Méthode des rayons complexes pour la propagation infrasonore. Application au bang sonique d’un météoroïde

par Annie Zelias

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de François Coulouvrat.

Soutenue le 21-04-2022

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marc Conoir.

Le jury était composé de Olaf Gainville, Didier Dragna, Jean Virieux.

Les rapporteurs étaient Véronique Farra, Raphaël F. Garcia.

mots clés

• Rayons propres complexes
• Zone d'ombre
• Caustique
• Météorite
• Infrasons
• Ondes -- Propagation
• Atmosphère
• Physique -- Modèles mathématiques

Résumé

La plupart des phénomènes atmosphériques de forte énergie, qu'ils soient naturels ou anthropiques émettent des ondes de fréquence inférieure à 20Hz, appelées infrasons. Ces ondes peuvent se propager sur des milliers de kilomètres en bénéficiant de leur faible atténuation et de la structure de l'atmosphère qui guide leur propagation. Dans le but de prédire les paramètres géométriques et les signatures dans les zones d'ombres, nous avons adapté la méthode des rayons complexes à la propagation atmosphérique des infrasons. Pour cela nous avons développé une méthode numérique permettant de calculer les rayons propres dans tout le domaine. Une étude détaillée sur le cas d'une source ponctuelle, analogue à une explosion a permis de valider l'algorithme par une comparaison à une méthode d'approximation parabolique. Une méthodologie d'ajustement de données de vitesse du son et du vent par des fonctions analytiques a été mise en place, afin de permettre l'utilisation de profils atmosphériques réalistes adaptés à la méthode des rayons complexes. Cela a donné lieu à l'application à un cas simplifié de météorite (météorite de Carancas observée le 15 septembre 2007 au Pérou), dont les signatures ont été enregistrées par une station infrasonore localisée en zone d'ombre. Ce cas nous a permis de montrer l'efficacité de la méthode des rayons complexes.

mots clés

• Complex eigenrays
• Shadow zone
• Caustic
• Meteorite

Titre traduit

Complex ray method for infrasound propagation. Application to the sonic boom of meteoroids

Résumé

Most of high-energy atmospheric phenomena, either natural or anthropogenic emit waves of frequency lower than 20 Hz, called infrasound. These waves can spread over thousands kilometers with the benefit of their low attenuation and the structure of the atmosphere that guides their propagation. In order to predict the geometric parameters and the signatures in these zones, and in order to keep the efficiency and quickness of calculation, we have adapted the complex ray tracing method for the atmospheric propagation of infrasound. In a first step, the usual ray method is recalled and its extension to the complex plane is presented. Hence, we developed a numeric method to compute eigenrays in the whole domain and for all arrivals formed by the atmospheric waveguides. A detailed study on the case of a point source, analogous to an explosion allowed us to validate the developed eigenray research algorithm, by comparison to the parabolic approximation method. A speed of sound and wind datas fitting methodology by analytical functions has been set, to allow the use of realistic atmospheric profiles, suitable for the complex ray method. This gave rise application to a simplified meteorite case (Carancas meteorite observed on September 15, 2007 in Peru), whose signatures were recorded by an infrasound station located in a shadow zone.