius alone and in other by stretching the trap along the upper endcap only. The escape velocity plots and mass selective boundary ejection simulations are used to demonstrate the directionality of ion ejection for these geometries. The simulations revealed a significant increase in the number of ions getting ejected in the direction of asymmetry.

L’une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L’objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l’approche des fonctions de Green empiriques et d’apporter des éléments pouvant aider au développement d’une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés : le séisme des Saintes Mw6.4 et le séisme de L’Aquila Mw6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d’accélérogrammes synthétiques d’un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d’un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. Cette approche a également été appliquée à la simulation d’un séisme historique pyrénéen Mw6.1. Dans une seconde partie, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites fractales avec l’approche des FGEs. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L’Aquila. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l’ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en œuvre d’une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d’entrée mal connus dans le cadre de la simulation d’un futur séisme. / One of the major scientific problems in seismology is to estimate the ground motions expected at a given site from a future earthquake. The aim of this thesis is to test and validate two different methods of ground motions simulation based on the empirical Green’s function approach and to provide elements that can help to develop a blind simulation methodology. In a first part, a simulation method based on a stochastic point source approach is validated on the real data of recent earthquakes well instrumented : the Les Saintes earthquake Mw6.4 and the L’Aquila earthquake Mw6.3. We have developed a blind simulation approach by taking into account an uncertainty on the parameter of stress drop ratio C. This approach allows to generate a set of synthetic accelerograms of a target earthquake varied enough to be representative of a large number of possible source scenario and taking into account in a statistical sense potential directivity effects. This approach is also applied to the simulation of an historical Pyrenean earthquake Mw6.1. In a second part, we use a more complex extended source model, combining kinematic models of fractal composite sources with EGF approach. The potential of the method is tested on an application to L’Aquila earthquake. This has produced very satisfying results on all ground motion parameters analyzed. This simulation method appears to be very promising for the implementation of a blind simulation methodology, even if the main difficulty lies in the need to define the variability of many poorly known input parameters in the simulation of a future earthquake.

Le formalisme des fonctions de Green hors-équilibre (NEGF pour « Non-equilibrium Green’s function) a suscité au cours des dernières décennies un engouement fort pour étudier les propriétés du transport quantique des nanostructures et des nano-dispositifs dans lesquels les interactions inélastiques, comme la diffusion des électrons-phonons, jouent un rôle significatif. L'incorporation d'interactions inélastiques dans le cadre du NEGF s’effectue généralement dans l'approximation auto-cohérente de Born (SCBA pour « Self-consistent Born approximation) qui représente une approche itérative plus exigeante en ressources numériques. Nous proposons dans ce travail de thèse une méthode efficace alternative dite LOA pour (« Lowest Order Approximation. Son principal avantage est de réduire considérablement le temps de calcul et de décrire physiquement la diffusion électron-phonon. Cette approche devrait considérablement étendre l'accessibilité de l'utilisation de codes atomistiques de transport quantique pour étudier des systèmes 3D réalistes sans faire à des ressources numériques importantes. / Non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism during recent decades has attracted numerous interests for studying quantum transport properties of nanostructures and nano-devices in which inelastic interactions like electron-phonon scattering have a significant impact. Incorporation of inelastic interactions in NEGF framework is usually performed within the self-consistent Born approximation (SCBA) which induces a numerically demanding iterative scheme. As an alternative technique, we propose an efficient method, the so-called Lowest Order Approximation (LOA) coupled with the Pade approximants. Its main advantage is to significantly reduce the computational time, and to describe the electron-phonon scattering physically. This approach should then considerably extend the accessibility of using atomistic quantum transport codes to study three-dimensional (3D) realistic systems without requiring numerous numerical resources.

Le Contrôle-Santé Intégré (CSI) réduit les besoins d’inspections humaines grâce à une surveillance automatisée, réduit les coûts de maintenance grâce à la détection précoce des anomalies avant qu’elles ne dégénèrent et améliore la sécurité ainsi que la fiabilité des services. L’objectif de cette thèse est de concevoir une plateforme de communication sans fil pour le CSI des structures ferroviaires. Le principe de contrôle repose sur la reconstruction des réponses impulsionnelles (fonctions de Green) par corrélation de bruit aléatoire se propageant dans le milieu. Durant ces travaux, nous avons éprouvé expérimentalement la relation entre les réponses actives expérimentales et une version post-traitée des fonctions de corrélation de bruit dans un contexte ferroviaire. Ainsi, nous avons démontré l’applicabilité des fonctions de corrélation pour la détection d’un défaut local sur un rail. Ensuite, nous avons réalisé une étude expérimentale comparative sur la caractérisation d’une transmission ZigBee en termes d’atténuation et de portée dans plusieurs environnements. Dans l’environnement ferroviaire sous test, nous avons démontré l’adéquation avec la portée d’une transmission ZigBee mono-saut (dans un rayon de 76m). Une solution de synchronisation des capteurs lors du prélèvement du signal basée sur la norme IEEE 802.15.4 a été proposée et validée par une campagne de mesures. Il a été démontré que cette approche offre une précision de l’ordre de quelques centaines de nanosecondes. Un prototype-plateforme de communication sans fil basé sur la technologie ZigBee/IEEE 802.15.4 a été mis en place et déployé sur un échantillon de rail. Cette solution a permis de valider les performances de cette plateforme, une fois les données récoltées par les transducteurs, ces informations sont transmises par un lien ZigBee vers une station de base où des algorithmes de détection leurs sont appliqués. / Structural Health Monitoring (SHM) reduces human inspection requirements through automated monitoring, reduces maintenance costs by early detection of defects before they escalate, and improves safety and reliability of services. The work presented in this thesis aims to design a wireless communication platform for railway structures health monitoring. The control principle is based on the reconstruction of impulse responses (Green’s functions) by correlation of random noise propagated in the medium. In this work, direct comparison between an active emission-reception response and the estimated noise correlation function has confirmed the validity of the equivalence relation between them. Thus, we have demonstrated the applicability of the correlation functions for local defect detection in a rail. Then, we conducted an experimental study on the characterization of a ZigBee transmission in terms of path loss and communication range in multiple environments. In the railway environment under test, we showed the adequacy with the range of a ZigBee single-hop transmission (within a radius of 76m). Furthermore, a flexible solution for sensors synchronization during the sampling process, based on IEEE 802.15.4 standard was proposed and validated by a measurement campaign. It has been demonstrated that this approach provides a precision of a few hundred nanoseconds. A wireless communication-platform prototype based on the ZigBee/IEEE 802.15.4 technology has been implemented and deployed on a rail sample. This solution enabled the validation of the platform performances, once the data collected by the transducers, the information is transmitted by a ZigBee link to a base station where detection algorithms are applied.