Inversion of surface perturbations by antenna processing in a ultrasonic waveguide

Inversion des perturbations de surface par traitement d'antenne en guide d'onde ultrasonore

Tobias van Baarsel (1)

1 ISTerre - Institut des Sciences de la Terre

In shallow waters, the fluctuations of the water surface greatly affects the performances of underwater acoustic arrays. The goal of this thesis is to use tomography to detect, localise and estimate a travelling surface wave on the surface of an ultrasonic waveguide.The frame of this work is a small scale experiment. Two emitting and receiving arrays facing each other at each end of the waveguide create a acoustic pressure field of central frequency f=1 MHz which is projected on the basis of the eigenbeams using double beamforming performed simultaneously on the emission and on the reception. Each one of these eigenbeams is defined by four observables : the acoustic travel-time, the amplitude of the signal and the emitting and receiving angles. The Sensitivity Kernel (SK) approach allows to link the acoustic observables with the local displacement of the surface.The Bayesian inversion of the SK allows to accurately monitor and estimate the propagation and decay of a wave caused by a point excitation of the surface of the waveguide. Different energies of excitations are used, generating gravity-capillary waves of heights ranging from 0.01 mm to 1 mm. Optical measurements validate the estimation of the water displacement height.

En eaux peu profondes, les fluctuations de la surface de l'eau dégradent fortement les performances des antennes acoustiques sous marines. L'objectif de cette thèse est la détection, localisation et estimation, par tomographie acoustique océanique, d'une vague se propageant à la surface d'un guide d'onde fluide ultrasonore.Ces travaux se placent dans un cadre expérimental à petite échelle. Un couple d'antennes émettrice et réceptrice disposées de part et d'autre du guide d'onde crée un champ de pression acoustique de fréquence centrale f=1 MHz qui est projeté sur la base des faisceaux propres par une double formation de voies effectuée simultanément à l'émission et à la réception.Chacun de ces faisceaux propres est caractérisé par quatres observables : le temps de propagation, l'amplitude du signal transmis et les angles d'émission et de réception. La méthode des Noyaux de Sensibilité (NS) permet de relier ces observables acoustiques au déplacement local de la surface.L'inversion Bayesienne des NS permet un suivi précis de la propagation et la décroissance d'une vague causée par une excitation ponctuelle de la surface du guide d'onde. Différentes énergies d'excitation sont utilisées, causant des vagues gravito-capillaires de hauteur allant de 0.01 mm à 1 mm. Des mesures optiques valident l'estimation de la hauteur du déplacement d'eau.

Mots clés: Waveguide; Hydrophone array; Sensitivity kernel; Surface fluctuations; Inversion

Mots clés: Réseau d'hydrophones; Guide d'onde; Fluctuations de la surface; Inversion; Noyau de sensibilité

Domaines: Acoustique [physics.class-ph]

Tobias van Baarsel. Inversion des perturbations de surface par traitement d'antenne en guide d'onde ultrasonore. Acoustique [physics.class-ph]. Université Grenoble Alpes, 2019. Français. ⟨NNT : 2019GREAU035⟩. ⟨tel-02493196⟩