L' acoustique picoseconde permet l'étude de structures aux dimensions sub-microniques grâce à l'utilisation d'ultrasons dont le contenu spectral peut s' étendre au-delà du THz. La génération et la détection de ces ondes sont rendues possibles par l'association de lasers impulsionnels femtosecondes à dispositifs de type pompe-sonde. Ce manuscrit de thèse décrit la mise en place d'une expérience d' imagerie opto-acoustique avec une résolution spatiale submicronique. L' utilisation combinée d'un échantillonnage optique hétérodyne et de cavités lasers à bas taux de répétition (50 MHz) permet de gagner plusieurs ordres de grandeur sur les temps d'acquisition et de disposer d'une très bonne résolution spectrale. Le manuscrit s'articule autour de trois parties. Dans un premier temps les deux cavités laser aux taux de répértition légèrement différents permettant l'échantillonnage otpique hétérdodyne sont présentées. Puis l'architecture et les performances du système d'asservissement de leur taux de répétion sont décrites. Dans la seconde partie du manuscrit, l'implémentation de cette double cavité dans une expérience pompre-sonde est détaillée et la possibilité de détecter des ondes acoustiques sub-THz avec une résolution de 50 MHz est démontrée. Enfin, dans le dernier chapitre, la puissance de cette expérience pour réaliser de l'imagerie ultra-rapide est illustrée au travers de deux exemples : l'étude d'ondes acoustiques de surface GHz dont la dispersion est induite par la présence d'une couche nanométrique et la détection d'hétérogénéités élastiques submicroniques

La description parcimonieuse des sources permet une approche nouvelle de l'analyse des champs acoustiques. Durant ce projet, nous avons appliqué ce principe à plusieurs scénarios classiques : l'holographie acoustique de champ proche, la localisation de sources simples ou complexes et l'identification de directivité de sources. Ces méthodes d'imagerie exigent la résolution de problèmes inverses, souvent mal posés, qui nécessitent l'utilisation conjointe de techniques de régularisation. De plus, pour capter l'information utile et assurer de bonnes performances de reconstruction, les techniques traditionnelles d'antennerie nécessitent le déploiement d'un grand nombre de microphones. Dans ces travaux, nous avons envisagé une approche originale de l'analyse des champs acoustiques basée sur l'approximation parcimonieuse des sources, ce qui agit comme un principe de régularisation. Cette formulation permet en outre de tirer profit de la méthode de "compressive sampling" (CS), qui permet de restreindre le nombre de mesures utiles à la résolution du problème inverse si la source à reconstruire admet une représentation suffisamment parcimonieuse. On montre que l'application du CS à l'holographie en champ proche de plaques homogènes et isotropes permet non seulement de mieux régulariser le problème par rapport aux techniques génériques classiques, mais également de diminuer fortement le nombre de microphones en sous-échantillonnant l'hologramme au-delà de la limite imposée par la théorie de Shannon. Le problème de localisation de sources, envisagée comme un problème parcimonieux, permet la localisation avec une haute résolution de sources corrélés, en champ proche comme en champ lointain. Les méthodes de reconstruction parcimonieuse permettent de structurer la base de parcimonie en l'enrichissant avec un modèle de décomposition des sources en harmoniques sphériques pour localiser et identifier la directivité de sources complexes. Ces études ont finalement nécessité le développement de techniques rapides de calibration en position et en gain d'antennes composées d'un grand nombre de microphones.

L'imagerie acoustique est une technique performante pour la localisation et la reconstruction de puissance des sources acoustiques en utilisant des mesures limitées au réseau des microphones. Elle est largement utilisée pour évaluer l'influence acoustique dans l'industrie automobile et aéronautique. Les méthodes d'imagerie acoustique impliquent souvent un modèle direct de propagation acoustique et l'inversion de ce modèle direct. Cependant, cette inversion provoque généralement un problème inverse mal-posé. Par conséquent, les méthodes classiques ne permettent d'obtenir de manière satisfaisante ni une haute résolution spatiale, ni une dynamique large de la puissance acoustique. Dans cette thèse, nous avons tout d'abord nous avons créé un modèle direct discret de la puissance acoustique qui devient alors à la fois linéaire et déterminé pour les puissances acoustiques. Et nous ajoutons les erreurs de mesures que nous décomposons en trois parties : le bruit de fond du réseau de capteurs, l'incertitude du modèle causée par les propagations à multi-trajets et les erreurs d'approximation de la modélisation. Pour la résolution du problème inverse, nous avons tout d'abord proposé une approche d'hyper-résolution en utilisant une contrainte de parcimonie, de sorte que nous pouvons obtenir une plus haute résolution spatiale robuste à aux erreurs de mesures à condition que le paramètre de parcimonie soit estimé attentivement. Ensuite, afin d'obtenir une dynamique large et une plus forte robustesse aux bruits, nous avons proposé une approche basée sur une inférence bayésienne avec un a priori parcimonieux. Toutes les variables et paramètres inconnus peuvent être estimées par l'estimation du maximum a posteriori conjoint (JMAP). Toutefois, le JMAP souffrant d'une optimisation non-quadratique d'importants coûts de calcul, nous avons cherché des solutions d'accélération algorithmique: une approximation du modèle direct en utilisant une convolution 2D avec un noyau invariant. Grâce à ce modèle, nos approches peuvent être parallélisées sur des Graphics Processing Unit (GPU) . Par ailleurs, nous avons affiné notre modèle statistique sur 2 aspects : prise en compte de la non stationarité spatiale des erreurs de mesures et la définition d'une loi a priori pour les puissances renforçant la parcimonie en loi de Students-t. Enfin, nous ont poussé à mettre en place une Approximation Variationnelle Bayésienne (VBA). Cette approche permet non seulement d'obtenir toutes les estimations des inconnues, mais aussi de fournir des intervalles de confiance grâce aux paramètres cachés utilisés par les lois de Students-t. Pour conclure, nos approches ont été comparées avec des méthodes de l'état-de-l'art sur des données simulées, réelles (provenant d'essais en soufflerie chez Renault S2A) et hybrides.

Ce travail de recherche porte sur le problème de l'identification des sources de bruit en espace clos. La motivation principale était de proposer une technique capable de localiser et quantifier les sources de bruit à l'intérieur des véhicules industriels, d'une manière efficace en temps. Dans cette optique, la méthode pourrait être utilisée par les industriels à des fins de réduction de bruit, et donc construire des véhicules plus silencieux. Un modèle simplifié basé sur la formulation par sources équivalentes a été utilisé pour résoudre le problème. Nous montrerons que le problème est mal conditionné, dans le sens où il est très sensible face aux erreurs de mesure, et donc des techniques dites de régularisation sont nécessaires. Une étude détaillée de cette question, en particulier le réglage de ce qu'on appelle de paramètre de régularisation, a été important pour assurer la stabilité de la solution. En particulier, un critère de régularisation basé sur une approche bayésienne s'est montré très robuste pour ajuster le paramètre de régularisation de manière optimale. L'application cible concernant des environnements intérieurs relativement grands, nous a imposé des difficultés supplémentaires, à savoir: (a) le positionnement de l'antenne de capteurs à l'intérieur de l'espace; (b) le nombre d'inconnues (sources potentielles) beaucoup plus important que le nombre de positions de mesure. Une formulation par pondération itérative a ensuite été proposé pour surmonter les problèmes ci-dessus de manière à: (1) corriger pour le positionnement de l'antenne de capteurs dans l'habitacle ; (2) obtenir des résultats corrects en terme de quantification des sources identifiées. Par ailleurs, l'approche itérative nous a conduit à des résultats avec une meilleure résolution spatiale ainsi qu'une meilleure dynamique. Plusieurs études numériques ont été réalisées afin de valider la méthode ainsi que d'évaluer sa sensibilité face aux erreurs de modèle. En particulier, nous avons montré que l'approche est affectée par des conditions non-anéchoïques, dans le sens où les réflexions sont identifiées comme des vraies sources. Une technique de post-traitement qui permet de distinguer entre les chemins directs et réverbérants a été étudiée. La dernière partie de cette thèse porte sur des validations expérimentales et applications pratiques de la méthode. Une antenne sphérique constituée d'une sphère rigide et 31 microphones a été construite pour les tests expérimentaux. Plusieurs validations académiques ont été réalisées dans des environnements semi-anéchoïques, et nous ont illustré les avantages et limites de la méthode. Enfin, l'approche a été testé dans une application pratique, qui a consisté à identifier les sources de bruit ou faiblesses acoustiques à l'intérieur d'un bus.

[…] Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à ces bandes interdites et à ces modes de propagations dans le cas d’un cristal photonique constitué d’une matrice de piliers déposés en surface d’un milieu semi-fini. L’étude des interactions entre les piliers résonants localement avec la surface du milieu semi fini nous a permis d’identifier de nouveaux modes de propagation […]Nous avons également montré comment obtenir une réfraction négative omnidirectionnelle[…] La dernière partie de ce travail a été consacré à l’étude des mécanismes permettant la propagation et le confinement d’ondes guidées[…] .Nous avons également explicité les mécanismes qui permettent de crée ce type d’ondes guidées sub-longeur d’onde et le confinement des photons de surface. / [...] We present the features of the interaction between surface acoustic wave and locally resonant pillar on the top of demi infinite medium. We shown that the photonic crystal we proposed possess an acoustic metamaterial feature for surface acoustic waves in the manner that pillars on the top of the surface introduce new guide modes in the non radiative region of the substrate outside sound cone. We also demonstrate the these guided modes are resonant modes that have frequencies greatly lower than those expected from the Bragg mechanism. […]

Les exigences en matière de bruit rayonné par les navires de la Marine ou de recherche engendrent le développement de nouvelles méthodes pour améliorer leurs caractérisations. Le propulseur, qui est la source la plus importante en champ lointain, est généralement étudié en tunnel hydrodynamique. Cependant, compte tenu de la réverbération dans le tunnel et du niveau élevé du bruit de couche limite turbulente (CLT), la caractérisation peut s’ avérer délicate. L'objectif de la thèse est d'améliorer les capacités de mesures acoustiques du Grand Tunnel Hydrodynamique (GTH) de la DGA en matière de bruits émis par les maquettes testées dans des configurations d'écoulement.Un modèle de propagation basé sur la théorie des sources images est utilisé afin de prendre en compte le confinement du tunnel. Les coefficients de réflexion associés aux parois du tunnel sont identifiés par méthode inverse et à partir de la connaissance de quelques fonctions de transfert. Un algorithme de débruitage qui repose sur l’ Analyse en Composantes Principales Robuste est également proposé. Il s'agit de séparer, de manière aveugle ou semi-aveugle, l’ information acoustique du bruit de CLT en exploitant, respectivement, la propriété de rang faible et la structure parcimonieuse des matrices interspectrales du signal acoustique et du bruit. Ensuite, une technique d'imagerie basée sur la méthode des sources équivalentes est appliquée afin de localiser et quantifier des sources acoustiques corrélées ou décorrélées. Enfin, la potentialité des techniques proposées est évaluée expérimentalement dans le GTH en présence d'une source acoustique et d'un écoulement contrôlé. / The noise requirements for naval and research vessels lead to the development of new characterization methods. The propeller, which is the most important source in the far field, is usually studied in a water tunnel. However, due to the reverberation in the tunnel and the high level of flow noise, the characterization may be difficult. The aim of the thesis is to improve the measurement capabilities of the DGA Hydrodynamic tunnel (GTH) in terms of noise radiated by models in flow configurations.The propagation model is described through the image source method. Unfortunately, the reflection coefficients of the tunnel walls are generally unknown and it is proposed to estimate these parameters using an inverse method and the knowledge of some reference transfer functions. The boundary layer noise (BLN) may be stronger than the acoustic signal, therefore a Robust Principal Component Analysis is introduced in order to separate, blindly or semi-blindly, the acoustic signal from the noise. This algorithm is taking advantage of the low rank and sparse structure of the acoustic and the BLN cross-spectrum matrices. Then an acoustic imaging technique based on the equivalent source method is applied in order to localize and quantify correlated or decorrelated sources. Finally, the potentiality of the proposed techniques is evaluated experimentally in the GTH in the presence of an acoustic source and a controlled flow.

L'étude conjointe des parties immergée et émergée de l'Ile de La Réunion (Océan Indien), basée sur la valorisation des données marines multifaisceaux acquises ces 20 dernières années et confrontée à l'ensemble des connaissances géologiques et géophysiques, démontre l'importance considérable des processus de déstabilisations de flanc dans l'évolution des édifices de ce système volcanique océanique. Au total, une cinquantaine d'événements multi-échelles, primaires ou secondaires, d'origine aérienne, côtière ou sous-marine, ont démantelé de façon récurrente les volcans du Piton des Neiges, des Alizés et du Piton de La Fournaise au cours des 2 derniers millions d'années au moins. La plupart correspondent à des phénomènes instantanés et catastrophiques de type avalanche de débris. Leurs dépôts sont principalement accumulés en mer, au sein de quatre gigantesques excroissances topographiques, les Reliefs Sous-Marins, localisés à l'est, au nord, à l'ouest et au sud de l'île. Ces éperons triangulaires, de 20-30 km de large au niveau de la côte et 100-150 km à leur extrémité, à 70-80 km du littoral, se sont construits progressivement par la superposition et la juxtaposition des produits déplacés dans des épisodes de déstabilisation pouvant impliquer plusieurs centaines de km3 de matériaux. Une très faible proportion est retrouvée à terre, au cœur et en bordure littorale du massif du Piton des Neiges et constitue le faciès proximal des dépôts immergés. Les principales structures de la morphologie sub-aérienne de l'île sont interprétées comme (1) les zones sources de déstabilisations relativement récentes, souvent remodelées par l'érosion et/ou comblées par l'activité volcanique ultérieure, ou (2) les traces rémanentes d'amphithéâtres d'avalanches de débris anciens dont les failles bordières ont pu être réactivées dans des processus volcano-tectoniques (effondrements caldériques, étalement gravitaire, subsidence du complexe hypovolcanique du Piton des Neiges,...) et/ou lors d'épisodes ultérieurs de déstabilisation. Ces failles ont probablement guidé le démantèlement par érosion des massifs et ainsi facilité le creusement des dépressions centrales du Piton des Neiges (les trois cirques de Mafate, Salazie, Cilaos et le paléo-cirque des Marsouins) et des principales vallées de l'île. L'étude du volcan Mount Haddington (Ile de James Ross, Antarctique) et les expériences analogiques montrent que la déformation ductile d'horizons de faible résistance inclus dans la structure des volcans boucliers, et en particulier de deltas volcanoclastiques essentiellement constitués de dépôts d'avalanches de débris, est un élément clé dans la génération de glissements rotationnels et d'avalanches de débris ultérieures. Ce modèle est privilégié à La Réunion, en considérant un rôle prépondérant des processus gravitaires dans le déclenchement des déstabilisations des volcans de l'île.

Le bruit rayonné par le trafic maritime étant la principale source de nuisance acoustique sous-marine dans les zones littorales, la Directive-Cadre Stratégie pour le Milieu Marin de la Commission Européenne promeut le développement de méthodes de surveillance et de réduction de l'impact du bruit du trafic maritime. Le besoin de disposer d'un système industriel d'imagerie du bruit rayonné par les navires de surface a motivé la présente étude, il permettra aux industriels du naval d'identifier quels éléments d'un navire rayonnent le plus de bruit.Dans ce contexte, ce travail de recherche porte sur la mise en place de méthodes d'imagerie acoustique sous-marine passive d'un navire de surface au passage au-dessus d'une antenne linéaire et fixe au nombre réduit d'hydrophones. Deux aspects de l'imagerie acoustique sont abordés : la localisation de sources acoustiques et l'identification de la contribution relative de chacune de ces sources dans la signature acoustique du navire.Tout d'abord, une étude bibliographique sur le rayonnement acoustique d'un navire de surface au passage est menée afin d'identifier les principales sources acoustiques et de pouvoir ensuite simuler des sources représentatives d'un navire. La propagation acoustique est simulée par la théorie des rayons et intègre le mouvement des sources. Ce simulateur de rayonnement acoustique de navire au passage est construit afin de valider les algorithmes d'imagerie acoustique proposés et de dimensionner une configuration expérimentale. Une étude sur l'influence du mouvement des sources sur les algorithmes d'imagerie acoustique a conduit à l'utilisation d'un algorithme de formation de voies pour sources mobiles pour la localisation des sources et une méthode de déconvolution pour accéder à l'identification de la contribution des sources. Les performances de ces deux méthodes sont évaluées en présence de bruit de mesure et d'incertitudes sur le modèle de propagation afin d'en connaître les limites. Une première amélioration de la méthode de formation de voies consiste en un traitement d'antenne à ouverture synthétique qui exploite le mouvement relatif entre le navire et l'antenne pour notamment améliorer la résolution en basses fréquences. Un traitement de correction acoustique de la trajectoire permet de corriger la trajectographie du navire au passage qui est souvent incertaine. Enfin, la dernière partie de cette thèse concerne une campagne de mesures de bruit de passage d'une maquette de navire de surface tractée en lac, ces mesures ont permis de valider les méthodes d'imagerie acoustique proposées ainsi que les améliorations proposées, dans un environnement réel maîtrisé. / Since the surface ship radiated noise is the main contribution to the underwater acoustic noise in coastal waters, The Marine Framework Strategy Directive of the European Commission recommends the development of the monitoring and the reduction of the impact of the traffic noise. The need for developing an industrial system for the noise mapping of the surface ship have motivated this study, it will allow the naval industries to identify which part of the ship radiates the stronger noise level.In this context, this research work deals with the development of passive noise mapping methods of a surface ship passing-by above a static linear array with a reduced number of hydrophones. Two aspects of the noise mapping are considered: the localization of acoustic sources and the identification of the relative contribution of each source to the ship acoustic signature.First, a bibliographical study concerning the acoustic radiation of a passing-by surface ship is conducted in order to list the main acoustic sources and then to simulate representative ship sources. The acoustic propagation is simulated according to the ray theory and takes the source motion into account. The simulator of the acoustic radiation of a passing-by ship is built in order to validate the proposed noise mapping methods and to design an experimental set-up. A study about the influence of the source motion on the noise mapping methods led to the use of the beamforming method for moving sources for the source localization and a deconvolution method for the identification of the source contribution. The performances of both methods are assessed considering measurement noise and uncertainties about the propagation model in order to know their limitations. A first improvement of the beamforming method consists of a passive synthetic aperture array algorithm which benefits from the relative motion between the ship and the antenna in order to improve the spatial resolution at low frequencies. Then, an algorithm is proposed to acoustically correct the trajectography mismatches of a passing-by surface ship. Finally, the last part of this thesis concerns a pass-by experiment of a towed-ship model in a lake. These measurements allowed us to validate the proposed noise mapping methods and their proposed improvements, in a real and controlled environment.