Acoustical reconstruction, characterization and modeling of lightning stroke
Reconstruction, caractérisation et modélisation acoustiques des éclairs d'orages
Résumé
Thunder is the sound made by lightning. In addition to the audible content thunder also includes an important infrasound component (f < 20Hz). The origin of this component is still in debate. In the context of the European campaign HyMeX, thunder was recorded in the Cevennes through two sensors networks covering the frequency range [0.5–180.0] Hz). Electromagnetic measures were also obtained allowing to locate stroke impact location (EU- CLID operational network) and build 3D reconstruction of the storm cell (HyLMA research network). 27 flashes occurring less than 25 km from the station were selected. An original method allowing the separation, within the acoustical signal, of Cloud-to-Ground (CG) from Intra-Cloud (IC) parts of the discharge was developed. A total of 36 CG signals and associated spectra was obtained, along with IC signals and shows clearly that the main origin of infrasound is the CG. Moreover, a statistical study has shown a strong dependency of some acoustical parameters such as the acoustical energy and the distance to the lightning stroke. These new results cannot be explained by the two existing models. That is why a new one was developed. Many cases of simulated thunder have been carried out and have shown that the cylindrical and extended aspect of the lightning channel favors infrasound emission while the tortuous shape leads to a strong variability in the close field. Statistical analysis like the one lead on the experimental data was realized to compare the model to the field measures. Results show a good agreement between both. Finally, a link between source released energy and acoustic energy was shown.
Le tonnerre est le son produit par les éclairs. Bien qu’audible, il contient une importante composante infrasonore (f < 20Hz) dont l’origine est toujours en débat. Le tonnerre a été mesuré, dans le cadre de la campagne européenne HyMeX, pendant deux mois (septembre – octobre 2012), dans les Cévennes à partir de deux réseaux de capteurs couvrant la bande de fréquence [0.5–180] Hz. La participation à cette campagne a également permis d’obtenir des mesures électromagnétiques donnant la localisation au sol des décharges de foudre (réseau opérationnel EUCLID) et la reconstruction tridimensionnelle de la décharge orageuse (réseau de recherche HyLMA). De cette base de données, vingt-sept flashes ayant eu lieu à moins de 25 km de la station ont été sélectionnés. Une méthode acoustique originale, permettant la reconstruction et la séparation des différentes composantes d’un même flash a été développée, permettant d’isoler le contenu acoustique des arcs en retour et de montrer sans ambiguïté qu’ils émettent la majorité de l’énergie acoustique, en particulier les infrasons. Par ailleurs, une étude statistique a montré une forte dépendance de certains paramètres acoustiques, telle l’énergie acoustique, à la distance à l’éclair. Un nouveau modèle théorique a ensuite été développé et a montré que le caractère cylindrique de l’éclair favorise l’émanation des infrasons tandis que la tortuosité du canal de foudre apporte une très forte variabilité à champ proche. Les résultats statistiques sur la simulation montrent un très bon accord avec les mesures du terrain. Enfin, un lien entre l’énergie déposée à la source et l’énergie acoustique par longueur de l’éclair a été mis en évidence.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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