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When wind blows at the surface of liquid of sufficiently high viscosity, a wave packet of small amplitude appears, rapidly becomes unstable and generates large-amplitude fluid bumps that propagate downstream. We call these non linear structures viscous solitons. They were first observed by Francis in experiments using oils (Francis, 1954), but not quantitatively characterized until now. In this PhD manuscript, I present a systematic study of their dynamics, using experiments performed in a wind tunnel over a liquid bath and visualizations using laser sheet profilometry (LSP).First, experiments were conducted over a liquid 1000 times more viscous than water for a single liquid depth. From the experimental data obtained by LSP, I was able to describe the life cycle of viscous solitons with a subcritical mechanism driven by the interfacial shear stress. Solitons are emitted in a region of large shear stress, but, once formed, they propagate in a region of lower stress and are sustained by the wind. Their propagation velocity is the result of a balance between the aerodynamic drag in the air and the viscous drag in the liquid. PIV measurements of the flow under solitons, complemented with numerical simulations of the Stokes equation, showed that the far field flow is essentially generated by a localized source of shear stress (Stokeslet).In a second series of experiments, the liquid viscosity is changed over a large range (from 20 times to 5000 times the viscosity of water). We find that, beyond a critical viscosity of the order of 200, the critical wind for the onset of the initial wave packet and its wavelength are independent of the liquid viscosity. This surprising result suggests that the Kelvin-Helmholtz instability describes the generation of wind waves at the surface of highly viscous liquids. The experimental value of the wavelength at onset is in good agreement with the generalized Kelvin-Helmholtz model proposed by Miles (Miles, 1959). Finally, two scenarios are proposed to explain the transition between a viscosity dependent mechanism at low viscosity and the Kelvin-Helmholtz instability at high viscosity.; Quand du vent souffle à la surface d’un liquide suffisamment visqueux, un train d’ondes initial de faible amplitude apparaît, se déstabilise et génère des bosses de fluide de grande amplitude qui se propagent à la surface du liquide de manière isolée. Nous appelons ces structures non linéaires des solitons visqueux. Bien que déjà observées par Francis (Francis, 1954) dans ses expériences à la surface d’huiles, celles-ci n’ont jamais été caractérisées expérimentalement. Pour observer ces déformations à l’interface liquide-air, nous utilisons un dispositif expérimental composé d’une soufflerie et d’un canal sur lequel j’ai mis en oeuvre une méthode de mesure par profilométrie par nappe laser (LSP). Dans un premier temps, les expériences ont été menées sur un liquide 1000 fois plus visqueux que l’eau et pour une seule profondeur de liquide. Grâce aux données expérimentales obtenues, j’ai pu décrire le cycle de vie des solitons par un mécanisme sous-critique dont le paramètre de contrôle est la contrainte interfaciale. Les structures sont générées dans une région où la contrainte est forte, mais une fois formées, elles se propagent là où la contrainte est inférieure et sont entretenues par le vent. Leur vitesse de propagation est le résultat d’un équilibre de force entre une trainée aérodynamique motrice dans l’air et une trainée visqueuse dans le liquide. Des visualisations de l’écoulement sous les solitons visqueux, ainsi que des simulations numériques de l’équation de Stokes, ont permis de montrer que l’écoulement en champ lointain est essentiellement celui produit par une source localisée de contrainte (Stokeslet).Ensuite, la viscosité du liquide a été variée sur une large gamme allant de 20 fois à 5000 fois la viscosité de l’eau. Il ressort de ces expériences que, au-delà d’une viscosité critique de l’ordre de 200, le seuil d’apparition du train d’ondes initial, et donc des solitons, ainsi que sa longueur d’onde sont indépendants de la viscosité du liquide considéré. Ce résultat surprenant suggère que l’instabilité de Kelvin-Helmholtz peut décrire la génération de vagues à la surface de liquide très visqueux. La valeur expérimentale de la longueur d’onde au seuil est, de plus, en bon accord avec l’approche généralisée du mécanisme proposée par Miles (Miles, 1959).

Metamaterials are materials designed by man with static or dynamic properties inaccessible to natural materials. Among them, phononic crystals consist of a periodic assembly of two or more materials, and are mainly used for the design of waveguiding and filtering devices. During the past decade, a new mechanism allowing waveguiding started to be used. It is based on topology, more precisely on the creation of an interface resulting from the juxtaposition of two crystals with chiral symmetry properties. While this mechanism has proven its effectiveness in a large number of applications, it has never been used in a highly dispersive medium, or for a crystal having a geometry not similar to that of graphene. The objective of this thesis is to design such topological phononic crystals. First, we designed a phononic crystal exhibiting topological behavior for surface water waves by using a geometry exhibiting the same topological behavior as for acoustic waves in air. This similarity is allowed by the form of the equations governing these two domains, which allows us to transpose topological behaviors from one physical domain to another. We then designed a topological phononic crystal that did not rely on the geometry of graphene, still for surface water waves. This geometry allows for the design of a three-way wave splitter device. While we have demonstrated the topological behavior of this crystal, we have not confirmed the possibility of splitting a wave in three directions. Using such a geometry, but for underwater acoustic waves, we highlighted the possibility of separating a wave in three directions. This observation paves the way for the design of new waveguiding circuits.; Les métamatériaux correspondent à l’ensemble des matériaux conçus par l’Homme présentant des propriétés, statiques ou dynamiques, inaccessibles aux matériaux naturels. Parmi eux, les cristaux phononiques consistent en un assemblage périodique de deux matériaux ou plus, et sont utilisés principalement pour la conception de dispositifs de filtrage et de guidage d’ondes. Au cours de la décennie 2010, un nouveau mécanisme permettant le guidage d’ondes a commencé à être utilisé. Il s’agit de la topologie, qui s’appuie sur la création d’une interface issue de la juxtaposition de deux cristaux présentant des propriétés de symétries chirales. Si ce mécanisme a prouvé son efficacité dans un grand nombre d’applications, il n’a en revanche jamais été utilisé dans un milieu fortement dispersif, ou pour un cristal présentant une géométrie n’étant pas similaire à la géométrie hexagonale du graphène. L’objectif de cette thèse est donc de concevoir de tels cristaux phononiques topologiques. Dans un premier temps, nous avons conçu un cristal phononique présentant un comportement topologique pour des ondes de surface sur l’eau en reprenant une géométrie présentant un comportement topologique pour des ondes acoustiques guidées dans l’air. Cette similarité est permise par la forme des équations régissant ces deux domaines, ce qui nous permet de transposer des comportements topologiques d’un domaine physique à un autre. Nous avons ensuite conçu un cristal phononique topologique ne reposant pas sur la géométrie du graphène, toujours pour des ondes de surface dans l’eau. Cette géométrie permet la conception d’un dispositif séparateur d’ondes à trois voies. Si nous avons mis en évidence le comportement topologique de ce cristal, nous n’avons pas confirmé la possibilité de séparer une onde dans trois directions. En reprenant cette géométrie, mais pour des ondes acoustiques dans l’eau, nous avons mis cette fois en évidence la possibilité de séparer une onde dans trois directions. Cette observation ouvre la voie à la conception de nouveaux circuits de guidage d’onde.

Imaging the structures in depth of the Pyrenees mountain range is a long-standing subject of study with the aim both of gaining a better understanding of the geodynamic processes responsible for its genesis, and also of enabling us to improve the prevention of seismic risks associated with the dynamics of these structures. The objective of this study is to use ambient seismic noise tomography to obtain 3D images of the Pyrenean region at two different scales. Firstly, at the crustal scale, in order to constrain the large structures in depth of the orogen and their continuities in space. Secondly, on the scale of a sedimentary basin characteristic of the complex geological history of the Pyrenees, the Mauléon-Arzacq basin located in the north-west of the chain.Here we will use the method of correlation of the ambient seismic noise (noted C1) which is an efficient way to retrieve the propagation times of surface waves between a pair of seismometers. This method is now widely used for seismic tomography and temporal monitoring of seismogenic structures. In this study, we further develop this noise correlation method and propose two innovative methodologies called high order correlations (C2 and C3), corresponding to iterations of noise correlations. These methods allow us to improve both the quality and the quantity of surface wave dispersion measurements between pairs of synchronous, but also asynchronous, i.e. not operating at the same time. By using these innovative methods, we have considerably improved the spatial coverage of the models in and around the Pyrenees.Subsequently, using a Bayesian probabilistic inversion scheme, we obtained two new high-resolution models of shear wave velocities, also including the probability densities of the layer boundaries (or seismic interfaces).At large scale, the Pyrenean crustal model shows a subduction of the Iberian plate under the Eurasian plate in the western part of the Pyrenees which disappears in the eastern part. The use of higher-order correlation has made it possible to extend it to the Bay of Biscay and has made it possible to image its structures for the first time in a Vs model of this scale. In particular, we have been able to image fast velocity anomalies that lie close to the surface at the levels of the Mauléon and Saint-Gaudens gravimetric anomalies. This result brings an additional element to answer one of the great latent questions of the Pyrenees, namely the source of these gravimetric anomalies. These results confirm the hypothesis that they are caused by the presence of scales of dense material close to the surface.On a smaller scale, the model of the Mauléon-Arzacq basin allowed to reveal in detail the deep structure of their substratum but also to image the clear limit formed by the North Pyrenean Frontal Overlap between these two basins., Imager les structures en profondeur de la chaîne des Pyrénées est un sujet d’étude de longue date ayant pour but à la fois de mieux connaître les processus géodynamiques responsable de sa genèse, mais aussi de nous permettre d’améliorer la prévention des risques sismiques associés à la dynamique de ces structures. L’objectif de cette étude est d’utiliser la tomographie de bruit sismique ambiant pour obtenir des images 3D de la région Pyrénéenne à deux échelles différentes. Premièrement, à l’échelle crustale, afin de contraindre les grandes structures en profondeur de l’orogène et leurs continuités dans l’espace. Deuxièmement, à l’échelle d’un bassin sédimentaire caractéristique de l’histoire géologique complexe des Pyrénées, le bassin de Mauléon-Arzacq situé au Nord-Ouest de la chaîne.Nous allons ici utiliser la méthode de corrélation du bruit sismique ambiant (notée C1) qui est un moyen efficace pour retrouver les temps de propagation des ondes de surface entre une paire de sismomètre. Cette méthode est maintenant largement utilisée pour la tomographie sismique et la surveillance temporelle de structures sismogènes. Dans cette étude, nous poussons plus loin cette méthode de corrélation de bruit et proposons deux méthodologies innovantes appelées corrélations d'ordre supérieur (C2 et C3), correspondant à des itérations de corrélations de bruit. Ces méthodes nous permettent d'améliorer à la fois la qualité et la quantité des mesures de dispersion des ondes de surface entre les paires de stations synchrones, mais aussi asynchrones, c’est-à-dire qui n’ont pas fonctionné en même temps. En utilisant ces méthodes innovantes, nous avons amélioré considérablement la couverture spatiale des modèles à l'intérieur et autour des Pyrénées.Par la suite, en utilisant un schéma d'inversion probabiliste bayésien, nous avons obtenu deux nouveaux modèles haute résolution de vitesse des ondes de cisaillement, incluant aussi les densités de probabilité des limites de couches (ou interfaces sismiques).À grande échelle, le modèle crustale Pyrénéen montre une subduction de la plaque ibérique sous la plaque eurasienne dans la partie Ouest des Pyrénées qui disparaît dans la partie Est. L’utilisation de corrélation d’ordre supérieur a permis de l’étendre au golfe de Gascogne et a permis d'imager ses structures pour la première fois dans un modèle Vs de cette échelle. En particulier, nous avons pu imager des anomalies de vitesses rapides qui se trouvent proche de la surface aux niveaux des anomalies gravimétriques de Mauléon et de Saint-Gaudens. Ce résultat apporte un élément supplémentaire pour répondre à l'une des grandes questions latentes des Pyrénées, à savoir la source de ces anomalies gravimétriques. Ces résultats confortent l'hypothèse qu’elles sont causées par la présence d'écailles de matériel dense proche de la surface.À plus petite échelle, le modèle du bassin de Mauléon-Arzacq a permis de révéler en détail la structure en profondeur de leur substratum mais aussi d'imager la limite nette que forme le Chevauchement Frontal Nord Pyrénéen entre ces deux bassins.

Seismic anisotropy is often used as a proxy for rock deformation. It arises from the preferred orientation of anisotropic minerals. For instance, olivine in mantellic peridotites align according to mantle flow. However, anisotropy in tomographic models can be the result of small scale heterogeneities unresolved by long period seismic waves. It is thus considered as artificial. Theories and methodological developments do not allow to distinguish the relative contributions of real and artificial anisotropy in seismic signals. In this thesis, we used simple models of the Earth’s mantle to analytically and numerically study the link between unresolved heterogeneities and the level of artificial radial anisotropy. We concluded that anisotropy is proportional to the square of heterogeneities and that 10% of velocity contrast can be responsible for 3% of anisotropy, which is non negligible compared to the observed anisotropy in tomography. A 3-D anisotropic model of Europe, focusing on the Alps and Apennines, was constructed from surface waves data. The dispersion measurements were made from noise correlation and allow to image the crust and uppermost mantle. The isotropic structure of the model shows particularly well the Adriatic plate subducting under the Apennines, as well as a slab break-off in the Southern part of the chain. The method used for the depth inversion takes into account the trade-off between layering and anisotropy. Our model is therefore the first 3-D model of radial anisotropy built at shallow depths in Europe. Our results suggest that the lower crust has a horizontal organization in the Apennines, probably related to the extensive regime observed in the area., L’anisotropie est souvent utilisée en sismologie comme proxy de la déformation des roches. Elle se développe lorsque des minéraux acquièrent une orientation préférentielle. C’est le cas de l’olivine des péridotites du manteau qui s’aligne selon la direction des flux de matière. Néanmoins, l’anisotropie observée en tomographie peut aussi provenir d’hétérogénéités chimiques non résolues par les ondes sismiques longues périodes : elle s’apparente alors à̀ de l’anisotropie artificielle. Les théories et développements méthodologiques actuels ne permettent pas de distinguer l’anisotropie réelle de l’anisotropie artificielle dans les signaux sismiques. Dans cette thèse nous avons utilisé des modèles simples de manteau terrestre pour étudier théoriquement et numériquement le lien entre le niveau d’hétérogénéités non résolues et l’anisotropie radiale artificielle. Nous en avons conclu que l’anisotropie est proportionnelle au carré des hétérogénéités et que 10% de contraste de vitesse sismique peut engendrer plus de 3% d’anisotropie, un niveau non négligeable au regard des observations tomographiques. Une tomographie 3-D anisotrope de l’Europe, centrée sur les Alpes et les Apennins, a également enté réalisée. Les données d’ondes de surface utilisées sont issues de corrélations de bruit sismique et permettent d’imager la croûte et le manteau supérieur. La structure isotrope de notre modelé illumine particulièrement bien la plaque adriatique en subduction sous les Apennins ainsi qu’une rupture de ce panneau située au sud de la chaîne. Par ailleurs, la méthode d’inversion en profondeur utilisée prend en compte le biais entre anisotropie et hétérogénéités. Nous présentons ainsi le premier modelé 3-D d’anisotropie radiale en Europe réalisé pour des profondeurs aussi faibles. Nos résultats suggèrent que la croûte inférieure est marquée par une structuration horizontale dans les Apennins, probablement en lien avec la déformation extensive actuelle observée dans la région.

Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics., Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique.

In this thesis, we consider the coupling between two ideal and homogeneous plasmas, giving rise to a tangential discontinuity across a time-dependent hypersurface. The motion of such a fluid is described by the ideal incompressible magnetohydrodynamics equations. This shear flow leads to the creation of a current-vortex sheet.The first part of this work is devoted to the construction of analytic solutions to the current-vortex sheet system, using a Cauchy-Kowalevskaya theorem.In a second part, we look at the qualitative behavior of exact solutions to the current-vortex sheet system, obtained from highly oscillating initial data. We use tools of geometric optics and we exhibit the creation of surface waves when the initial datum is oscillating with particular frequencies.; On considère dans cette thèse le couplage de deux plasmas homogènes et idéaux, présentant une discontinuité tangentielle le long d'une hypersurface évoluant au cours de temps. Le mouvement d'un tel fluide est dicté par les équations de la magnétohydrodynamique idéale incompressible. Le phénomène de cisaillement du plasma conduit à la création d'une nappe de tourbillon-courant.Un premier travail consiste à construire des solutions analytiques au système des nappes de tourbillon-courant, en utilisant un théorème de Cauchy-Kowalevskaya.Dans une seconde partie, on s'attarde sur le comportement qualitatif des solutions exactes du système des nappes de tourbillon-courant, issues de données initiales de faible amplitude et fortement oscillantes. Pour ce faire, on utilise des outils d'optique géométrique, et on met en évidence la formation d'ondes de surface lorsque les données initiales oscillent à des fréquences bien particulières.

The difficulty of dealing with complex geotechnical projects implies the necessity to determine adequately soil’s behaviour with strain’s increase. The information provided for these geotechnical studies mostly concerns soil’s in situ resistance and it is only punctual. In order to fully characterize soil’s behaviour with strains, this work exposes a detailed study of the shear modulus evolution with increasing strain by using surface waves methods, geotechnical laboratory tests such as soil mechanics tests and geotechnical in situ tests such as pressure meter test. More sophisticated tests such as resonant column test and cyclic triaxial test have been also used for this purpose. The experimental program described soil behaviour as being nonlinear. This observed behaviour permitted to propose an approach of characterizing the behaviour of soil incase if the needed information is only partial. This thesis manuscript presents a data synthesis of different types of in situ and laboratory tests which allowed describing soil shear modulus evolution for different ranges of deformation; Les projets géotechniques deviennent de plus en plus complexes et il s’avère alors nécessaire de caractériser de manière complète le comportement du sol dans les différentes plages de déformations sollicitées par le projet. Cependant les moyens mis en place lors de ces études sont souvent limités à quelques essais ponctuels lesquels ne donnent pour la plupart qu’une information liée à la résistance du terrain. Afin de caractériser de manière complète le comportement du sol avec la déformation, ce travail expose une étude détaillée de l’évolution du module de cisaillement avec la déformation en utilisant les méthodes d’ondes de surface, les essais géotechniques de laboratoire de mécanique des sols et les essais géotechniques in situ au pressiomètre. Des essais plus sophistiqués tels que l’essai à la colonne résonnante étau triaxial cyclique ont été aussi utilisés dans ce cadre. Le programme expérimental a permis de déterminer que le comportement du sol est non linéaire avec la déformation. Les observations réalisées ont permis de pouvoir proposer une démarche de caractérisation du comportement du sol en cas de disposition d’une information partielle. Ce mémoire de thèse présente une synthèse des données collectées par différents types d’essais in situ et en laboratoire qui ont permis de décrire l’évolution du module de cisaillement dans les différentes plages de déformations

The aim of the work presented in this dissertation is to develop an airborne ultrasonic system for the contactless measurement of vibrations on the human body surface. The vibration study of the skin surface opens several application fields. The visualization of the surface wave velocity on the skin from the propagation movie allows to characterize the superficial layer elasticity as well as its heterogeneities. From this analysis, objects hidden on or under the skin can be detected for a security purpose. A second application is the observation of the surface vibrations generated by the heartbeat, respiration and pulse wave.The implementation of a first single-channel device allowed the local measurement of vibrations about ten microns order. From this initial work, we developed a 2D airborne ultrasonic imager with high frame rate. It is composed by a 256 microphones square array and by 12 piezoelectric transducers. The main innovation of our approach is the specular surface imaging. Indeed, the skin roughness is negligible compared to the working wavelength, of the centimeter order to limit the air attenuation. To resolve this issue, the imaging process is carried out with an emission/reception beamforming using synthetic aperture and achieved by a sequential emission of spherical waves.After the system characterization, we imaged the surface wave propagation on a phantom mimicking the human body and the interference between this wave and a foreign object. A second version of the 2D imager, composed by 36 emitters, was applied to measure the deformation of the thorax during the heartbeat as well as the pulse wave propagation in the carotid artery.; L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement d'un système d'imagerie ultrasonore fonctionnant dans l'air pour la mesure sans contact des mouvements vibratoires en surface du corps humain. L'étude des vibrations en surface de la peau ouvre plusieurs champs d'application. L'observation de la vitesse d'une onde de surface sur la peau à partir du film de propagation permet de caractériser l'élasticité de la couche superficielle ainsi que ses hétérogénéités. A partir de cette analyse, il est possible de détecter des objets cachés sur ou sous la peau, dans un objectif de sécurité. Une seconde application est l'observation des vibrations de surface engendrées par le battement cardiaque, la respiration et l'onde de pouls. La réalisation d'un premier dispositif monovoie a permis la mesure locale de vibrations de l'ordre de la dizaine de microns. A partir de ces premiers travaux, nous avons construit un imageur ultrasonore 2D dans l'air à haute cadence d'imagerie. Il est constitué d'un réseau carré de 256 microphones et de 12 émetteurs. La principale nouveauté de notre approche repose sur l'imagerie d'une surface spéculaire. En effet, la rugosité de la peau est négligeable comparée aux longueurs d'onde de travail, de l'ordre du centimètre pour limiter l'atténuation dans l'air. Pour répondre à cette contrainte, l'imagerie est réalisée à partir de la formation de voies émission/réception par synthèse d'ouverture en utilisant une émission séquentielle d'ondes sphériques. Après caractérisation du système, nous avons imagé la propagation d'une onde de surface sur un fantôme mimant le corps humain et l'interférence de cette onde avec un objet étranger. Une seconde version de l'imageur 2D, constituée de 36 émetteurs, a permis la mesure de la déformation du thorax lors du battement cardiaque ainsi que la propagation de l'onde de pouls au niveau de la carotide.

The wave turbulence provides a statistical description of the interactions of a large set of weakly non-linear waves. Introduced in the 1960s by the works of Zakharov and Hasselmann, this theory often fails against experiments, particularly for gravity waves and at the crossover for capillary-gravity waves. The objective of this PhD is to study experimentally these two regimes by looking directly at the resonant interactions that are the heart of the weak turbulence theory. The first experiment focuses on the capillary-gravity regime. An energy cascade composed of weakly linear waves is observed in agreement with the phenomenology of the theory. The use of higher order statistical tools shows that it is essentially 3-waves collinear interaction that govern the cascade. The second experiment explores the pure gravity regime thanks to the large dimensions of the Coriolis platform. The full energy spectrum shows the systematic presence of the harmonic branch, although it remains small compared to the linear component. The correlations indicate the presence of strong 3-waves interactions between the linear branch and the harmonics branches. No 4-waves interaction as assumed by the theory is observed. The last section reports the results from an experiment on internal waves and from in situ data of the Black Sea made available by F. Ardhuin. These two experiments confirm the results of the previous section and raise the question of the importance of the 3-wave interaction with the harmonic branch for generating the energy cascade in the gravity wave regime…, La turbulence d’onde cherche à apporter une description statistique des interactions d’un ensemble d’ondes faiblement non-linéaires. Initiée dans les années 1960 par les travaux de Zakharov et de Hasselmann, cette théorie est régulièrement mise en défaut par les observations expérimentales, en particulier dans le régime d’ondes de gravité ainsi qu’aux abords de la transition gravito-capillaire. L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement ces deux régimes en analysant directement les interactions résonantes qui sont le cœur de la théorie de la turbulence faible. Une première expérience concerne le régime gravito-capillaire. Une cascade d’énergie constituée d’ondes faiblement linéaires est observée en accord avec la phénoménologie de la turbulence faible. L’utilisation d’outils statistiques d’ordre supérieur a permis de montrer que ce sont des interactions à 3-ondes essentiellement colinéaires qui gouvernent la cascade. La seconde expérience explore le régime gravitaire dans la plateforme de Coriolis. Le spectre de puissance montre la présence systématique d’une branche harmonique qui reste faible devant la composante linéaire. Les corrélations indiquent la présence d’interactions à 3-ondes entre la branche linéaire et la branche harmonique. Aucune interaction à 4-ondes comme le prévoit la théorie n’est observée. La dernière partie rapporte les résultats d’une expérience sur des ondes internes ainsi qu’une campagne de mesure in-situ de la mer Noire dont les données ont été mises à disposition par F. Ardhuin. Ces deux expériences confirment les résultats de la partie précédente et soulèvent la question de l’importance des interactions à 3-ondes avec la branche harmonique pour la génération de la cascade en régime de gravité…

The diagnosis of structures and the evaluation of their residual timelife is an important issue for civil engineering. The first concrete layer, the cover concrete, which protects the reinforcing steel from corrosion, is particularly subject to damage. Among the non-destructive testing methods, the study of mechanical waves has a high potential for determining the mechanical properties of the material. Determining the mechanical characteristics of the first centimeters of concrete is complex because the investigation depth is about the size of the heterogeneities (aggregates). The surface waves velocity dispersion has three origins: the multiple scattering, the wall effect and the variation of mechanical properties in the matrix. A methodology, combining an experimental and a numerical approach is proposed to describe the wave propagation through a medium whose mechanical properties vary with depth containing a free surface and circular inclusions and with a size comparable to wavelengths randomly distributed. Then a semi-analytical model taking into account the variation of the mechanical properties of the matrix, the multiple scattering as well as the wall effect is proposed and implemented in a global inversion algorithm. Finally, an experimental application to monitor the water content in concrete is presented. The numerical and experimental results open interesting perspectives on monitoring the mechanical properties of heterogeneous materials over time with surface waves., Le diagnostic des structures et l'évaluation de leur durée de vie est une problématique importante pour le génie civil. La première couche de béton, appelée béton d'enrobage, qui protège les armatures d'acier de la corrosion, est particulièrement soumise aux dégradations. Parmi les méthodes de contrôle non destructif, les ondes mécaniques ont un fort potentiel pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux. Or la détermination des caractéristiques mécaniques des premiers centimètres de béton est complexe car la profondeur d'investigation souhaitée est de l'ordre de grandeur des hétérogénéités (les granulats). La dispersion de la vitesse des ondes de surface a trois origines : la diffusion multiple, l'effet de paroi et la variation des propriétés mécaniques de la matrice. Une méthodologie, combinant une approche expérimentale et numérique, est proposée pour décrire la propagation des ondes de surface à travers un milieu dont les propriétés mécaniques varient en fonction de la profondeur contenant une surface libre et des inclusions circulaires et avec une taille comparable aux longueurs d'onde, distribuées aléatoirement. Puis un modèle semi-analytique prenant en compte la variation des propriétés mécaniques de la matrice, la diffusion multiple ainsi que l'effet de bord est proposé et implémenté dans un algorithme d'inversion global. Enfin, une application expérimentale sur le suivi de la teneur en eau dans le béton est présentée. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus ouvrent des perspectives intéressantes sur le suivi des propriétés mécaniques des matériaux très hétérogènes au cours du temps.

International audience; ABSTRACT. The use of reliable characterization methods for site characterization (determination of soil classes, VS30, velocity profiles ...) is a major issue in many cases: application of EC8, site characterization... The methods conventionally used in geotechnics (cross-hole, down-hole) are expensive and need the drilling of boreholes. Other methods, based on the analysis of the dispersion of surface waves are non-invasive, but their processing requires a certain level of expertise and their use has long been criticized. To compare and analyze the differences between these different approaches, three sites benefited from several "invasive" and "non-invasive" measurements, processed by various teams within an international benchmark in a blind context ("InterPacific" project). The variability between results obtained with invasive methods is larger than what we expected initially. Conversely, even if they cannot reach the same vertical resolution, non-invasive methods have produced results much less scattered than what we expected. In terms of V S 30 determination, the resulting standard deviations are equivalent between invasive and non-invasive methods, or even lower for non-invasive methods.; L'utilisation de méthodes de caractérisation fiables pour la caractérisation des sites (détermination des classes de sols, des V S 30, de profils de vitesse…) est un enjeu majeur dans de nombreux cas : application des EC8, caractérisation de sites… Les méthodes classiquement utilisées en géotechnique (cross-hole, down-hole) sont onéreuses et impliquent la réalisation de forage(s). D'autres méthodes, basées sur l'analyse de la dispersion des ondes de surfaces sont non-invasives, mais leur traitement demande un niveau certain d'expertise et leur emploi a longtemps été critiqué. Afin de comparer et d'analyser les écarts entre ces différentes approches, trois sites ont bénéficié de plusieurs mesures « invasives » et « non-invasives » traitées par plusieurs équipes internationales dans un contexte de benchmark en aveugle (projet « InterPacific »). La variabilité obtenue entre les résultats des méthodes invasives est plus grande que celle à laquelle nous nous attendions initialement. Inversement, et même si elles ne peuvent rivaliser en termes de résolution verticale, les méthodes non-invasives ont produit des résultats beaucoup moins dispersés que ce à quoi nous nous attentions. En termes de détermination du V S 30, les écarts-types obtenus sont équivalents entre méthodes invasives et non-invasives, voire inférieurs pour les méthodes non-invasives.

The prediction of ground motion generated by an earthquake is a major issue for the consideration of seismic risk. This is one of the objectives of SIGMA project in which I realized my thesis. It consists of two parts. The first focuses on the magnitude dependence of the ground motion parameters decay with distance. This is a concern both for the use of relation of attenuation (GMPEs) than methods based on the use of small events as empirical Green functions. We have shown that as the shorter distances (less than the length of the fault), the saturation effect due to the fault size is preponderant. For larger distances, it’s the eanelastic attenuation effect which becomes predominant. So we have shown that it can be tricky to mix data from different regions in GMPEs and we validated the use of empirical Green functions at every distance. In the second part are tested three different simulation methods in a complex context: a code combining finite fault source in k2 and EGFs, a point-source code with EGFs and a stochastic code. We chose to work on the Mw 5.9 earthquake (May 29, 2012) which occurs in a deep sedimentary basin (the Po plain), and which has generated seismograms often dominated by surface waves. We show that without a priori knowledge of the propagation medium, methods based on EGFs can reproduce surface waves, the values of PGA, PGV, and the durations of the signals generated., La prédiction des mouvements du sol générés par un séisme est un enjeu majeur pour la prise en compte du risque sismique. C’est l’un des objectifs du projet SIGMA dans le cadre duquel j’ai réalisé ma thèse. Celle-ci se compose de deux parties. La première se concentre sur la dépendance à la magnitude de la décroissance des paramètres des mouvements du sol avec la distance. Celle-ci est un sujet de préoccupation aussi bien pour l’utilisation des relations d’atténuation (GMPEs), que pour les méthodes basées sur l’utilisation de petits évènements en tant que fonctions de Green empiriques. Nous avons démontré qu’aux distances les plus faibles (inférieures à la longueur de la faille), l'effet de saturation dû aux dimensions de la faille est prépondérant. Aux distances plus importantes, l'effet de l’atténuation anélastique devient prépondérant. Nous avons donc montré qu’il pouvait être délicat de mélanger des données de différentes régions dans les GMPEs, et validé l’utilisation des fonctions de Green empiriques à toutes les distances. Dans la deuxième partie sont testées 3 différentes méthodes de simulations dans un contexte complexe : un code combinant une source étendue en k2 et des EGFs, un code point-source EGFs et un code stochastique. Nous avons choisi de travailler sur le séisme de magnitude Mw 5.9 (29 mai 2012) situé dans un bassin sédimentaire profond (la plaine du Po), et qui a engendré des sismogrammes souvent dominés par les ondes de surface. On y démontre que sans connaissance à priori du milieu de propagation, les méthodes basées sur des EGF permettent de reproduire les ondes de surface, les valeurs de PGA, de PGV, ainsi que les durées des signaux générés.

This work focuses on the application of the ambient seismic noise correlation technique for the imaging and monitoring of deep geothermal reservoirs near Rittershoffen (ECOGI) and Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). The strong spatial and temporal variability of the noise sources in the period range 0.2-7s limits the reconstruction of the Green’s functions. This results in significant errors in the velocity models. Two approaches are proposed to overcome the spatial non-uniformity of the noise and to improve the quality of the velocity models. Besides that, the temporal variability of the noise sources is a limiting factor for monitoring purposes. We estimate that the speed variations should be larger than 0.1% to 1% to be detected by the available networks. This threshold was not reached at Rittershoffen during the drillings or the stimulations. However, a probable change of the diffracting properties of the medium was observed following a hydraulic stimulation.; Cette thèse porte sur l’application de la technique de corrélation de bruit sismologique ambiant pour l'imagerie et le suivi des réservoirs géothermiques de Rittershoffen (ECOGI) et de Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). La forte variabilité spatio-temporelle des sources du bruit de fond sismologique dans la gamme de période 0.2-7s limite la reconstruction des fonctions de Green. Cela induit des erreurs dans la construction des modèles de vitesse. Deux approches sont proposées pour s’affranchir des effets de la non-uniformité spatiale du bruit. Par ailleurs, la variabilité temporelle des sources de bruit est un facteur limitant pour le suivi du réservoir. On estime que les perturbations de vitesse doivent être de l’ordre de 0.1% à 1% pour pouvoir être détectées par les réseaux disponibles. Ce seuil n’a pas été franchi lors de la construction du site Rittershoffen mais une modification probable des propriétés diffractantes du milieu a été observée à la suite d’une stimulation.

This work focuses on the application of the ambient seismic noise correlation technique for the imaging and monitoring of deep geothermal reservoirs near Rittershoffen (ECOGI) and Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). The strong spatial and temporal variability of the noise sources in the period range 0.2-7s limits the reconstruction of the Green’s functions. This results in significant errors in the velocity models. Two approaches are proposed to overcome the spatial non-uniformity of the noise and to improve the quality of the velocity models. Besides that, the temporal variability of the noise sources is a limiting factor for monitoring purposes. We estimate that the speed variations should be larger than 0.1% to 1% to be detected by the available networks. This threshold was not reached at Rittershoffen during the drillings or the stimulations. However, a probable change of the diffracting properties of the medium was observed following a hydraulic stimulation., Cette thèse porte sur l’application de la technique de corrélation de bruit sismologique ambiant pour l'imagerie et le suivi des réservoirs géothermiques de Rittershoffen (ECOGI) et de Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). La forte variabilité spatio-temporelle des sources du bruit de fond sismologique dans la gamme de période 0.2-7s limite la reconstruction des fonctions de Green. Cela induit des erreurs dans la construction des modèles de vitesse. Deux approches sont proposées pour s’affranchir des effets de la non-uniformité spatiale du bruit. Par ailleurs, la variabilité temporelle des sources de bruit est un facteur limitant pour le suivi du réservoir. On estime que les perturbations de vitesse doivent être de l’ordre de 0.1% à 1% pour pouvoir être détectées par les réseaux disponibles. Ce seuil n’a pas été franchi lors de la construction du site Rittershoffen mais une modification probable des propriétés diffractantes du milieu a été observée à la suite d’une stimulation.

Railways, most of them built for over one hundred years, are old structures. They require increasing maintenance, a major technical and economic challenge for the coming years. Until the opening of markets to competition, the implementation of new railroads was empirically controlled by SNCF. Because of the application of the European directive 91/440/10, the historical operator turns from a goal of means to a goal of results. This calls for non-destructive highly efficient auscultation methods to check the right compaction of the ballast. However, existing methods for obtain ballast compaction assessment during implementation stage are surface-limited and difficult to apply; they do not respond to the issue of the doubling of track maintenance. Thus the study of the propagation waves in the ballast is an alternative to these methods and may allow to answer these requirements. The ballast is a discontinuous medium, complex for the understanding of waves, as they propagate in a force link. Modelling ballast is especially difficult because of the large size of its components and because it should be treated as a discrete environment, not following the elastic mechanics of continuous media. Given the difficulty to model this discrete layer, it is necessary to undertake the problem with experimentation. The aim of this thesis is to focus on the use of the propagation of vibration waves in the railroad structure. This work is organized as follows : the first chapter details the structure of the railroad and the ballast as a granular material, and the existing assessment methods for railroad. The second chapter describes the different types of vibration waves that propagate, first, in an elastic homogeneous medium, second in the ballast, and presents the answer of ballast through the answer of the sleeper. The two previous chapters, derived from the state of the art, allow to define in chapter three the experiments implemented as part of this work on a full scale railroad structure : realization, instrumentation, results. This chapter especially endeavours to describe the waves celerity, their damping in ballast and the measured dispersion curves. Finally, the propagation of a vibration wave in the ballast is studied in chapter four and a numerical simulation, compares with a disctete model and a continuous model with experimental results, Les voies ferrées, construites pour la plupart depuis plus d'une centaine d'années, sont des ouvrages vieillissants. Elles nécessitent une maintenance et un entretien accrus, ce qui constitue un enjeu technique et économique majeur pour les années à venir. Jusqu'à l'ouverture des marchés à la concurrence, la mise en œuvre des voies nouvelles était vérifiée empiriquement par la SNCF. Du fait de la mise en œuvre de la directive européenne 91/440/10, l'exploitant historique se tourne d'un objectif de moyen vers un objectif de résultat. Cela nécessite donc de disposer de méthodes d'auscultation non destructives, permettant de vérifier que le compactage du ballast est correctement réalisé, avant de faire circuler le trafic voyageurs, en vue de garantir un niveau de sécurité élevé. Cette première approche pourrait être poursuivie pour assurer une auscultation à grand rendement. Cependant, les méthodes existantes permettant d'obtenir l'état de compactage du ballast à la mise en œuvre sont ponctuelles et difficiles à mettre en place; elles ne répondent pas à la problématique de doublement de la maintenance des voies des prochaines années. L'étude de la propagation d'ondes vibratoires dans le ballast est une alternative à ces méthodes qui peut permettre de répondre à ces contraintes. Le ballast est un milieu discontinu complexe pour la compréhension des ondes car elles se propagent dans un chaînon de force. Il présente une grande difficulté dans la modélisation du fait de la taille élevée des éléments et doit être traité comme un milieu discret ne répondant pas à une mécanique élastique de milieu continu. Étant donné la difficulté de modéliser cette couche discrète, il convient de traiter le problème par l'expérimentation. L'objectif de cette thèse est donc d'orienter la recherche vers l'utilisation de la propagation des ondes vibratoires dans la structure de la voie. Ce mémoire est organisé comme suit :- un premier chapitre détaille la structure de la voie ferrée et le matériau granulaire qu'est le ballast, ainsi que les méthodes de diagnostic des voies ferrées existantes.- le deuxième chapitre décrit les différents types d'ondes vibratoires se propageant dans un milieu élastique homogène, puis dans le ballast, et étudie la réponse du ballast à travers celle de la traverse ferroviaire.- Ces deux chapitres, issus de l'état de l'art, permettent de définir dans le chapitre trois les expérimentations réalisées dans le cadre de ce travail sur une structure ferroviaire en vraie grandeur : mise en œuvre, instrumentation, résultats. Ce chapitre s'attache particulièrement à décrire la vitesse des ondes et leur amortissement dans le ballast, les courbes de dispersion mesurées.- Enfin, la propagation d'une onde vibratoire dans le ballast est étudiée dans le chapitre quatre par le biais d'une simulation numérique, avec la comparaison de deux modélisations discrète et continue avec l'expérimentation

In this thesis, we applied the ambient noise correlation method in the very heterogeneous region of the Pyrenees and the surrounding areas (mountain belt and thick sedimentary basins). The dataset used is a combination of two temporary broadband arrays from France and Spain (PYROPE and IBERARRAY) and stations of the French and Catalan permanent broadband arrays. Seismic noise recorded over years by the 158 stations was used to calculate correlations in a period range of 5-55 s. Observed Rayleigh and Love wave group velocities between pairs of stations were used as input to a linearized inversion scheme, where we obtained for each period group velocities maps, with a lateral resolution of approximately 40 km. The comparison between the two type of waves demonstrates radial anisotropy at short periods, while little or no radial anisotropy is present at long periods. We developed a new strategy for the inversion of dispersion curves to shear wave velocity models and applied it to the Rayleigh waves group velocity. This approach is based on the combination of a full exploration of the model space and a linearized inversion. The obtained model, validated by the comparison of our results with the results of other methods, is the first complete 3-D crustal Vs model of the region. We in particular note : (1) Atypical S-waves profiles in the Eastern part of the Massif Central which indicate a thinned crust and low velocities in the uppermost mantle. (2) High-velocity anomalies at 25 km depth beneath the Labourd-Mauléon area and the on-land continuation of the Parentis basin. We suggest that they are the traces of the hyper-extension which might have preceded the collision phase which lead to the formation of the Pyrenees. The strong heterogeneity of our study region is also well-adapted to analyze the influence of the ray deviations on the reconstruction of the model. First results show that the reconstructed model, using great-circle paths, does not explain the ray deviations as observed by beamforming. Observed deviations therefore carry the potential of improving the model in a combined inversion scheme., Durant cette thèse, nous appliquons la méthode de la corrélation de bruit ambiant dans la région particulièrement hétérogène des Pyrénées et des ses alentours (socle rocheux affleurant et bassin sédimentaires épais). Le jeu de données utilisé est une combinaison de deux réseaux temporaires large-bande français et espagnol (PYROPE et IBERARRAY) et de stations des réseaux permanents large-bande français et catalan. Le bruit sismique, enregistré pendant un an par les 158 stations est utilisé pour calculer les corrélations dans la gamme de période 5-55 s. Les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh et de l'onde de Love entre paires de stations sont inversées de manière linéarisée et nous obtenons, pour chaque période, des cartes de vitesses de groupe avec une résolution latérale d'environ 40 km. La comparaison entre les deux types d'ondes montre qu'il existe une anisotropie radiale à courtes périodes, alors que peu ou pas d'anisotropie radiale n'est visible aux périodes plus longues. Nous avons développé une nouvelle stratégie d'inversion des courbes de dispersion en modèle de vitesse d'onde S que nous avons appliqué sur les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh. Cette approche d'inversion est basée sur une exploration complète de l'espace des modèles et une inversion linéarisée. Le modèle obtenu, validé par la comparaison avec des résultats provenant d'autres méthodes, est le premier modèle 3-D crustale en vitesse d'onde S de la région et il permet d'apporter des contraintes sur la géodynamique des Pyrénées et de ses alentours. Deux points importants sont soulevés : (1) Des profils de vitesses atypiques sous l'Est du Massif Central, avec une croûte amincie et des vitesses anormalement faibles dans le manteau supérieur. (2) Deux anomalies de vitesses rapides sous la zone du Labourd-Mauléon et dans le prolongement du bassin de Parentis. Ces anomalies, situées à 25 km de profondeur, sont interprétées comme les traces de l'hyper-extension qui aurait précédée la phase de collision amenant à la formation des Pyrénées. La forte hétérogénéité de la zone permet également de faire l'analyse de l'influence de la non prise en compte des déviations de rais lors de l'inversion. Les premiers résultats montrent que le modèle obtenu en utilisant la théorie des rais droits ne permet pas d'expliquer les déviations calculées par la méthode de formation de voie. Ces déviations observées peuvent donc apporter une amélioration du modèle en considérant l'utilisation d'une inversion combinée.

By means of the parametric excitation of water waves in a Hele-Shaw cell, we report the existence of two new types of highly localized, standing surface waves of large amplitude. They are respectively of odd and even symmetries. Both solitary waves oscillate subharmonically with the forcing frequency. They are highly nonlinear, and dier strongly from the other types of localized patterns. Moreover, to our knowledge, such a solitary waves of odd symmetry has never been reported hitherto. We report a new type of standing gravity waves of large amplitude, having alternatively the shape of a star and of a polygon. This wave is observed by means of a laboratory experiment by vibrating vertically a tank. The symmetry of the star (i.e. the number of branches) is independent of the container form and size, and can be changed according to the amplitude and frequency of the vibration. We show that this wave geometry results from nonlinear resonant couplings between three waves, although this possibility has been denied for pure gravity waves up to now.; Au moyen d'une expérience d'excitation paramétrique d'onde de surface, nous mettons en évidence l'existence de nouveaux types d'ondes solitaires et stationnaires à la surface de l'eau. Ces ondes de grande amplitude sont très non-linéaires et l'étude théorique réalisée ne permet pas de rendre compte de la forme des vagues mais permet de comprendre l'origine du phénomène d'hystérésis observé qui est nécessaire à la compréhension des phénomènes observés. En effet, l'existence de ces ondes (dans notre configuration expérimentale) est conditionnée par la présence d'un domaine de bistabilité dans le plan amplitude d'excitation - amplitude des vagues au coeur duquel nous avons montré qu'il était possible d'avoir coexistence de deux solutions, une d'amplitude nulle et une d'amplitude non nulle. Ces expériences en géométrie Hele-Shaw ont aussi permis de mettre en évidence des ondes enveloppes qui ne sont encore décrit par aucun modèle existant. Il s'agit à notre connaissance de la première onde enveloppe stationnaire observé à la surface de l'eau. Nous mettons aussi en évidence des ondes de gravité de très grande amplitude, qui sont formées alternativement d'étoiles et de polygones. Nous montrons que la symétrie du motif (nombre de branche de l'étoile) est indépendante de la taille et de la forme du récipient vibré. Nous montrons qu'un mécanisme de couplage non-linéaire résonant à trois ondes peut expliquer cette géométrie, bien que cette possibilité fut rejetée pour des ondes purement gravitaire.

By means of the parametric excitation of water waves in a Hele-Shaw cell, we report the existence of two new types of highly localized, standing surface waves of large amplitude. They are respectively of odd and even symmetries. Both solitary waves oscillate subharmonically with the forcing frequency. They are highly nonlinear, and dier strongly from the other types of localized patterns. Moreover, to our knowledge, such a solitary waves of odd symmetry has never been reported hitherto. We report a new type of standing gravity waves of large amplitude, having alternatively the shape of a star and of a polygon. This wave is observed by means of a laboratory experiment by vibrating vertically a tank. The symmetry of the star (i.e. the number of branches) is independent of the container form and size, and can be changed according to the amplitude and frequency of the vibration. We show that this wave geometry results from nonlinear resonant couplings between three waves, although this possibility has been denied for pure gravity waves up to now.; Au moyen d'une expérience d'excitation paramétrique d'onde de surface, nous mettons en évidence l'existence de nouveaux types d'ondes solitaires et stationnaires à la surface de l'eau. Ces ondes de grande amplitude sont très non-linéaires et l'étude théorique réalisée ne permet pas de rendre compte de la forme des vagues mais permet de comprendre l'origine du phénomène d'hystérésis observé qui est nécessaire à la compréhension des phénomènes observés. En effet, l'existence de ces ondes (dans notre configuration expérimentale) est conditionnée par la présence d'un domaine de bistabilité dans le plan amplitude d'excitation - amplitude des vagues au coeur duquel nous avons montré qu'il était possible d'avoir coexistence de deux solutions, une d'amplitude nulle et une d'amplitude non nulle. Ces expériences en géométrie Hele-Shaw ont aussi permis de mettre en évidence des ondes enveloppes qui ne sont encore décrit par aucun modèle existant. Il s'agit à notre connaissance de la première onde enveloppe stationnaire observé à la surface de l'eau. Nous mettons aussi en évidence des ondes de gravité de très grande amplitude, qui sont formées alternativement d'étoiles et de polygones. Nous montrons que la symétrie du motif (nombre de branche de l'étoile) est indépendante de la taille et de la forme du récipient vibré. Nous montrons qu'un mécanisme de couplage non-linéaire résonant à trois ondes peut expliquer cette géométrie, bien que cette possibilité fut rejetée pour des ondes purement gravitaire.

Surface waves provide essential informations for the knowledge of the upper mantle global structure despite their low lateral resolution. This study, based on surface waves data, presents the development of a new anisotropic tomographic model of the upper mantle, a simplified isotropic model and the consequences of these results for the Lithosphere/Asthenosphere Boundary (LAB).As a first step, a large number of data is collected, these data are merged and regionalized in order to derive maps of phase and group velocity for the fundamental mode of Rayleigh and Love waves and their azimuthal dependence (maps of phase velocity are also obtained for the first six overtones). As a second step, a crustal a posteriori model is developped from the Monte-Carlo inversion of the shorter periods of the dataset, in order to take into account the effect of the shallow layers on the upper mantle. With the crustal model, a first Monte-Carlo inversion for the upper mantle structure is realized in a simplified isotropic parametrization to highlight the influence of the LAB properties ont the surface waves data. Still using the crustal model, a first order perturbation theory inversion is performed in a fully anisotropic parametrization to build a 3-D tomographic model of the upper mantle (an extended model until the transition zone is also obtained by using the overtones data).Estimates of the LAB depth are realized from the upper mantle models and compared with the predictions of oceanic lithosphere cooling models. Seismic events are simulated using the Spectral Element Method in order to validate the ability of the anisotropic tomographic model of the upper mantle to re- produce observed seismograms.; Les ondes de surface apportent, malgré leur faible résolution latérale, une contrainte indispensable pour la connaissance de la structure globale du manteau supérieur. Cette étude, basée sur des données d’ondes de surface, présente la construction d’un nouveau modèle tomographique anisotrope du manteau supérieur d’une part, d’un modèle isotrope simplifié d’autre part et les implications de ces résultats pour la limite Lithosphère/Asthénosphère (LAB).Dans un premier temps, un nombre très important de données est collecté, elles sont assemblées et régionalisées pour dériver des cartes de vitesse de phase et de groupe pour le mode fondamental des ondes de Rayleigh et de Love ainsi que leur dépendance azimutale (des cartes de vitesses de phase sont aussi obtenues pour les six premiers modes harmoniques). Dans un second temps, un modèle de croûte a posteriori est élaboré à partir de l’inversion Monte-Carlo des périodes les plus courtes des données, afin de prendre en compte l’effet des parties superficielles sur le manteau supérieur. À partir de ce modèle de croûte, une première inversion Monte-Carlo de la structure du manteau supérieur est réalisée dans une paramétrisation isotrope simplifiée, pour mettre en évidence l’influence des propriétés de la LAB sur les ondes de surface. Toujours à partir du modèle de croûte, une inversion par théorie des perturbations au premier ordre est conduite dans une paramétrisation complètement anisotrope pour construire un modèle tomographique 3-D du manteau supérieur (un modèle étendu à la zone de transition est également obtenu via l’utilisation des modes harmoniques).Des estimations de la profondeur de la LAB sont effectuées à partir des modèles du manteau supérieur et comparées aux prédictions des modèles de refroidissement de la lithosphère océanique. Des simulations d’événements sismiques sont réalisées à l’aide de la méthode des éléments spectraux, pour valider la capacité du modèle tomographique anisotrope du manteau supérieur à reproduire des sismogrammes observés.

Seismic exploration is a continuous innovation domain since more than one century. A significant part of the studies consists in separating the various waves propagating in the medium, especially surface waves. In the near-surface, surface waves are useful for tomography. Near-surface imaging becomes possible if they are well modelised. When exploration is dedicated to depth – meaning more than 95% of the seismic exploration business – the surface waves mainly hide body waves, which contains the informations related to the depth. Body and surface wave separation then becomes a fundamental task. In these situations, the surface waves can nevertheless be used to better know the near surface. It allows computing parameters usable to better the depth imaging. Research knew recent developments in this domain due to the recent impulsion given by the passive seismic imaging from ambient noise and the study of new acquisition designs with high spatial density. In parallel, the oil fields study for better exploitation is growing as a new industrial development axis. 4D (i.e. 3 spatial dilensions + time) imaging mastering becomes a key research activity, in which sub-surface parameters are estimated and monitored. This PhD thesis comes from the following remarks: - Despite rich works, surface waves are still an important research issue in seismic exploration. - Laboratory scale experiments know relatively few investigations, especially for high density acquisition design. The first step has been dedicated to the set up and the validation of a complete acquisition environment in the laboratory, adapted to surface wave study and high spatial density. Using Agar-agar phantoms, a mix of S body waves and Rayleigh surface waves comparable to the on-field P body waves and Rayleigh wave mix has been highlighted. Then, using array processing, wave separation has benne successfully demonstrated. After waves separation, it becomes possible to follow their arrival time variation in presence of surface and/or depth variation in the medium, as in reservoir monitoring conditions. A complete 4D study has been performed, allowing not only the arrival time monitoring but also amplitude and arrival and launch directions. A method has been proposed to compensate the near-surface spurious variations. An adaptation of the method on a field data set is then performed. Generally, velocity profiles on the field show weak velocities in the sub-surface. As a consequence, the various waves coming from the depth have weak and comparable incidences angles. Classical separation method using array processing are usually insufficient to work with such incidence angles set. For this reason, a complete part of this work has been dedicated to the study of high resolution algorithms in the frame of seismic exploration and their adaptation. At the end, taking advantage of the high spatial density allowed by the laboratory environment, a comparative study of two designs – the first one theoretically ideal but somewhat unrealistic and the second one more viable economically but less efficient – has been performed to address the scattered waves filtering issue. For the second design, a new filtering method has been proposed to enhance the scattered waves filtering., La sismique pétrolière est un domaine d'innovation continue depuis plus d'un siècle. Une part non négligeable des études concerne la séparation des différentes ondes se propageant dans le milieu exploré, en particulier les ondes de surface. A petite profondeur, les ondes de surfaces servent à la tomographie. Bien les connaître et les modéliser permet d'imager la proche surface. Quand la prospection est tournée vers les grandes profondeurs – soit 95% de l'industrie géophysique - ces ondes masquent les ondes de volume qui contiennent les informations sur les couches profondes. Il est donc fondamental de pouvoir s'en affranchir et l'étape de séparation est des plus importantes. Les ondes de surface peuvent cependant être utilisées pour une meilleure connaissance de la proche surface, ce qui permet d'en déduire après coup des paramètres utilisables pour améliorer l'imagerie en profondeur. La recherche s'est renouvelée dans ce domaine du fait de l'impulsion récente donnée par l'imagerie sismique passive à partir du bruit sismique ambiant ou la mise en place de nouvelles géométries d'acquisition. En parallèle, l'étude des champs pétroliers existants pour une meilleure exploitation tend à se développer dans l'industrie. La maîtrise de l'imagerie 4D (3 dimensions d'espace + le temps, appliqués à la surveillance de réservoir) devient dès lors une activité clé pour la recherche dans laquelle les variations des paramètres du sous-sol sont estimées. Le travail de thèse réalisé est issu des constatations suivantes : - En dépit de travaux très riches, les ondes de surface représentent encore un sujet d'investigation important en exploration géophysique. - Les expérimentations à l'échelle du laboratoire restent relativement peu usitées en géophysiques, en particuliers pour des études impliquant un grand nombre de points de mesure. La première partie de la thèse a permis de valider un environnement de laboratoire adapté à l'étude des ondes de surfaces, en particulier la mise en évidence d'un mélange « ondes de surface – ondes de volume » analogue à celui rencontré lors d' acquisitions terrestres. Ceci a pu être réalisé grâce à des gels d'Agar-agar de forte densité et la mise en place d'une chaine d'acquisition automatisée impliquant des réseaux de sources et de récepteurs denses. Une deuxième partie a permis de séparer les ondes de surface et les ondes de volume à l'aide de traitement d'antennes. Après séparation des ondes, il devient possible de suivre leurs variations de temps d'arrivées en présence de modification du milieu en surface et/ou en profondeur comme dans le cas d'une surveillance de réservoir en sismique pétrolière (4D). Une étude 4D complète a donc été réalisée, permettant de suivre non seulement les variations de temps d'arrivées mais également d'amplitude et de directions de départ et d'arrivées des ondes. Une méthode pour compenser les variations de vitesses parasites de la proche surface à été développée. Cette étude a été complétée par une étude issue de données terrains. Les profils de vitesse rencontrés sur le terrain font état de vitesses relativement faibles en surface. La conséquence en est que les différentes ondes de volume issues de la profondeur arrivent avec des angles d'incidences faibles et voisins les uns des autres. Les méthodes classiques de séparation d'ondes étant souvent inefficaces à ces angles, un chapitre a été consacré à l'étude des algorithmes de haute résolution dans le cadre de l'exploration sismique. Enfin, en tirant partie de la haute densité spatiale de points d'acquisitions rendue possible par l'environnement mise en place, une étude comparée de deux dispositifs - l'un théoriquement idéal mais peu réaliste et l'autre économiquement viable sur le terrain mais moins efficace - a permis de s'attaquer au problème des ondes réfléchies sur des diffractants en surface qui perturbent beaucoup les acquisitions actuelles. Une nouvelle solution de filtrage a été proposée pour le deuxième cas.

The present work deals with the motion of a Taylor bubble rising through vertical oscillating pipes. The aim is to perform a more detailed and experimental quantitative study of this unsteady flow, still seldom addressed in the literature. The investigation is restricted to high Reynolds numbers to understand inertia effects. Experimental results are provided for two different configurations : 1) pipes with two different inner diameters (9.8 mm and 20 mm) filled with water, 2) the thinner pipe (D=9.8 mm) filled with four low viscous fluids. So the Bond number Bo, based on the steady rise velocity varies from 13 to 57, where the effects of surface tension can be considered. The bubble trajectory is tracked by using a high-speed video camera. The average terminal and fluctuating velocity, as well as the phase shift with the oscillating plate are obtained by using image processing. The main results show that for weak acceleration, the mean velocity decreases with the relative acceleration as the fluctuating velocity increases in proportion to this acceleration. Beyond a critical relative acceleration, the average velocity increases and the fluctuating velocity increase seems to slow down. This behavior change seems to be related to the interface deformation (modified curvature, surface waves) which becomes significant in high accelerations. Additionally, comparisons are made with the numerical results obtained by neglecting the capillary effects. Correlations allowing the prediction of mean and fluctuating velocities depending on the Bond number and relative acceleration are proposed and compared with our experimental results. The time evolution of the radii of curvature in the vicinity of the bubble nose is also studied for different relative accelerations and the results are compared with the stagnant case. In high accelerations, the formation and propagation of surface waves which may influence the bubble dynamics are quantified; Cette étude porte sur la dynamique instationnaire d'une bulle de Taylor dans un tube vertical en repère oscillant. L'objectif est de réaliser une étude expérimentale quantitative plus détaillée de cet écoulement instationnaire, très peu abordé dans la littérature. Les résultats expérimentaux sont obtenus pour des grands nombres de Reynolds pour comprendre les effets d'inertie. Deux configurations différentes sont étudiées : 1) tubes avec deux diamètres internes différents (9,8 mm et 20 mm) remplis d'eau, 2) le tube de diamètre D=9,8 mm rempli de quatre fluides peu visqueux. Le nombre de Bond Bo, basé sur la vitesse ascendante en cas stagnant, varie alors entre 13 et 57, où les effets de la tension superficielle peuvent être pris en compte. La bulle est suivie à l'aide d'une caméra rapide. les vitesses moyenne et fluctuante et le déphasage avec le plateau oscillant sont obtenus par traitement d'images et traitement numérique des données. Les résultats principaux montrent que pour les faibles accélérations la vitesse moyenne diminue et la vitesse fluctuante augmente lorsque l'accélération relative augmente. Au delà d'une accélération critique, la vitesse moyenne augmente et l'augmentation de la vitesse fluctuante semble ralentir. Ce changement de comportement semble être lié à la déformation de l'interface (courbure modifiée, ondes de surface) qui devient significative aux accélérations élevées. De plus, les comparaisons avec les résultats numériques obtenus en négligeant les effets capillaires sont effectuées. Des corrélations permettant de calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont proposées. L'évolution temporelle de rayon de courbure au voisinage du nez de la poche est également étudiée pour les différentes accélérations et les résultats sont comparés avec le cas stagnant. Pour les accélérations élevées, la formation et la propagation des ondes oscillantes qui affectent la dynamique de l'écoulement sont quantifiées

Full Wave Inversion (FWI) is a multiparameter quantitative method of seismic imaging that is currently booming. Taking into account all propagation phenomena recorded, especially the surface waves, makes it a promising technique for near surface applications on geotechnical and environmental issues. However, adapting a seismic method validated on synthetic data to the context of near surface or on deep imaging applications remains a difficult task. What we are proposing here is a reduced scale physical modelling approach using a laboratory of non contact laser-ultrasonic measurement, which will have been set up as part of this thesis. The various elements of the laboratory were validated for reduced scale seismic modelling, and particular attention has been paid to the simulation of the source. The acquired data has been validated by comparison with data obtained by numerical modelling using algorithmes provided by Géoazur within the context of the ANR SEISCOPE project. In a second step, we evaluated the potential of the use of FWI for near surface applications by using a joint approach of numerical modelling and experimental modelling. By this dual approach, we have thus shown that FWI allows to obtain information on the morphology of underground cavities by taking into account surface waves. Furthermore, on the various multilayer models we studied, the FWI was able to exploit the information on the most superficial areas supplied by dispersive surface waves.; L'inversion des formes d'ondes (FWI) est une méthode d'imagerie sismique quantitative multiparamètre actuellement en plein essor. La prise en compte de l'ensemble des phénomènes de propagation enregistrés, en particulier des ondes de surface, en font une technique prometteuse pour des applications de la subsurface sur des problématiques géotechniques ou environnementales. Cependant, l'adaptation au contexte de la subsurface d'une méthode sismique validée numériquement ou sur des applications d'imagerie profonde est une tâche difficile. Nous proposons ici une approche par modélisation physique à échelle réduite à l'aide d'un laboratoire de Mesures laser-Ultrasonore Sans Contact (MUSC) mis en place dans le cadre de cette thèse. Les différents éléments du laboratoire ont été caractérisés pour la modélisation sismique à échelle réduite et une attention particulière a été portée à la simulation de la source. Les données acquises ont été validées par confrontation avec des données obtenues par modélisation numérique à l'aide des codes fournis par Géoazur dans le cadre du projet ANR SEISCOPE. Dans un deuxième temps, le potentiel de la FWI pour des applications de la subsurface a été évalué par l'approche conjointe de la modélisation numérique et de la modélisation expérimentale. Nous avons ainsi pu montrer par cette double approche que la FWI permet d'obtenir une information sur la morphologie de cavités souterraines grâce à la prise en compte des ondes de surface. Par ailleurs, sur les différents modèles multicouches étudiés, l'information sur les zones les plus superficielles fournie par les ondes de surface dispersives a pu être exploitée par la FWI.

Shear wave velocity (Vs) is an elastic parameter characterizing the stiffness of super- ficial formations. It is important both in applied seismology, for site effect or liquefaction estimation, and in civil engineering, for landslide investigation. This PhD work deals with the different seismic techniques available for deriving Vs values from ten to hundred meters depth. It aims at evaluating the capabilities of the different methods and defining a site characterization strategy adapted to their complexity. The first part of the work is devoted to the assessment of the surface wave inversion reliability for horizontally stratified medium. In collaboration with other European laboratories, active and passive seismic methods were applied at 20 European strong motion sites for which Vs profiles are known from borehole investigations. Comparison of results show that Vs profiles derived from surface (active and passive) seismics are similar for soft sites (Vs30 < 600 m/s) to those derived from borehole methods but present lower velocities for stiffer sites. Moreover, the information contained in dispersion curves appeared to be sufficient for EC8 site characterization. On the basis of the measured Vs profiles, a theoretical study on Rayleigh wave fundamental mode inversion was undertaken for sites with a strong contrast. A two step inversion procedure allowing bedrock depth estimation during the inversion process was defined on synthetic cases and successfully applied to horizontally layered real sites. More complex geometries are addressed in the second part. The inversion of dispersion curves obtained from active (synthetics and real data) and passive (synthetics) seismics over a dipping interface resulted in Vs profiles with a velocity gradient and misestimated bedrock depth and/or velocity. A procedure for detecting 2D/3D sites was defined from data of the 20 strong motion sites and of the Avignonet landlside (Isere, France). Based on active (seismogram, lateral spectrogram, dispersion curve comparison) and passive (shape of the H/V ratio, lateral variation of the H/V frequency peak) seismics, this procedure aims at adapting the choice of imaging technique during site characterization. In the third part, the ambient noise cross-correlation technique is applied to the Avignonet landslide. Thirteen seismological stations were settled on site during two weeks, and a tomographic inversion of arrival times measured with cross-correlation resulted in Rayleigh wave group velocity frequency maps. Their inversion allowed 3D Vs imaging of the landslide, down to 100 m depth. Finally, the evolution with time of ambient noise cross-correlations computed between two permanent stations on the landslide suggests a slight decrease in velocity over the three years of recordings. These results enlighten the usefulness of cross-correlation techniques for 3D investigation of smooth heterogeneous sites and for landslide monitoring., La vitesse des ondes de cisaillement (Vs) est un parametre elastique permettant de caracteriser la compacite des formations superficielles. Il joue un role essentiel aussi bien en sismologie appliquee, dans l'estimation des effets de site ou du potentiel de liquefaction des sols, qu'en geotechnique pour la reconnaissance des glissements de terrain. Ce travail de these s'interesse aux differentes techniques sismiques permettant d'obtenir les valeurs de Vs a l'echelle de la dizaine a la centaine de metres de profondeur. Il vise a evaluer les capacites de ces methodes et a definir une strategie de reconnaissance des sites en fonction de leur complexite. La premiere partie du travail est consacree a l'evaluation de la fiabilite de l'inversion des ondes de surface pour des milieux stratifies horizontalement. En collaboration avec d'autres laboratoires europeens, les methodes de sismique active et passive ont ete appliquees sur 20 sites accelerometriques europeens pour lesquels des profils verticaux de Vs etaient disponibles a partir d'essais en forage. La comparaison des resultats montre que les profils de Vs obtenus par les techniques sismiques de surface sont comparables a ceux deduits des methodes en forage pour les sites mous (Vs30 < 600 m/s) mais fournissent des vitesses plus faibles pour les sites compacts. De plus, l'information fournie par les courbes de dispersion obtenues est apparue suffisante pour la caracterisation des sites selon la classification EC8. Sur la base des profils Vs mesures, une etude theorique sur l'inversion de la courbe de dispersion du mode fondamental de Rayleigh a ete realisee pour des sites presentant un contraste marque entre socle et sediments. Une strategie d'inversion en deux etapes, permettant de contraindre la profondeur du substratum durant l'inversion, a ete definie sur des cas synthetiques et a ete appliquee avec succes sur des cas reels stratifies horizontalement. Le cas de sites de geometrie plus complexe est aborde dans la deuxieme partie. L'inversion des courbes de dispersion obtenues par sismique active (donnees synthetiques et reelles) et passive (donnees synthetiques) au-dessus d'une interface en pente a fourni des profils de vitesse presentant un gradient de vitesse et une mauvaise estimation des vitesse et/ou profondeur du demi-espace. Une procedure a ete definie afin de detecter les sites 2D/3D, a partir des donnees des 20 sites accelerometriques europeens et des donnees du glissement de terrain d'Avignonet (Isere, France). Cette procedure, basee sur les observables de la sismique active (sismogrammes, spectrogramme spatial, comparaison de courbes de dispersion) et de la sismique passive (forme du rapport H/V, variations laterales de la frequence du pic H/V), vise a adapter le choix des techniques d'imagerie lors de la caracterisation de site. Dans la troisieme partie, la technique d'inter-correlation du bruit ambiant est appliquee au glissement de terrain d'Avignonet. Treize stations sismologiques ont ete deployees durant deux semaines sur le site et une inversion tomographique des temps d'arrivees mesures par inter-correlation a fourni des cartes frequentielles de vitesse de groupe des ondes de Rayleigh. L'inversion de ces donnees a permis d'obtenir une image 3D en Vs du glissement de terrain jusqu'a 100 m de profondeur. Enfin, l'evolution avec le temps des correlations calculees entre 2 stations permanentes sur le glissement suggere une legere diminution de la vitesse sismique au cours des trois ans d'enregistrement. Ces resultats montrent l'interet des techniques d'inter-correlation du bruit ambiant pour la reconnaissance tridimensionnelle de milieux heterogenes et le suivi temporel de l'activite des glissements de terrain.

The present work deals with the motion of a Taylor bubble rising through vertical oscillating pipes. The aim is to perform a more detailed and experimental quantitative study of this unsteady flow, still seldom addressed in the literature. The investigation is restricted to high Reynolds numbers to understand inertia effects. Experimental results are provided for two different configurations : 1) pipes with two different inner diameters (9.8 mm and 20 mm) filled with water, 2) the thinner pipe (D=9.8 mm) filled with four low viscous fluids. So the Bond number Bo, based on the steady rise velocity varies from 13 to 57, where the effects of surface tension can be considered. The bubble trajectory is tracked by using a high-speed video camera. The average terminal and fluctuating velocity, as well as the phase shift with the oscillating plate are obtained by using image processing. The main results show that for weak acceleration, the mean velocity decreases with the relative acceleration as the fluctuating velocity increases in proportion to this acceleration. Beyond a critical relative acceleration, the average velocity increases and the fluctuating velocity increase seems to slow down. This behavior change seems to be related to the interface deformation (modified curvature, surface waves) which becomes significant in high accelerations. Additionally, comparisons are made with the numerical results obtained by neglecting the capillary effects. Correlations allowing the prediction of mean and fluctuating velocities depending on the Bond number and relative acceleration are proposed and compared with our experimental results. The time evolution of the radii of curvature in the vicinity of the bubble nose is also studied for different relative accelerations and the results are compared with the stagnant case. In high accelerations, the formation and propagation of surface waves which may influence the bubble dynamics are quantified, Cette étude porte sur la dynamique instationnaire d'une bulle de Taylor dans un tube vertical en repère oscillant. L'objectif est de réaliser une étude expérimentale quantitative plus détaillée de cet écoulement instationnaire, très peu abordé dans la littérature. Les résultats expérimentaux sont obtenus pour des grands nombres de Reynolds pour comprendre les effets d'inertie. Deux configurations différentes sont étudiées : 1) tubes avec deux diamètres internes différents (9,8 mm et 20 mm) remplis d'eau, 2) le tube de diamètre D=9,8 mm rempli de quatre fluides peu visqueux. Le nombre de Bond Bo, basé sur la vitesse ascendante en cas stagnant, varie alors entre 13 et 57, où les effets de la tension superficielle peuvent être pris en compte. La bulle est suivie à l'aide d'une caméra rapide. les vitesses moyenne et fluctuante et le déphasage avec le plateau oscillant sont obtenus par traitement d'images et traitement numérique des données. Les résultats principaux montrent que pour les faibles accélérations la vitesse moyenne diminue et la vitesse fluctuante augmente lorsque l'accélération relative augmente. Au delà d'une accélération critique, la vitesse moyenne augmente et l'augmentation de la vitesse fluctuante semble ralentir. Ce changement de comportement semble être lié à la déformation de l'interface (courbure modifiée, ondes de surface) qui devient significative aux accélérations élevées. De plus, les comparaisons avec les résultats numériques obtenus en négligeant les effets capillaires sont effectuées. Des corrélations permettant de calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont proposées. L'évolution temporelle de rayon de courbure au voisinage du nez de la poche est également étudiée pour les différentes accélérations et les résultats sont comparés avec le cas stagnant. Pour les accélérations élevées, la formation et la propagation des ondes oscillantes qui affectent la dynamique de l'écoulement sont quantifiées

Cover concrete is the part of concrete structures directly in contact with the outside. Its thickness is a few centimetres and its main role is to protect reinforcement bars. Surface waves with wavelength varying from a few millimetres to a few centimetres are used to characterise this cover concrete. An estimation of the properties of the propagation of waves (phase and group velocities, damping factor) may allow us to evaluate mechanical properties and to detect possible damages. However, these waves will interact strongly with the numerous heterogeneities of the concrete (sand, aggregates, . . .) which dimensions are close to the wavelength. Waves will propagate in a multiple scattering regime. These eects have to be quantied in order to separate them from other effects linked to mechanical properties. And analytical and numerical study present theories of effective mediums to describe coherent wave propagation in an elastic matrix with random elastic inclusions. These models are then extended to take into account the viscoelasticity of the materials and the granulometry. We quantify with such model the importance of multiple scattering on surface wave propagation in concrete. Experimental measurements are carried on, using a specic protocol and ecient signal processing methods, allowing precise evaluation of phase and group velocity and of the damping factor of coherent surface waves on concrete or mortar slabs. The results show that these three parameters can provide complementary information on concrete properties (water to cement ratio, aggregate distribution, . . .), but also on other phenomenon like varying effective properties with depth. Effects of multiple scattering predicted by the model are experimentally observed, which opens interesting perspectives for the inverse problem., Le béton d'enrobage, dont le rôle essentiel est de protéger les armatures d'acier, est la partie du béton épaisse de quelques centimètres en contact direct avec le milieu extérieur et donc soumise aux attaques d'agents agressifs (eau, chlorures, ...). Des ondes de surface de longueurs d'onde millimétriques à centimétriques sont utilisées pour le caractériser. L'estimation des paramètres de propagation de ces ondes (vitesses de phase, de groupe, facteur d'amortissement) peut nous permettre d'évaluer des propriétés mécaniques et de déceler d'éventuels endommagements. Cependant ces ondes interagissent fortement avec les nombreuses hétérogénéités du béton (sable, granulats, ...) dont les dimensions sont comparables aux longueurs d'ondes. La propagation se fait alors en régime de diffusion multiple. Ces effets doivent être quantifiés afin de pouvoir être dissociés des effets liés aux propriétés mécaniques recherchées. Une étude analytique puis numérique présente les théories des milieux effectifs décrivant la propagation d'ondes de volume cohérentes dans le cas d'inclusions élastiques dans une matrice élastique. Ces modèles sont ensuite étendus pour prendre en compte la iscoélasticité et la distribution de taille de granulats. L'importance des effets de la diffusion multiple sur la propagation des ondes de surface est ainsi quantifiée. Parallèlement, un protocole expérimental associé à des méthodes de traitement du signal adaptées est mis en place pour évaluer de manière précise les vitesses de phase, de groupe, et l'atténuation des ondes de surface cohérentes sur des dalles de béton ou de mortier. Les résultats obtenus montrent que les variations de ces trois observables donnent des informations complémentaires sur différentes propriétés du béton (rapport eau sur ciment, distribution de granulats,...) mais aussi sur la présence de variations de propriétés avec la profondeur. Les effets de la diffusion multiple prédits par le modèle sont observés expérimentalement ce qui ouvre une perspective intéressante en vue de poser le problème inverse.

The French Aerospace Lab ONERA has been studying properties of high frequency surface wave radars (HFSWR). In order to assess the effective efficiency of those radars, the Lab is building its own system. HFSWR, since they are not limited by the line of sight, allow to cover wide coastal areas. Typically, the coverage range can reach 500 km to 600 km, within an azimuth sector of 90° to 120°. However, in the received signal, target information is merged with sea clutter (signal resulting from interactions between the sea surface and the radar waves) and ionospheric clutter (signal backscattered by ionization instabilities which are flowing in the ionosphere). So as to improve the HFSWR detection capabilities, our objective is to develop a way to mitigate the ionospheric clutter. The signal properties and the features of the ONERA's radar system do not allow to use processing based on neither polarization nor adaptive techniques. We propose to take advantage of signal's variation scales. We have developed some wavelet-based algorithms, which are able to separate the signal's contribution (i.e. targets, ionospheric clutter and sea clutter). Those algorithms are using, one dimensional and two dimensional, discrete wavelet transforms. The interest of this kind of processing is that it can be used for clutter mitigation, remote sensing improvement and noise suppression.; L'ONERA mène, depuis quelques années, des études sur les radars hautes fréquences à ondes de surface (RHFOS). Afin d'évaluer la capacité effective de surveillance maritime de ce type de radar, l'ONERA envisage de se doter d'un système de mesure. Le RHFOS, grâce à sa capacité de détection au-delà de l'horizon radioélectrique, répond à la demande de couverture de larges zones maritimes. Classiquement, sa portée peut atteindre 500 km à 600 km, sous des azimuts de 90 à 120 degrés. Toutefois, le signal reçu par le radar contient la signature des cibles, le fouillis de mer (signal caractéristique de la propagation sur la surface de la mer) et le fouillis ionosphérique (signal rétrodiffusé par les instabilités d'ionisation dans l'ionosphère). Ces deux dernières contributions peuvent masquer des cibles car leur niveau est très important. Les présents travaux consistent à définir les traitements permettant de réduire le fouillis ionosphérique pour améliorer les performances de détection du radar HF à ondes de surface. La nature des signaux en présence et le système radar développé par l'ONERA ne permettent pas un traitement par polarimétrie, direction d'arrivée ou techniques adaptatives. Nous proposons d'exploiter les différences d'échelles de variations des signaux. Pour cela, nous avons développé des méthodes de séparation des contributions (cible, fouillis de mer et fouillis ionosphérique) ; nous utilisons l'analyse discrète en ondelettes, à une ou deux dimensions. L'avantage d'une telle approche est qu'elle permet de supprimer le fouillis ionosphérique, d'extraire le fouillis de mer (amélioration du calcul de paramètres océanographiques et amélioration de la détection de cibles) et de réduire le bruit inhérent au système radar.

Traditional tomographic methods are based on seismic waves emitted by earthquakes. This limits the resolution of the images of the Earth's interior since large areas are free from earthquakes. In this manuscript we test a new approach that requires only noiserecords. Indeed, it has been shown that the cross-correlation of white noise recorded at two stations A and B is the Green's function between A and B, provided the noise is generated everywhere in the medium. This allows us to measure the velocity of seismic waves between any pair of stations. To test this new idea, we first explain why noise correlations yields the Green's function of the medium. Then we study the origin of the noise in 5-40s period band. In the third part, we assess the precision of surface wave velocity measurements from the noise correlations. Chapter 7 and 8 are devoted to the tomography of California and the Alps. In the last chapter, we show that our results can be improved by correlating the coda of the noise correlations., Les méthodes tomographiques habituellement employées en sismologie nécessitent des enregistrements de séisme. Or de larges zones sur Terre sont asismiques : faute de séisme nous ne pouvons les étudier avec une bonne résolution. Nous testons ici une approche radicalement différente : il s'agit d'imager la croute terrestre à partir d'enregistrements de bruit de fond sismique. En effet, la corrélation entre deux points A et B d'un bruit blanc généré en tout point du milieu est la fonction de Green complète du milieu entre A et B. On pourrait ainsi mesurer la vitesse des ondes sismiques entre n'importe quel couple de points de la surface. Nous présentons tout d'abord la théorie formalisant le lien entre corrélation de bruit et fonction de Green. Nous étudions ensuite l'origine du bruit de fond sismique sur la bande de période 5-40s afin de voir si il respecte ou non les exigences de la théorie. Après avoir évalué la précision des mesures de la vitesse des ondes de surface réalisées grace aux corrélations de bruit, nous étudions les Alpes. Enfin nous montrons que nos résultats peuvent etre amélioré enrecorrélant les corrélations.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les études de l'impact des vagues sur les structures sont indissociables de l'analyse du transfert d'énergie entre les modes propagatifs de la houle à proximité de l'obstacle. Cette analyse nécessite la séparation des composantes fondamentales incidentes et réfléchies, des harmoniques libres et liés de la houle composite. Cette discrimination peut, en principe, être réalisée par la mesure de l'évolution spatio-temporelle de la surface libre par une série de sondes fixes ou mobiles. Des sondes mobiles se déplaçant à vitesse constante, permettent de discriminer les composantes incidentes et réfléchies des modes fondamentaux et harmoniques par effet Doppler (Brossard 2000). Les signaux obtenus permettent de déterminer les fréquences et les amplitudes correspondantes en prenant en compte le décalage Doppler engendré par le mouvement des sondes. Cette méthode est très fiable dans le cas où la longueur d'onde reste inchangée dans tout le champ de déplacement des sondes et ne nécessite qu'un nombre modeste de sondes mais la précision est liée à la course des sondes. Quant aux sondes fixes, les composantes des houles (fondamentaux et harmoniques liés et libres) sont calculées analytiquement en utilisant le déphasage entre les signaux obtenus par les sondes et leurs amplitudes (Goda 1976; Mansard 1980; Isaacson 1991; Nallayarasu 1995).

Understanding and forecasting landslides evolution could be improved by more quantitative information about their 3D geometry, their damage state and preferential fluid flow. The aim of this thesis wich is methodological and axperimental, is to perform a critical study of advantages and limits of different geophysical technics (Electrical tomography, seismic methods, seismic noise treatment and self-polarisation measurements) to characterize landslides.We performed geophysical studies on five test sites, three in rocky context (Séchilienne in Isère, La Clapière in Alpes Maritimes and Ravin de l'Aiguille in Isère) and two in shale context (Super Sauze in Alpes de Hautes Provence and Léaz in Ain). We show that, thanks to the remaniement degree, geophysical parameters such as $\rho$ (electrical tomography), $V_P$ (seismic refraction and tomography) and $V_S$ (seismic refraction and surface wave analysis) could allow to characterize the movement shape. For surface wave analysis, we recommend constrained the parametrization with $V_P$ if it is known at surface and with the frequency peak of H/V. Furthermore, for regular shape and low lateral gradient in $V_S$, we show that the H/V method could help to obtain quickly quantitative information on spatial variation of substratum geometry.Finally, we deployed an non-polarizable elctrodes network to monitor self-potential variations on the Séchilienne mass movement. This network allowed to point out preferential fluid flow path inside the mass and their complexity., La compréhension et la prévision de la dynamique d'évolution des mouvements de terrain peuvent être améliorées par un apport de données quantitatives sur leur géométrie tridimensionnelle, leur état de déstructuration et les circulations préférentielles de fluide. L'objet de ce travail de thèse, à la fois méthodologique et expérimental, est de mener une étude critique des apports et limites des différentes techniques géophysiques (tomographie électrique, méthodes sismiques, traitement du bruit de fond sismique et mesure de la polarisation spontanée) pour la caractérisation des mouvements de terrain. Nous avons mené des campagnes géophysiques sur cinq sites tests. Ces sites ont été choisis en milieu rocheux et de grande ampleur (Séchilienne, Isère, et La Clapière, Alpes Maritimes) ou de taille modérée (Ravin de l'Aiguille, Isère) et en contexte argileux (Super Sauze, Alpes de Hautes Provence, et Léaz, Ain). Nous montrons que, selon le degré de remaniement, l'étude des paramètres géophysiques tels que $\rho$ (tomographie électrique), $V_P$ (sismique réfraction et tomographie) et $V_S$ (sismique réfraction et analyse des ondes de surface) peut permettre de caractériser la géométrie du mouvement. Nous préconisons pour l'analyse des ondes de surface de contraindre la paramétrisation par $V_P$ si elle est connue en surface et par la fréquence du pic H/V. En outre, pour une géométrie régulière et des faibles gradients latéraux de $V_S$, nous montrons que la méthode H/V peut aider à obtenir rapidement des informations quantitatives sur la variation spatiale de la géométrie du substratum. %Nous préconisons pour l'étude de la géométrie des mouvements rocheux, le déploiement de méthodes tomographiques (électrique et sismique) et l'analyse des ondes de surface enregistrées lors de prospection sismique et par des réseaux de bruit de fond, en tenant compte des informations sur $V_P$ en surface et de la fréquence de résonance du pic H/V. La caractérisation des écoulements au sein des mouvements est améliorée lorsque l'on associe l'interprétation des mesures de résistivité et de polarisation spontanée. %Selon le degré de remaniement des argiles en mouvement, l'étude des paramètres géophy\-siques tels que $\rho$ (tomographie électrique), $V_P$ (sismique réfraction et tomographie) et $V_S$ (sismique réfraction et analyse des ondes de surface) peut permettre de caractériser la géométrie du mouvement. Pour une géométrie régulière et des faibles gradients latéraux de $V_S$, l'utilisation de la méthode H/V peut aider à obtenir rapidement des informations quantitatives sur la variation spatiale de la géométrie du substratum. Enfin, nous avons déployé un réseau d'électrodes impolarisables pour le suivi temporel de la polarisation spontanée sur le mouvement de grande ampleur de Séchilienne. Ce réseau a permis de mettre en évidence les trajets préférentiels de circulation de fluide au sein du massif et de rendre compte de leur complexité.

Imaging the soil physical parameters with surface seismic recordings is a non linear inverse problem. The elastic full waveform inversion is a quantitative multiparameters imaging method of diffractors that requires beforehand the knowledge of an initial velocity model. The corresponding forward problem, the elastic waves propagation, is solved in the frequency domain, allowing to efficiently take into account multisources and multireceivers acquisitions, with a finite difference method that modelizes the propagation of all wave types (body waves, surface waves, diffrated waves, refracted waves ...). The chosen finite difference stencil precisely simulates the free surface and surface waves propagation. This linearized inversion is based on a gradient method that minimizes a misfit function containing the difference between observed and calculated data. Two seismic parameters are reconstructed from vertical and horizontal seismograms. The inversion is performed from low to high frequencies, allowing to progressively introduce higher wavelengths in the parameters images. The latter are sensitive to the choice of the physical approximations chosen to calculate the misfit function gradient (Born or Rytov approximation), to the acquisition geometry, to the data preconditionning and to the inverted parameters choice. This method is then applicated to media containing a free surface. The free surface is a very contrasted interface that generates very energetic surface waves in seismograms. Near-surface media are complex, propagating waves are reflected or diffrated several times. When the medium contains two anomalies whose velocity contrast is equal to $20 \%$, the inversion correctly localize them in a known backgound model. Images are improved and anomalies amplitudes are very well recovered when the number of inverted frequencies increases and the data are selected from low to high offset. With a strongly contrasted anomaly like an empty cavity, the inversion correctly recovers the object position, shape and size but its amplitude is underestimated.The application to subsurface real vertical data recorded in a complex medium containing a cavity shows that the inversion constructs a heterogeneous medium allowing to better fit data and allows to reproduce inverted waves. Nevertheless the cavity is not imaged., L'imagerie des paramètres physiques du sous-sol à partir d'enregistrements sismiques de surface constitue un problème inverse non linéaire. L'inversion des formes d'onde élastique est une méthode d'imagerie quantitative multiparamètres de diffractants, nécessitant au préalable la connaissance précise d'un macromodèle de vitesse. Le problème direct associé, la propagation des ondes élastiques, est résolu dans le domaine fréquentiel, permettant la prise en compte efficace d'acquisitions multisources et multirécepteurs, par une méthode numérique de différences finies modélisant la propagation de tous les types d'onde (ondes de volume, de surface, diffractées, réfractées ...). Le stencil de différences finies choisi permet simule précisément la surface libre et la propagation des ondes de surface. Cette inversion linéarisée s'appuie sur une méthode de gradient, qui minimise une fonction coût contenant les différences entre données observées et calculées. Deux paramètres sismiques sont reconstruits à partir de sismogrammes verticaux et horizontaux. L'inversion est effectuée des basses fréquences vers les hautes fréquences, introduisant des longueurs d'onde de plus en plus courtes dans les images des paramètres. Ces dernières sont sensibles au choix des approximations physiques effectuées pour calculer le gradient de la fonction coût (approximation de Born ou de Rytov), au dispositif d'acquisition, au préconditionnement des données et au choix des paramètres inversés. Cette méthode est ensuite appliquée à des milieux contenant une surface libre. La surface libre est une interface très contrastée qui donne lieu à des ondes de surface très énergétiques dans les sismogrammes. Les milieux de subsurface sont complexes, les ondes qui s'y propagent subissent des réflexions ou diffractions multiples. Lorsque le milieu contient deux anomalies dont le contraste en vitesse vaut $20 \%$, l'inversion les localise correctement dans un macromodèle connu. Les images sont améliorées et l'amplitude des anomalies est très bien reconstruite lorsque le nombre de fréquences inversées augmente et les données sont sélectionnées des faibles déports vers les grands déports. Avec une anomalie fortement contrastée comme une cavité vide, l'inversion retrouve correctement la position, la forme et la taille de l'objet mais son amplitude est sous-estimée.L'application à des données réelles verticales de subsurface acquises dans un milieu complexe contenant une cavité maçonnée montre que le milieu hétérogène issu de l'inversion ajuste mieux les données et permet de bien reproduire les ondes inversées. Néanmoins, la cavité n'est pas imagée.

Polar materials or metals can support electromagnetic modes which are confined and propagate along the interface. Such surface waves can couple to a propagating one thanks to a grating ruled on the surface.We use a Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) algorithm to calculate the radiative properties of those periodic structures. Their sub-wavelength dimensions are optimized for two applications. On one hand, the coherent thermal emission, and on the other hand, the resonant transmission.First, we show that a thermal source may produce partially spatially coherent light.We report here an experimental and a numerical study of such sources. We find anexcellent agreement between numerical calculations and measurements. We derive quantitatively the coherence length of the field propagating along the source. We finally reportstudies on new type of sources that produce isotropic emission of light.In a second part, we focus on an other topic: the resonant transmission by periodicallycorrugated metallic films. We show that transmission peaks can be attributed toresonances of the structures. We see that those resonances result of a coupling between cavity modes and surface plasmon polaritons. When analysing the characteristics of the resonances, we can obtain position, value and width of the transmission peaks. We show that this phenomenon can also be observed on polar materials. Finally, a study of gratings of two directions of periodicity is made. In this case, we show that there are modes that can be highly transmitted. These modes could be excited by a dipole instead of a plane wave.; Certains matériaux ont des modes électromagnétiques confinés à leur surface, qui sepropagent le long de celle-ci. Ces modes, qui sont appelés ondes de surface, peuvent être couplés à des ondes propagatives à l'aide d'un réseau.Nous avons utilisé un code de calcul électromagnétique exact, basé sur l'analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA), pour optimiser des structures périodiques dont les dimensions sont de l'ordre ou inférieures au micron. Nous avons ainsi conçu des micro ou nanostructures pour deux types d'applications : l'émission thermique cohérente, et la transmission résonante.En émission, nous avons optimisé des sources thermiques émettant un rayonnementquasi-monochromatique dans une direction privilégiée de l'espace ou bien dans toutes les directions. Nous avons de plus conçu, dimensionné et mis en place un montage de mesure de l'émissivité de telles sources. Nous avons pu retrouver de manière quantitative les résultats que nous avons obtenus numériquement, puis déterminer expérimentalement la longueur de cohérence spatiale de la source.Le second axe de cette thèse a été consacré à la transmission résonante. Nous avonsmis en évidence les mécanismes de transmission de structures métalliques en montrant l'existence de modes propres de ces structures qui sont des modes couplant modes de surface et modes de cavité. En remontant aux caractéristiques de ces modes, nous pouvons en particulier retrouver toutes les caractéristiques des pics de transmission, hauteur, largeur et position. Nous avons par ailleurs montré que des effets analogues apparaissent pour des réseaux de cristaux polaires. Finalement, des études de transmission résonante par des cristaux 2D ont montré que des modes d'ordre élevé peuvent être fortement transmis. Ces modes sont faiblement couplés à des ondes planes mais peuvent se coupler fortement à des particules ou molécules.

Regional seismic tomography can provide information on the deep structure of the old continents and therefore on their formation and evolution. We develop a tomography method using surface waves of teleseismic events at a regionalscale. This method is then applied to the Rayleigh waves recorded during the SVEKALAPKO deep seismic experiment in the central Baltic Shield. Our new method is based on two-dimensional ray tracing. It takes into account the curvature of incident wavefronts, therefore reducing artifacts due to heterogeneous structure outside the study region. From the inversion of Rayleigh wave data we obtain a regional average S-wave velocity profile with depth down to 300 km. This model is 4% faster than standard Earth models down to 200 km depth, it do es not exhibits any low velocity zone. A comparison with computations based on xenolith analysis leads us to propose a chemical stratification of the lithosphere. The shallower mantle is composed of a rock producing a seismic velocity slower than a normal continental lithospheric peridotite. SVEKALAPKO data are inverted to obtain a 3-dimensionnal S-wave velocity model under the seismic array down to 150 km. Lateral variations have amplitude of +/- 3% attributed to differences in the rock compositions. The major geological structure of the region - the Archean-Protcrozoic boundary - do es not present a clear signature in the velocity maps at different depths. However a classification of the velocity profiles with depth shows the juxtaposition of lithospheric blocs of different composition., La tomographie sismologique à l'échelle régionale peut donner des informations sur la structure profonde des continents anciens. Nous développons une méthode de tomographie en ondes de surface, puis nous l'appliquons aux ondes de Rayleigh du projet SVEKALAPKO (bouclier Balte). Cette méthode est basée sur le tracé de rais 2D, elle tient compte de la courbure des fronts d'onde incidents. Le profil moyen en vitesse des ondes S obtenu est de 4% plus rapide que des modèles de Terre standards et ne présente pas de zone à moindre vitesse. La comparaison avec des données issues de xénolithes implique une stratification chimique de la lithosphère. Le modèle 3D présente des variations latérales de +/-3% attribuées à des différences de composition des roches. La limite Archéen-Protérozoïque n'a pas de signature nette peut-être à cause d'une modification du manteau à grande échelle au cours du Protérozoïque et/ou de la structure complexe du domaine Protérozoïque, héritée de sa formation.

Ma thèse a été consacrée à la modélisation du rayonnement thermique, abordée d'un point de vue électromagnétique. Plus précisément, elle s'applique à l'étude de l'excitation thermique d'ondes de surface (plasmon-polaritons ou phonon-polaritons) susceptibles d'exister pour certains matériaux métalliques ou diélectriques. L'originalité de ce travail a consisté à évaluer la contribution de ces ondes de surface à l'émission thermique de matériaux micro- ou nanostructurés (réseaux) ; aux transferts d'énergie par rayonnement dans des systèmes de taille micro- ou nanométrique ; aux forces de Casimir dans la limite électrostatique. Au cours de cette étude, nous avons détaillé le formalisme qui nous a permis d'aborder le rayonnement thermique d'un point de vue électromagnétique. Nous avons pu donner une expression exacte et explicite de la densité d'énergie électromagnétique (due au rayonnement thermique) au-dessus d'une interface plane séparant un milieu quelconque du vide, en explicitant notamment la contribution des ondes évanescentes. Nous avons tenté de définir une quantité qui serait l'analogue, pour les ondes évanescentes, de l'émissivité monochromatique directionnelle. L'expression de la densité d'énergie obtenue montre qu'en champ proche, il est théoriquement possible de déterminer localement la constante diélectrique d'un substrat en mesurant le champ d'émission thermique qu'il "rayonne" en champ proche. Par ailleurs, nous montrons qu'un microscope optique en champ proche, détectant le champ d'émission thermique d'un substrat est l'analogue optique d'un STM (Scanning Tunneling Microscope) pour les électrons. Nous pourrions ainsi mesurer la densité d'états locale du champ électromagnétique. Utilisant le phénomène d'onde de surface dans l'infrarouge pour le SiC, nous avons été capable de dimensionner une source thermique présentant une certaine cohérence spatiale : dans une direction fixée, elle émet préférentiellement à une longueur d'onde et pour une longueur d'onde fixée, elle émet à l'intérieur d'un lobe très étroit angulairement. Les mesures expérimentales confirment avec un excellent accord cette prédiction théorique. Ainsi, la source que nous avons réalisée avec ce réseau de SiC est le premier exemple expérimental de source thermique patiellement cohérente spatialement. Par ailleurs, cette source a un spectre d'émission qui dépend de l'angle d'émission, c'est l'"effet Wolf". Les développements actuels au laboratoire concernent la mise en œuvre expérimentale d'une expérience de mesure d'émissivité infrarouge avec un spectromètre à transformée de Fourier. Nous abordons ensuite le problème du transfert radiatif entre deux milieux semi-infinis séparés par une faible épaisseur de vide, de 10 nm à plusieurs dizaines de microns et montrons que l'approche radiométrique du rayonnement thermique n'est pas valable lorsque les échelles caractéristiques deviennent du même ordre de grandeur que la longueur d'onde du rayonnement. Nous avons montré alors que les ondes de surface (dont nous ne pouvons rendre compte qu'avec une approche électromagnétique), et plus particulièrement les phonon-polaritons de surface dans le cas du SiC, jouent un rôle fondamental dans le transfert d'énergie électromagnétique. Premièrement, celui-ci est (\it quasi) monochromatique et présente un pic très prononcé à la fréquence de résonance du polariton de surface qui donne la contribution majeure au transfert. Une expression asymptotique en champ proche du coefficient de transfert radiatif en fonction de la fréquence est également donnée. Deuxièment, le transfert est amplifié de plusieurs ordres de grandeur à courte distance, l'amplification variant comme l'inverse du carré de la distance séparant les deux milieux. Pour le cas de deux milieux de SiC séparés d'une distance de 10 nm, la contribution du rayonnement à l'échange d'énergie est du même ordre de grandeur que celle de la conduction (pour un gaz dans les conditions normales). Il est donc essentiel de ne pas négliger cette contribution du rayonnement dans ce type de systèmes, comme cela est fait couramment. Une application envisagée de ce transfert radiatif concerne l'effet thermo-photovoltaïque amplifié. Dans une configuration où nous avons considéré une particule sub-longueur d'onde (approximation dipolaire) située au-dessus d'une interface plane, nous avons mis en évidence le même type d'effets, lorsque la particule et la surface supportent des ondes de surface. La particule absorbe ainsi de manière importante autour de deux fréquences bien précises, correspondant aux fréquences de résonance des ondes de surface. La puissance absorbée par la particule augmente de plusieurs ordres de grandeur en champ proche, variant comme l'inverse de la puissance troisième de la distance entre la particule et le substrat. De la même manière, nous avons réalisé une cartographie de la distribution spatiale de la puissance absorbée par unité de volume à l'intérieur du substrat lorsque celui-ci est éclairé par le champ d'émission thermique de la particule. Nous avons montré que dans le cas d'une particule de SiC au-dessus d'un échantillon de SiC, la densité de puissance pouvait atteindre 100 MW/m3. De plus, la puissance déposée est confinée sur une zone dont la taille typique est de l'ordre de la distance entre la particule et le substrat. Une application de ce travail se situe dans le stockage haute-densité sur des matériaux magnétiques ou à transition de phase. Dans le même thème, nous nous sommes intéressés au cas de nanoparticules métalliques enfouies dans une matrice diélectrique. Le but est d'expliquer certains résultats expérimentaux obtenus lorsque ces nanoparticules sont illuminées par des impulsions laser femtosecondes. Le problème est alors d'étudier la dynamique de relaxation électronique en régime basse fluence (variation de la température électronique faible) et haute fluence (variation importante) et notamment l'influence de la taille de la particule. Lors de cette 'étude, nous avons montré que l'introduction phénoménologique d'un mécanisme supplémentaire d'échange d'énergie entre les électrons et la matrice diélectrique permet de rendre compte de comportements observés expérimentalement. Le premier concerne la dépendance du temps de relaxation électronique en fonction de la taille de la particule lorsque nous sommes dans un régime où la température électronique n'est pas trop élevée (< 400 K). Le temps de relaxation diminue alors avec le rayon de la particule, montrant que ce mécanisme supplémentaire est essentiellement surfacique. Nous avons alors appliqué notre modèle dans un régime où les températures électroniques sont plus élevées (> 400 K), correspondant à des expériences où les nanoparticules sont illuminées par des impulsions de forte fluence. Dans ce régime, la prise en compte du mécanisme de surface conduit à deux conclusions : la première est que l'extrapolation des valeurs calculées pour de fortes fluences au régime des faibles fluences montre que le temps de relaxation est relativement indépendant de la taille de la particule ; la seconde est que la variation du temps de relaxation est fortement non linéaire en fonction de la fluence incidente. Enfin, nous avons étudié l'"effet Casimir" en choisissant une méthode de calcul qui nous permet une interprétation physique aisée des résultats. Nous avons alors été capable de tracer le "spectre" de la force de Casimir entre deux milieux semi-infinis de SiC à température nulle. Nous avons montré qu'en champ proche, la contribution majeure (pics dans le spectre) était donnée par les polaritons de surface, notamment celui qui existe dans l'ultraviolet pour le SiC. De plus, la "relation de dispersion" de la force de Casimir montre que cette contribution des ondes de surface couplées peut être elle-même divisée en deux : une contribution due à ce que nous avons appelé des modes "liants", qui sont attractifs et une contribution due à des modes "anti-liants" qui sont répulsifs. Nous avons identifié, pour les ondes évanescentes, dans la formule analytique de la force les termes correspondant à chacun de ces modes.

In spite of their importance in many industrials and geophysical processes, granular flows are still not completely understood. In this thesis, we study two instabilities that occur when a granular material is flowing under gravity down a rough inclined plane. We first study a new instability observed for rapid and dilute flows, when the plane is strongly inclined. This instability correspond to the spontaneous formation of longitudinal vortices in the flow. From the experimental measurements, we propose an instability mechanism based on the concept of "granular temperature". This mechanism is then validated by a stability analysis in the framework of the kinetic theory of granular flows. The second instability we have studied appears in the dense flow regime. In a given range of parameters, we observe the formation of long surface waves that propagate downstream. We have precisely studied the formation of these surface waves by forcing the instability, in the spirit of open flows stability experiments in fluid mechanics. The results are then compared with a depth-averaged approach. This study shows that the properties of the "classical" long surface waves instability may be deeply modified by the rheology of dense granular flows.; Bien qu'intervenant dans de nombreuses situations industrielles et géophysiques, les écoulements granulaires sont aujourd'hui encore mal compris. Dans cette thèse, nous étudions deux instabilités qui apparaissent lorsque l'on fait couler un milieu granulaire par gravité sur un plan incliné rugueux. Nous avons tout d'abord étudié une nouvelle instabilité observée dans le régime d'écoulement rapide et dilué, lorsque le plan est fortement incliné. Cette instabilité se manifeste par l'apparition spontanée de vortex longitudinaux au sein de l'écoulement. A partir de mesures expérimentales, nous proposons un mécanisme d'instabilité qui fait appel au concept de "température granulaire". Ce mécanisme est ensuite validé par une analyse de stabilité dans le cadre de la théorie cinétique des milieux granulaires. La deuxième instabilité que nous avons étudiée apparaît dans le régime d'écoulement dense. Dans certains cas, on observe la formation de vagues de grande longueur d'onde qui se propagent dans la direction de l'écoulement. Nous avons étudié expérimentalement la formation de ces ondes de surface en forçant l'instabilité, dans l'esprit des expériences sur les systèmes ouverts en mécanique des fluides. Les résultats sont ensuite confrontés à une approche moyennée dans l'épaisseur. Cette étude montre que les propriétés de l'instabilité "classique" en ondes de surface peuvent être profondément modifiées par la rhéologie des écoulements granulaires denses.

Boite à lumière pour mesurer les pentes des vagues en laboratoire

Surface and bulk acoustic waves excited and detected by a metallic interdigital transducer deposited on the surface of an anisotropic low piezoelectric medium are studied first. In the harmonic mode, the comb emits the Rayleigh wave (or the pseudo-Rayleigh wave) and also three bulk waves called «surface skimming bulk waves». This result is compared to experiments on surface wave quartz delay lines and resonators. The method is then applied to the reflexion of a Rayleigh wave under a low deep groove Nous etudions en premier lieu les ondes de surface et de volume emises et detectees par un transducteur metallique interdigite depose a la surface d'un milieu anisotrope faiblement piezoelectrique. Il est montre qu'en regime harmonique le reseau emet non seulement l'onde de Rayleigh (ou la pseudo-onde de Rayleigh), mais qu'il rayonne aussi trois ondes de volume. Ces conclusions sont confirmees par les mesures effectuees a l'aide de lignes a retard et de resonateurs a quartz. La methode est ensuite utilisee pour etudier la reflexion d'une onde de Rayleigh sous un sillon grave peu profond

International audience

Le nombre de composants et d'instruments, bases sur l'exploitation d'ondes elastiques, augmente regulierement. La caracterisation et l'amelioration de leur fonctionnement impliquent la mesure de deplacements mecaniques dont l'amplitude est de l'ordre de l'Angstrom. Des dispositifs optiques sont aptes a effectuer cette mesure a distance, sans contact mecanique et dans une grande bande de frequences. L'objet de cet article est de decrire ces dispositifs et, en particulier, une sonde interferometrique, compacte, dont la resolution est de 10-4 A/ √Hz. Des mesures de deplacements de surface, engendres par effet piezoelectrique ou photothermique, sont presentees, par exemple : deformee d'un resonateur vibrant sur un mode de flexion, reponse impulsionnelle mecanique d'un transducteur piezoelectrique a ondes de volume, detection de trains d'ondes de surface lances sur une sphere par une impulsion laser.