Approche numérique et expérimentale de la propagation sonore en environnements océaniques tridimensionnels : application aux problèmes inverses, Numerical and experimental approach to sound propagation in three-dimensional oceanic environments : application to inverse problems

Alexios Korakas

Description

Sous la direction de Philippe Blanc Benon, Frédéric Sturm
Thèse soutenue le 17 mai 2010: Ecole centrale de Lyon
On s’intéresse dans ce travail à l’aspect tridimensionnel (3D) de la propagation sonore en milieux océaniques petits fonds dans le cadre des problèmes inverses. Les problèmes inverses en acoustique sous-marine se basent sur la modélisation bidimensionnelle (2D) de la propagation, ignorant ainsi les effets de réfraction horizontale, qualifiés d’effets 3D. Toutefois, la propagation acoustique en environnements petits fonds, tels le plateau continental, peut être affectée par des effets 3D, leur prise en compte nécessitant l’utilisation de modèles pleinement 3D. Une inversion basée sur un modèle 3D devient inabordable pour plus de deux paramètres à la fois en raison de temps CPU particulièrement élevés. L’objectif de ce travail est d’examiner l’importance des effets 3D sur la performance et la fiabilité des procédures d’inversion habituellement utilisées dans les problèmes de l’acoustique sous-marine. Pour cela, on se place dans un guide d’onde océanique à géométrie inclinée. Des expérimentations à échelle réduite sont menées afin d’identifier et d’interpréter les effets 3D. Une procédure d’inversion par champs d’onde adaptés, formulée dans un cadre Bayesien et basée sur la recherche exhaustive dans l’espace des paramètres, est élaborée. L’inversion s’effectue en comparant des données basse fréquence du champ acoustique, recueillies le long d’antennes linéaires verticales ou horizontales, aux répliques générées par des modèles d’équation parabolique 2D et 3D. Les paramètres importants sont identifiés au moyen d’une étude de sensibilité de la fonction de coût. Dans une étape préliminaire, la performance de l’inversion est étudiée, sur données synthétiques bruitées, dans un cas simple permettant l’utilisation de modèles 2D. Une stratégied’inversion en sous-espaces résultant en une réduction importante des temps CPU pour l’inversion, est examinée. L’inversion est ensuite abordée en présence d’un fond incliné. La possibilité et les limites d’une inversion basée sur un modèle 2D sont explorées. Cette approche, mise en œuvre sur données synthétiques, met en évidence la pertinence de l’utilisation de modèles 2D en champ relativement proche. Une inversion basée sur un modèle 3D n’étant alors nécessaire que pour la pente, des temps CPU raisonnables sont ainsi réalisés. En revanche, en champ lointain, nous sommes confrontés à un risque potentiel d’estimation erronée et le recours à une modélisation 3D devient nécessaire.
-Acoustique sous-marine
-Petits fonds
-Propagation longue distance
-Effets 3 D
-Expérimentation à échelle réduite
-Modèles paraboliques
-Problèmes inverses
-Inversion par champs d'onde adaptés
This work deals with the three-dimensional (3D) aspect of sound propagation in shallow-water oceanic environments with respect to inverse problems. Inverse problems in underwater acoustics are based on twodimensional (2D) modeling of sound propagation, hence ignoring the effects of horizontal refraction, referred to as 3D propagation effects. However, the acoustic propagation in shallow-water environments, like the continental shelf, may be affected by 3D effects requiring 3D modeling to be accounted for. An inversion based on a 3D model for more than two parameters at a time becomes prohibitive due to dramatically increased CPU times. The aim of this work is to investigate the importance of the 3D effects with respect to the performance and reliability of the inversion procedures typically applied in problems of underwater acoustics. To this aim, we focus on a wedge-shaped oceanic wave guide. Laboratory scale experiments of long-range acoustic propagation are performed to identify and interpret the 3D effects due to a sloping bottom, as predicted by numerical simulations. A matched-field inversion procedure implemented within a Bayesian framework and based on the exhaustive search over the parameter space is elaborated. The inversion is performed by comparing low frequency acoustic field data, collected along vertical or horizontal line arrays, to replica generated from 2D and 3D parabolic equation codes. The recoverable parameters are identified by means of a sensitivity study of the cost function. In a preliminary step, the inversion performance is investigated on noisy synthetic data in a simple waveguide where 2D codes apply. A ubspace inversion strategy providing significant reduction in CPU times is examined. The inversion in the presence of a sloping bottom is then considered. The feasibility and the limits of an inversion matching replica from a 2D code are explored. This approach, applied on synthetic data, highlights the relevance of using 2D codes at relatively short ranges. An inversion based on a 3D code is thus only needed for the slope, and reasonable CPU times are achieved. On the other hand, important mismatch might occur at farther ranges and 3D modeling is required.
-Underwater acoustics
-Shallow water
-Long-range propagation
-3 D effects
-Tank experiments
-Parabolic equation models
-Inverse problems
-Matched-field inversion
Source: http://www.theses.fr/2010ECDL0010/document

Sujets

• Problème inverse

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 29
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

N d’ordre : 2010-10 ANNÉE 2010
THÈSE
présentée devant
L’ÉCOLE CENTRALE DE LYON
pour obtenir
le titre de DOCTEUR
SPÉCIALITÉ ACOUSTIQUE
par
Alexios KORAKAS
APPROCHE NUMÉRIQUE ET EXPÉRIMENTALE
DE LA PROPAGATION SONORE EN ENVIRONNEMENTS
OCÉANIQUES TRIDIMENSIONNELS :
APPLICATION AUX PROBLÈMES INVERSES
Soutenue le 17 mai 2010 devant la Commission d’Examen
JURY
Président : M. J.-P. SESSAREGO
Examinateurs : M. Ph. ROUX (Rapporteur)
M. M. TAROUDAKIS (Rapporteur)
M. D. JUVÉ
M. D. FATTACCIOLI
M. Ph. BLANC-BENON (Directeur de thèse)
M. F. STURM (Co-directeur de thèse)
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, UMR CNRS 5509
École Centrale de Lyon - Université Claude Bernard Lyon 1 -
Institut National des Sciences Appliquées de LyonN d’ordre : 2010-10 ANNÉE 2010
THÈSE
présentée devant
L’ÉCOLE CENTRALE DE LYON
pour obtenir
le titre de DOCTEUR
SPÉCIALITÉ ACOUSTIQUE
par
Alexios KORAKAS
APPROCHE NUMÉRIQUE ET EXPÉRIMENTALE
DE LA PROPAGATION SONORE EN ENVIRONNEMENTS
OCÉANIQUES TRIDIMENSIONNELS :
APPLICATION AUX PROBLÈMES INVERSES
Soutenue le 17 mai 2010 devant la Commission d’Examen
JURY
Président : M. J.-P. SESSAREGO
Examinateurs : M. Ph. ROUX (Rapporteur)
M. M. TAROUDAKIS (Rapporteur)
M. D. JUVÉ
M. D. FATTACCIOLI
M. Ph. BLANC-BENON (Directeur de thèse)
M. F. STURM (Co-directeur de thèse)
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, UMR CNRS 5509
École Centrale de Lyon - Université Claude Bernard Lyon 1 -
Institut National des Sciences Appliquées de LyonÀ Éliane,
à Stratis.Remerciements
Les travaux effectués durant cette thèse ont été menés au sein du Centre Acoustique du Laboratoire de
Mécanique des Fluides et d’Acoustique (LMFA). Je tiens ainsi, tout d’abord, à remercier Michel Lance,
professeur à l’Université Claude Bernard Lyon 1 et directeur du LMFA, ainsi que Daniel Juvé, professeur
à l’Ecole Centrale de Lyon et responsable du Centre Acoustique, pour leur chaleureux accueil au sein de
leurs structures et pour avoir mis à disposition les moyens matériels qui m’ont permis de mener à bien
cette recherche. Le travail expérimental de cette thèse a été réalisé au sein du Laboratoire de Mécanique
et d’Acoustique (LMA) de Marseille avec Jean-Pierre Sessarego, directeur de recherche, que je remercie
également à ce titre.
Je remercie vivement Philippe Blanc-Benon, directeur de recherche au CNRS, et Frédéric Sturm, Maître
deConférencesàl’INSAdeLyon,pouravoiracceptéd’encadrercettethèse.Jelesremerciedem’avoirpermis
d’intégrer l’équipe de propagation sonore en milieux complexes du Centre Acoustique et d’avoir mis ainsi à
ma disposition leurs compétences dans le domaine. Particulièrement, j’ai grandement apprécié l’approche,
à la fois scientifique et pédagogique, de Frédéric Sturm, qui a profondément influencé ma réflexion tant sur
le fond que sur la forme de ce travail. Les nombreux échanges et débats se sont avérés essentiels quant aux
choix et orientations à prendre tout au long de cette thèse. L’étroitesse de notre collaboration a permis de
maintenir, au fil des mois, mon intérêt le plus vif. Ses qualités humaines combinées à sa grande disponibilité
ont été d’un soutien indispensable et décisif.
Je tiens à remercier Philippe Roux, directeur de recherche au LGIT (Grenoble), ainsi que Michael Ta-
roudakis, professeur à l’Université de Crète (Grèce), tous deux rapporteurs de cette thèse, pour la lecture
de ce mémoire et pour leurs remarques constructives et pertinentes. Les échanges que nous avons eu à cette
occasion ont été très enrichissants. Je renouvelle mes remerciements à Jean-Pierre Sessarego pour avoir ac-
cepté de présider le Jury de ma thèse. Merci aussi à Daniel Juvé (LMFA) et Dominique Fattaccioli (DGA
Techniques navales, Toulon) d’avoir accepter d’y participer en qualité d’examinateurs.
Je remercie également Ross Chapman, professeur à l’University of Victoria (Canada), qui m’a fourni des
données synthétiques issues de cas test reconnus et qui m’ont permis de valider les codes développés durant
ce travail.
Mes remerciements vont aussi à tous ceux qui ont favorisé, dans ce lieu de travail, un cadre convivial et
agréable. J’ai une pensée chaleureuse et amicale pour tous ceux avec qui j’ai passé des moments festifs et
agréables durant cette période. Un grand merci aussi à ma famille pour son soutien inconditionnel.
Je garde le mot de la fin pour Nora qui, face à l’épreuve humaine que la réalisation d’une thèse peut
parfois représenter,m’a épaulé avec désintéressement tout au long de cette période. Sa présence au quotidien
fut un précieux soutien. Je ne sais comment la remercier.
iRemerciements
ii