Estimation haute résolution des nombres d'onde dans un guide d'onde océanique dispersif

International audienceLa propagation acoustique en petit fond et aux basses fréquences est décrite par la somme des modes d'un guide d'onde dispersif. Les propriétés physiques du milieu (sédiment, hauteur de la colonne d'eau, etc.) peuvent être inversées à partir des nombres d'onde. Une manière d'estimer ces nombres d'onde consiste à tracer un diagramme f − k (fréquence-nombre d'onde) : c'est le module des transformées de Fourier spatiale et temporelle (TF2D) des signaux reçus sur une antenne horizontale. Cette méthode présente plusieurs limitations liées à l'utilisation de la transformée de Fourier, en particulier, un nombre important de capteurs est requis pour une résolution acceptable des nombres d'onde. L'objectif de ce travail est de réduire le nombre d'hydrophones tout en gardant une bonne séparation des nombres d'onde. Nous proposons d'utiliser un modèle autorégressif des signaux de l'antenne. Le nombre minimal de capteurs nécessaires pour garantir une bonne séparation modale est choisi sur un diagramme de stabilisation. Les diagrammes f −k obtenus par modélisation autorégressive sont tracés pour des données simulées dans un guide de Pekeris et des mesures en mer du Nord. Les diagrammes f−k obtenus par le modèle AR présentent des résolutions modales supérieures tout en utilisant un nombre moindre de capteurs que ceux obtenus par TF2

Impulsive noise pollution in the Northeast Atlantic: Reported activity during 2015-2017

Underwater noise pollution from impulsive sources (e.g. explosions, seismic airguns, percussive pile driving) can affect marine fauna through mortality, physical injury, auditory damage, physiological stress, acoustic masking, and behavioural responses. Given the potential for large-scale impact on marine ecosystems, some countries are now monitoring impulsive noise activity, coordinated internationally through Regional Seas Conventions. Here, we assess impulsive noise activity in the Northeast Atlantic reported during 2015-2017 to the first international impulsive noise register (INR), established in 2016 under the OSPAR Convention. Seismic airgun surveys were the dominant noise source (67%-83% of annual activity) and declined by 38% during 2015-2017. Reported pile driving activity increased 46%. Explosions and sonar/acoustic deterrent devices both had overall increases in reported activity. Some increases were attributable to more comprehensive reporting in later years. We discuss utilising the INR for risk assessment, target setting, and forward planning, and the implementation of similar systems in other regions

COVID-19 symptoms at hospital admission vary with age and sex: results from the ISARIC prospective multinational observational study

Background: The ISARIC prospective multinational observational study is the largest cohort of hospitalized patients with COVID-19. We present relationships of age, sex, and nationality to presenting symptoms. Methods: International, prospective observational study of 60 109 hospitalized symptomatic patients with laboratory-confirmed COVID-19 recruited from 43 countries between 30 January and 3 August 2020. Logistic regression was performed to evaluate relationships of age and sex to published COVID-19 case definitions and the most commonly reported symptoms. Results: ‘Typical’ symptoms of fever (69%), cough (68%) and shortness of breath (66%) were the most commonly reported. 92% of patients experienced at least one of these. Prevalence of typical symptoms was greatest in 30- to 60-year-olds (respectively 80, 79, 69%; at least one 95%). They were reported less frequently in children (≤ 18 years: 69, 48, 23; 85%), older adults (≥ 70 years: 61, 62, 65; 90%), and women (66, 66, 64; 90%; vs. men 71, 70, 67; 93%, each P < 0.001). The most common atypical presentations under 60 years of age were nausea and vomiting and abdominal pain, and over 60 years was confusion. Regression models showed significant differences in symptoms with sex, age and country. Interpretation: This international collaboration has allowed us to report reliable symptom data from the largest cohort of patients admitted to hospital with COVID-19. Adults over 60 and children admitted to hospital with COVID-19 are less likely to present with typical symptoms. Nausea and vomiting are common atypical presentations under 30 years. Confusion is a frequent atypical presentation of COVID-19 in adults over 60 years. Women are less likely to experience typical symptoms than men

Caractérisation des sources acoustiques sur le matériel ferroviaire par méthode d’antennerie

The reduction of the noise pollution due to transportation is a major environmental concern. VAMPPASS is a program for simulating the by-pass noise~; several reduction solutions are investigated and compared. Source characteristics are used as VAMPPASS inputs. They are defined by their positions, spectra and acoustic levels. Beamforming is an array processing used by the SNCF to localise main sources on noise maps. This method consists in applying a spatial filter on the measurements. The quality of the filtering depends on the sensor positions of the array (i.e. its geometry), on the source positions and on the propagation hypothesis. It is defined as the directivity pattern of the array. A main lobe indicates the listening direction. Secondary lobes receive energy from other directions, which limits the quantitative interpretation of the source levels. Moreover, on the noise maps of the train, the rail radiation is not correctly identified.The goal of the study is to define a quantitative processing to characterise the whole acoustic sources on the railway stock.In a first part, the array performances are quantified by criterion calculated on the directivity pattern. We propose the use of a genetic algorithm to optimize the microphone positions. An investigation of the results shows tendencies between criterion and array geometries. A support is designed to validate the solutions found by optimization on a TGV. The source locations are more accurate on the noise maps obtained.The rail radiation is studied using a shaker and the array. Experiment results are compared with a rail simple model. Differences appear, the model can not be exploited in rolling condition. A simpler method is proposed to extract acoustic contributions of the wheels and the rail. Using the radiation spectra of the elements, space-frequency domains are associated to the radiation of the wheels and the rail. The rail is then identified as a more important source, which correspond to theoretical results.In the third part, we propose a new deconvolution method adapted for moving sources. The source contributions seen by the secondary lobes are corrected from the beamforming output. The main innovation of the method is to deconvolute on a time-frequency domain to take into confound the frequency shift of the Doppler effect. Comparisons of TGV noise maps show the interest of the new approach to suppress ghost sources.La réduction de la pollution sonore des moyens de transport est un enjeu environnemental majeur. La SNCF a développé le logiciel VAMPPASS pour la simulation de bruit de trains au passage~; des solutions de réduction de bruit peuvent être étudiées et comparées. Les caractéristiques des sources présentes sur le matériel ferroviaire sont utilisées en entrée du logiciel. Les sources sont définies par leurs positions, leurs spectres et leurs niveaux acoustiques. Pour caractériser les sources, nous utilisons notamment l'antennerie acoustique. La formation de voie est un traitement d'antenne pour la localisation de sources. L'approche de dédopplerisation est utilisée par la SNCF pour réaliser des cartographies sur les trains en mouvement et identifier les principales sources de bruit. Cette méthode consiste à appliquer un filtrage spatial sur les mesures. Ce filtrage dépend de la position des capteurs de l'antenne (sa géométrie), de la position des sources et des hypothèses de propagation. Cette fonction est définie comme le diagramme de directivité de l'antenne. Un lobe principal pointe dans la direction d'écoute et présente le gain maximal. Des lobes secondaires du diagramme récupèrent de l'énergie dans les autres directions, l'analyse quantitative du niveau des sources est donc limitée. De plus, sur les cartographies, le rayonnement acoustique du rail n'est pas correctement détecté.L'objectif de ce travail de thèse est de définir un traitement quantitatif pour la caractérisation de l'ensemble des sources de bruit sur le matériel ferroviaire.Dans un premier temps, nous proposons d'améliorer les performances de l'antenne. Nous définissons des critères de qualité sur le diagramme de directivité. Ces critères sont obtenus par simulation et n'ont pas d'expression simple en fonction de la position des microphones. Nous proposons d'utiliser un algorithme génétique pour optimiser les géométries d'antennes suivant ces critères. L'analyse des résultats permet de confirmer des tendances entre les critères et la géométrie. Un support d'antenne est réalisé pour accueillir les solutions proposées par l'algorithme génétique. L'antenne optimisée est testée sur un TGV au passage, les sources sont mieux localisées et les cartographies présentent moins de sources fantômes.Une étude du rayonnement du rail est réalisée. Le rail est excité par un pot vibrant à poste fixe. Les résultats de la formation de voie sont comparés à ceux d'un modèle de rayonnement du rail. Des différences apparaissent, ce qui ne nous permet pas d'exploiter les résultats pour appliquer le modèle en condition de roulement. Nous proposons une méthode plus simple pour séparer les contributions acoustiques du rail et de la roue. Cette méthode se base sur les spectres de ces éléments et aussi sur le temps de passage des roues devant l'antenne. Les résultats obtenus montrent une contribution acoustique du rail plus importante, ce qui est cohérent avec la théorie.Enfin, nous proposons une méthode de déconvolution adaptée aux sources en mouvement. La sortie de la formation de voie est corrigée de la contribution des autre sources vues par les lobes secondaires de l'antenne. La spécificité du traitement est de déconvoluer sur un plan temps-fréquence pour tenir compte de l'effet Doppler. La comparaison de cartographies de TGV au passage met en avant l'efficacité de la méthode pour supprimer les sources fantômes

Impact de l’environnement marin sur la propagation acoustique

L’environnement marin est complexe et dynamique. Selon la fréquence de l’onde acoustique, la bathymétrie, le sédiment marin ou les propriétés de la colonne d’eau peuvent avoir des impacts importants sur la propagation. La connaissance de l’environnement joue alors un jeu majeur dans l'étude de la propagation acoustique. Le Shom est un acteur de cette connaissance, en réalisant des produits numériques et en conduisant des campagnes en mer. Son action s’inscrit dans la mission nationale hydrographique, le soutien aux politiques publiques et le soutien aux forces. Mon travail dans le service acoustique sous-marine du Shom est en lien avec ces deux derniers volets. Pour les politiques publiques, je pilote l’évaluation de la pollution sonore sous-marine pour l’implémentation des directives européennes en France. Pour la défense, je travaille sur l’amélioration des produits environnementaux pour la prédiction des performances sonar. Je présenterai le lien entre la propagation sous-marine et les modèles d'environnement pour différents cas d’étude

Estimation modale large bande avec une petite antenne horizontale

L’estimation des nombres d’onde acoustiques présente un grand intérêt pour l’inversion environnementale en milieu petit fond. Avec une antenne horizontale, les nombres d’onde sont calculés par estimation spectrale dans la dimension spatiale. La représentation fréquencenombre d’onde (f-k) est obtenue en concaténant les spectres des nombres d’onde sur plusieurs fréquences. Le plan f-k est particulièrement utile pour la caractérisation des milieux dispersifs. Une méthode d’Acquisition Comprimée (CS pour Compressed Sensing) est proposée pour l’amélioration des performances de l’estimation spectrale spatiale. Le CS est adapté en contexte de propagation modale car le champ acoustique est décrit par un petit nombre de modes propagatifs. Cependant, aux plus hautes fréquences le nombre de modes augmente, la séparation des nombres d’onde devient plus difficile, en particulier lorsque l’antenne est petite. Cet article présente l’utilisation d’une méthode de filtrage particulaire (FP) pour séparer les nombres d’onde sur une large plage de fréquences. La méthode repose sur la physique dispersive, vraie pour tous les guides d’onde, pour suivre les courbes de dispersion avec les fréquences. L’utilisation successive du CS et du FP permet alors la représentation f-k pour des données ne respectant pas les dimensions usuelles pour l’analyse spectrale spatiale. La méthode est appliquée avec succès sur les mesures de l’antenne SHARK (32 capteurs) de la campagne SW06.Estimation of the acoustic wavenumbers presents great interests in shallow environments. They provide relevant material to infer the sediment parameters. Using a horizontal array, the wavenumbers are obtained with usual spectral estimation methods in the spatial dimension. The computation of the wavenumber spectra at several frequencies leads to a frequencywavenumber (f-k) diagram, which is appropriate for the characterization of dispersive propagations. In this paper, a Compressed Sensing (CS) method is proposed to improve the separation of the wavenumbers. The CS approach is particularly relevant since only few modes are propagating. However, at higher frequencies the number of propagating mode increases and the wavenumber separation becomes more difficult, especially when using short arrays. This paper introduces a wideband particle filtering (PF) algorithm for the wavenumber tracking. It takes advantage of the dispersion relation which is true in every waveguides. The consecutive use of CS and PF allows computing the f-k representation for array measurements that does not respect the usual requirements of array length. An application on the 32 sensor SHARK array of the SW06 campaign illustrates the whole methodology

Autoregressive model for high-resolution wavenumber estimation in a shallow water environment using a broadband source

International audienceIn a shallow water environment, wavenumbers can be estimated by computing time and spatial Fourier transforms of horizontal array measurements. The frequency-wavenumber representation allows wide band estimation but a sufficient number of hydrophones are required for accurate wavenumber resolution. This paper presents the application of an autoregressive (AR) model to compute the high resolution wavenumber spectrum. The smallest number of required sensors for the AR model is found using a stabilization diagram. The method is validated on simulated and experimental data. The wavenumbers are accurately estimated over a wide frequency band using fewer sensors than are needed for the spatial Fourier Transform

WAVENUMBER TRACKING IN A LOWRESOLUTION FREQUENCY-WAVENUMBER REPRESENTATION USING PARTICLE FILTERING

International audienceIn underwater acoustics, shallow water environments (d < 200 m) act as dispersive waveguide when considering lowfrequency sources (f < 250 Hz), and propagation is described by modal theory. Propagated signals are usually multicomponent, and the group delay of each mode (each component) is dispersive and varies with mode number. The waveguide dispersion is characterized by modal wavenumbers, which are widely used as inputs of inversion algorithms to estimate environmental properties. Considering a horizontal array and a source along the axis of the array, wavenumber estimation is equivalent to spectral analysis in the range dimension. A large number of hydrophones (i.e. range samples) is thus required to perform an accurate wavenumber (i.e. spectral) estimation. This paper proposes an original approach for estimating the wavenumbers using a short array and a broadband low-frequency source. The wavenumbers are tracked in the frequency-wavenumber (f −k) domain using particle filtering. The waveguide physics provides generic system and state equations to model the f − k diagram. In particular, it is possible to define an iterative relationship for wavenumber at two consecutive frequencies using the dispersion relation, which holds true in every waveguide. The proposed method provides interesting results on simulated data using 10 hydrophones. It is validated on experimental data recorded in the North Se

Compressed sensing for wideband wavenumber tracking in dispersive shallow water

International audienceIn shallow water zones and at low frequency, seabed and water column properties can be estimated from the acoustic wavenumbers using inversion algorithms. When considering horizontal line arrays (HLA) and narrowband sources, the wavenumbers can be evaluated with classic spectral analysis methods. In this paper, a compressed sensing (CS) method for sparse recovery of the wavenumbers is proposed. This takes advantage of the few propagating modes and allows for spectral estimation when short HLA are used. The CS representation improves the wavenumber estimation, compared to the Fourier transform. However, for small arrays and several propagating modes, the CS generates interferences and does not allow proper wavenumber estimation. When considering broadband sources, it is possible to combine the wavenumbers estimated at several frequencies in order to build a frequency-wavenumber (f − k) representation. In this case, a post-processing tracking operation which improves the f − k resolution is presented. This relies on a general approach of waveguide physics and uses a particle filtering (PF) algorithm to track the wavenumbers. The consecutive use of CS and PF leads to a better wavenumber estimation. This methodology can be used for sources that are not at an end-fire position. It is illustrated by simulations and successfully applied on the Shallow Water 2006 data using the 32 sensor SHARK array