Propagation acoustique en environnement hétérogène et réseaux de communication chez le lagopède alpin

Acoustic propagation in heterogeneous environments and communication networks in rock ptarmigan

• Auteur / Autrice : Arthur Guibard
• Direction : Marie-Annick Galland, Sébastien Ollivier, Didier Dragna, Frédéric Sèbe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 07/07/2023
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Mécanique, Energétique, Génie Civil et Acoustique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Michel Roger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Annick Galland, Sébastien Ollivier, Didier Dragna, Frédéric Sèbe, Amandine Gasc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Dutilleux, Ole Næsbye Larsen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioacoustique

Lagopède alpin

Mots clés libres

Communication acoustique

Environnement hétérogène

Propagation atmosphérique

Espace actif

Espace de détection

Lagopède alpin

Bioacoustique

Éco-acoustique

Acoustic communication

Heterogeneous environment

Outdoor sound propagation

Active space

Detection space

Rock ptarmigan

Bioacoustic

Ecoacoustic

Résumé

La propagation acoustique rend possible la communication animale à distance. Cependant, les processus d'atténuation limitent la portée des vocalisations. De ce point de vue, l'espace actif est un concept bioacoustique central pour comprendre les réseaux de communication des animaux en milieu naturel. En parallèle, l'espace de détection conditionne les possibilités d'enregistrement des données biologiques lors des études éco-acoustiques. La propagation des signaux acoustiques animaux a été principalement étudiée en considérant l'environnement naturel comme un milieu de propagation homogène. Cela a entraîné une représentation circulaire simplifiée des espaces actifs et de détection qui est encore largement utilisée. Seules quelques études ont évalué les variations de l'espace actif dues aux hétérogénéités de l'environnement et à la position de l'émetteur. Cette thèse propose une une approche intégrative à l'interface entre la bioacoustique et la propagation atmosphérique pour estimer les espaces actifs et de détection de manière robuste chez le lagopède alpin, une espèce emblématique de la haute montagne. Pour cela, nous développons un outil stable et flexible pour étudier l'organisation des réseaux de communication ainsi que les densités de population et leur dynamique. Cet outil est basé sur la résolution numérique de l'équation parabolique pour calculer la propagation acoustique dans l'atmosphère, et prend en compte la topographie, les effets de sol et les conditions météorologiques. Ce travail de thèse comporte trois parties : (i) une validation du code de propagation acoustique en environnement hétérogène, (ii) une application du modèle à l'étude d'un réseau de communication, et (iii) une application aux espaces de détection pour le monitoring passif. Tout d'abord, la comparaison des simulations numériques avec les mesures effectuées lors d'une campagne expérimentale dans les Alpes françaises confirme la capacité du code à prédire avec précision les niveaux sonores. Nous utilisons ensuite ce modèle pour montrer comment les conditions en montagne affectent la surface et la forme des espaces actifs. Une application est ensuite menée dans un contexte écologique à partir de données de terrain comprenant un site de topographie connue, des mesures météorologiques, un suivi GPS des oiseaux et une estimation de l'activité vocale. Nos données révèlent que le fait de chanter pendant les vols en cloche est une bonne stratégie pour un émetteur visant à étendre son espace actif dans un tel environnement, et ainsi atteindre ses congénères. Ce comportement permet une défense rapide du territoire, qui serait impossible avec les chants émis uniquement depuis le sol. Concernant les espaces de détection, l'application du principe de réciprocité permet d'utiliser un calcul indirect du champ de pression à partir d'un point récepteur pour déterminer sa zone d'échantillonnage dans des conditions données. Nous montrons à partir de calculs appliqués que la variabilité des espaces de détection est une donnée cruciale pour l'évaluation de l'activité vocale d'une population. Dans les deux cas de l'espace actif et de l'espace de détection, nous montrons que la prise en compte de la topographie, des conditions météorologiques et du bruit de fond est nécessaire lors des études sur la communication à longue distance, mais également lors des campagnes de recensement par acoustique passive.

Acoustic propagation supports long-distance animal communication. However, attenuation processes also constrain the range of vocalizations. In this regard, the active space is a central bioacoustic concept to understand animal communication networks in the wild. In parallel, detection space determines the possibilities of recording biological data in ecoacoustic studies. Propagation of animal acoustic signals has mostly been studied by considering the natural environment as an homogeneous propagation medium. This resulted in an simplified circular active space representation that is still widely used. Only few studies have assessed the variations of the active space due to environment heterogeneities and transmitter position. This thesis provides an integrative approach at the interface of bioacoustics and atmospheric propagation to robustly estimate active and detection spaces in rock ptarmigan, an emblematic species of the high mountains. For this purpose, we develop a stable and flexible tool to investigate the organization of communication networks as well as population densities and their dynamics. This tool is based on the numerical computation of the parabolic equation for acoustic propagation in the atmosphere, and takes into account topography, ground effects and weather conditions. This thesis work consists of three parts: (i) a validation of the acoustic propagation code in a heterogeneous environment, (ii) an application of the model to the study of a communication network, and (iii) an application to the detection spaces for passive acoustic monitoring. First of all, comparisons of numerical simulations with measurements performed during an experimental campaign in the French Alps confirms the capacity of the code to accurately predict sound levels. We then use this model to show how mountain conditions affect surface and shape of active spaces, with topography being the most significant factor. The model is then applied to an ecological context using field data including a site of known topography, meteorological measurements, GPS tracking of birds and estimates of vocal activity. Our data reveals that singing during display flights is a good strategy for a transmitter to expand its active space in such an environment and reach conspecifics. It enables a quick defense of the territory, which would not otherwise be possible by the mere songs uttered from ground positions. Regarding detection spaces, application of the reciprocity principle to sound propagation allowed to use an indirect sound field computation from a receptor point to determine its sampling area for given conditions. We show from simulations that the variability of the detection spaces is crucial for the evaluation of the vocal activity of a given population. Overall, in both cases of active space and detection space, we show that the consideration of topography, meteorological conditions and background noise is required in long-distance communication studies but also in census campaigns using passive acoustic monitoring.