Imaging local changes in the multiple scattering regime
Imagerie de chargements locaux en régime de diffusion multiple
Résumé
In highly heterogeneous media, waves don't propagate ballistically. They can interact several times with the heterogeneities of the medium and enter the multiple scattering regime. In this regime, classical imaging techniques, based on direct or singly scattered waves fail. Multiply scattered waveforms (coda) are too complex for being exactly modeled but are perfectly reproducible and very sensitive to small variations of the medium. Recent works demonstrated the possibility of measuring small velocity variations with diffuse waves, either at the geophysical scale (seismic coda) or at the material scale (ultrasonic coda). These works are mainly focused in monitoring global or regional changes of the medium. The present thesis deals with the possibility of using coda waves to study local changes of the medium. Two complementary studies are developed: The forward problem addresses the modeling of the coda variations generated by a local change. We distinguish the case of a structural change (strong impedance contrast) from the case of a velocity change (small impedance contrast). The inverse problem consists in using the coda variations measurements to locate and characterize the changes that occurred. Potential applications may concern, among others, monitoring of geological structures and non-destructive testing of heterogeneous materials. This in mind, we illustrate the different studies with numerical simulations of acoustic and seismic waves and with ultrasound experiments in concrete blocks.
Dans les milieux fortement hétérogènes, les ondes ne se propagent pas de façon balistique. Elles peuvent interagir de nombreuses fois avec les hétérogénéités du milieu et entrer ainsi dans le régime de diffusion multiple. Dans ce régime, les méthodes classiques d'imagerie basées sur les trajets des ondes directes ou simplement diffusées sont inefficaces. Les formes d'ondes multiplement diffusées (coda) sont trop complexes pour être modélisées exactement mais elles sont parfaitement reproductibles et très sensibles aux variations du milieu de propagation. Des travaux récents ont démontré la possibilité de mesurer de faibles changements de vitesse d'un milieu grâce aux ondes diffuses, à l'échelle de la croûte terrestre (coda sismique) comme à l'échelle des matériaux (coda ultrasonore). Ces travaux s'intéressent majoritairement à des changements globaux ou régionaux des différents milieux. La problématique de cette thèse concerne la possibilité d'utiliser la coda pour étudier des changements locaux du milieu. Deux études complémentaires sont développées : Le problème direct consiste à modéliser les variations de la coda engendrées par un changement local. Nous distinguons le cas d'un changement local de structure (fort contraste d'impédance) du cas d'un changement local de vitesse (faible contraste d'impédance). Le problème inverse consiste à utiliser les mesures de variations de la coda pour tenter de localiser et de caractériser les changements survenus. Les applications potentielles de ces travaux concernent entre autres le suivi temporel de structures géologiques ainsi que le contrôle non destructif de matériaux hétérogènes. Avec cet objectif, les différentes méthodes développées sont illustrées par des simulations numériques d'ondes acoustiques et sismiques ainsi que par des expériences en ultrasons dans des éléments en béton.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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