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.

Ce mémoire présente une composition d’études et de travaux de recherche orientés autour de trois grandes thématiques : la synthèse, la reproduction et la perception des sons, en considérant à la fois les sons de nature musicale mais aussi environnementale. Il vise en outre un champ d’application, le design sonore, qui implique globalement la création intentionnelle de sons du quotidien. La structure du document est conçu selon un schéma relativement uniforme et comporte, pour chaque partie, une présentation générale de la thématique apportant des éléments théoriques et des données relatives à l’état de l’art, suivie de développements spécifiques permettant de converger vers les sujets d’étude propres à chaque thème – explicitement, formalisme modal dans la synthèse par modélisation physique, pour la partie "Synthèse" ; mesure et contrôle de la directivité des instruments de musique, pour la partie "Reproduction" ; timbre et identification des sources sonores, pour la partie "Perception"– puis d’une présentation détaillée des travaux personnels relatifs à chacun des sujets, le cas échéant, sous la forme d’un article publié. Ces divers éléments de connaissance et d’expérience propose donc une contribution personnelle et originale, volontairement inscrite dans un cadre de recherche élargi, pluridisciplinaire et appliqué. / This dissertation presents a composition of studies and research works articulated around three main topics : synthesis, reproduction and perception of sounds, considering both musical and environmental sounds. Moreover, it focuses on an application field, the sound design, that globally involves the conception of intentional everyday sounds. The document is based on a rather uniform structure and contains, for each part, a general presentation of the topic which brings theoretical elements together with an overview of the state-of-the-art, followed by more precise developments in order to focus on the specific matters related to each topic – in detail, modal formalism in sound synthesis by physical modeling, for the "Synthesis" section ; measurement and control of musical instruments directivity, for the "Reproduction" section ; timbre and sound sources identification, for the "Perception" section – and then followed by a detailed presentation of the personal works related to each matter, in some cases, in the form of published papers. Then, these several elements of knowledge and experience offer a personal and original contribution, deliberately put in a broad, multidisciplinary and applied framework.

L'une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L'objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l'approche des fonctions de Green empiriques (FGEs) et d'apporter des éléments pouvant aider au développement d'une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés. Profitant de la disponibilité d'enregistrements de petits séismes de bonne qualité pouvant être utilisés comme FGEs, deux applications sont réalisées : une application au séisme des Saintes Mw = 6.4 et une application au séisme de L'Aquila Mw = 6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d'accélérogrammes synthétiques d'un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d'un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. De plus, la variabilité des mouvements du sol produite par notre approche de simulation en aveugle est cohérente avec la variabilité des prédictions des mouvements du sol purement empiriques. En se plaçant dans un vrai contexte de simulation en aveugle, cette approche a également été appliquée à la simulation d'un séisme historique pyrénéen Mw = 6.1. Dans une seconde partie, afin de se rapprocher des connaissances actuelles sur la complexité de la cinématique d'une source sismique, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites à distribution fractale avec l'approche des FGEs pour produire des accélérogrammes synthétiques large-bande. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L'Aquila en fixant les paramètres d'entrée donnant la meilleure opportunité de reproduire les enregistrements du séisme cible. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l'ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en oeuvre d'une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d'entrée mal connus dans le cadre de la simulation d'un futur séisme.

Ce mémoire présente une composition d’études et de travaux de recherche orientés autour de trois grandes thématiques : la synthèse, la reproduction et la perception des sons, en considérant à la fois les sons de nature musicale mais aussi environnementale. Il vise en outre un champ d’application, le design sonore, qui implique globalement la création intentionnelle de sons du quotidien. La structure du document est conçu selon un schéma relativement uniforme et comporte, pour chaque partie, une présentation générale de la thématique apportant des éléments théoriques et des données relatives à l’état de l’art, suivie de développements spécifiques permettant de converger vers les sujets d’étude propres à chaque thème – explicitement, formalisme modal dans la synthèse par modélisation physique, pour la partie "Synthèse" ; mesure et contrôle de la directivité des instruments de musique, pour la partie "Reproduction" ; timbre et identification des sources sonores, pour la partie "Perception"– puis d’une présentation détaillée des travaux personnels relatifs à chacun des sujets, le cas échéant, sous la forme d’un article publié. Ces divers éléments de connaissance et d’expérience propose donc une contribution personnelle et originale, volontairement inscrite dans un cadre de recherche élargi, pluridisciplinaire et appliqué. / This dissertation presents a composition of studies and research works articulated around three main topics : synthesis, reproduction and perception of sounds, considering both musical and environmental sounds. Moreover, it focuses on an application field, the sound design, that globally involves the conception of intentional everyday sounds. The document is based on a rather uniform structure and contains, for each part, a general presentation of the topic which brings theoretical elements together with an overview of the state-of-the-art, followed by more precise developments in order to focus on the specific matters related to each topic – in detail, modal formalism in sound synthesis by physical modeling, for the "Synthesis" section ; measurement and control of musical instruments directivity, for the "Reproduction" section ; timbre and sound sources identification, for the "Perception" section – and then followed by a detailed presentation of the personal works related to each matter, in some cases, in the form of published papers. Then, these several elements of knowledge and experience offer a personal and original contribution, deliberately put in a broad, multidisciplinary and applied framework.

La plupart des Gestes Médicaux-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur (G.M.C.A.O.) nécessitent l'utilisation d'un localisateur en six-dimensions. Il s'agit d'un système permettant de déterminer et de suivre la position et l'orientation de corps rigides constitués de marqueurs dans l'espace. De nombreux localisateurs ont été utilisés en chirurgie. Très peu de systèmes sont dédiés spécifiquement à la chirurgie ainsi ils ne répondent pas entièrement de façon satisfaisante aux contraintes du domaine. Nous présentons dans cette thèse, une approche originale de la localisation. A partir d'une étude des applications chirurgicales utilisant un localisateur, nous avons défini un ensemble de critères qualitatifs (encombrement, poids, forme) et quantitatifs en particulier sur la précision pour laquelle un protocole générique d'évaluation des localisateurs pour la chirurgie est proposé. Ces critères nous ont conduit à proposer une évolution des principaux systèmes utilisés aujourd'hui (les localisateurs optiques) afin de les rendre totalement adaptés aux besoins du domaine. En particulier, il est apparu que le coût, la précision et l'ergonomie globale des systèmes existants bien que satisfaisantes dans la plupart des cas étaient insuffisantes pour des applications exigeantes. Nous avons étudié et nous détaillons dans cette thèse deux prototypes permettant de répondre aux problèmes posés par le coût, la précision et surtout l'ergonomie. A partir de la base commune d'un localisateur par stéréovision passive repérant des marqueurs ponctuels, nous proposons une évolution originale basée sur la localisation et l'identification de marqueurs linéaires par le rapport de Thalès pour améliorer la visibilité des cibles. Enfin nous proposons deux concepts très innovants de localisation répondant à l'inconvénient majeur des systèmes optiques qui doivent avoir une ligne de vue entre les caméras et les marqueurs libre de tout obstacle.

Ce mémoire présente une composition d’études et de travaux de recherche orientés autour de trois grandes thématiques : la synthèse, la reproduction et la perception des sons, en considérant à la fois les sons de nature musicale mais aussi environnementale. Il vise en outre un champ d’application, le design sonore, qui implique globalement la création intentionnelle de sons du quotidien. La structure du document est conçu selon un schéma relativement uniforme et comporte, pour chaque partie, une présentation générale de la thématique apportant des éléments théoriques et des données relatives à l’état de l’art, suivie de développements spécifiques permettant de converger vers les sujets d’étude propres à chaque thème – explicitement, formalisme modal dans la synthèse par modélisation physique, pour la partie "Synthèse" ; mesure et contrôle de la directivité des instruments de musique, pour la partie "Reproduction" ; timbre et identification des sources sonores, pour la partie "Perception"– puis d’une présentation détaillée des travaux personnels relatifs à chacun des sujets, le cas échéant, sous la forme d’un article publié. Ces divers éléments de connaissance et d’expérience propose donc une contribution personnelle et originale, volontairement inscrite dans un cadre de recherche élargi, pluridisciplinaire et appliqué. / This dissertation presents a composition of studies and research works articulated around three main topics : synthesis, reproduction and perception of sounds, considering both musical and environmental sounds. Moreover, it focuses on an application field, the sound design, that globally involves the conception of intentional everyday sounds. The document is based on a rather uniform structure and contains, for each part, a general presentation of the topic which brings theoretical elements together with an overview of the state-of-the-art, followed by more precise developments in order to focus on the specific matters related to each topic – in detail, modal formalism in sound synthesis by physical modeling, for the "Synthesis" section ; measurement and control of musical instruments directivity, for the "Reproduction" section ; timbre and sound sources identification, for the "Perception" section – and then followed by a detailed presentation of the personal works related to each matter, in some cases, in the form of published papers. Then, these several elements of knowledge and experience offer a personal and original contribution, deliberately put in a broad, multidisciplinary and applied framework.

Il est bien connu dans la théorie de Maxwell que le rayonnement électromagnétique (EM) d'une onde porte à la fois du moment linéaire (énergie) et du moment angulaire. Ce dernier possède deux parties: le Moment Angulaire de Spin (ou SAM) qui est également connu sous le nom de la polarisation et le Moment Angulaire Orbital (ou OAM). Le SAM ne comprend que deux états (gauche et droite) et est utilisé en télécommunications pour doubler la capacité du canal. Par contre, le moment angulaire orbital (OAM) peut en théorie, avoir un nombre infini d'états appelés les modes OAM. Par conséquent, en radiofréquences, les premières applications de l'OAM ont été proposées dans le domaine des communications sans fil. Mais, tout d'abord, il est nécessaire de développer des antennes générant de telles ondes. L'objectif de cette thèse est de concevoir des antennes pour générer des ondes ayant un OAM. Le manuscrit se décompose en trois parties. Dans la première partie, un réseau d'antennes « patches » utilisant un déphaseur original est développé et testé. Ce réseau génère une onde ayant de l'OAM. Dans la deuxième partie, une cavité Fabry-Perot (FP) est utilisée pour apporter plus de directivité à ce réseau d'antennes. Enfin, la troisième partie consiste à générer des ondes guidées possédant du moment OAM. Ces ondes ont ensuite été utilisées pour exciter des antennes en cornet et rayonner des faisceaux directifs transportant du moment angulaire orbital. / It is well known from Maxwell’s theory that electromagnetic (EM) radiation carries both linear momentum (energy) and angular momentum. The latter has two parts: Spin Angular Momentum (SAM) which corresponds to the polarization of an EM wave and Orbital Angular Momentum (OAM) which is associated with the spatial distribution of an EM wave. The SAM has only two states (left and right) and is used to double the channel capacity in telecommunications. On the other hand, the OAM can theoretically have an infinite number of states called the OAM modes. Therefore, the first applications of OAM have been proposed in wireless communications at radio frequencies. However, first of all, it is necessary to develop the antennas for generating such waves. The objective of this thesis is to design the antennas for the generation of radio waves bearing OAM. The manuscript contains three parts. In the first part, an antenna using 4 patches and an original phase shifter is developed and tested to generate an OAM wave. In the second part, a Fabry-Perot (FP) cavity is used to enhance the directivity of this antenna. The third part is to generate guided OAM waves. Some horn antennas are used to radiate these waves with good directivity.