An axisymmetric time-domain spectral-element method for full-wave simulations: Application to ocean acoustics

The numerical simulation of acoustic waves in complex 3D media is a key topic in many branches of science, from exploration geophysics to non-destructive testing and medical imaging. With the drastic increase in computing capabilities this field has dramatically grown in the last twenty years. However many 3D computations, especially at high frequency and/or long range, are still far beyond current reach and force researchers to resort to approximations, for example by working in 2D (plane strain) or by using a paraxial approximation. This article presents and validates a numerical technique based on an axisymmetric formulation of a spectral finite-element method in the time domain for heterogeneous fluid-solid media. Taking advantage of axisymmetry enables the study of relevant 3D configurations at a very moderate computational cost. The axisymmetric spectral-element formulation is first introduced, and validation tests are then performed. A typical application of interest in ocean acoustics showing upslope propagation above a dipping viscoelastic ocean bottom is then presented. The method correctly models backscattered waves and explains the transmission losses discrepancies pointed out in Jensen et al. (2007). Finally, a realistic application to a double seamount problem is considered.Comment: Added a reference, and fixed a typo (cylindrical versus spherical

Broadband transmission losses and time dispersion maps from time-domain numerical simulations in ocean acoustics

In this letter, a procedure for the calculation of transmission loss maps from numerical simulations in the time domain is presented. It can be generalized to arbitrary time sequences and to elastic media and provides an insight into how energy spreads into a complex configuration. In addition, time dispersion maps can be generated. These maps provide additional information on how energy is distributed over time. Transmission loss and time dispersion maps are generated at a negligible additional computational cost. To illustrate the type of transmission loss maps that can be produced by the time-domain method, the problem of the classical two-dimensional upslope wedge with a fluid bottom is addressed. The results obtained are compared to those obtained previously based on a parabolic equation. Then, for the same configuration, maps for an elastic bottom and maps for non-monochromatic signals are computed

Simulation numérique en forme d'onde complète d'ondes T et de sources acoustiques en mouvement

This thesis combines observations, simulations and development of high-performance numerical tools in the field of underwater acoustics, and in particular for the study of T-waves.The term T-waves is generally associated with acoustic waves generated by seismic events that subsequently travel horizontally in the ocean at the speed of sound. After a thematic review of the literature on T-waves we analyzed real data recorded in Sicily and Calabria following earthquakes occurring near the West coast of Greece. In order to model the phenomenon, we developed an axisymmetric spectral-element solver (2.5-D) in the time domain, which we present and validate. This tool allowed us to realistically reproduce numerically one of the Greek earthquakes studied as well as the propagation of the resulting T-waves up to Sicily.We also present a two-stage parametric study of the influence of seafloor slope in a typical T-wave generation/conversion scenario. The energy and duration of these waves is particularly sensitive to the environment. In particular, the slopes and characteristics of the seabed play a crucial role for both solid-fluid and fluid-solid conversion. These characteristics can mislead localization algorithms. Likewise, the depth and position of the earthquake relative to the slope is of great importance, with the presence of privileged areas for the generation of T-waves, which we have mapped. In addition, in the case of the conversion of an acoustic wave on a coast, our simulations predict that in some cases a strong Rayleigh wave can be generated, whose signal, recorded inland, is very sensitive to the slope and to the characteristics of the environment, but not very sensitive to the modal structure of the incident wave. This phenomenon may have interesting implications that we discuss.However, our studies confirm that at regional distances (< 1000 km) the sound speed profile in the ocean is only a second-order parameter. To evaluate its impact we have developed a procedure for the calculation of transmission-loss and time-dispersion maps from full-wave numerical simulations in the time domain. In the configurations studied, the presence of the SOFAR channel slightly limits the time dispersion but only introduces a gain in terms of energy transmission of a few thousandths of dB per kilometer.In a second step, we show that a medium-sized commercial vessel, as there are tens of thousands nowadays in the oceans of the globe, can generate by diffraction some T-waves of significant amplitude (of the order of those created by downslope conversion on a slope of 12^{\circ}) and of low dispersion. This mechanism of T-wave generation, to our knowledge undocumented, must be particularly frequent in areas in which maritime traffic is substantial and could explain some abyssal T-waves that are still not well understood. Taking the atmosphere into account in these simulations, we realized that the presence of these vessels could also produce guided infrasound in the lower layers of the atmosphere. This mechanism of infrasound production could be an alternative explanation to the evanescent coupling proposed by Evers et al. (2014) to explain the waves observed in Tasmania following an earthquake on the Macquarie Ridge.Finally, we presented and validated some numerical tools to calculate the acoustic field created by a moving source. The method was applied to a light aircraft flying over the ocean. This configuration, presented by Buckingham (2010), can be used to estimate the pressure wave speed in marine sediments.Cette thèse mêle observations, simulations et développement d'outils numériques haute performance dans le domaine de l’acoustique sous-marine, et notamment pour l’étude des ondes T.Le terme ondes T est généralement associé à des signaux acoustiques générés par des événements sismiques et qui se déplacent ensuite horizontalement dans l'océan à la vitesse du son. Après une revue thématique de la littérature sur les ondes T nous avons analysé des données réelles enregistrées en Sicile et en Calabre à la suite de tremblements de terre survenus près de la côte ouest de la Grèce. Afin de modéliser le phénomène nous avons développé un solveur éléments spectraux axisymétriques (2.5-D) dans le domaine temporel, que nous présentons et validons. Cet outil nous a permis de reproduire numériquement de façon réaliste un des séismes grecs étudiés ainsi que la propagation des ondes T résultantes jusqu'en Sicile.Nous présentons également une étude paramétrique en deux temps de l'influence de la pente du plancher océanique dans un scénario typique de génération/conversion d'une onde T. L'énergie et la durée de ces ondes s’avère être particulièrement sensible à l'environnement. En particulier nous avons vu que les pentes et les caractéristiques du fond marin jouaient un rôle capital autant sur la conversion solide - fluide que fluide - solide. Ces particularités peuvent d'ailleurs tromper les algorithmes de localisation. De même, la profondeur et la position du tremblement de terre vis-à-vis de la pente s'avèrent être de grande importance, avec la présence de zones privilégiées pour la génération des ondes T, que nous avons cartographiées. En outre, dans le cas de la conversion d'une onde acoustique sur une côte, nos simulations prédisent dans certains cas la création d'une forte onde de Rayleigh dont le signal, enregistré à l'intérieur des terres, est très sensible à la pente et aux caractéristiques de l'environnement, mais très peu sensible à la structure modale de l'onde incidente. Ce phénomène peut avoir des implications intéressantes que nous discutons.Cependant, nos études confirment qu’aux distances régionales (< 1000 km) le profil de vitesse dans l'océan s'avère n'être qu'un paramètre de deuxième ordre. Pour en évaluer l’impact nous avons développé une procédure pour le calcul de cartes de perte de transmission et de dispersion à partir de simulations numériques en forme d'onde complète dans le domaine temporel. Dans les configurations étudiées, la présence du canal SOFAR limite légèrement la dispersion temporelle mais n'introduit un gain en termes de transmission énergétique que de l'ordre de quelques millièmes de dB par kilomètre.Dans un second temps nous montrons qu'un bateau commercial de taille moyenne, comme il y en a aujourd'hui des dizaines de milliers sur les mers du globe, peut créer par diffraction des ondes T d'une d'amplitude conséquente (de l'ordre de celles créées par conversion « downslope » sur une pente de 12^{\circ}) et de faible dispersion. Ce mode de génération d'onde T, encore non documenté, doit être particulièrement fréquent dans les zones où le trafic maritime est important et pourrait expliquer certaines ondes T abyssales encore incomprises. En prenant l'atmosphère en compte dans ces simulations nous nous sommes aperçu que la présence de ces mêmes navires pouvait également générer des infrasons guidés dans les couches basses de l'atmosphère. Ce mode de production d'infrasons pourrait constituer une explication alternative au couplage évanescent proposé par Evers et al. (2014) pour expliquer les ondes observées en Tasmanie à la suite d'un tremblement de terre sur la dorsale Macquarie.Pour finir, nous avons présenté et validé des outils numériques pour calculer le champ acoustique créé par une source en mouvement. La méthode a été appliquée au cas d'un avion léger volant au-dessus de l'océan. Cette configuration, présentée par Buckingham (2010), peut permettre d'estimer la vitesse des ondes de compression dans les sédiments

Full-wave numerical simulation of T-waves and moving acoustic sources

Cette thèse mêle observations, simulations et développement d'outils numériques haute performance dans le domaine de l’acoustique sous-marine, et notamment pour l’étude des ondes T. Après une revue de la littérature sur les ondes T, nous avons analysé des données réelles enregistrées en Italie. Afin de modéliser le phénomène nous avons développé un solveur éléments spectraux axisymétriques dans le domaine temporel, que nous présentons et validons. Nous présentons également une étude paramétrique de l'influence de la pente du plancher océanique dans un scénario typique de génération/conversion d'une onde T. L'énergie et la durée de ces ondes s’avère être particulièrement sensible à l'environnement. En particulier nous avons vu que les pentes et les caractéristiques du fond marin jouaient un rôle capital. Nos études confirment qu’aux distances régionales le profil de vitesse dans l'océan s'avère n'être qu'un paramètre de deuxième ordre. Pour en évaluer l’impact nous avons développé une procédure pour le calcul de cartes de perte de transmission et de dispersion à partir de simulations numériques en forme d'onde complète dans le domaine temporel. Dans un second temps nous montrons qu'un bateau commercial de taille moyenne peut créer par diffraction des ondes T d'une d'amplitude conséquente et de faible dispersion. Ce mode de génération d'onde T, encore non documenté, doit être particulièrement fréquent dans les zones où le trafic maritime est important et pourrait expliquer certaines ondes T abyssales encore incomprises. Pour finir, nous présentons des outils numériques pour calculer le champ acoustique créé par une source en mouvementThis thesis combines observations, simulations and development of high performance numerical tools in the field of underwater acoustics, and in particular for the study of T-waves. After a literature review on T-waves, we analysed real data recorded in Italy. In order to model the phenomenon we have developed an axisymmetric spectral element solver in the time domain, which we present and validate. We also present a parametric study of the influence of seafloor slope in a typical scenario of generation / conversion of a T-wave. The energy and duration of these waves is particularly sensitive to the environment. In particular, we have seen that the slopes and characteristics of the seabed are of crucial importance. Our studies confirm that at regional distances the ocean speed profile is only a second order parameter. To evaluate its impact we have developed a procedure for the calculation of transmission and dispersion loss maps from full waveform numerical simulations in the time domain. In a second step we show that a medium-sized commercial boat can create T-waves of a significant amplitude and of low dispersion by diffraction. This T-wave generation mode, still undocumented, must be particularly frequent in areas where maritime traffic is dense and could explain some abyssal T-waves still misunderstood. Finally, we present numerical tools for calculating the acoustic field created by a moving sourc

Numerical simulations of T-wave generation and conversion at shores: Influence of slope angles and of the SOFAR channel.

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Numerical Simulations of T-wave Generation and Propagation: Comparison Between Earthquake and Explosion-generated T-waves

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Some examples of the application of high-performance computing for time-domain full-wave simulations in underwater acoustics using a spectral-element method

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