La détection de gaz potentiellement dangereux représente une problématique d’actualité pour la protectiondes personnes mais aussi un enjeu d’avenir pour le stockage des énergies renouvelables. Les outils desimulations développés au sein du Département Temps-Fréquence de l’Institut FEMTO-ST, associés aux outilstechnologiques proposés par la centrale MIMENTO ont permis la mise au point de capteurs SAW apportantdes réponses à ces problématiques. Ces derniers fondés sur les propriétés des ondes de Love ont ainsi permis ladétection du monoxyde de carbone dans la gamme du ppm. De même, la mesure de concentration d’hydrogènede l’ordre du pourcent a pu être réalisée par le biais de dispositifs s’appuyant sur les ondes Rayleigh. Les effortsfournis pour l’optimisation des dispositifs électro-acoustiques ont aboutis à la réalisation de lignes à retard surquartz affchant des pertes d’insertion de 16 dB. La limitation de ces pertes, généralement de l’ordre de 25 dB à30 dB sur quartz, augmente les potentialités de nos capteurs en terme d’autonomie et de fonctionnalisation desurface. La connaissance des phénomènes physiques gouvernant leur fonctionnement représente, à notre sens,la base de leur développement futur. De cette idée découle notre démarche d’identification et de compréhensionde ces derniers par le biais des différentes techniques de caractérisations et d’analyses disponible au sein denotre l’institut. Des pistes, telles que le recours à un alliage métallique pour la fonctionnalisation des surfacessensibles et la mise en œuvre d’une méthode de séparation des puces limitant les perturbations du signal directdes dispositifs électro-acoustiques, ont été explorées et ont permis d’améliorer la réponse des capteurs. Lepotentiel des composants à ondes élastiques guidée pour la détection de grandeurs chimiques en phase gazeusea pu être établi sur la base des résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse. Dans la continuité decette dernière, deux projets de recherche (P-AIR et SMARTY) visant le contrôle de la qualité de l’air en milieuurbain ont d’ors et déjà été engagés. / The detection of hazardous gas is a topical issue for the protection of persons. Besides, it represents a challenge linked to the storage of renewable energy. Simulation tools developed within the Time and Frequency Department attached to the FEMTO-ST Institute together with technological facilities available at MIMENTO center have enabled the development of SAW sensors providing answers to these issues. These Love wave’sbased sensors properties have enabled the detection of carbon monoxide in the ppm range. Similarly, hydrogen concentrations of the percent order has been measured by mean of Rayleigh wave’s based sensors. The efforts to optimize electro-acoustic devices have led to achieve delay lines built on quartz with insertion losses of 16 dB.Usually around 25 dB to 30 dB, the reduction of the insertion losses improves the potential of these sensorsin terms of autonomy and surface functionalization. Knowledge of the physical phenomena governing theoperation of these sensors represent the basis of their future development. Thus, different characterization and analysis techniques available in our institute have been carried out to reveal these phenomena. From there, the functionalization of sensor’s sensitives surfaces with metallic alloys and implementation of a chip separation method limiting the disturbance of the direct signal of the electro-acoustic devices, have been explored to improve the performance of the sensors. Based on the experimental results obtained in this thesis, the potential of elastic guided wave’s sensors applied to the detection of chemical quantities in gas phase can be established.In continuation of this study, two projects (P-AIR and SMARTY) dedicated to the control of the urban air quality have already been engaged.

Les évènements météoriques constituent une source d’importance fondamentale pour la sismologie planétaire, étant donné que leur localisation, et dans certains cas, leur temps d’origine peuvent être déterminés précisément par des orbiteurs. Cette importance augmente encore dans le cas d’une expérimentation à 1 seul sismomètre, comme dans le cas de SEIS (Seismic Experimentof Interior Structure) de la mission actuelle InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport). En effet, la localisation précise permet de réaliser une inversion directe des temps de propagation différentiels et des formes d’ondes pour la détermination de la structure interne. Les impacts de météorites génèrent des ondes de volume et de surface lors de leur arrivée à la surface d’une planète. Quand ils explosent dans l’atmosphère, ils produisent des ondes de chocs qui sont converties en ondes linéaires, sismiques pour la partie solide, et acoustiques pour la partie atmosphérique. Ce phénomène peut être modélisé par l’amplitude de l’excitation de modes sphéroïdaux, dû aux effets de couplage entre l’atmosphère et le sol. Ce manuscrit de thèse est consacré à l’investigation et la modélisation des ondes de Rayleigh générées par des météores. Un rappel général des avancées en sciences planétaires est d’abord fourni, avec un focus sur la sismologie planétaire et les études des sources sismiques atmosphériques. Ensuite, la théorie concernant les ondes de choc dans l’atmosphère et au sol est présentée plus en détails. Dans le cas de la formation d’une onde de choc dans l’atmosphère, l’effet de transition d’un régime de propagation non linéaire vers un régime linéaire est documenté pour le superbolide de Chelyabinsk. Pour la génération d’ondes dans la subsurface, un impact de météorite sur la lune est passé en revue, en utilisant des codes hydrodynamiques. Une analyse comparée de ces deux cas est réalisée de façon à présenter les processus de transition du régime de propagation. Une inversion de la source sismique du superbolide de Chelyabinsk est effectuée, de manière à examiner les propriétés de la source associée dans l’atmosphère terrestre. Nous avons développé une source multiple, composée d’une série de points source consécutifs, basé sur une trajectoire fournie. Les calculs des sismogrammes synthétiques des ondes de Rayleigh associées à l’événement sont réalisés par la sommation des modes propres du modèle de la partie solide et de la partie atmosphérique de la planète. A travers une technique d’inversion basée sur la décomposition des valeurs singulières et la méthode du moindre carré, nous fournissons des solutions pour la magnitude du moment. De plus, nous avons trouvé dans les données sismiques un effet Doppler, associée à la directivité de la source. En plus, nous avons réalisé des modélisations 3-D basées sur la méthode des éléments spectraux dans le cas d’un modèle solide uniquement, de façon à comprendre les effets des caractéristiques 3-D crustales, et surligner les différences avec une source inversée dans le sol par rapport à une source correctement positionnée dans l’atmosphère. Dans le cas de Mars, la sommation des modes propres est utilisée pour fournir les formes d’ondes associées aux impacts à la surface de la planète ou à basse altitude dans l’atmosphère martienne. Il est montré que la contribution du mode solide sphéroïdal fondamental domine les formes d’onde, par rapport aux deux premières harmoniques. La comparaison entre les amplitudes de sismogramme synthétiques de tailles différentes, montre que les petits impacteurs (diamètre de 0,5 mètre à 2 mètres) peuvent être détectés par les capteurs VBB de SEIS, seulement pour les hautes fréquences des ondes de Rayleigh, même pour des distances épicentrales très faibles. / Meteoric events constitute a source of paramount importance for Planetary Seismology, since their locations and, in some cases, their occurence times can be accurately known from orbiters, tracking or visual inspections. Their contribution is enhanced in the case of a seismic experi- ment with one seismometer, as the SEIS (Seismic Experiment of Interior Structure) of the im- minent Martian mission “InSight” (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport), as the known location allows a direct inversion of differential travel times and wave forms for structure identification. Meteor impacts generate body and surface waves when they reach the surface of a planet. When they explode into the atmosphere, they generate shock waves which are converted into linear, seismic waves in the solid part and acoustic waves in the atmosphere. This effect can be modeled as the amplitude of Rayleigh and other Spheroidal modes excitation, due to atmo- spheric/ground coupling effects. This PhD dissertation is focusing on the investigation and modeling of the meteor generated Rayleigh waves. A brief recall to the advance of planetary science with focus on planetary seismology and the study of atmospheric seismic sources is presented. Thereafter, the theory concerning the shock waves in the atmosphere and in the ground is presented in further detail. In the case of shock wave generation in the atmosphere, the effect of transition from a highly nonlinear propagation regime to the linear one is presented for Chelyabinsk superbolide. In the case of the generation in the subsurface, a meteor impact on the Moon is investigated, using hydrodynamic codes. A comparative analysis of both cases is performed in order to present the transition processes of the propagation regime. An inversion of the seismic source of Chelyabinsk superbolide is performed, in order to examine the properties of the associated source in Earth’s atmosphere. We develop a line source, made of a series of consecutive point sources, based on a provided trajectory. The calculation of synthetic seismograms of Rayleigh waves associated to the event is performed by the summation of normal modes of a model for the solid part and the atmosphere of the planet. Through an inversion technique based on singular value decomposition and least square method, solutions for the moment magnitude are provided. Moreover we found in the seismic data a Doppler effect, associated with the directivity of the source. In addition, we perform 3D modeling based on spectral element method in a purely solid model, to assess the effects of 3D crustal features and highlight differences with a source inverted in the ground versus on a source correctly positioned in the atmosphere. In the case of Mars, normal mode summation is used in order to provide waveforms asso- ciated to impacts on the planetary surface or in low altitudes in the martian atmosphere. It is shown that the contribution of the fundamental spheroidal solid mode is dominating the wave- forms, compared to the one of the first two overtones. The comparison between the amplitudes of synthetic seismograms of different size, show that small impactors (diameter of 0.5 to 2 meters) can be detected by the SEIS VBB seismometer of InSight mission, only in the higher frequencies of Rayleigh waves, even for short epicentral distances. An analysis based on im- pact rate estimations enables to calculate the number of detectable events of meteor impacts for projectiles with diameter greater than 1 meter and it leads to the conclusion of 6.7 to 13.4 detectable impacts during a Mars year, the nominal operational period of InSight mission. Finally, an analysis on the ground characteristics of a shallow low velocity zone under InSight landing site is presented. Through an investigation by classical test of geomechanics, it is shown that this zone is supposed to affect the quality of seismic signals.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des contrôles non destructifs du béton par ultrasons. Nous focalisons notre étude sur les mesures en acoustique non linéaire qui permettent d’ausculter le béton à l’échelle mésoscopique où les ondes interagissent avec les microfissures et le réseau de porosité. Les paramètres associés sont connus comme étant beaucoup plus sensibles que ceux issus des mesures linéaires. Le béton est un matériau hétérogène et complexe, ce qui présente un comportement fortement non linéaire croissant avec l’état endommagé.Nous développons dans cette thèse un type de mesure non linéaire : Dynamic Acousto-Elastic Testing (DAET). Cette technique fondée sur le principe d’une excitation dynamique du matériau, utilise les ondes ultrasonores pour suivre la variation du comportement élastique en fonction de l’amplitude d’excitation. Nous focalisons notre étude sur le problème du béton d’enrobage qui tient un rôle essentiel dans la durée de vie d’une structure de génie civil. Nous étudions l’interaction des mesures non linéaires par DAET avec les ondes de Rayleigh qui se propagent dans le béton d’enrobage. Nous montrons la sensibilité importante de l’évolution de paramètres non linéaires en fonction de l’endommagement thermique et de la carbonatation.Par la suite, nous proposons une nouvelle méthodologie de la mesure DAET, dans laquelle la vibration transitoire est générée par un impact et les ondes sont générées en continue. Nous présentons différentes applications de la méthode proposée, incluant le cas des éprouvettes de grandes dimensions. Cette approche ouvre de larges possibilités de transposer les mesures pour une application sur site. / This thesis is related to the field of nondestructive evaluation of concrete by ultrasound. We focus our study on nonlinear acoustic-based measurements that allow the concrete auscultation at mesoscopic scale where waves interact with microcracks and porosity network. The nonlinear parameters are known to be much more sensitive than those from linear measurements. Concrete is a heterogeneous and complex material. Its behavior is highly nonlinear with increasing damaged state.We develop in this thesis a type of nonlinear measurement: Dynamic Acousto-Elastic Testing (DAET). This technique is based on the principle of a dynamic excitation of the material, using ultrasounds to follow the variation of the elastic behavior depending on the excitation amplitude. We focus our study on the problem of concrete cover which holds a key role in the life of a civil engineering structure. We study the interaction of the DAET measurement with the Rayleigh waves which propagate in the concrete cover. We show the high sensitivity evolution of non-linear parameters in function of thermal damage and carbonation.Subsequently, we propose a new methodology of DAET measurement, in which the transient vibration is generated by an impact and ultrasounds are generated continuously. We present different applications of the proposed method including the case of large specimens. This approach opens broad possibilities of transposing measurements for on-site application.

Tout d'abord, des ondes de surface, solutions de problèmes aux limites hyperboliques non linéaires, sont étudiées : on construit une solution BKW sous forme de développement infini en puissance de epsilon. On le justifie rigoureusement, en construisant une solution exacte, qui admet ce développement asymptotique. On montre que la solution n'est pas nécessairement purement localisée sur la frontière, même lorsque le terme source l'est ; l'exemple d'un cas particulier de l'élasticité est traité. Ensuite, on étudie la réflexion d'ondes non linéaires discontinues, pour des problèmes aux limites hyperboliques, faiblement bien posés, ni fortement stables, ni fortement instables. On étudie comment les singularités d'une solution striée sont réfléchies lorsque la solution atteint la frontière. On prouve des estimations striées et en normes infinies. On montre qu'une discontinuité du gradient de la solution à travers un hyperplan peut être réfléchie en une discontinuité de la solution elle-même. / We first study surface waves, solutions of hyperbolic nonlinear boundary value problems. We construct BKW solutions in the weakly nonlinear regime with infinite expansion in powers of ε. We rigorously justify this expansion,constructing exact solutions, which admit the asymptotic expansions. We also show that the solution is not necessarily localized at the order O(ε∞) in the interior, even if the data are ; a particular case of elasticity is studied: we prove that fast oscillatory elastic surface waves can produce non trivial internal non oscillatory displacements.Afterwards, we study the reflection of non linear discontinuous waves, for weakly well-posed hyperbolic boundary value problems, satisfying the (WR) condition, which has been introduced in [1, 12], that is in a case where the IBVP is neither strongly stable, nor strongly unstable. We study how the singularities of a striated solution are reflected when the solution hits the boundary. We prove striated estimates and L∞ estimates and observe the loss of one derivative: we show that a discontinuityof the gradient of the solution across an hyperplane can be reflected in a discontinuity across an hyperplane of the solution itself.