Les ondes acoustiques transportent de l'information relative aux propriétés physiques du milieu de propagation et peuvent ainsi contribuer à l'imagerie de la structure interne et au monitoring de la dynamique de systèmes complexes tels que les fonds marins, les massifs rocheux et les systèmes volcaniques hydrothermaux. La synthèse des travaux de recherche présentés dans ce mémoire s'inscrit dans cette approche globale : de nouvelles méthodes d'analyse sismique multiéchelle par réponse en ondelettes et de simulation de propagation sont mises au point pour l'étude de milieux granulaires immergés ; par déstabilisation gravitaire, les émissions acoustiques induites par réarrangements des grains peuvent être exploitées comme précurseurs et signatures du régime d'avalanche ; l'analyse sismique multiéchelle permet de proposer de nouveaux attributs sismiques tenant compte de sources large bande à support fréquentiel limité et d'aborder la fusion de données multicapteurs dans le formalisme des ondelettes ; des sondages sismiques associés à l'identification de microsismicité induite dans un massif argileux en cours d'excavation renseignent sur l'initiation de la zone endommagée par redistribution des contraintes géomécaniques. Ces travaux de recherche, dont le contexte et les publications scientifiques associées introduisent ce mémoire, donnent lieu à des perspectives de valorisation illustrées en dernière partie.