Mesoscopics of ultrasound and seismic waves: application to passive imaging

Ann. Phys. Fr., Vol. 31, N°3 2006, pp. 1-126
DOI: 10.1051/anphys:2007001

Mesoscopics of ultrasound and seismic waves: application to passive imaging

É. Larose

Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique, B.P. 53, 38041 Grenoble Cedex 9, France.

(Published online: 6 March 2007)

Abstract This manuscript deals with different aspects of the propagation of acoustic and seismic waves in heterogeneous media, both simply and multiply scattering ones. After a short introduction on conventional imaging techniques, we describe two observations that demonstrate the presence of multiple scattering in seismic records: the equipartition principle, and the coherent backscattering effect (Chap. 2). Multiple scattering is related to the mesoscopic nature of seismic and acoustic waves, and is a strong limitation for conventional techniques like medical or seismic imaging. In the following part of the manuscript (Chaps. 3-5), we present an application of mesoscopic physics to acoustic and seismic waves: the principle of passive imaging. By correlating records of ambient noise or diffuse waves obtained at two passive sensors, it is possible to reconstruct the impulse response of the medium as if a source was placed at one sensor. This provides the opportunity of doing acoustics and seismology without a source. Several aspects of this technique are presented here, starting with theoretical considerations and numerical simulations (Chaps. 3, 4). Then we present experimental applications (Chap. 5) to ultrasound (passive tomography of a layered medium) and to seismic waves (passive imaging of California, and the Moon, with micro-seismic noise).

Résumé - Physique mésoscopique des ultrasons et des ondes sismiques : application à l'imagerie passive.
Cet article de revue rassemble plusieurs aspects fondamentaux et appliqués de la propagation des ondes acoustiques et élastiques dans les milieux hétérogènes, en régime de diffusion simple ou multiple. Après une introduction sur les techniques conventionelles d'imagerie sismique et ultrasonore, nous présentons deux expériences qui mettent en évidence la présence de diffusion multiple dans les enregistrements sismologiques : l'équipartition des ondes, et la rétrodiffusion cohérente (Chap. 2). La diffusion multiple des ondes, qui démontre l'aspect mésoscopique de leur propagation, est une limitation majeure pour les techniques d'imagerie conventionelles (imagerie médicale, sismique réflexion ou réfraction, tomographie...). La deuxième partie du document (Chaps. 3-5) est consacrée à une application de cette physique mésoscopique : le principe de l'imagerie passive. En effectuant la corrélation temporelle d'enregistrement de bruit ambiant ou d'ondes diffuses, il est possible de reconstruire la réponse impulsionnelle du milieu entre deux capteurs passifs comme si l'on avait placé une source en lieu et place d'un des capteurs. Cela offre la possibilité de faire de l'acoustique ou de la sismologie sans source. Plusieurs aspects sont présentés dans ce manuscrit : des aspects théoriques et numériques (Chaps. 3, 4), ensuite des aspects expérimentaux avec des applications (Chap. 5) à l'échelle des ultrasons (tomographie passive d'un milieu stratifié), et des applications à l'échelle de la sismologie (imagerie du sous-sol de la Californie, et même de la Lune).