Mesure hydrophone du transport solide par charriage dans les

1

Thomas Geay, sous la direction de Philippe Belleudy 1 et Jonathan Laronne 2

1LTHE2Ben Gurion University, Israël

2

Flushing operations in Arc river (2007)Helley-Smith exercices in a mountain

creek

Un besoin et un

obstacle pour la

géomorphologie

fluviale:

La mesure du transport

solide par charriage

Hydrophone

(=micro)

5

6

l’Arc en Maurienne

▪ Vitesse de surface [1 ms-1 – 5 ms-1]▪ Pente [0.002-0.006]▪ Hauteur d’eau [0.5 m-4.0 m]▪ d charrié [0.01 m- 0.20 m]

Drau, 19 Septembre 2011

7

� Objectif� Développement d’un nouvel outil d’observation du transport

solide par charriage

� Méthode� Acoustique passive en milieu naturel

� Recherches précédentes� Domaine marin ou labo : Thorne, 1980’s;� Acoustique passive en milieu marin, peu de référence en rivière.

8

(Source: C.Gervaise, GIPSA

Lab)

Un systeme de mesure par acoustique passive:

vue par le traitement du signal.

9

Distance

Profondeur

Source de

bruit

Charriage

Système de

mesureCapteur

Préamplificateur

Digitalisation

Soft

Propagation et

bruit ambiantAtténuation, Réflexion,

Diffraction, bruits

hydrodynamiques

….dans la rivière

Traitement

du signal

temps et fréquence

Directivité

SensibilitéFréquence

d’échantillonage

Bruit électronique

…

Détection

Estimation

Classification

Quantification

…

modélisation de la propagation d’une onde acoustique en milieu maritime

10

� Objectif� Développement d’un nouvel outil d’observation du transport solide par

charriage

� Les questions:

Observation du transport solide:▪ Il y a t’il du charriage?

▪ Caractérisation des particules en mouvements?

▪ Où est ce que l’on a du mouvement?

▪ Quels sont les flux de transport solide par charriage?

Analyse du signal:▪ Détection

▪ Classification

▪ Localisation

▪ Quantification

Détection: Quels bruits mesurons nous dans la

rivière?

11

� En temps:

� En fréquence (Transformation de Fourier):

12

105104102101 103

Fréquence (Hz)

Puissance spectrale (dB)

� Spectrogramme (Short Time Fourier Transform): représentation de l’énergie en temps et en fréquence.

13

L’oreille

14

Q

Acquisition

system

BRIDGE

Turbulence of

the flow

Suspension

Turbulence

around the

hydrophone

Agitating surface

Bed-load transport

� Relation entre la fréquence centrale du bruit généré et le diamètre des particules (mélanges uniformes):� Stage M1 (Olivier Andry): compléter la courbe

16

17

� Compter le nombre d’impulsions par valeur seuil:

Temps (s)

Energie (dB)

E(dB)=10log(Ei/<E>)

Valeur seuil

d’Energie

18

� Difficulté :� Des chocs proches et lointains, faibles et forts

� Des bruits hydrodynamiques proches et lointains, faibles et forts

Un continuum

d’évènements

Energie (V2)

Fonction de répartition

19

� Détecteur (Outil: C.Gervaise):

� Détection d’évènements remarquables dans le plan temps/fréquence

Spectrogramme

Image binaire:

�Noir=Bruit

�Blanc=Signal

Détecteur

20

� Evènements Détectés:� Signaux larges bandes: bruits de nature impulsive (Dirac)

� Meilleur discrimination à hautes fréquence

Donnée: Chasse de l’Arc, 2011

21

� Conclusion sur l’outil de détection

� Meilleure discrimination à hautes fréquences (>20kHz)

Utilisation de l’énergie contenu dans le signal à hautes fréquences pour différencier différents évènements

� Une source de bruit de nature impulsive.

Les chocs sont des bruits impulsifs.

Parti pris : Les impulsions détectées sont des chocs (l’oreille!)

22

� Nouvel outil d’analyse:

N évènements

Classement des évènements

par déciles d’énergie hautes

fréquences (> 20kHz)

Spectre de chaque décile

Temps (s)

Fréquence (Hz)

Energie hautes fréquences

10 paquets

23

100 1000 10 000

Pas de classement des évènements en basse fréquence 2 sources de bruits décorrélées

24

Forme de spectre invariante suivant le classement par énergie haute fréquence

100 1000 10 000

25

� A faible débit:� Deux types de source de bruit détectées par différenciation en fréquence (Charriage: hautes fréquences/Hydrodynamique: basses fréquences)

� Aux débits morphogènes:� Pas de différenciation de sources de bruits:

▪ Parce qu'elles sont liées?

▪ Parce que l’on n’entend que le charriage?

Localiser les sources de bruits…

Localisation: D’où vient le bruit que nous

mesurons?

26

27

60 cm

Hydrophone 1

Hydrophone 2

Source de bruita

b

Retard=(b-a)/c

où

•a,b: distances parcourues par les ondes incidentes

•c est la célérité de l’onde acoustique dans le milieu

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-0.002 -0.001 0 0.001 0.002

28Retard (s)

Γxy (V2)Arrive en retard

sur y par

rapport à x

x

y

60 cm

Depuis le lit de

la rivière

Depuis la

surface

Arrive en avance

sur y par

rapport à x

29

� Des signaux provenant de deux directions privilégiées:▪ Depuis le lit de la rivière

▪ Depuis la surface

� Deux origines possibles:▪ Ondes directes depuis la surface et le lit

▪ Ondes réfléchies

00

00

?

30

Calcul du spectre des signaux enregistrés à

différentes profondeurs

31

Vers le

lit de la

rivière

32

� Observations:� Hautes fréquences: faible atténuation vers la surface

� Basses fréquences: atténuation forte vers la surface, causes possibles:▪ Compétition de sources de bruit.

▪ Effet de propagation (Phénomènes d’interférences):

Hydrophone

Source de bruit:

Changement de phase 180°:

33

Réflexions multiples (surface et lit), Modification des propriétés du

signal avec la distance parcourue

30 ms

1 m

2 m

Hydrophone 1 Hydrophone 2Source de bruit

0.4 msBruit généré par l’impact de deux

sphères sous l’eau [Thorne, 1988]

écoulement

0 0

34

� Comment analyser les effets de propagation:

� Méthode expérimentale (Antenne acoustique)

� Méthode numérique (Modélisation acoustique)

modélisation de la propagation d’une onde acoustique en milieu maritime

Quantification: Quels flux de sédiments?

35

36

Nécessite une calibration avec d’autres méthodes de mesures plus

développées.

37

0

20

40

60

80

100

120

140

160

6/6/11 12:00 6/6/11 18:00 7/6/11 0:00 7/6/11 6:00 7/6/11 12:00 7/6/11 18:00

Time (UTC+2)

Discharge (m3/s)

130.0

135.0

140.0

145.0

150.0

155.0

160.0

165.0

170.0

SPL (dB re 1 uPa))

Discharge at Ste Marie

Sound Pressure Level (dB re 1uPa)

� Mesures de charriage avec trappe Helley-Smith (B.Camenen et al., RiverFlow 2012)

38

39

� Drau: installation d’une station de mesure continue en Janvier 2012

40

� Le site sur la Drau :� 1 Hydrophone

� 40 Géophones sur la section en travers (Mesure continue et spatialisée)

� 3 trappes à sédiment (Mesure locale, continue à l’échelle de l’évènement)

� Station de jaugeage

� Mesure des matières en suspension

Mesures des paramètres physiques générateur de bruit

(Débit, Charriage)

Mesures acoustiques pour différentes conditions

hydrologiques

41

Les résultats acquis:

� Des mesures ponctuelles

� Une meilleure analyse des signaux enregistrés (Détection)

� Effets de propagation sur la mesure (Localisation/Caractérisation):▪ Besoin d’un modèle de propagation acoustique dans un premier temps

� Pour les grandes rivières à graviers▪ Meilleure discrimination: bruit charriage/bruits hydrodynamiques

� Dynamique d’un réseau local et international▪ Acoustique et traitement du signal: C.Gervaise et J.Mars (GIPSALab)▪ Technique de mesure de sédiment par Charriage (R.Frings, Aachen University

/H.Habersack, BOKU Vienna/B.Camenen, CEMAGREF)

42

1. Objectifs scientifiques

� Proposer une méthode de quantification� Comparaison de la méthode acoustique avec d’autres mesures:

▪ Initiation transport solide sur le Rhin (Vidéo) – Janvier 2012▪ Printemps de la Drau (Géophones-Trappes)

� Modélisation acoustique???

2. Valorisation

� 4-5 Avril : workshop SERENADE (Surveillance, Etude et Reconnaissance de l'Environnement Marin par Acoustique Discrète)

� Workshop « Monitoring bedload and debris flows in moutain basin », Octobre 2013

� Un article

3. Rédaction et transmission du relais

43

Conditionnement du signal et structure de déploiement

(pôle électronique et mécanique)

44