Особенности демодуляции импульсных акустических сигналов в сильно нелинейных режимах распространения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена одномерная нелинейная задача о параметрической генерации низкочастотного излучения в случае импульсного высокочастотного начального возбуждения, способного образовать ударные фронты в профиле волны. Развит численный алгоритм решения уравнения Бюргерса во временном представлении с использованием удароулавливающей схемы типа Годунова. Рассмотрены примеры распространения модельных частотно-модулированных сигналов с различной формой огибающей при различном соотношении нелинейных и диссипативных эффектов, ограничивающих длину взаимодействия волн накачки. Приводятся примеры эволюции профилей и спектров сигналов при самодемодуляции высокочастотного сигнала накачки, которая проявляется на меньших расстояниях при сильном проявлении нелинейных эффектов за счет дополнительного затухания энергии волны на образующихся ударных фронтах. Показано, что эффективность генерации низкочастотного излучения в ударноволновых режимах увеличивается.

Об авторах

А. В. Квашенникова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kvashennikovaav@my.msu.ru
Россия, Москва

М. С. Сергеева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: kvashennikovaav@my.msu.ru
Россия, Москва

П. В. Юлдашев

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: kvashennikovaav@my.msu.ru
Россия, Москва

И. Б. Есипов

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина

Email: kvashennikovaav@my.msu.ru
Россия, Москва

В. А. Хохлова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: kvashennikovaav@my.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Зверев В.А. Как зарождалась идея параметрической акустической антенны // Акуст. журн. 1999. Т. 45. № 5. С. 685–692.
  2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981. 264 с.
  3. Berktay H.O. Possible exploitation of non-linear acoustics in underwater transmitting applications // J. Sound Vib. 1965. V. 2. № 4. P. 435–461.
  4. Zhou H., Huang S.H., Li W. Parametric acoustic array and its application in underwater acoustic engineering // Sensors. 2020. V. 20. № 7. P. 2148.
  5. Yoneyama M., Fujimoto J., Kawamo Y., Sasabe S. The audio spotlight: an application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design // J. Acoust. Soc. Am. 1983. V. 73. № 5. P. 1532–1536.
  6. Ji P., Tan E.-L., Gan W.-S., Yang J. A comparative analysis of preprocessing methods for the parametric loudspeaker based on the Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov equation for speech reproduction // IEEE Trans. Audio, Speech, Language Process. 2011. V. 19. № 4. P. 937–946.
  7. Gan W.-S., Yang J., Kamakura T. A review of parametric acoustic array in air // Appl. Acoust. 2012. V. 73. № 12. P. 1211–1219.
  8. Li Y., Polyak D., Johnson E., Yecies D., Shevidi S., de la Zerda A., Gephart M.H., Chu S. Difference-frequency ultrasound imaging with non-linear contrast // IEEE Trans. Med. Imaging. 2020. V. 39. № 5. P. 1759–1766.
  9. Chiou S.-Y., Forsberg F., Fox T.B., Needleman L. Comparing differential tissue harmonic imaging with tissue harmonic and fundamental gray scale imaging of the liver // J. Ultrasound Med. 2007. V. 26. № 11. P. 1557–1563.
  10. Vos H.J., Goertz D.E., de Jong N. Self-demodulation of high-frequency ultrasound // J. Acoust. Soc. Am. 2010. V. 127. № 3. P. 1208–1217.
  11. Esipov I., Naugolnykh K., Timoshenko V. The parametric array and long-range ocean research // Acoustics today. 2010. V. 6. № 2. P. 20–26.
  12. Cheng Y., Zhao A., Hui J., An T., Zhou B. Parametric underwater transmission based on pattern time delay shift coding system // Math. Probl. Eng. 2018. V. 3. № 1. P. 8249245.
  13. Shi C., Gan W.-S. Development of a parametric loud-speaker: a novel directional sound generation technology // IEEE Potentials. 2010. V. 29. № 6. P. 20–24.
  14. Cervenka P., Alais P. Fourier formalism for describing nonlinear self-demodulation of a primary narrow ultrasonic beam // J. Acoust. Soc. Am. 1990. V. 88. № 1. P. 473–481.
  15. Averkiou M.A., Lee Y.-S., Hamilton M.F. Self-demodulation of amplitude- and frequency-modulated pulses in athermoviscous fluid // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 94. № 5. P. 2876–2883.
  16. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975. 288 с.
  17. Заболотская Е.А., Хохлов Р.В. Квазиплоские волны в нелинейной акустике ограниченных пучков // Акуст. журн. 1969. Т. 15. № 1. С. 40–47.
  18. Westervelt P.J. Parametric acoustic array // J. Acoust. Soc. Am. 1963. V. 35. № 4. P. 535–537.
  19. Aanonsen S.I. Numerical computation of the nearfield of a finite amplitude sound beam // Tech. Rep. № 73. 1983. Dept. of Math., Univ. of Bergen, Norway.
  20. Tjøtta J.N., Tjøtta S., Vefring E.H. Propagation and interaction of two collimated finite amplitude sound beams // J. Acoust. Soc. Am. 1990. V. 88. № 6. P. 2859–2870.
  21. Khokhlova V.A., Souchon R., Tavakkoli J., Sapozhnikov O.A., Cathignol D. Numerical modeling of finite amplitude sound beams: Shock formation in the nearfield of a cw plane piston source // J. Acoust. Soc. Am. 2001. V. 110. № 1. P. 95–108.
  22. Lee Y.S., Hamilton M.F. Time-domain modeling of pulsed finite-amplitude sound beams // J. Acoust. Soc. Am. 1995. V. 97. № 2. P. 906–917.
  23. Cleveland R.O., Hamilton M.F., Blackstock D.T. Time-domain modeling of finite-amplitude sound in relaxing fluids // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 99. № 6. P. 3312–3318.
  24. Хохлова В.А., Пономарев А.Е., Аверкью М.А., Крам Л.А. Нелинейные импульсные поля прямоугольных фокусированных источников диагностического ультразвука // Акуст. журн. 2006. Т. 52. № 4. С. 560–570.
  25. Бессонова О.В., Хохлова В.А., Бэйли М.Р., Кэнни М.С., Крам Л.А. Фокусировка мощных ультразвуковых пучков и предельные значения параметров разрывных волн // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 4–5. С. 445–456.
  26. Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Моделирование трехмерных нелинейных полей ультразвуковых терапевтических решеток // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 3. С. 337–347.
  27. Тюрина А.В., Юлдашев П.В., Есипов И.Б., Хохлова В.А. Численная модель спектрального описания генерации ультразвуковой волны разностной частоты при двухчастотном взаимодействии // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 2. С. 152–161.
  28. Сергеева М.С., Тюрина А.В., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Метод численного расчета генерации ультразвуковых волн разностной частоты в условиях формирования ударного фронта // Уч. зап. физ. фак. Мос. ун-та. 2022. № 4. С. 2240101.
  29. Kvashennikova A.V., Yuldashev P.V., Khokhlova V.A., Esipov I.B. Fully nonlinear three-dimensional modeling of parametric interactions in the field of a dual-frequency acoustic array // J. Acoust. Soc. Am. 2024. V. 155. № 3. P. 1682–1693.
  30. Аверьянов М.В. Экспериментальная и численная модель распространения нелинейных акустических сигналов в турбулентной атмосфере. Дисс. на соискание степ. канд. физ.-мат. наук. МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2008.
  31. Kurganov A., Tadmor E. New high-resolution central schemes for nonlinear conservation laws and convection-diffusion equations // J. Comp. Phys. 2000. V. 160. № 1. P. 241–282.
  32. Юлдашев П.В., Аверьянов М.В., Хохлова В.А., Оливьер С., Блан-Бенон Ф. Сферически расходящиеся ударные импульсы в нелинейной релаксирующей среде // Акуст. журн. 2008. Т. 54. № 1. С. 40–50.
  33. Коннова Е.О., Хохлова В.А., Юлдашев П.В. Использование графических ускорителей при моделировании нелинейных ультразвуковых пучков с ударными фронтами на основе уравнения Вестервельта // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 1. С. 13–21.
  34. Бессонова О.В., Хохлова В.А., Бэйли М.Р., Кэнни М.С., Крам Л.А. Метод определения параметров акустического поля в биологической ткани для терапевтических применений мощного фокусированного ультразвука // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 3. С. 380–390.
  35. Сергеева М.С., Квашенникова А.В. Моделирование во временном представлении генерации волны разностной частоты при взаимодействии интенсивных ультразвуковых волн накачки // Сборник трудов Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2023». М.: МАКС Пресс, 2023. С. 22–24.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024