Space-time resolved measurements for water waves: time-reversal and wave turbulence.
Mesures spatio-temporelles d'ondes à la surface de l'eau : retournement temporel et turbulence d'onde.
Résumé
This thesis presents an experimental investigation on water waves and concentrates on two current challenges. The first, to validate the time-reversal focusing of surface waves, and the second, to characterize the wave turbulence by joint space-time energy spectra analysis. The common requirement for each study was the measurement of free-surface deformation. Quantitative data was gathered by Fourier Transform Profilometry. Resonance-type wave damping is shown to be present while using this method with water colored by standard paint. A proper investigation of the wave phenomena is enabled by a crucial improvement to this technique which overcomes the damping effect. This work provides the first experimental evidence of time-reversal focusing of surface waves. One time-reversal channel was sufficient to reconstruct the wave at the point source in a reverberating cavity. It is also demonstrated that the quality of the refocusing increases linearly with the number of re-emitting channels. This thesis also concerns wave turbulence experiments performed for two forcing frequency ranges with varying wave intensity. Depending on the forcing bandwidth two different regimes were observed. The energy cascade slope was found to be both forcing dependent, as classically observed in laboratory experiments, or forcing independent. In the latter case, the results are in agreement with the theory. The remainder of the thesis focuses on bathymetry. The feasibility of underwater depth reconstruction, by fitting an appropriate Bessel function to the experimental data, is demonstrated using a "circle method".
Cette thèse porte sur l'étude expérimentale des ondes à la surface de l'eau et se concentre sur deux sujets : valider la focalisation des ondes de surface par retournement temporel et caractériser la turbulence d'onde par analyse des spectres spatio-temporels. La problématique commune était la mesure de la déformation de la surface libre. Avec la technique de Profilométrie par Transformée de Fourier utilisée jusqu'à present, la coloration de l'eau par de la peinture usuelle a pour conséquence une atténuation des ondes par résonance d'ondes de films de surface. Une amélioration importante de la méthode permet une analyse fiable des phénomènes d'ondes en surmontant l'effet d'amortissement. Ce travail apporte ensuite la première preuve expérimentale de focalisation par retournement temporel des ondes de surface. Un unique canal de retournement temporel a suffi pour reconstruire l'onde à sa source initiale dans une cavité. Il a été démontré que la qualité de la focalisation augmente linéairement avec le nombre de canaux de réémission. Une autre partie de cette thèse concerne des expériences de turbulence d'onde effectuées pour deux bandes de fréquence de forçage avec différentes intensités d'onde. Selon la bande de forçage, deux régimes différents ont été observés. La pente de cascade d'énergie s'est révélée être dépendante du forçage, comme observé précédemment, ou indépendante. Dans ce dernier cas, les résultats sont en accord avec la théorie. La thèse traite également de la bathymétrie. En utilisant la "méthode du cercle" cette étude a permis de déterminer la profondeur d'eau par ajustement de la fonction de Bessel appropriée aux données expérimentales.
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