Atténuation des Ondes en Mécanique des Roches

Exercice : Atténuation des Ondes en Mécanique des Roches

Atténuation des Ondes en Mécanique des Roches

Contexte : L'atténuation des ondesPerte d'énergie d'une onde (par exemple sismique ou ultrasonore) lorsqu'elle se propage à travers un matériau. en milieu rocheux fracturé.

En mécanique des roches et en géophysique, il est crucial de comprendre comment l'énergie d'une onde se dissipe lorsqu'elle traverse un massif rocheux. Cette atténuation affecte directement l'interprétation des signaux sismiques, l'auscultation non destructive des ouvrages (tunnels, barrages) et l'estimation de la stabilité des excavations. L'atténuation dépend fortement de la fréquence de l'onde et de l'état du massif, notamment son degré de fracturationPrésence de discontinuités (fissures, joints, failles) dans un massif rocheux, qui influencent fortement ses propriétés mécaniques et hydrauliques.. Cet exercice explore cette relation.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à quantifier l'atténuation en utilisant le facteur de qualité QParamètre sans dimension qui décrit l'efficacité avec laquelle un matériau dissipe l'énergie d'une onde. Un Q élevé signifie une faible atténuation., et à modéliser l'impact combiné de la fréquence et de la fracturation sur l'amplitude d'une onde P.


Objectifs Pédagogiques

  • Comprendre la définition du facteur de qualité \(Q\) et du coefficient d'atténuation \(\alpha\).
  • Calculer le coefficient d'atténuation pour différentes fréquences.
  • Modéliser l'impact de la fracturation (via le RQDRock Quality Designation : indice de qualité des roches basé sur le pourcentage de carottes de plus de 10 cm de long récupérées lors d'un forage.) sur le facteur de qualité.
  • Quantifier la perte d'amplitude d'une onde en fonction de la distance, de la fréquence et de la qualité de la roche.

Données de l'étude

On étudie la propagation d'une onde de compression (onde P) dans un massif de granite sur une distance de 100 mètres. Les propriétés du massif sont à estimer pour une étude de stabilité.

Fiche Technique
Caractéristique Valeur
Type de roche Granite
Distance de propagation (\(x\)) 100 m
Amplitude initiale de l'onde \(A_0\) (valeur de référence)
Modélisation de la Propagation de l'Onde
A₀ A(x) Propagation (Distance x) Zone fracturée
[Nom du Paramètre] [Description ou Formule] [Valeur] [Unité]
Vitesse Onde P (\(V_p\)) Vitesse de l'onde dans le granite 5500 \(\text{m/s}\)
Facteur Qualité (\(Q_0\)) Facteur Q de la roche intacte (saine) 200 \(\text{(sans dim.)}\)
Indice RQD Indice de qualité du massif rocheux 70 %

Questions à traiter

  1. Calculer le facteur de qualité effectif \(Q_{\text{eff}}\) du massif en utilisant l'indice RQD.
  2. Calculer le coefficient d'atténuation \(\alpha_{\text{eff}}\) (en \(\text{m}^{-1}\)) pour trois fréquences différentes : \(f_1 = 50 \text{ Hz}\), \(f_2 = 500 \text{ Hz}\), et \(f_3 = 5000 \text{ Hz}\), en utilisant \(Q_{\text{eff}}\).
  3. Calculer l'amplitude finale \(A(x)\) après 100 m de propagation, exprimée en pourcentage de l'amplitude initiale (\(A(x) / A_0\)), pour chacune des trois fréquences.
  4. Analyser et conclure sur l'impact de la fréquence sur l'atténuation dans ce massif fracturé.

Les bases sur l'Atténuation des Ondes

Lorsqu'une onde se propage dans un milieu réel, elle perd de l'énergie à cause de divers mécanismes (friction, viscosité, diffusion par les hétérogénéités...). C'est l'atténuation.

1. Facteur de Qualité \(Q\)
Le facteur de qualité \(Q\) est un paramètre fondamental qui décrit la capacité d'un milieu à dissiper l'énergie. Un \(Q\) élevé (ex: \(Q > 200\)) signifie une roche saine, peu atténuante. Un \(Q\) faible (ex: \(Q < 50\)) signifie un milieu très dissipatif (roche très fracturée, sol meuble).

2. Coefficient d'Atténuation \(\alpha\) et Amplitude
La décroissance de l'amplitude \(A\) avec la distance \(x\) suit une loi exponentielle : \[ A(x) = A_0 \cdot e^{-\alpha x} \] Où \(\alpha\) est le coefficient d'atténuation (en \(\text{m}^{-1}\)). Ce coefficient est lié au facteur \(Q\), à la fréquence \(f\) (en \(\text{Hz}\)) et à la vitesse de l'onde \(V_p\) (en \(\text{m/s}\)) par la relation : \[ \alpha = \frac{\pi f}{V_p Q} \]


Correction : Atténuation des Ondes en Mécanique des Roches

Question 1 : Calculer le facteur de qualité effectif \(Q_{\text{eff}}\) du massif.

Principe

Le facteur de qualité \(Q_0 = 200\) est donné pour une roche intacte (parfaite). Cependant, le massif est fracturé (\(\text{RQD} = 70\%\)). Les fractures et discontinuités augmentent la dissipation d'énergie, ce qui réduit le facteur de qualité. On doit donc calculer un facteur de qualité "effectif" \(Q_{\text{eff}}\) qui représente l'état réel du massif.

Mini-Cours

Il n'existe pas de loi universelle liant le RQD au facteur Q, mais plusieurs relations empiriques sont utilisées. Une approche simple consiste à supposer une relation linéaire simple, où le facteur Q est dégradé proportionnellement au RQD (exprimé en fraction). Un RQD de 100% (roche parfaite) donnerait \(Q_{\text{eff}} = Q_0\), et un RQD de 0% (roche broyée) donnerait un \(Q_{\text{eff}}\) très faible.

Remarque Pédagogique

Pensez à cette section comme un conseil d'un professeur ou d'un tuteur. Cette relation empirique est une simplification. En pratique, la relation Q-RQD est complexe et dépend du type de roche.

Normes

Dans le monde de l'ingénierie, on ne calcule pas au hasard. Cet exercice utilise des relations empiriques couramment admises en géotechnique et en géophysique pour une première estimation.

Formule(s)

Nous utiliserons la relation empirique linéaire simple suivante :

\[ Q_{\text{eff}} = Q_0 \times \left( \frac{\text{RQD}}{100} \right) \]
Hypothèses

Avant de calculer, on doit poser un cadre. Les hypothèses sont des simplifications que l'on fait pour que le problème puisse être résolu.

  • La relation entre Q et \(\text{RQD}\) est supposée linéaire.
  • Le \(Q_0\) de la roche intacte est constant et connu.
Donnée(s)

Les données pertinentes pour cette question sont :

ParamètreSymboleValeurUnité
Facteur Qualité (Roche Intacte)\(Q_0\)200\(\text{(sans dim.)}\)
Indice \(\text{RQD}\)\(\text{RQD}\)70%
Astuces

Le \(\text{RQD}/100\) (70/100 = 0.7) est un simple multiplicateur. On cherche 70% de la valeur de la roche saine (200).

Schéma (Avant les calculs)

Un bon schéma vaut mieux qu'un long discours. Visualisons la dégradation du facteur Q.

Modélisation Conceptuelle de la Qualité
Roche Saine Q₀ = 200 Massif Fracturé Q_eff = 140 Impact Fracturation (RQD = 70%)
Calcul(s)

Nous allons maintenant appliquer les formules vues précédemment avec les données du problème, étape par étape.

Étape 1 : Rappel de la formule

\[ Q_{\text{eff}} = Q_0 \times \left( \frac{\text{RQD}}{100} \right) \]

Étape 2 : Substitution des valeurs

On remplace \(Q_0\) par 200 et \(\text{RQD}\) par 70 :

\[ Q_{\text{eff}} = 200 \times \left( \frac{70}{100} \right) \]

Étape 3 : Calcul final

On calcule d'abord le ratio : \(70 / 100 = 0.7\)

\[ \begin{aligned} Q_{\text{eff}} &= 200 \times 0.7 \\ \Rightarrow Q_{\text{eff}} &= 140 \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Cette étape étant un calcul de paramètre, un schéma post-calcul n'est pas nécessaire. Le schéma conceptuel ci-dessus résume l'opération.

Réflexions

Comme attendu, le facteur de qualité effectif (140) est inférieur au facteur de qualité de la roche intacte (200). Le massif fracturé est plus dissipatif (il atténue plus les ondes) que la roche saine.

Points de vigilance

Ne pas confondre \(Q_0\) (roche saine) et \(Q_{\text{eff}}\) (massif fracturé). Toujours utiliser la valeur effective qui représente le milieu réel pour les calculs d'atténuation.

Points à retenir

Le \(\text{RQD}\) est un indicateur clé de la qualité du massif. Un \(\text{RQD}\) plus faible implique un \(Q_{\text{eff}}\) plus faible et donc une atténuation plus forte.

Le saviez-vous ?

L'indice \(\text{RQD}\) (Rock Quality Designation) a été développé par Don Deere dans les années 1960 pour quantifier la qualité des carottes de forage et est devenu un standard mondial en géotechnique.

FAQ

Il est normal d'avoir des questions. Voici une liste des interrogations les plus fréquentes.

Résultat Final
Le facteur de qualité effectif du massif est \(Q_{\text{eff}} = 140\).
A vous de jouer

Que deviendrait \(Q_{\text{eff}}\) si le massif était très fracturé, avec un \(\text{RQD}\) de 40% ?

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 1 :

  • Concept Clé : La fracturation (\(\text{RQD}\)) dégrade le facteur de qualité (Q).
  • Formule : \(Q_{\text{eff}} = Q_0 \times (\text{RQD}/100)\).

Question 2 : Calculer le coefficient d'atténuation \(\alpha_{\text{eff}}\) pour \(f_1 = 50 \text{ Hz}\), \(f_2 = 500 \text{ Hz}\), et \(f_3 = 5000 \text{ Hz}\).

Principe

Maintenant que nous avons le facteur de qualité effectif \(Q_{\text{eff}}\) du milieu, nous pouvons calculer comment ce milieu atténue les ondes. Le coefficient \(\alpha_{\text{eff}}\) (en \(\text{m}^{-1}\)) nous dit de combien l'amplitude de l'onde décroît (en Neper) pour chaque mètre parcouru. Nous devons voir comment ce coefficient change avec la fréquence.

Mini-Cours

Le coefficient d'atténuation \(\alpha\) est la partie réelle du nombre d'onde complexe. Il quantifie la perte d'énergie par unité de distance. La relation \(\alpha = \pi f / (V_p Q)\) montre qu'à \(Q\) et \(V_p\) constants, l'atténuation est directement proportionnelle à la fréquence. Les hautes fréquences s'atténuent donc plus vite.

Remarque Pédagogique

Observez bien la linéarité : si vous calculez \(\alpha\) pour 50 Hz, vous pouvez trouver les autres valeurs par simple multiplication (x10, x100). C'est un bon moyen de vérifier vos calculs.

Normes

Ce modèle d'atténuation (où Q est constant avec la fréquence) est appelé "modèle de Futterman" ou "atténuation quasi-constante" (Constant Q). C'est le modèle le plus couramment utilisé en sismologie et en géophysique.

Formule(s)

La formule liant le coefficient d'atténuation à la fréquence et au facteur de qualité est :

\[ \alpha_{\text{eff}} = \frac{\pi f}{V_p Q_{\text{eff}}} \]
Hypothèses

Nous posons les hypothèses suivantes pour ce calcul :

  • Le facteur \(Q_{\text{eff}} = 140\) est constant sur la plage de fréquences étudiée (50 à 5000 \(\text{Hz}\)).
  • La vitesse \(V_p = 5500 \text{ m/s}\) est également constante (milieu non dispersif).
Donnée(s)

Nous utilisons les données de l'énoncé et le résultat de la Q1 :

ParamètreSymboleValeurUnité
Vitesse Onde P\(V_p\)5500\(\text{m/s}\)
Facteur Qualité Effectif\(Q_{\text{eff}}\)140\(\text{(sans dim.)}\)
Fréquences\(f\)50, 500, 5000\(\text{Hz}\)
Astuces

La formule montre que \(\alpha\) est directement proportionnel à \(f\). On peut donc s'attendre à ce que \(\alpha\) pour 500 \(\text{Hz}\) soit 10 fois plus grand que pour 50 \(\text{Hz}\).

Schéma (Avant les calculs)

Visualisons la relation linéaire entre \(\alpha\) et \(f\). Le calcul déterminera la pente de cette droite.

Relation α vs f
Fréquence (f) Atténuation (α) α = (π / (Vp · Q_eff)) · f (Relation linéaire)
Calcul(s)

C'est le cœur de la résolution. Nous appliquons la formule \(\alpha_{\text{eff}} = \frac{\pi f}{V_p Q_{\text{eff}}}\) pour les trois fréquences, en détaillant le calcul pour le premier cas.

Cas 1 : \(f_1 = 50 \text{ Hz}\)

Étape 2a : Numérateur. On calcule \(\pi \times f_1\)

\[ \pi \times 50 \approx 3.14159 \times 50 \approx 157.08 \]

Étape 2b : Dénominateur. On calcule \(V_p \times Q_{\text{eff}}\)

\[ 5500 \text{ m/s} \times 140 = 770000 \text{ m/s} \]

Étape 2c : Division. On calcule \(\alpha_1 = \text{Numérateur} / \text{Dénominateur}\)

\[ \begin{aligned} \alpha_1 &= \frac{157.08}{770000} \\ \Rightarrow \alpha_1 &\approx 0.000204 \text{ m}^{-1} \end{aligned} \]

Cas 2 : \(f_2 = 500 \text{ Hz}\)

Étape 2a : Calcul complet. On refait la substitution :

\[ \begin{aligned} \alpha_2 &= \frac{\pi \times 500}{5500 \times 140} \\ &= \frac{1570.8}{770000} \\ \Rightarrow \alpha_2 &\approx 0.00204 \text{ m}^{-1} \end{aligned} \]

Étape 2b : Raccourci (vérification). Puisque \(f_2 = 10 \times f_1\), \(\alpha_2\) doit être 10 fois \(\alpha_1\).

\[ \alpha_2 = 10 \times \alpha_1 = 10 \times 0.000204 = 0.00204 \text{ m}^{-1} \]

Cas 3 : \(f_3 = 5000 \text{ Hz}\)

Étape 2a : Calcul complet. On refait la substitution :

\[ \begin{aligned} \alpha_3 &= \frac{\pi \times 5000}{5500 \times 140} \\ &= \frac{15708}{770000} \\ \Rightarrow \alpha_3 &\approx 0.0204 \text{ m}^{-1} \end{aligned} \]

Étape 2b : Raccourci (vérification). Puisque \(f_3 = 100 \times f_1\), \(\alpha_3\) doit être 100 fois \(\alpha_1\).

\[ \alpha_3 = 100 \times \alpha_1 = 100 \times 0.000204 = 0.0204 \text{ m}^{-1} \]
Schéma (Après les calculs)

Les résultats confirment la relation linéaire. Un schéma n'apporterait pas plus que celui "Avant les calculs".

Réflexions

On constate que le coefficient \(\alpha\) (la "force" de l'atténuation) est 100 fois plus élevé pour le signal à 5000 \(\text{Hz}\) que pour le signal à 50 \(\text{Hz}\). L'impact sur l'amplitude finale sera donc drastiquement différent.

Points de vigilance

Attention aux unités. Si la vitesse est en \(\text{m/s}\) et la fréquence en \(\text{Hz}\), le coefficient \(\alpha\) est bien en \(\text{m}^{-1}\). L'unité "\(\text{Neper/m (Np/m)}\)" est aussi fréquemment utilisée (1 \(\text{Np/m}\) = 1 \(\text{m}^{-1}\)).

Points à retenir
  • L'atténuation \(\alpha\) (en \(\text{m}^{-1}\)) augmente linéairement avec la fréquence \(f\).
  • Une roche de faible qualité (Q faible) aura une pente \(\alpha/f\) plus forte.
Le saviez-vous ?

En prospection sismique pétrolière, les fréquences utilisées sont très basses (10-80 \(\text{Hz}\)) justement pour que l'onde puisse voyager sur plusieurs kilomètres sans être totalement atténuée avant de revenir aux capteurs.

FAQ

Questions fréquentes sur cette étape.

Résultat Final
Les coefficients d'atténuation sont :
Pour 50 \(\text{Hz}\) : \(\alpha_1 \approx 2.04 \times 10^{-4} \text{ m}^{-1}\)
Pour 500 \(\text{Hz}\) : \(\alpha_2 \approx 2.04 \times 10^{-3} \text{ m}^{-1}\)
Pour 5000 \(\text{Hz}\) : \(\alpha_3 \approx 2.04 \times 10^{-2} \text{ m}^{-1}\)
A vous de jouer

Si on utilisait un radar géologique (GPR) à 100 \(\text{MHz}\) (soit \(100 \times 10^6 \text{ Hz}\)) dans ce même massif, quel serait l'\(\alpha\) ? (La formule reste la même)

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 2 :

  • Concept Clé : L'atténuation \(\alpha\) augmente linéairement avec la fréquence \(f\).
  • Formule : \(\alpha = \pi f / (V_p Q)\).

Question 3 : Calculer l'amplitude finale \(A(x) / A_0\) pour les trois fréquences.

Principe

Maintenant que nous savons "à quel point" le milieu atténue (le \(\alpha\)), nous pouvons calculer l'effet concret sur l'amplitude de l'onde après qu'elle a parcouru les 100 mètres. Nous allons calculer le ratio \(A(x) / A_0\), qui représente le pourcentage d'amplitude restante.

Mini-Cours

La décroissance de l'amplitude est exponentielle. Cela signifie que la perte n'est pas linéaire. Perdre 10% d'amplitude sur les 10 premiers mètres n'implique pas de perdre 10% sur les 10 mètres suivants. L'argument de l'exponentielle, \(-\alpha x\), est crucial. S'il est proche de 0, \(e^0 \approx 1\) (pas de perte). S'il est grand (ex: -3), \(e^{-3} \approx 0.05\) (perte de 95%).

Remarque Pédagogique

Cette étape montre l'effet "boule de neige". L'augmentation linéaire de \(\alpha\) (vue en Q2) entraîne une décroissance *exponentielle* (beaucoup plus rapide) de l'amplitude. C'est le point clé de l'exercice.

Normes

Cette loi de décroissance exponentielle est fondamentale et universelle pour la propagation des ondes (acoustiques, électromagnétiques, etc.) dans un milieu dissipatif homogène.

Formule(s)

Loi de décroissance de l'amplitude

\[ A(x) = A_0 \cdot e^{-\alpha x} \]

Ratio d'amplitude restante

\[ \frac{A(x)}{A_0} = e^{-\alpha x} \]
Hypothèses

Nous supposons qu'il n'y a pas d'autres pertes (ex: pertes par "divergence géométrique", où l'onde s'étale). Nous ne calculons que l'atténuation intrinsèque du matériau.

Donnée(s)

Nous utilisons les résultats de la Q2 et la distance \(x = 100 \text{ m}\).

Fréquence (f)Coefficient (\(\alpha\))Distance (\(x\))
50 \(\text{Hz}\)\(\alpha_1 \approx 0.000204 \text{ m}^{-1}\)100 \(\text{m}\)
500 \(\text{Hz}\)\(\alpha_2 \approx 0.00204 \text{ m}^{-1}\)100 \(\text{m}\)
5000 \(\text{Hz}\)\(\alpha_3 \approx 0.0204 \text{ m}^{-1}\)100 \(\text{m}\)
Astuces

Assurez-vous que votre calculatrice est en mode "Radian" pour la fonction exponentielle (bien que `exp(x)` soit standard). Calculez d'abord le produit \(\alpha \cdot x\) avant d'appliquer l'exponentielle.

Schéma (Avant les calculs)

Visualisons la fonction de décroissance exponentielle \(y = e^{-z}\). Nous allons calculer la valeur de \(y\) pour trois valeurs de \(z = \alpha x\).

Fonction Exponentielle Décroissante
z = αx A/A₀ 1.0 z=0.204 z=2.04 0.815 0.130
Calcul(s)

Nous appliquons la formule exponentielle \(\frac{A(x)}{A_0} = e^{-\alpha x}\) pour les trois cas, en détaillant le calcul de l'exposant \(z = \alpha x\).

Cas 1 : \(f_1 = 50 \text{ Hz}\)

Étape 3a : Calcul de l'exposant (\(z_1 = \alpha_1 x\))

\[ z_1 = 0.000204 \text{ m}^{-1} \times 100 \text{ m} = 0.0204 \text{ (sans dimension)} \]

Étape 3b : Calcul du ratio. On applique l'exponentielle \(e^{-z_1}\)

\[ \frac{A_1}{A_0} = e^{-0.0204} \approx 0.9798 \]

Étape 3c : Conversion en pourcentage

\[ 0.9798 \times 100 \approx 98.0 \% \]

Cas 2 : \(f_2 = 500 \text{ Hz}\)

Étape 3a : Calcul de l'exposant (\(z_2 = \alpha_2 x\))

\[ z_2 = 0.00204 \text{ m}^{-1} \times 100 \text{ m} = 0.204 \text{ (sans dimension)} \]

Étape 3b : Calcul du ratio. On applique l'exponentielle \(e^{-z_2}\)

\[ \frac{A_2}{A_0} = e^{-0.204} \approx 0.8155 \]

Étape 3c : Conversion en pourcentage

\[ 0.8155 \times 100 \approx 81.5 \% \]

Cas 3 : \(f_3 = 5000 \text{ Hz}\)

Étape 3a : Calcul de l'exposant (\(z_3 = \alpha_3 x\))

\[ z_3 = 0.0204 \text{ m}^{-1} \times 100 \text{ m} = 2.04 \text{ (sans dimension)} \]

Étape 3b : Calcul du ratio. On applique l'exponentielle \(e^{-z_3}\)

\[ \frac{A_3}{A_0} = e^{-2.04} \approx 0.1300 \]

Étape 3c : Conversion en pourcentage

\[ 0.1300 \times 100 \approx 13.0 \% \]
Schéma (Après les calculs)

Le schéma de l'énoncé et le graphique à barres de la Q4 illustrent parfaitement ces résultats : une onde quasi-intacte à 50 Hz, et une onde quasi-disparue à 5000 Hz.

Réflexions

Les résultats sont très parlants :

  • À basse fréquence (50 \(\text{Hz}\)), l'onde ne perd presque rien (environ 2% de son amplitude).
  • À moyenne fréquence (500 \(\text{Hz}\)), la perte est notable (environ 18.5%).
  • À haute fréquence (5000 \(\text{Hz}\)), l'onde est presque complètement atténuée (elle a perdu 87% de son amplitude !).
  • Points de vigilance

    L'erreur classique est de mal interpréter le résultat. 0.1300 ne signifie pas "13% de perte", mais "13% d'amplitude *restante*", soit 87% de perte !

    Points à retenir
    • La décroissance de l'amplitude est exponentielle, pas linéaire.
    • La combinaison d'une dépendance linéaire (\(\alpha\) vs \(f\)) et d'une décroissance exponentielle (\(A\) vs \(\alpha\)) entraîne un filtrage très efficace des hautes fréquences.
    Le saviez-vous ?

    Cette propriété est utilisée en médecine pour l'échographie. Les sondes à haute fréquence (\(\text{MHz}\)) donnent une très haute résolution, mais ne peuvent voir qu'à quelques centimètres sous la peau. Les sondes à basse fréquence (\(\text{kHz}\)) voient plus profond (ex: organes) mais avec moins de détails.

    FAQ

    Questions fréquentes sur cette étape.

    Résultat Final
    Amplitude restante (en % de \(A_0\)) après 100 m :
    Pour 50 \(\text{Hz}\) : \(\approx 98.0 \%\)
    Pour 500 \(\text{Hz}\) : \(\approx 81.5 \%\)
    Pour 5000 \(\text{Hz}\) : \(\approx 13.0 \%\)
    A vous de jouer

    Quelle serait l'amplitude restante (en %) pour le signal à 5000 \(\text{Hz}\) si la roche était parfaitement saine (\(Q_0 = 200\) au lieu de \(Q_{\text{eff}}=140\)) ? (\(\alpha_3\) serait \(0.01428\))

    Mini Fiche Mémo

    Synthèse de la Question 3 :

    • Concept Clé : Décroissance exponentielle de l'amplitude.
    • Formule : \(A(x) / A_0 = e^{-\alpha x}\).
    • Résultat : Les hautes fréquences disparaissent rapidement.

    Question 4 : Analyser et conclure sur l'impact de la fréquence.

    Principe

    Cette question est une synthèse des calculs précédents. Nous devons formuler une conclusion claire sur la relation entre la fréquence des ondes et leur capacité à se propager dans un milieu dissipatif comme un massif rocheux fracturé.

    Analyse des Résultats

    En comparant les trois cas, nous avons démontré que :

    1. Le coefficient d'atténuation \(\alpha\) est directement proportionnel à la fréquence \(f\). Si la fréquence est multipliée par 10, \(\alpha\) l'est aussi.
    2. La perte d'amplitude suit une loi exponentielle \(e^{-\alpha x}\). Comme \(\alpha\) est dans l'exposant avec un signe négatif, une petite augmentation de \(\alpha\) (due à une augmentation de \(f\)) entraîne une très forte réduction de l'amplitude finale.
    Schéma (Après les calculs)

    Ce graphique illustre la perte d'amplitude. Notez comment la courbe pour 5000 Hz (haute fréquence) chute radicalement par rapport aux autres.

    Amplitude Restante vs Fréquence
    50% 100% Amplitude Restante Fréquence 50 Hz 98% 500 Hz 81.5% 5000 Hz 13%
    Conclusion (Réflexions)

    Dans un massif rocheux fracturé (et dans la plupart des matériaux géologiques), les hautes fréquences sont atténuées beaucoup plus rapidement que les basses fréquences. C'est un principe fondamental en géophysique :

    • Pour sonder loin (sismique réflexion), on utilise des basses fréquences (ex: 10-100 \(\text{Hz}\)) qui peuvent traverser des kilomètres.
    • Pour de l'imagerie de détail à courte portée (ultrasons, géoradar), on utilise des hautes fréquences (\(\text{kHz}\) à \(\text{MHz}\)), mais on ne peut sonder que sur quelques mètres ou centimètres avant que le signal ne disparaisse.
    Le massif rocheux agit comme un "filtre passe-bas" naturel.

    Le saviez-vous ?

    C'est exactement pour cette raison que lors d'un tremblement de terre, les sons graves (basses fréquences) portent beaucoup plus loin que les sons aigus (hautes fréquences). L'énergie sismique à haute fréquence est rapidement "mangée" par les imperfections de la croûte terrestre.

    Résultat Final
    L'analyse confirme que le massif rocheux agit comme un filtre passe-bas : il atténue très fortement les signaux à haute fréquence (perte de 87% à 5000 \(\text{Hz}\)) tout en laissant passer presque intacts les signaux à basse fréquence (perte de 2% à 50 \(\text{Hz}\)).

    Outil Interactif : Simulateur d'Atténuation

    Utilisez les curseurs pour voir comment le RQD (qualité de la roche) et la Fréquence de l'onde influencent l'amplitude restante après 100 m de propagation.

    Paramètres d'Entrée
    500 Hz
    70 %
    Résultats Clés
    Facteur Qualité Effectif (\(Q_{\text{eff}}\)) -
    Amplitude restante (après 100m) - %

    Quiz Final : Testez vos connaissances

    1. Si la fréquence \(f\) d'une onde augmente (et que Q et Vp restent constants), que fait le coefficient d'atténuation \(\alpha\) ?

    • Il augmente
    • Il reste identique

    2. Un massif rocheux très fracturé (\(\text{RQD}\) faible) aura un facteur de qualité \(Q\)...

    • Nul
    • Faible (ex: 50)

    3. Selon nos calculs, quel type de signal voyage le plus loin dans ce massif ?

    4. Le coefficient d'atténuation \(\alpha\) est donné en \(\text{m}^{-1}\). Que représente l'argument de l'exponentielle \(e^{-\alpha x}\) ?

    • Un nombre sans dimension
    • Une distance

    5. Le massif rocheux agit comme un...

    • Filtre passe-bande (laisse passer une fréquence précise)
    • Filtre passe-bas (laisse passer les basses fréquences)

    Glossaire

    Facteur de Qualité (\(Q\))
    Paramètre sans dimension qui décrit l'efficacité avec laquelle un matériau dissipe l'énergie d'une onde. Un Q élevé signifie une faible atténuation (roche saine), un Q faible une forte atténuation (roche fracturée).
    Coefficient d'Atténuation (\(\alpha\))
    Mesure de la perte d'amplitude de l'onde par unité de distance, généralement exprimée en \(\text{m}^{-1}\) ou \(\text{Neper/m}\). Une valeur de \(\alpha\) élevée signifie une atténuation rapide.
    \(\text{RQD}\) (Rock Quality Designation)
    Indice de qualité des roches basé sur le pourcentage de carottes de plus de 10 cm de long récupérées lors d'un forage. Un \(\text{RQD}\) de 100% est une roche excellente, un \(\text{RQD}\) < 50% est une roche de mauvaise qualité.
    Onde P (Onde Primaire)
    Onde sismique de compression. C'est la plus rapide des ondes sismiques, elle se propage en comprimant et dilatant la roche dans la direction de propagation.
    Filtre Passe-Bas
    Système qui laisse passer les signaux de basse fréquence mais atténue (bloque) les signaux de haute fréquence.
    Exercice : Atténuation des Ondes en Mécanique des Roches

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