Rétrodiffusion acoustique par une suspension en milieu turbulent : application à la mesure de profils de concentration pour l'étude de processus hydrosédimentaires

par Mickaël Bricault

Thèse de doctorat en Océan, atmosphère, hydrologie

Sous la direction de Eric Barthélémy et de David Hurther.

Soutenue en 2006

à Grenoble INPG .

mots clés

• Hydrosedimentation , Mesure
• Instrumentation acoustique
• Rétrodiffusion ultra sonore incohérente
• Adv
• Adcp
• Mesure -- Instruments
• Sédiments (géologie) -- Analyse
• Sédiments en suspension -- Analyse

Résumé

Nous proposons ici une nouvelle méthode multifréquentielle d'inversion de l'intensité acoustique rétrodiffusée pour estimer le profil de concentration sédimentaire dans une suspension turbulente. L'exploitation de l'information quasi-instantanée et simultanée à différentes fréquences d'émission permet de réduire l'instabilité de la méthode d'inversion: les erreurs d'inversion sont nettement inférieures à celles obtenues avec les méthodes existantes et la propagation des erreurs le long du profil est supprimée. En outre, cette méthode ne nécessite plus de condition limite pour le profil de concentration. Ainsi, on augmente de manière conséquente la portée de l'instrument et on parvient à mesurer le profil de concentration dans des suspensions sédimentaires concentrées, comme en zone benthique à l'interface liUécoulement. Cette nouvelle méthode permet également de simplifier considérablement l'étalonnage du système. Par ailleurs, la présence de microbulles d'air a nécessité des modifications du modèle d'intensité en tenant compte des effets d'atténuation ou de rétrodiffusion des bulles. Dans ces conditions de suspension triphasique, le profil de concentration sédimentaire a ainsi pu être évalué correctement.

Titre traduit

Acoustic backscattering by a suspension flow : application to sediment concentration measurement for the study of sediment process

Résumé

We propose a novel multifrequency inversion method of backscattered acoustic intensity for the estimation of the sediment concentration in turbulent suspension flows. The quasi-instantaneous and simultaneous information at several frequencies allows to reduce the instability of the inversion method: the inversion errors are significantly lower than those obtained with existing methods and the rror propagation along the profile is suppressed. Furthermore, this concentration method does not require a boundary condition for the concentration profile. As a result, the investigation depth of the instrument is considerably increased and the capacity to measure profiles in high concentration regions such as in the benthic boundary layer is improved. The proposedmethod also simplifies the calibration procedure. Finally, due to the presence of micro air-bubbles in the studied suspension fIows, the backscattered intensity model has been modified to account for attenuation or backscattering effects from these air bubbles. These modifications allowed to estimate the sediment concentration profile in three-phase suspensions.