Les vagues courtes sont omniprésentes à la surface des océans, avec des longueurs de quelques dizaines de mètres au mètre typiquement. Connaitre leurs directions de propagation en mer est important à plusieurs titres, notamment pour la compréhension de la dynamique de l'état de mer, des échanges air-mer ou de la dérive de particules en surface. Ces distributions directionnelles sont étudiées ici au regard des progrès récents réalisés en techniques d'instrumentation. L'analyse du bruit sismo-acoustique enregistré en grandes profondeurs permet d'extraire un comportement quasi-universel qui dépend indirectement de cette distribution à travers ladite intégrale de recouvrement. Il est cohérent avec des observations directes du champ de vagues obtenues à partir de reconstructions tridimensionnelles de la surface de l'océan. Alors que la direction de propagation des vagues longues s'aligne avec celle du vent, les vagues courtes s'en détachent d'autant plus à mesure que leurs échelles diminuent (bimodalité).La comparaison de ces observations avec les prédictions d'un modèle numérique de vagues, basé sur l'environnement WAVEWATCH®III, permet de constater que ces modèles sont qualitativement valables mais encore quantitativement incorrects. Une des possibilités explorées pour corriger cet effet est la prise en compte de sources de vagues courtes à ±90° de la direction du vent, qui pourraient être associées au déferlement des vagues longues. Une telle source à elle seule n'explique pas les formes des distributions directionnelles observées. D'autres mécanismes pourraient intervenir que de futures investigations pourront tenter de clarifier. / Short surface gravity waves are ubiquitous at the ocean surface, with lengths from a few tens of meters to a meter typically.Knowing their propagation directions at sea is important in several respects, especially for the understanding of sea-state dynamics, airsea interactions and particles surface drift.Their directional distributions are here investigated in the light of the recent progress made in instrumentation techniques. The analysis of ocean bottom seismo-acoustic noise records allows for the extraction of a quasi-universal behavior which indirectly depends on this distribution through the socalled overlap integral. It is coherent with direct observations of the wave field obtained from tri-dimensional reconstructions of the ocean surface elevation field. While the propagation direction of long waves aligns with the wind direction, short waves progressively detach from it towards small scales (bimodality).Comparing those measurements with the predictions of a spectral numerical wave model, based on WAVEWATCH®III environment, allows to realize that they provide qualitatively correct but quantitatively incorrect predictions. One of the possibilities here explored to correct for it, is by accounting for the sources of energy at ±90° to the wind direction, which could be associated with the breaking of long waves. This source term on its own does not explain the shapes of the observed directional distributions. Other mechanisms could come into play that future investigations will help clarify.

Les voies ferrées, construites pour la plupart depuis plus d'une centaine d'années, sont des ouvrages vieillissants. Elles nécessitent une maintenance et un entretien accrus, ce qui constitue un enjeu technique et économique majeur pour les années à venir. Jusqu'à l'ouverture des marchés à la concurrence, la mise en œuvre des voies nouvelles était vérifiée empiriquement par la SNCF. Du fait de la mise en œuvre de la directive européenne 91/440/10, l'exploitant historique se tourne d'un objectif de moyen vers un objectif de résultat. Cela nécessite donc de disposer de méthodes d'auscultation non destructives, permettant de vérifier que le compactage du ballast est correctement réalisé, avant de faire circuler le trafic voyageurs, en vue de garantir un niveau de sécurité élevé. Cette première approche pourrait être poursuivie pour assurer une auscultation à grand rendement. Cependant, les méthodes existantes permettant d'obtenir l'état de compactage du ballast à la mise en œuvre sont ponctuelles et difficiles à mettre en place; elles ne répondent pas à la problématique de doublement de la maintenance des voies des prochaines années. L'étude de la propagation d'ondes vibratoires dans le ballast est une alternative à ces méthodes qui peut permettre de répondre à ces contraintes. Le ballast est un milieu discontinu complexe pour la compréhension des ondes car elles se propagent dans un chaînon de force. Il présente une grande difficulté dans la modélisation du fait de la taille élevée des éléments et doit être traité comme un milieu discret ne répondant pas à une mécanique élastique de milieu continu. Étant donné la difficulté de modéliser cette couche discrète, il convient de traiter le problème par l'expérimentation. L'objectif de cette thèse est donc d'orienter la recherche vers l'utilisation de la propagation des ondes vibratoires dans la structure de la voie. Ce mémoire est organisé comme suit :- un premier chapitre détaille la structure de la voie ferrée et le matériau granulaire qu'est le ballast, ainsi que les méthodes de diagnostic des voies ferrées existantes.- le deuxième chapitre décrit les différents types d'ondes vibratoires se propageant dans un milieu élastique homogène, puis dans le ballast, et étudie la réponse du ballast à travers celle de la traverse ferroviaire.- Ces deux chapitres, issus de l'état de l'art, permettent de définir dans le chapitre trois les expérimentations réalisées dans le cadre de ce travail sur une structure ferroviaire en vraie grandeur : mise en œuvre, instrumentation, résultats. Ce chapitre s'attache particulièrement à décrire la vitesse des ondes et leur amortissement dans le ballast, les courbes de dispersion mesurées.- Enfin, la propagation d'une onde vibratoire dans le ballast est étudiée dans le chapitre quatre par le biais d'une simulation numérique, avec la comparaison de deux modélisations discrète et continue avec l'expérimentation / Railways, most of them built for over one hundred years, are old structures. They require increasing maintenance, a major technical and economic challenge for the coming years. Until the opening of markets to competition, the implementation of new railroads was empirically controlled by SNCF. Because of the application of the European directive 91/440/10, the historical operator turns from a goal of means to a goal of results. This calls for non-destructive highly efficient auscultation methods to check the right compaction of the ballast. However, existing methods for obtain ballast compaction assessment during implementation stage are surface-limited and difficult to apply; they do not respond to the issue of the doubling of track maintenance. Thus the study of the propagation waves in the ballast is an alternative to these methods and may allow to answer these requirements. The ballast is a discontinuous medium, complex for the understanding of waves, as they propagate in a force link. Modelling ballast is especially difficult because of the large size of its components and because it should be treated as a discrete environment, not following the elastic mechanics of continuous media. Given the difficulty to model this discrete layer, it is necessary to undertake the problem with experimentation. The aim of this thesis is to focus on the use of the propagation of vibration waves in the railroad structure. This work is organized as follows : the first chapter details the structure of the railroad and the ballast as a granular material, and the existing assessment methods for railroad. The second chapter describes the different types of vibration waves that propagate, first, in an elastic homogeneous medium, second in the ballast, and presents the answer of ballast through the answer of the sleeper. The two previous chapters, derived from the state of the art, allow to define in chapter three the experiments implemented as part of this work on a full scale railroad structure : realization, instrumentation, results. This chapter especially endeavours to describe the waves celerity, their damping in ballast and the measured dispersion curves. Finally, the propagation of a vibration wave in the ballast is studied in chapter four and a numerical simulation, compares with a disctete model and a continuous model with experimental results

Bien qu'ayant suscité de nombreuses études sur le sujet, un certain nombre de questions à propos de la formation des vagues sous l'effet du vent restent sans réponse précise. Dans ma thèse, j'aborde ce problème selon une approche peu explorée : l'étude expérimentale de la déformation sous l'effet du vent de la surface d'un liquide fortement visqueux. En effet, contrairement à la majeure partie de la littérature sur le sujet, le liquide que j'utilise n'est pas de l'eau mais un liquide sensiblement plus visqueux. Indépendamment des questions fondamentales sous-jacentes, cela a en pratique l'avantage de simplifier le problème. En effet, du fait de la forte viscosité du liquide, l'écoulement dans le liquide reste laminaire et les perturbations de l'interface qui ne sont pas amplifiées ne peuvent se propager que sur une distance limitée. Pour observer ces déformations de l'interface liquide-air, j'ai développé un nouveau montage expérimental sur lequel a été mise en œuvre la méthode de visualisation Free Surface Synthetic Schlieren. Cette technique non intrusive a permis de mesurer avec une résolution micrométrique les amplitudes de déformations de la surface et d'accéder aux premières déformations à faible vitesse de vent. Dans un premier temps, les expériences furent conduites sur un liquide trente fois plus visqueux que l'eau. Grâce aux données expérimentales obtenues par FS-SS, deux régimes de déformation de l'interface liquide-air ont été mis en évidence. A vitesse de vent faible, l'interface est recouverte de "wrinkles", des perturbations de faible amplitude désorganisées spatialement et globalement alignées dans le sens de l'écoulement. Ces wrinkles peuvent être interprétés comme l'effet sur l'interface des fluctuations de pression de l'écoulement turbulent d'air. A plus forte vitesse, au-dessus d'une vitesse critique, apparaissent des vagues transverses quasi-parallèles entre elles et perpendiculaire à la direction du vent. Les distinctions entre les deux régimes ont été détaillées et les non-linéarités émergeant au-dessus du seuil ont aussi été étudiées. Par la suite, la viscosité du liquide a été changée sur une large gamme. Il ressort des expériences que les deux régimes de déformation de l'interface sous l'effet du vent peuvent être identifiés pour l'ensemble des viscosités parcourues. Suite à ces résultats, un modèle décrivant l'évolution de l'amplitude des wrinkles en fonction du vent et de la viscosité du liquide a été développé. / Despite numerous studies on the subject, the development of waves under the action of wind still retains a certain number of open questions. In my PhD, I approach this problem through a fairly uncommon angle: the experimental study of the deformation by wind of the surface of a highly viscous liquid. Indeed, contrary to the major part of the literature on the matter, the liquid I used is not water but a significantly more viscous liquid. Regardless of the fundamental underlying questions, this has the practical advantage of simplifying the problem. Indeed, due to the high viscosity of the liquid, the flow in the liquid stays laminar and the unamplified perturbations of the interface can only propagate over a limited distance. To observe these deformations at the liquid-air interface, I have developed a new experimental set-up upon which the Free Surface Synthetic Schlieren method of visualization was implemented. This non-intrusive technique allowed to measure with a micrometric accuracy the amplitude of the surface deformation and to access the first deformations at low wind velocity. First, experiments were conducted over a liquid thirty times more viscous than water. The experimental data obtained by FS-SS show two regimes of deformation of the liquid-air interface. At low wind velocity, the interface is populated with ``wrinkles'', small-amplitude streamwise spatially disorganized perturbations. These wrinkles can be interpreted as the effect on the interface of the pressure fluctuations in the turbulent wind. At higher windspeed, above a critical velocity, transverse waves appear with quasi-parallel crests perpendicular to the wind direction. The distinctions between the two regimes have been detailed and the nonlinearities emerging above the threshold have also been studied. Then, the viscosity of the liquid has been changed over a large range. It results from the experiments that the two regimes of surface deformation by wind can be identified for all the viscosities explored. Following these results, a model was developed to account for the evolution of the wrinkles' amplitude both with wind velocity and with viscosity.

Thesis (Ph.D.)--Joint Program in Applied Ocean Science and Engineering (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Ocean Engineering; and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2000. / Includes bibliographical references (p. 299-312). / by Sean Patrick McKenna. / Ph.D.

No description available.

In this study the description and development of intensity-based laser interferometric techniques for the detection and measurement of ultrasonic stress waves and their small displacement amplitudes is presented. The dynamic displacement sensitive interferometers described in the following chapters allow the quantitative point-by-point measurement of both in-plane and out-of-plane components of surface displacement motion. These uniquely developed interferometric sensors are: 1) an optical system design for the detection of the surface acoustic wave (Rayleigh wave). The technique is based on the Fourier analysis of coherent light and diffraction imaging properties of an illuminated grating; 2) the design and construction of a two-beam unequal-path laser interferometer for the measurement of out-of-plane surface displacement of ultrasonic waves; 3) extension of a flexible fiber optic probing device which is optically coupled to the test arm of the above two-beam interferometer. This permits scanning of the test surface which may be at some distance from the main optical system components; 4) the design and construction of a laser speckle interferometer for retro-reflective diffusing surfaces in which the in-plane displacements of the ultrasonic wave are interrogated. The inherent advantages of these newly designed optical configurations in terms of their greater simplicity, feasibility, and sensitivity over the conventional counterparts (classical/speckle laser interferometers) are explained. The function-response limitations of these interferometric sensors on lateral displacement resolution, on upper and lower-bound displacement sensitivity (dynamic range), on high-frequency bandwidth probing capability, on low-frequency environmentally associated noise disturbance, and on specularly reflective or diffusively retro-reflective specimen surface preparation are also mentioned. Finally, in a series of experimental observations, the application of a couple of these acoustic sensors in pulsed-excitation ultrasonic Specifically, the optically testing methods is cited. detected ultrasonic signals revealing the true nature of the various surface displacement modes of vibration are presented. / Ph. D.

Master of Science / Department of Geology / Abdelmoneam Raef / Geotechnical site characteristics are a function of the subsurface elastic moduli and the geologic structures. This study integrates borehole, surface and laboratory measurements for a geotechnical investigation that is focused on investigating shear-wave velocity (Vs) variation and its implication to geotechnical aspects of the Ogden test site in eastern Kansas. The area has a potential of seismicity due to the seismic zone associated with the Nemaha formation where earthquakes pose a moderate hazard. This study is in response to recent design standards for bridge structures require integrating comprehensive geotechnical site characterization. Furthermore, evaluation of dynamic soil properties is important for proper seismic response analysis and soil modeling programs. In this study, near surface geophysical site characterization in the form of 2D shear-wave velocity (Vs) structure that is compared with laboratory measurements of elastic moduli and earth properties at simulated in situ overburden pressure conditions and synergy with downhole Acoustic Televiewer time and amplitude logs, proved very robust “validated” workflow in site characterization for geotechnical purposes. An important component of a geotechnical site characterization is the evaluation of in-situ shear modulus, Poisson’s ratio and reliable and accurate elastic modulus ([lambda]) and shear modulus ([mu]) estimates are important in a good geotechnical site characterization. The geophysical site characterization, undertaken in this study, will complement and help in extrapolating drilling and core-based properties deduced by the geotechnical engineers interested at the test site.

Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique. / Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics.

The United States Navy (USN) currently utilizes a Rapid Penetration Test (RPT) on both land and in water as the means to determine whether sufficient soil bearing capacity exists for piles in axial compression, prior to construction of the Elevated Causeway System (Modular) [ELCAS(M)] pile-supported pier system. The USN desires a replacement for the RPT because of issues with the method incorrectly classifying soils as well as the need to have a less labor-and-equipment-intensive method for geotechnical investigation. The Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method is selected herein as the potential replacement for the RPT. The MASW method is an existing, geophysical method for determining soil properties based upon the acquisition and analysis of seismic surface waves used to develop shear wave velocity profiles for the soils at specific sites. Correlations between shear wave velocity and Cone Penetration Testing are utilized to classify soils, develop pile blow count estimates, and calculate soil bearing capacity. This researcher found that the MASW method was feasible and reliable in predicting the required properties for terrestrial sites. However, it was not successful in predicting those properties for underwater marine sites due to issues with equipment and field setup. Future areas of improvement are recommended to address these issues and, due to the success of the method on land, it is expected that once the issues are addressed the MASW method will be a reliable replacement for the RPT method across the entire subaerial and subaqueous profile.

Ma thèse est consacrée aux nouveaux phénomènes nano-optiques et aux dispositifs basés sur l'interaction spin-orbite de la lumière (SOI). Tout d'abord, il a été démontré un SOI uniquement piloté par le champ magnétique de la lumière permettant de diriger avec précision les ondes de surface de Bloch, offrant ainsi une nouvelle manifestation du champ magnétique optique. Ensuite, nous avons proposé et démontré le concept de nano-antenne plasmonique hélicoïdale à ondes progressives (TW-HPA), c’est-à-dire un fil hélicoïdal en or étroit alimenté optiquement par une nano-antenne dipolaire dans une configuration « end-firing ». Une telle nano-antenne a été démontrée comme la première optique de polarisation sublongueur d’onde. L’agencement de TW-HPAs à l’échelle de quelques microns a permis de convertir « à la carte » un faisceau polarisé linéairement en une distribution de faisceaux directifs présentant des polarisations différentes définies de façon déterministe par la géométrie et les dimensions des nano-antennes. Par le biais d’un couplage en champ proche de quatre nano-antennes à hélicités opposées, nous avons obtenus une optique sublongueur d’onde permettant un degré de liberté dans le contrôle de la polarisation qui est interdit avec les composants et méthodes classiques basées sur l’exploitation de matériaux biréfringents ou dichroïques, ou de métamatériaux imitant ces propriétés. / My thesis is devoted to novel nano-optical phenomena and devices based on spin-orbit interaction (SOI) of light. First, magnetic spin-locking, i.e., an SOI solely driven by the magnetic field of light, is demonstrated with Bloch surface waves. It provides a new manifestation of the magnetic light field. Then, we propose and demonstrate the concept of traveling-wave plasmonic helical antenna (TW-HPA), consisting of a narrow helical gold-coated wire non-radiatively fed with a dipolar nano-antenna. By swirling surface plasmons, the TW-HPA combines subwavelength illumination and polarization transformation. The TW-HPA is demonstrated to radiate on the subwavelength scale almost perfectly circularly polarized optical waves upon illumination with linearly polarized light. With this subwavelength plasmonic antenna, we developed strongly integrated arrays of point-light emissions of opposite handedness and tunable intensities. Finally, by coupling two couples of TW-HPAs of opposite handedness, we obtained new polarization properties so far unattainable.