Modélisation de la propagation atmosphérique des ondes infrasonores par une méthode de tracé de rayons non linéaire

par Olaf Gainville

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Philippe Blanc-Benon.

Soutenue en 2008

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    Dans le cadre du Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires, nous souhaitons, afin d’aider à l’analyse et à l’interprétation des mesures barométriques effectuées par le réseau infrason du Système de Surveillance International, établir des relations entre les signaux mesurés et les caractéristiques de la source (nature, puissance, mouvement,. . . ). Etant donnée la complexité de l’atmosphère et sa variabilité dans le temps, la modélisation occupe une place privilégiée en propagation atmosphérique. L’objectif de ce travail de thèse est de modéliser la propagation atmosphérique des ondes infrasonores à grande distance émises par différents types de sources. Cette modélisation passe par un approfondissement des connaissances dans le domaine de la propagation atmosphérique et par l’identification des principaux mécanismes influençant la propagation des ondes. Notre travail vise à quantifier l’importance de la convection, de la diffraction, du scattering, des effets non linéaires et de l'absorption atmosphérique sur la répartition du niveau de pression acoustique et sur les formes d’onde. Nous développons un modèle de propagation des ondes infrasonores basé sur la méthode de tracé de rayons. Ce modèle est obtenu à partir d’une analyse asymptotique des équations du mouvement pour un fluide thermovisqueux avec relaxation moléculaire basé sur les hypothèses de milieu lentement variable et de front d’onde localement plan. L’évolution de la forme d’onde vérifie une équation de Burgers généralisée intégrant les effets non linéaires, pour les chocs faibles, et l’absorption atmosphérique. Le modèle tient compte du déphasage au passage des caustiques. Les méthodes numériques nécessaires à la résolution du modèle physique sont développées. Une méthode de recherche des rayons propres en 3D reliant la source au capteur est proposée. L’équation de Burgers généralisée est intégrée à l’aide d’une méthode spectrale de Fourier Galerkin à pas variable et maillage adaptatif. Enfin, nous étudions deux cas de propagation des ondes infrasonores. L’expérience Misty Picture consiste en l’explosion de 4684 tonnes d’ANFO en 1987 dans le Nouveau Mexique (Etats-Unis). Cette expérience particulièrement bien instrumentée permet de construire un cas d’étude de référence pour la propagation des ondes infrasonores à très basse fréquence (0,1Hz). Cette étude montre en particulier que l’énergie acoustique arrivant dans les zones d’ombre est essentiellement due au scattering. Les enregistrements quotidiens du Concorde réalisés entre 1998 et 2003 à la station de Flers (France) offrent un grand nombre de cas d’étude. Les différentes phases mesurées sont identifiées malgré la complexité du champ de pression acoustique. L’année 2002 est étudiée systématiquement afin d’évaluer l'importance des variations de l’atmosphère sur la propagation des infrasons ainsi que la fidélité des méthodes numériques. Les simulations par la méthode de tracé de rayons, en accord avec les mesures, mettent en évidence l’importance des effets non linéaires et du scattering sur la signature en pression. Ces études sont également utilisées afin de caractériser et de quantifier les limites de la méthode de tracé de rayons. Malgré une forte sensibilité des résultats aux conditions météorologiques, nous estimons que la méthode de tracé de rayons est adaptée pour simuler la propagation d’ondes de fréquence centrale supérieure à 1 Hertz.

  • Titre traduit

    Modeling of the infrasound wave atmospheric propagation using a nonlinear ray tracing method


  • Résumé

    In the framework of the comprehensive test bang treaty, we wish to link measured signals with infrasonic source characteristics (kind, power, motion\dots), in order to analyze and to understand International Monitoring System infrasonic network barometric measurements. Because of the complexity and the time variability of the atmosphere, modeling is necessary for atmospheric propagation. The goal of the work conducted during this thesis is to model the long range proagation of infrasonic wavesemitted by various source kinds. A better understanding of atmospheric propagation and the identification of phenomena which influence wave propagation are first steps in this direction. We need to quantify convection, diffraction, scattering, non linearity, atmospheric asorption effects onboth acoustic pressure levels and pressure signatures. In this thesis report, we develop an infrasonic wave propagation model based on a ray tracing method. A mathematical asymptotic analysis of motion equations for a relaxing thermoviscous fluid is performed under the hypothesis of a high frequency approximation and of a locally plane wave. The waveform evolution follows a generalized Burgers equation which takes into account non linearity for weak shocks, and atmospheric absorption. Caustic phase shift is also included. The physical model is solved using adapted numerical methods. These methods include an efficient eigenray research method for 3D problems. The generalized Burgers' equation is integrated using an adaptative mesh and step Fourier Galerkin spectral method. Finally we study two infrasound propagation problems. The Misty Picture experiment consists in a 4684 ton of ANFO exposure realized in 1987 in New Mexico (United States). This particularly well instrumente experiment is a long range infrasound propagation reference study at very low frequencies (0. 1\,Hz). This study shows that acoustic energy in the shadow zone is associated to scattering by atmospheric inhomogeneities. Daily Concorde infrasonic records performed since 1998 until 2003 at Flers station (France) offer numerous studies. In spite of the acoustical pressure level spreading complexity, infrasonic recorded arrivals are identified. The year 2002 is systematically studying to evaluate seasonal atmospheric variations effects on atmospheric infrasonic wave propagation. Ray tracing simulations, in agreement with measures, show the importance of non linear effects and of scattering ont he pressure signature. These studies are also used to characterize and quantify ray tracing method limits. In spite of a strong sensitivity of results to the atmospheric conditions, we show that the ray tracing method is adapted to model the propagation of infrasonic waves of central frequency higher than 1 Hertz.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (IV-213 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 203 références

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