Inversion de mesures d’ondes guidées pour caractériser la banquise

Lieu / place : Institut des Sciences de la Terre , Université Joseph Fourier et Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l’Environnement – GRENOBLE
Durée / duration : 4 mois / 4 months

Contacts :
– Ludovic Moreau (ludovic.moreau ujf-grenoble.fr)
– Eric Larose (eric.larose ujf-grenoble.fr)

Sujet

La propagation des ondes sismiques est sujette à des phénomènes physiques complexes. Dans la banquise par exemple ces ondes peuvent être partiellement piégées dans l’épaisseur de la glace qui se comporte alors comme un guide d’ondes. Les ondes guidées étant sensibles aux paramètres géométriques et élastiques du milieu de propagation, elles sont utilisées dans plusieurs domaines de la Physique pour caractériser un milieu1,2 après résolution d’un problème inverse. L’enjeu du stage est d’utiliser ces propriétés pour la surveillance de l’épaisseur de la banquise. Des méthodes de traitement spécifiques issues de l’acoustique physique permettent une analyse spatio-temporelle du champ d’onde dans les milieux bruités et atténuants, grâce à une projection des mesures de propagation sur le sous-espace signal3. Un des objectifs du stage sera d’appliquer ces méthodes à des signaux obtenus par corrélations de bruit ambiant4 pour calculer les courbes de dispersion d’une maquette de banquise.
La stage se déroulera selon deux axes : la mesure de la propagation d’ondes guidées d’une part, et le développement d’un modèle permettant de résoudre le problème inverse (caractérisation des guides géophysiques) d’autre part. Des études expérimentales seront réalisées sur des dispositifs composés d’un réseau d’accéléromètres implanté sur une réplique de la banquise en chambre froide au LGGE. Cette étude à l’échelle du laboratoire permettra de déterminer la sensibilité de la méthode mise au point aux caractéristiques du guide d’onde, et notamment des irrégularités géométriques. Le problème inverse sera résolu dans un cas simple pour lequel une solution analytique permet de résoudre le problème

Profil du candidat :

Le profil recherché correspond à celui d’un(e) physicien(e) ou géophysicien(ne) expérimentateur(trice) ayant un intérêt pour la propagation des ondes sismiques. Des connaissances approfondies sur la propagation des ondes et le traitement du signal sont donc attendues. Le volet modélisation étant essentiel à la compréhension des phénomènes mis en jeu ainsi qu’à la résolution du problème inverse, et une expérience ou des connaissances en modélisation numérique est souhaitable. L’aspect acquisition de données est essentiel et une implication de la part du (de la) candidat(e) sera attendue sur cet aspect.

Abstract :
Propagation of seismic waves is influenced by complex physics. For example, in sea ice these waves may be trapped in the thickness of the ice, which behave like an elastic waveguide. Guided waves being sensitive to the geometrical and elastic properties of the propagation medium, they are used in several areas of physical acoustics to characterize materials1,2, by solving the inverse problem. The aim of the internship is to use these properties for monitoring sea-ice thickness. Specific data-processing methods originated in physical acoustics allow for a spatiotemporal analysis of the acoustic field, even in noisy and dissipative media, thanks to a projection of the data onto the signal subspace3. One of the objectives of the internship will be to apply these methods to signals obtained from ambient noise correlations4, so that the dispersion curves of the ice may be calculated, i.e. a modal representation of the wave of the form frequency-wavenumber.
The internship will follow two main axes : measuring guided wave propagation and developing a forward model to solve the inverse problem (estimation of sea ice thickness). Experimental studies will be conducted thanks to experimental setups composed of network of sensors placed on a small-scale sea ice model. To this end, ambient noise correlations-based signal-processing methods3 will be adapted to guided wave propagation, using techniques from physical acoustics4. This laboratory-scale experiment will allow the study of the signal-processing sensitivity to the characteristics of the waveguide, and in particular geometrical irregularities. In the second part of the internship, the inverse problem will be solved on simple cases where an analytical solution to the problem exists.

Required qualifications
The successful candidate is expected to be an experimental physicist or geophysicist interested in seismic wave propagation. A strong background in wave propagation and signal processing is then required. Modelling the forward problem is essential for understanding the physics of wave propagation and for solving the inverse problem, and an experience in numerical modelling is desirable. Data acquisition being an important aspect of the PhD, the candidate will be involved in laboratory experiments.

Références / References
1) J. Vishnuvardhan , C.V. Krishnamurthy, K. Balasubramaniam, Blind inversion method using Lamb waves for the complete elastic property characterization of anisotropic plates, J. Acoust. Soc. Am. 125(2):761-71 (2009), http://dx.doi.org/doi: 10.1121/1.3050253
2) J. Foiret, J.-G. Minonzio, P. Laugier, M. Talmant, Determination of bone properties from Lamb type of waves, ASA Conf. Proc., POMA 19, 075091 (2013) ; http://dx.doi.org/10.1121/1.4800347
3) L. Moreau, J.-G. Minonzio, M.Talmant and P. Laugier, Measuring the wavenumber of guided modes in waveguides with linearly varying thickness (J.Acoust. Soc. Am. accepted)
4) C. Hadziioannou, E. Larose, A. Baig, P. Roux and M. Campillo : Improving Temporal Resolution in Ambient Noise Monitoring of Seismic Wave Speed, J. Geophys. Res. 116, B07304 (2011). doi:10.1029/2011JB008200