L'estiu de 2005, es varen instal·lar un sismòmetre de fons marí (OBS, sigles en anglès d'Ocean Bottom Seimometer) permanent, de tres components i banda ampla, i un sensor diferencial de pressió, a les immediacions de la plataforma petrolífera Casablanca (Repsol Investigaciones Petrolíferas S.A.), a uns 150 m de fondària i 50 km de la costa de Tarragona. Aquesta iniciativa, pionera a l'Estat espanyol, es va portar a terme en el marc del projecte Casablanca (REN2003-06577), concedit pel Ministerio de Educación y Ciencia a l'Institut Geològic de Catalunya (IGC) i l'Observatori de l'Ebre, amb l'objectiu de caracteritzar la detectabilitat de l'OBS i millorar el coneixement de la sismicitat i el risc sísmic a la zona. L'any 2007, després d'una reinstal·lació dels sensors en què es varen introduir millores, la transmissió satèl·lit en temps real del senyal al centre de recepció de dades sísmiques a l'IGC de Barcelona va possibilitar la integració de l'OBS a la xarxa sísmica de Catalunya.L'anàlisi de soroll sísmic ambiental a l'emplaçament de l'OBS Casablanca mostra nivells alts als tres components, especialment a baixes freqüències i a la banda microsísmica. Així mateix, s'observen variacions estacionals i la influència de les condicions meteorològiques i oceanogràfiques. La comparació dels nivells de soroll a l'OBS Casablanca amb el d'un altre OBS situat a la mar de Ligúria, amb una instrumentació semblant, però instal·lat a una fondària de 2500 m, mostra un comportament més sorollós a Casablanca, probablement a causa de la menor profunditat a què està situat.Tot i el seu comportament sorollós, l'OBS Casablanca ha enregistrat diversos sismes locals, regionals i telesismes. Malgrat la petita magnitud i l'escassesa de terratrèmols locals succeïts durant el període de funcionament de l'OBS, l'estació ha mostrat la seva utilitat de cara a la millora de les localitzacions hipocentrals dels sismes propers amb epicentre a la mar. Noves dades permetran la validació d'aquest resultat.El senyal de l'OBS Casablanca, juntament amb el d'estacions situades a la Península Ibèrica, el nord d'Àfrica i les Illes Balears, s'ha pogut utilitzar amb èxit en un estudi de tomografia d'ones superficials amb soroll sísmic ambiental realitzat al NE de la Península. El procediment de l'estudi tomogràfic ha inclòs un tractament del senyal a fi de minimitzar l'energia aportada pels terratrèmols i normalitzar les amplituds a totes les freqüències. Mitjançant el càlcul de la correlació creuada per a tots els parells d'estacions disponibles durant un període de més d'un any, s'ha trobat un senyal equivalent a la funció de Green del medi, que ha possibilitat la mesura de la velocitat de grup i de fase. La representació dels resultats en forma de mapes de dispersió mostra zones d'altes i baixes velocitats, coherents amb les principals estructures geològiques de l'escorça i part del mantell superior. / Durante el verano de 2005, se instalaron un sismómetro de fondo marino (OBS, siglas en inglés de Ocean Bottom Seismometer) permanente, de tres componentes y banda ancha, y un sensor diferencial de presión, en las inmediaciones de la plataforma petrolífera Casablanca (Repsol Investigaciones Petrolíferas S.A.), a unos 150 m de profundidad y 50 km de la costa de Tarragona. Esta iniciativa, pionera en España, se llevó a cabo en el marco del proyecto Casablanca (REN2003-06577), concedido por el Ministerio de Educación y Ciencia al Institut Geològic de Catalunya (IGC) y al Observatori de l'Ebre, con el objetivo de caracterizar la detectabilidad del OBS y mejorar el conocimiento de la sismicidad y el riesgo sísmico en la zona. En el año 2007, después de una reinstalación en la que se introdujeron mejoras, la transmisión satélite en tiempo real de la señal al centro de recepción de datos sísmicos del IGC en Barcelona posibilitó la integración del OBS a la red sísmica de Cataluña.El análisis del ruido sísmico ambiental en el emplazamiento del OBS Casablanca muestra niveles altos en las tres componentes, especialmente a bajas frecuencias y en la banda microsísmica. También se observan variaciones estacionales y la influencia de las condiciones meteorológicas y oceanográficas. La comparación de los niveles de ruido en el OBS Casablanca con los de otro OBS situado en el mar de Liguria, de instrumentación similar, pero instalado a 2500 m de profundidad, muestra un comportamiento más ruidoso en Casablanca, probablemente a causa de la menor profundidad a la que está situado.Aunque de comportamiento ruidoso, el OBS Casablanca ha registrado numerosos seísmos locales, regionales y teleseísmos. A pesar de la pequeña magnitud y la escasez de terremotos locales durante el periodo de funcionamiento del OBS, la estación ha mostrado su utilidad de cara a la mejora de las localizaciones hipocentrales de los seísmos cercanos con epicentro en el mar. Nuevos datos permitirán la validación de este resultado.La señal del OBS Casablanca, junto con la de estaciones situadas en la Península Ibérica, el norte de África y las Islas Baleares, se ha podido utilizar con éxito en un estudio de tomografía de ondas superficiales con ruido sísmico ambiental realizado al NE de la Península. El procedimiento del estudio tomográfico ha incluido el tratamiento de la señal para minimizar la energía aportada por los terremotos y normalizar las amplitudes para todas las frecuencias. Mediante el cálculo de la correlación cruzada para todos los pares de estaciones disponibles durante un periodo de más de un año, se ha obtenido una señal equivalente a la función de Green del medio, que ha posibilitado la medida de la velocidad de grupo y de fase. La representación de los resultados en forma de mapas de dispersión muestra zonas de altas y bajas velocidades, coherentes con las principales estructuras geológicas de la corteza y parte del manto superior. / During the summer of 2005, a three-component broad-band permanent ocean bottom seismometer (OBS) and a differential pressure gauge were deployed near the Casablanca oil platform (Repsol Investigaciones Petrolíferas S.A.) at a depth of about 150 m and 50 km away from the Tarragona coast (NE Iberian Peninsula). This initiative, pioneer in Spain, was carried out within the framework of the Casablanca project (RES2003-06577), given by the Ministerio de Educación y Ciencia to the Institut Geològic de Catalunya (IGC) and to the Observatori de l'Ebre. The aim of this project was to characterize the OBS detection threshold and to improve the knowledge of the seismicity and seismic risk in the area around. In 2007 satellite transmission was implemented to have continuous and real time data, which allowed integrating the OBS into the Catalan Seismic Network.A seismic ambient noise analysis at the Casablanca OBS site shows high levels on the three components, especially at low frequencies and at the microseismic band. Seasonal variations and the meteorological and oceanographic conditions influence are also observed. The comparison between Casablanca OBS noise levels and those from another OBS placed at the Ligurian Sea, equipped with similar instrumentation but installed at a depth of 2500 m, shows that the Casablanca site is noisier, probably due to its shallower deployment.Despite its noisy behaviour, the Casablanca OBS has recorded a number of local and regional earthquakes and teleseisms. Only few close small events have occurred during the OBS running period. Nevertheless, the station has shown its utility to improve hipocentral locations of close earthquakes with the epicentre offshore.The Casablanca OBS signal, together with that from stations placed at the Iberian Peninsula, northern Africa and Balearic Islands, has been successfully used in a surface wave tomographic study from ambient noise in the NE Iberian Peninsula. The tomographic study includes a signal processing to minimize the energy from earthquakes and to normalize the amplitudes for all frequencies. A signal equivalent to the Green function has been obtained through the cross-correlation between all the possible station pairs during a period longer than one year, allowing the measurement of group and phase velocities. The results, which are presented as dispersion maps, show areas of high and low velocities that are coherent with the main crust and upper mantle geological structures.

Surface polaritons, i.e., collective oscillations of the surface charges, strongly influence the optical response at the micro- and nanoscale and have to be accounted for in modern nanotechnology. Within this thesis, certain basic phenomena involving surface polaritons are investigated by means of the semianalytical multiple-multipole (MMP) method. The results are compared to experiments. In the first part, the surface plasmon resonance (SPR) of metal nanoparticles is analyzed. This resonant collective oscillation of the free electrons in a metallic nanoparticle leads to an enhancement and confinement of the local electric field at optical frequencies. The local electric field can be further increased by tailoring the shape of the particle or by using near-field-interacting dimers or trimers of gold nanospheres. The hot spots found under such conditions increase the sensitivity of surface-enhanced Raman scattering by several orders of magnitude and simultaneously reduce the probed volume, thereby providing single-molecule sensitivity. The sub-wavelength-confined strong electromagnetic field associated with a SPR provides the basis for scattering-type near-field optical microscopy or tip-enhanced Raman spectroscopy, where the metal particle serves as a probe that is scanned laterally in the vicinity of a substrate. The presence of the latter causes a characteristic shift of the SPR towards lower frequencies. This effect originates in the near-field interaction of the surface charges on the objects. Furthermore, the excitation of higher-order modes becomes possible in case of an excitation by a strongly inhomogeneous wave, such as an evanescent wave. These modes may significantly contribute to the near field but have only very little influence on the far-field signature. Instead of using resonant probes, one may place a nonresonant probe in the vicinity of a substrate having a high density of electromagnetic surface states. This also produces a resonance of the light scattering by the system. Especially polar crystals, such as the investigated silicon carbide, feature such a high density of surface phonon polariton states in the mid-infrared spectral region, which can be excited due to the near-field interaction with a polarized particle. Thereby, a resonance is created leading to a strong increase of the electric field at the interface. In the second part of the thesis, special emphasis is put on surface plasmon polaritons (SPPs). Such propagating surface waves can be excited directly by plane waves only at patterned interfaces. This process is studied for the case of a groove. The groove breaks the translational invariance, so that the SPPs can be launched locally at the edges of the groove. Additionally, the mode(s) inside the groove are excited. These modes can basically be understood as metal-insulator-metal cavity modes. Their dispersion strongly depends on the groove width. The cavity behavior caused by the finite depth provides another degree of freedom for optimizing the SPP excitation by plane waves. Thin metallic films deposited on glass offer two different SPP waveguide modes, each of which can be addressed preferentially by a proper choice of the width of the groove. The reflection, transmission, scattering, and the conversion of the modes at discontinuities such as edges, steps, barriers, and grooves can be controlled by appropriately designing the geometry at the nanoscale. Furthermore, the excitation of SPPs at single and multiple slits in thin-film metal waveguides on glass and their propagation and scattering is shown by scanning near-field optical experiments. Such waveguide structures offer a means for transporting light in a confined way. Especially triangularly shaped waveguides can be used to guide light in sub-wavelength spaces. / Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit subwellenlängenkleinen Teilchen bzw. Oberflächenstrukturen ermöglicht nicht nur eine Miniaturisierung optischer Geräte, sondern erlaubt sehr interessante Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik und Nahfeldoptik. In der vorliegenden Arbeit werden die zu Grunde liegenden Effekte im Rahmen der klassischen Elektrodynamik mit Hilfe der semianalytischen Methode der multiplen Multipole (MMP) analysiert, und die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen. Im ersten Teil werden Oberflächenplasmonenresonanzen (engl. surface plasmon resonance - SPR) einzelner und wechselwirkender Metallteilchen untersucht. Die dabei auftretende resonante kollektive Schwingung der freien Elektronen des Partikels bewirkt eine deutliche Erhöhung und Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes in seiner Umgebung. Die spektrale Position und die Stärke der SPR eines Nanoteilchens, die von dessen geometrischer Form, Permittivität und Umgebung abhängen, können nur im Grenzfall sehr kleiner Teilchen elektrostatisch beschrieben werden, wohingegen der verwendete semianalytische MMP-Ansatz weitaus flexibler ist und insbesondere auch auf größere Partikel, Teilchen mit komplizierterer Form bzw. Ensembles von Partikeln anwendbar ist. Die betrachteten einzelnen kleinen (< Wellenlänge) Goldkügelchen und Silberellipsoide besitzen eine stark ausgeprägte SPR im sichtbaren optischen Bereich. Diese ist auf eine dipolartige Polarisierung des Teilchens zurückzuführen. Höhere Moden der Polarisation können entweder als Folge von Retardierungseffekten an größeren (mit der Wellenlänge vergleichbaren) Teilchen oder bei der Verwendung inhomogener (z.B. evaneszenter) Wellen angeregt werden. Partikel, die sich in der Nähe eines Substrates befinden, unterliegen der Nahfeldwechselwirkung zwischen den (lichtinduzierten) Oberflächenladungen auf der Oberfläche des Teilchens und des Substrats. Dies führt zu einer Verschiebung der SPR zu niedrigeren Frequenzen und einer Erhöhung des lokalen elektrischen Feldes. Letzteres bildet die Grundlage z.B. der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie und der optischen Nahfeldmikroskopie mit Streulichtdetektion. Dasselbe Prinzip bewirkt ein stark überhöhtes elektrisches Feld zwischen miteinander wechselwirkenden Nanopartikeln, welches z.B. die Sensitivität der oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie um mehrere Größenordnungen steigern kann. Im Gegensatz zur SPR einzelner Nanopartikel kann die Resonanz der Lichtstreuung im Fall eines Partikels in der Nähe eines Substrats aus der durch die Nahfeldwechselwirkung induzierten Anregung elektromagnetischer Oberflächenzustände entstehen. Diese wirken ihrerseits auf das Nanopartikel zurück, wobei eine resonante Lichtstreuung beobachtbar ist. Dieser, am Beispiel einer metallischen Nahfeldsonde über einem Siliziumcarbid-Substrat analysierte, Effekt ermöglicht bei einer ganzen Klasse von polaren Kristallen interessante Anwendungen in der Mikroskopie und Sensorik basierend auf der hohen Dichte von Oberflächenphononpolaritonen dieser Kristalle im mittleren infraroten Spektralbereich und deren nahfeldinduzierten Anregung. Im zweiten Teil der Arbeit werden kollektive Anregungen von Elektronen an Metalloberflächen untersucht. Die dabei auftretenden plasmonischen Oberflächenwellen (engl. surface plasmon polaritons - SPPs) weisen einen exponentiellen Abfall der Intensität senkrecht zur Grenzfläche auf. Diese starke Lokalisierung der Energie an der Oberfläche bildet die Grundlage vieler Anwendungen, z.B. im Bereich der hochempfindlichen Detektion (bio)chemischer Verbindungen oder für eine zweidimensionale Optik (engl. plasmonics). Das Aufheben der Translationsinvarianz längs der Oberfläche ermöglicht die direkte Anregung von SPPs durch ebene Wellen. Die Abhängigkeit dieser Kopplung von der Geometrie wird am Beispiel eines Nanograbens untersucht. Dabei werden neben den SPPs ebenfalls eine oder mehrere Moden im Graben angeregt. Folglich ermöglicht die geeignete Wahl der Grabengeometrie die Optimierung der Umwandlung von ebenen Wellen in SPPs. Im - in der Praxis weit verbreiteten - Fall asymmetrisch eingebetteter metallischer Dünnschichtwellenleiter existieren zwei Moden. In Abhängigkeit von der Grabenbreite kann die eine oder die andere Mode bevorzugt angeregt werden. Die Analyse der Wechselwirkung von SPPs mit Oberflächenstrukturen, z.B. Kanten, Stufen, Barrieren und Gräben, zeigt die Möglichkeit der Steuerung der Reflexions-, Transmissions- und Abstrahleigenschaften durch die gezielte Wahl der Geometrie der "Oberflächendefekte" auf der Nanoskala und deckt die zu Grunde liegenden Mechanismen und die daraus resultierenden Anforderungen bei der Herstellung neuer plasmonischer Komponenten auf. Exemplarisch wird das Prinzip der SPP-Anregung an einzelnen und mehreren Gräben in dünnen metallischen Filmen sowie der subwellenlängen Feldlokalisierung an sich verjüngenden metallischen Dünnschichtwellenleitern unter Verwendung der optischen Nahfeldmikroskopie experimentell gezeigt.

La caractérisation de la proche surface est un enjeu majeur pour l'industrie pétrolière. Lors des acquisitions terrestres et Ocean Bottom Cable (OBC), les couches superficielles généralement altérées ou peu consolidées, présentent des structures géologiques complexes et ont éventuellement des variations topographiques importantes. Les ondes de surface, énergétiques, se propagent dans ce milieu complexe et dominent les sismogrammes, ce qui masque le signal utile pour le traitement sismique classique et rend difficile l'imagerie à la profondeur du réservoir.Il est donc important de pouvoir atténuer ces ondes, éventuellement d'appliquer des corrections statiques et/ou d'amplitude. Ceci qui nécessite une connaissance précise du modèle de vitesse de la proche surface. L'étude de la dispersion des ondes de surface est couramment utilisée en sismologie globale et à l'échelle géotechnique pour évaluer les propriétés des milieux terrestres. Il existe néanmoins des limitations: la mesure de cette dispersion est souvent difficile et les profils de vitesses obtenus sont 1D. A l'échelle pétrolière, l'hypothèse 1D n'est pas toujours adaptée, ce qui motive l'utilisation d'une méthode alternative d'imagerie plus haute résolution, la méthode d'inversion de la forme d'onde (FWI). Cependant, le modèle de vitesse initial doit être assez précis pour éviter le "cycle-skipping" et permettre la convergence vers la solution optimale.Cette étude explore différentes alternatives de fonctions coûts pour résoudre le "cycle-skipping" et diminuer la dépendance de l'inversion à la qualité du modèle initial. En exprimant les fonctions coûts dans le domaine f-k (fréquence-nombre d'onde) et le domaine f-p (fréquence-lenteur), la FWI est plus robuste. A l'aide d'exemples synthétiques, nous démontrons l'efficacité de ces nouvelles approches qui permettent bien de retrouver les variations latérales de vitesses d'onde S.Dans une seconde partie, nous développons une inversion FWI en "layer stripping", adaptée spécifiquement à la physique des ondes de surface. Comme la profondeur de pénétration de ces ondes dépend de leur longueur d'onde, et donc, de leur contenu fréquentiel, nous proposons d'inverser séquentiellement des plus hautes aux plus basses fréquences de ces ondes pour contraindre successivement les couches superficielles jusqu'aux plus profondes. Un fenêtrage selon la distance source-station est également appliqué. Dans un premier temps seules les courtes distances sont inversées, au fur à mesure les données associées à des plus grandes distances sont rajoutées, plus fortement impactées par le "cycle-skipping". Nous démontrons à l'aide d'exemples synthétiques l'avantage de cette méthode par rapport aux méthodes multi-échelles conventionnelles inversant des basses vers les hautes fréquences.Enfin, l'inversion des ondes de surface pour la caractérisation de la proche surface est confrontée à un cas réel. Nous discutons la construction et la pertinence du modèle initial et les difficultés rencontrées lors de l'inversion. / The characterization of the near surface is an important topic for the oil and gas industry. For land and Ocean Bottom Cable (OBC) acquisitions, weathered or unconsolidated top layers, prominent topography and complex shallow structures may make imaging at target depth very difficult. Energetic and complex surface waves often dominate such recordings, masking the signal and challenging conventional seismic processing. Static corrections and the painstaking removal of surface waves are required to obtain viable exploration information.Yet surface waves, which sample the near surface region, are considered as signal on both the engineering and geotechnical scale as well as the global seismology scale. Their dispersive property is conventionally used in surface wave analysis techniques to obtain local shear velocity depth profiles. But limitations such as the picking of dispersion curves and poor lateral resolution have lead to the proposal of Full Waveform Inversion (FWI) as an alternative high resolution technique. FWI can theoretically be used to explain the complete waveforms recoded in seismograms, but FWI with surface waves has its own set of challenges. A sufficiently accurate initial velocity model is required or otherwise cycle-skipping problems will prevent the inversion to converge.This study investigates alternative misfit functions that can overcome cycle-skipping and decrease the dependence on the initial model required. Computing the data-fitting in different domains such as the frequency-wavenumber (f-k) and frequency-slowness (f-p) domains is proposed for robust FWI, and successful results are achieved with a synthetic dataset, in retrieving lateral shear velocity variations.In the second part of this study a FWI layer stripping strategy, specifically adapted to the physics of surface waves is proposed. The penetration of surface waves is dependent on their wavelength, and therefore on their frequency. High-to-low frequency data is therefore sequentially inverted to update top-to-bottom layer depths of the shear velocity model. In addition, near-to-far offsets are considered to avoid cycle-skipping issues. Results with a synthetic dataset show that this strategy is more successful than conventional multiscale FWI in using surface waves to update the shear velocity model.Finally inversion of surface waves for near surface characterization is attempted on a real dataset at the oil and gas exploration scale. The construction of initial models and the difficulties encountered during FWI with real data are discussed.

title: Surface Wave Analysis and Inversion Application to the Bohemian Massif author: Mgr. Petr Kolínský, DiS. author's e-mail address: kolinsky@irsm.cas.cz departments: Department of Geophysics Faculty of Mathematics and Physics Charles University Prague V Holešovičkách 2, Praha 8 - 180 00, Czech Republic and Department of Seismology Institute of Rock Structure and Mechanics, v.v.i. Academy of Sciences of the Czech Republic V Holešovičkách 41, Praha 8 - 182 09, Czech Republic supervisor: RNDr. Johana Brokešová, CSc. supervisor's e-mail address: johana.brokesova@mff.cuni.cz consultant: RNDr. Jiří Málek, PhD. consultant's e-mail address: malek@irsm.cas.cz keywords: surface waves, group velocity, phase velocity, frequency-time analysis, multiple filtering, tomography, inversion problems, Earth crust structure, Bohemian Massif An overview of surface wave analysis methods as well as of inversion techniques is given. Special attention is paid to the multiple filtering method for dispersion curve estimation, which is described by two different ways in detail. The isometric method is used for dispersion curve inversion and its description and tests are presented. Described methods are further used in applications. The applications show examples of surface wave analysis and inversion for 1D and 2D...

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No presente trabalho, um algoritmo algébrico sequencial é utilizado para descrever a propagação de ondas acústicas ao longo de uma barra e utilizado na identificação de danos. Esse algoritmo é validado com base nos conficientes de sensibilidade dos ecos correspondentes aos diferentes cenários de danos apresentados. Na formulação do problema de identificação de dano, o campo de impedância generalizada, que minimiza o funcional definido como a distância entre o eco calculado e o eco experimental sintético é procurado. Os tempos de percurso da resposta, obtidos a partir de experimentos numéricos, são utilizados para identificar a posição, intensidade e forma do dano. Para simular dados corrompidos, diferentes níveis de ruído - variando de 30 a 0 dB - são introduzidos. O processo de identificação foi avaliado com os seguintes métodos de otimização: Otimização por Enxame de Partículas (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Algoritmo de Colisão de Partículas (PCA); Algoritmos Genéticos (GA) e Recozimento Simulado (SA); e a hibridização desses métodos com o método determinístico de Levenberg-Marquardt. É mostrado que o processo de identificação de dano construído sobre a abordagem de propagação de ondas acústicas foi bem sucedido, mesmo para dados ruidosos altamente corrompidos. Os resultados dos casos testes são apresentados e algumas observações sobre as vantagens dos métodos determinísticos e estocásticos e sua combinação também são relatados. / In the present work, a sequential algorithm is used for describing the acoustic wave propagation along a bar and applied for damage identification purposes. The algorithm is validated based on the sensitivity coefficients of the corresponding echoes to the adressed damage scenarios. In the formulation of the damage identification problem, the generalized impedance field, that minimizes the functional defined as the distance between the calculated echo and the synthetic experimental one is sought. Time history responses, obtained from pulse-echo experiments, are used to identify damage position, severity and shape. In oder to account for noise corrupted data, different levels of signal to noise ratio - varying from 30 to 0 dB - are introduced. In the identification procedure the following optimization methods were applied: Particle Swarm Optimization (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Particle Collision Algorithm (PCA); Genetic Algorithms (GA); and Simmulated Annealing (SA): and the hybridization of these methods with the deterministic Levenberg-Marquardt method. It is shown that the damage identification procedure built on the acoustic wave propagation approach was successful, even for highly corrupted noisy data. Test case results are presented and a few comments on the advantages of deterministic and stochastic methods and their combination are also reported.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No presente trabalho, um algoritmo algébrico sequencial é utilizado para descrever a propagação de ondas acústicas ao longo de uma barra e utilizado na identificação de danos. Esse algoritmo é validado com base nos conficientes de sensibilidade dos ecos correspondentes aos diferentes cenários de danos apresentados. Na formulação do problema de identificação de dano, o campo de impedância generalizada, que minimiza o funcional definido como a distância entre o eco calculado e o eco experimental sintético é procurado. Os tempos de percurso da resposta, obtidos a partir de experimentos numéricos, são utilizados para identificar a posição, intensidade e forma do dano. Para simular dados corrompidos, diferentes níveis de ruído - variando de 30 a 0 dB - são introduzidos. O processo de identificação foi avaliado com os seguintes métodos de otimização: Otimização por Enxame de Partículas (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Algoritmo de Colisão de Partículas (PCA); Algoritmos Genéticos (GA) e Recozimento Simulado (SA); e a hibridização desses métodos com o método determinístico de Levenberg-Marquardt. É mostrado que o processo de identificação de dano construído sobre a abordagem de propagação de ondas acústicas foi bem sucedido, mesmo para dados ruidosos altamente corrompidos. Os resultados dos casos testes são apresentados e algumas observações sobre as vantagens dos métodos determinísticos e estocásticos e sua combinação também são relatados. / In the present work, a sequential algorithm is used for describing the acoustic wave propagation along a bar and applied for damage identification purposes. The algorithm is validated based on the sensitivity coefficients of the corresponding echoes to the adressed damage scenarios. In the formulation of the damage identification problem, the generalized impedance field, that minimizes the functional defined as the distance between the calculated echo and the synthetic experimental one is sought. Time history responses, obtained from pulse-echo experiments, are used to identify damage position, severity and shape. In oder to account for noise corrupted data, different levels of signal to noise ratio - varying from 30 to 0 dB - are introduced. In the identification procedure the following optimization methods were applied: Particle Swarm Optimization (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Particle Collision Algorithm (PCA); Genetic Algorithms (GA); and Simmulated Annealing (SA): and the hybridization of these methods with the deterministic Levenberg-Marquardt method. It is shown that the damage identification procedure built on the acoustic wave propagation approach was successful, even for highly corrupted noisy data. Test case results are presented and a few comments on the advantages of deterministic and stochastic methods and their combination are also reported.

L'objectif de cette thèse consiste en l'étude d'une stratégie de contrôle actif à faible autorité avec comme application le contrôle actif du rayonnement acoustique d'une plaque. Depuis l'essor du contrôle actif, son application aux problèmes acoustiques et vibracoustiques a été investiguée par de nombreux chercheurs, exploitant soit la théorie du contrôle optimal, soit des approches originales basées plus particulièrement sur la physique. Des notions spécifiques au contrôle vibroacoustique ont été développées comme, par exemple, les modes radiatifs pouvant caractériser le rayonnement acoustique d'une plaque d'une manière adaptée au contrôle. <p>Le contrôle actif à faible autorité, pour lequel le Laboratoire de Structures Actives a développé une expertise dans le domaine de l'amortissement et du contrôle actif des vibrations, est une solution attractive par sa simplicité de mise en oeuvre. Le plus souvent implémenté sous la forme d'un contrôle décentralisé constitué de boucles indépendantes, le contrôle à faible autorité bénéficie de certaines garanties de stabilité et de robustesse. <p>Bien que notre stratégie de contrôle puisse s'appliquer à n'importe quel type de plaque, l'application considérée dans ce travail a été motivée par le contexte socio-économique actuel en rapport avec les nuisances acoustiques. Il était en effet intéressant d'évaluer la stratégie de contrôle pour le problème de la transmission acoustique d'un vitrage. La stratégie de contrôle se divise en deux étapes. Tout d'abord le développement d'un capteur unique destiné à fournir une mesure représentative du bruit rayonné par une plaque en basse fréquence. Deux capteurs de vitesse volumétrique (l'un discret, l'autre distribué) ont ainsi été développés et évalués expérimentalement. <p>Ensuite, une procédure d'optimisation de l'emplacement d'un ensemble d'actionneurs pilotés en parallèle est proposée. L'objectif de cette phase d'optimisation est de forcer la réponse fréquentielle du système à posséder les propriétés d'un système colocalisé. La stratégie de contrôle est ensuite évaluée sur deux structures expérimentales. <p><p>/ This thesis is concerned with a low authority active control strategy applied to the sound radiation control of a baffled plate. Since the development of active control ,numerous researchers have studied its application to acoustical or vibroacoustical problems using either the modern control theory or other methods based rather on the understanding of the physics of the problem. Vibroacoustical active control has lead to the definition of radiation modes allowing to describe the radiated sound of a plate in an appropriate manner for active control purposes. <p>Low autorithy control (LAC), for which the Active Structures Laboratory has gained an expertise for active vibration control applications is an interesting solution for its implementation simplicity. Most of the time it consists of several decentralized control loops, and benefits from guaranteed stability and robustness properties. Although our control strategy can be applied to any kind of plates, the application considered here has been motivated by the present socio-economical context related to noise annoyances. The active control strategy has been applied the problem of the sound transmission loss of glass plates (windows). This strategy is in two steps :first a volume velocity sensor is developed as to give a measure representative of the radiated sound at low frequencies. <p>Two sensors have been developed (one discrete and one distributed) and experimentally tested. Next, an optimisation strategy is proposed which allow to locate on the plate a set of several actuators driven in parallel. The goal of this optimisation task is to obtain an open-loop frequency response which behave like a collocated system. The control strategy is finally evaluated on two plate structures. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse porte sur l’application de la technique de corrélation de bruit sismologique ambiant pour l'imagerie et le suivi des réservoirs géothermiques de Rittershoffen (ECOGI) et de Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). La forte variabilité spatio-temporelle des sources du bruit de fond sismologique dans la gamme de période 0.2-7s limite la reconstruction des fonctions de Green. Cela induit des erreurs dans la construction des modèles de vitesse. Deux approches sont proposées pour s’affranchir des effets de la non-uniformité spatiale du bruit. Par ailleurs, la variabilité temporelle des sources de bruit est un facteur limitant pour le suivi du réservoir. On estime que les perturbations de vitesse doivent être de l’ordre de 0.1% à 1% pour pouvoir être détectées par les réseaux disponibles. Ce seuil n’a pas été franchi lors de la construction du site Rittershoffen mais une modification probable des propriétés diffractantes du milieu a été observée à la suite d’une stimulation. / This work focuses on the application of the ambient seismic noise correlation technique for the imaging and monitoring of deep geothermal reservoirs near Rittershoffen (ECOGI) and Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). The strong spatial and temporal variability of the noise sources in the period range 0.2-7s limits the reconstruction of the Green’s functions. This results in significant errors in the velocity models. Two approaches are proposed to overcome the spatial non-uniformity of the noise and to improve the quality of the velocity models. Besides that, the temporal variability of the noise sources is a limiting factor for monitoring purposes. We estimate that the speed variations should be larger than 0.1% to 1% to be detected by the available networks. This threshold was not reached at Rittershoffen during the drillings or the stimulations. However, a probable change of the diffracting properties of the medium was observed following a hydraulic stimulation.

La prédiction des mouvements du sol générés par un séisme est un enjeu majeur pour la prise en compte du risque sismique. C’est l’un des objectifs du projet SIGMA dans le cadre duquel j’ai réalisé ma thèse. Celle-ci se compose de deux parties. La première se concentre sur la dépendance à la magnitude de la décroissance des paramètres des mouvements du sol avec la distance. Celle-ci est un sujet de préoccupation aussi bien pour l’utilisation des relations d’atténuation (GMPEs), que pour les méthodes basées sur l’utilisation de petits évènements en tant que fonctions de Green empiriques. Nous avons démontré qu’aux distances les plus faibles (inférieures à la longueur de la faille), l'effet de saturation dû aux dimensions de la faille est prépondérant. Aux distances plus importantes, l'effet de l’atténuation anélastique devient prépondérant. Nous avons donc montré qu’il pouvait être délicat de mélanger des données de différentes régions dans les GMPEs, et validé l’utilisation des fonctions de Green empiriques à toutes les distances. Dans la deuxième partie sont testées 3 différentes méthodes de simulations dans un contexte complexe : un code combinant une source étendue en k2 et des EGFs, un code point-source EGFs et un code stochastique. Nous avons choisi de travailler sur le séisme de magnitude Mw 5.9 (29 mai 2012) situé dans un bassin sédimentaire profond (la plaine du Po), et qui a engendré des sismogrammes souvent dominés par les ondes de surface. On y démontre que sans connaissance à priori du milieu de propagation, les méthodes basées sur des EGF permettent de reproduire les ondes de surface, les valeurs de PGA, de PGV, ainsi que les durées des signaux générés. / The prediction of ground motion generated by an earthquake is a major issue for the consideration of seismic risk. This is one of the objectives of SIGMA project in which I realized my thesis. It consists of two parts. The first focuses on the magnitude dependence of the ground motion parameters decay with distance. This is a concern both for the use of relation of attenuation (GMPEs) than methods based on the use of small events as empirical Green functions. We have shown that as the shorter distances (less than the length of the fault), the saturation effect due to the fault size is preponderant. For larger distances, it’s the eanelastic attenuation effect which becomes predominant. So we have shown that it can be tricky to mix data from different regions in GMPEs and we validated the use of empirical Green functions at every distance. In the second part are tested three different simulation methods in a complex context: a code combining finite fault source in k2 and EGFs, a point-source code with EGFs and a stochastic code. We chose to work on the Mw 5.9 earthquake (May 29, 2012) which occurs in a deep sedimentary basin (the Po plain), and which has generated seismograms often dominated by surface waves. We show that without a priori knowledge of the propagation medium, methods based on EGFs can reproduce surface waves, the values of PGA, PGV, and the durations of the signals generated.

Surface polaritons, i.e., collective oscillations of the surface charges, strongly influence the optical response at the micro- and nanoscale and have to be accounted for in modern nanotechnology. Within this thesis, certain basic phenomena involving surface polaritons are investigated by means of the semianalytical multiple-multipole (MMP) method. The results are compared to experiments. In the first part, the surface plasmon resonance (SPR) of metal nanoparticles is analyzed. This resonant collective oscillation of the free electrons in a metallic nanoparticle leads to an enhancement and confinement of the local electric field at optical frequencies. The local electric field can be further increased by tailoring the shape of the particle or by using near-field-interacting dimers or trimers of gold nanospheres. The hot spots found under such conditions increase the sensitivity of surface-enhanced Raman scattering by several orders of magnitude and simultaneously reduce the probed volume, thereby providing single-molecule sensitivity. The sub-wavelength-confined strong electromagnetic field associated with a SPR provides the basis for scattering-type near-field optical microscopy or tip-enhanced Raman spectroscopy, where the metal particle serves as a probe that is scanned laterally in the vicinity of a substrate. The presence of the latter causes a characteristic shift of the SPR towards lower frequencies. This effect originates in the near-field interaction of the surface charges on the objects. Furthermore, the excitation of higher-order modes becomes possible in case of an excitation by a strongly inhomogeneous wave, such as an evanescent wave. These modes may significantly contribute to the near field but have only very little influence on the far-field signature. Instead of using resonant probes, one may place a nonresonant probe in the vicinity of a substrate having a high density of electromagnetic surface states. This also produces a resonance of the light scattering by the system. Especially polar crystals, such as the investigated silicon carbide, feature such a high density of surface phonon polariton states in the mid-infrared spectral region, which can be excited due to the near-field interaction with a polarized particle. Thereby, a resonance is created leading to a strong increase of the electric field at the interface. In the second part of the thesis, special emphasis is put on surface plasmon polaritons (SPPs). Such propagating surface waves can be excited directly by plane waves only at patterned interfaces. This process is studied for the case of a groove. The groove breaks the translational invariance, so that the SPPs can be launched locally at the edges of the groove. Additionally, the mode(s) inside the groove are excited. These modes can basically be understood as metal-insulator-metal cavity modes. Their dispersion strongly depends on the groove width. The cavity behavior caused by the finite depth provides another degree of freedom for optimizing the SPP excitation by plane waves. Thin metallic films deposited on glass offer two different SPP waveguide modes, each of which can be addressed preferentially by a proper choice of the width of the groove. The reflection, transmission, scattering, and the conversion of the modes at discontinuities such as edges, steps, barriers, and grooves can be controlled by appropriately designing the geometry at the nanoscale. Furthermore, the excitation of SPPs at single and multiple slits in thin-film metal waveguides on glass and their propagation and scattering is shown by scanning near-field optical experiments. Such waveguide structures offer a means for transporting light in a confined way. Especially triangularly shaped waveguides can be used to guide light in sub-wavelength spaces. / Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit subwellenlängenkleinen Teilchen bzw. Oberflächenstrukturen ermöglicht nicht nur eine Miniaturisierung optischer Geräte, sondern erlaubt sehr interessante Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik und Nahfeldoptik. In der vorliegenden Arbeit werden die zu Grunde liegenden Effekte im Rahmen der klassischen Elektrodynamik mit Hilfe der semianalytischen Methode der multiplen Multipole (MMP) analysiert, und die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen. Im ersten Teil werden Oberflächenplasmonenresonanzen (engl. surface plasmon resonance - SPR) einzelner und wechselwirkender Metallteilchen untersucht. Die dabei auftretende resonante kollektive Schwingung der freien Elektronen des Partikels bewirkt eine deutliche Erhöhung und Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes in seiner Umgebung. Die spektrale Position und die Stärke der SPR eines Nanoteilchens, die von dessen geometrischer Form, Permittivität und Umgebung abhängen, können nur im Grenzfall sehr kleiner Teilchen elektrostatisch beschrieben werden, wohingegen der verwendete semianalytische MMP-Ansatz weitaus flexibler ist und insbesondere auch auf größere Partikel, Teilchen mit komplizierterer Form bzw. Ensembles von Partikeln anwendbar ist. Die betrachteten einzelnen kleinen (&amp;lt; Wellenlänge) Goldkügelchen und Silberellipsoide besitzen eine stark ausgeprägte SPR im sichtbaren optischen Bereich. Diese ist auf eine dipolartige Polarisierung des Teilchens zurückzuführen. Höhere Moden der Polarisation können entweder als Folge von Retardierungseffekten an größeren (mit der Wellenlänge vergleichbaren) Teilchen oder bei der Verwendung inhomogener (z.B. evaneszenter) Wellen angeregt werden. Partikel, die sich in der Nähe eines Substrates befinden, unterliegen der Nahfeldwechselwirkung zwischen den (lichtinduzierten) Oberflächenladungen auf der Oberfläche des Teilchens und des Substrats. Dies führt zu einer Verschiebung der SPR zu niedrigeren Frequenzen und einer Erhöhung des lokalen elektrischen Feldes. Letzteres bildet die Grundlage z.B. der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie und der optischen Nahfeldmikroskopie mit Streulichtdetektion. Dasselbe Prinzip bewirkt ein stark überhöhtes elektrisches Feld zwischen miteinander wechselwirkenden Nanopartikeln, welches z.B. die Sensitivität der oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie um mehrere Größenordnungen steigern kann. Im Gegensatz zur SPR einzelner Nanopartikel kann die Resonanz der Lichtstreuung im Fall eines Partikels in der Nähe eines Substrats aus der durch die Nahfeldwechselwirkung induzierten Anregung elektromagnetischer Oberflächenzustände entstehen. Diese wirken ihrerseits auf das Nanopartikel zurück, wobei eine resonante Lichtstreuung beobachtbar ist. Dieser, am Beispiel einer metallischen Nahfeldsonde über einem Siliziumcarbid-Substrat analysierte, Effekt ermöglicht bei einer ganzen Klasse von polaren Kristallen interessante Anwendungen in der Mikroskopie und Sensorik basierend auf der hohen Dichte von Oberflächenphononpolaritonen dieser Kristalle im mittleren infraroten Spektralbereich und deren nahfeldinduzierten Anregung. Im zweiten Teil der Arbeit werden kollektive Anregungen von Elektronen an Metalloberflächen untersucht. Die dabei auftretenden plasmonischen Oberflächenwellen (engl. surface plasmon polaritons - SPPs) weisen einen exponentiellen Abfall der Intensität senkrecht zur Grenzfläche auf. Diese starke Lokalisierung der Energie an der Oberfläche bildet die Grundlage vieler Anwendungen, z.B. im Bereich der hochempfindlichen Detektion (bio)chemischer Verbindungen oder für eine zweidimensionale Optik (engl. plasmonics). Das Aufheben der Translationsinvarianz längs der Oberfläche ermöglicht die direkte Anregung von SPPs durch ebene Wellen. Die Abhängigkeit dieser Kopplung von der Geometrie wird am Beispiel eines Nanograbens untersucht. Dabei werden neben den SPPs ebenfalls eine oder mehrere Moden im Graben angeregt. Folglich ermöglicht die geeignete Wahl der Grabengeometrie die Optimierung der Umwandlung von ebenen Wellen in SPPs. Im - in der Praxis weit verbreiteten - Fall asymmetrisch eingebetteter metallischer Dünnschichtwellenleiter existieren zwei Moden. In Abhängigkeit von der Grabenbreite kann die eine oder die andere Mode bevorzugt angeregt werden. Die Analyse der Wechselwirkung von SPPs mit Oberflächenstrukturen, z.B. Kanten, Stufen, Barrieren und Gräben, zeigt die Möglichkeit der Steuerung der Reflexions-, Transmissions- und Abstrahleigenschaften durch die gezielte Wahl der Geometrie der &amp;quot;Oberflächendefekte&amp;quot; auf der Nanoskala und deckt die zu Grunde liegenden Mechanismen und die daraus resultierenden Anforderungen bei der Herstellung neuer plasmonischer Komponenten auf. Exemplarisch wird das Prinzip der SPP-Anregung an einzelnen und mehreren Gräben in dünnen metallischen Filmen sowie der subwellenlängen Feldlokalisierung an sich verjüngenden metallischen Dünnschichtwellenleitern unter Verwendung der optischen Nahfeldmikroskopie experimentell gezeigt.