Quasilinear Approximation for Modeling Difference-Frequency Acoustic Wave in a Diffracting Pump-Wave Beam

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A quasilinear approach is considered to simulate generation of a difference-frequency acoustic wave by the interaction of two intense high-frequency diffracting pump beams with close frequencies. The boundary condition corresponds to dual-frequency excitation of an existing parametric source used for underwater research. It is shown that the linear field of primary waves has a high directivity with a total beam divergence angle of several degrees; therefore, the nonlinear-diffraction problem is solved numerically in the parabolic approximation. The pump wave field is calculated in the linear approximation; the solutions obtained at each step of the numerical grid along the beam axis are used to calculate nonlinear sources in the equation for a three-dimensional difference-frequency beam. The one- and two-dimensional distributions of the pressure field and the directivity pattern are analyzed for three values of a difference frequency. Numerical solutions obtained with realistic boundary conditions at the source and description of diffraction effects are compared with the known approximate analytical results for the quasilinear approach.

About the authors

A. V. Tyurina

Physics Faculty, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: tiurina.av@physics.msu.ru
Россия, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы

P. V. Yuldashev

Physics Faculty, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: tiurina.av@physics.msu.ru
Россия, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы

I. B. Esipov

Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 119991, Moscow, Russia

Email: tiurina.av@physics.msu.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский проспект 65

V. A. Khokhlova

Physics Faculty, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: tiurina.av@physics.msu.ru
Россия, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы

References

  1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1990. 250 с.
  2. Berktay H.O. Possible exploitation of non-linear acoustics in underwater transmitting applications // J. Sound Vib. 1965. V. 2. № 4. P. 435–461.
  3. Zhou H., Huang S.H., Li W. Parametric acoustic array and its application in underwater acoustic engineering // Sensors. 2020. V. 20. № 7. P. 2148.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Skinner E., Groves M., Hinders M.K. Demonstration of a length limited parametric array // Appl. Acoust. 2019. V. 148. P. 423–433.
  7. Westervelt P.J. Parametric acoustic array // J. Acoust. Soc. Am. 1963. V. 35. № 4. P. 535–537.
  8. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981. 264 с.
  9. Sapozhnikov O.A., Khokhlova V.A., Cleveland R.O., Blanc-Benon P., Hamilton M.F. Nonlinear Acoustics Today // Acoustics Today. 2019. V. 15. № 3. P. 55–64.
  10. Esipov I.B., Naugolnykh K.A., Timoshenko V.I. The parametric array and long-range ocean research // Acoustics Today. 2010. V. 6. № 2. P. 20–26.
  11. Pampin J., Kollin J.S., Kang E. Applications of ultrasonic sound beams in performance and sound art / Proc. of the joint 33rd Int. Computer Music Conference, 2007. P. 492–495.
  12. Zhong J., Kirby R., Qiu X. The near field, Westervelt far field, and inverse-law far field of the audio sound generated by parametric array loudspeakers // J. Acoust. Soc. Am. 2021. V. 149. № 3. P. 1524–1535.
  13. Cervenka M., Bednarık M. A versatile computational approach for the numerical modeling of parametric acoustic array // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 146. № 4. P. 2163–2169.
  14. Tavakkoli J., Cathignol D., Souchon R., Sapozhnikov O.A. Modeling of pulsed finite-amplitude focused sound beams in time domain // J. Acoust. Soc. Am. 1998. V. 104. № 4. P. 2061–2072.
  15. Zemp R.J., Tavakkoli J., Cobbold R.S.C. Modeling of nonlinear ultrasound propagation in tissue from array transducers // J. Acoust. Soc. Am. 2003. V. 113. № 1. P. 139–152.
  16. Averkiou M.A., Lee Y.-S., Hamilton M.F. Self-demodulation of amplitude- and frequency-modulated pulses in a thermoviscous fluid // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 94. № 5. P. 2876–2883
  17. 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.
  18. Lee Y.S., Hamilton M.F. Time-domain modelling of pulsed finite-amplitude sound beams // J. Acoust. Soc. Am. 1995. V. 97. № 2. P. 906–917.
  19. 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.
  20. 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.
  21. Muir T.G., Willette J.G. Parametric acoustic transmitting arrays // J. Acoust. Soc. Am. 1972. V. 52. № 5 (Part 2). P. 1481–1486.
  22. Moffett M.B., Mellen R.H., Konrad W.L. Model for parametric acoustic sources // J. Acoust. Soc. Am. 1977. V. 61. № 2. P. 325–337.
  23. Moffett M.B., Mellen R.H., Konrad W.L. Parametric acoustic sources of rectangular aperture // J. Acoust. Soc. Am. 1978. V. 63. № 5. P. 1326–1331.
  24. Cervenka M., Bednarik M. Non-paraxial model for a parametric acoustic array // J. Acoust. Soc. Am. 2013. V. 134. № 2. P. 933–938.
  25. Ding D. A simplified algorithm for the second-order sound fields // J. Acoust. Soc. Am. 2000. V. 108. № 6. P. 2759–2764.
  26. Есипов И.Б., Попов О.Е., Солдатов В.Г. Компрессия сигнала параметрической антенны в мелководном волноводе // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 4. С. 490–498.
  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. O’Neil H.T. Theory of focusing radiators // J. Acoust. Soc. Am. 1949. V. 21. № 5. P. 516–526.
  29. Sapozhnikov O.A., Tsysar S.A., Khokhlova V.A., Kreider W. Acoustic holography as a metrological tool for characterizing medical ultrasound sources and fields // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 138. № 3. P. 1515–1532.
  30. Tjotta J.N., Tjotta S., Vefring E.G. Effects of focusing on the nonlinear interaction between two collinear finite amplitude sound beams // J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 89. № 3. P. 1017–1027.
  31. Pierce A.D. Acoustics: an introduction to its physical principles and applications. Springer, 2019. 768 p.
  32. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical recipes. N.Y.: Cambridge University Press, 2007. 1235 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (375KB)
3.

Download (719KB)
4.

Download (613KB)
5.

Download (172KB)
6.

Download (340KB)
7.

Download (161KB)
8.

Download (142KB)
9.

Download (104KB)

Copyright (c) 2023 А.В. Тюрина, П.В. Юлдашев, И.Б. Есипов, В.А. Хохлова

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».