Visualizing Ultrasound Sources Using Signal Time Reversal in the Particle Dynamics Model

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

A method is proposed for solving the inverse problem of reconstructing acoustic wave sources from field measurements on some surface using wavefront reversal in the particle dynamics method. In this method, the studied medium is represented as a set of interacting particles (material points or solid bodies), for which classical equations of motion are written. The paper considers the representation of a medium as a set of particles in a body-centered cubic crystal lattice. The case of a linear dependence of the force of attraction of particles on distance is considered. The advantage of this approach is the ability to take into account wave propagation in arbitrarily inhomogeneous media using a single numerical model. The possibility of visualizing two spherical acoustic wave sources in water behind an obstacle has been demonstrated numerically and experimentally, despite the presence of transverse waves in the considered model of a solid body; their influence is negligible in this case. The method was tested experimentally on a soundproof screen with an aperture simulating a sound-emitting object of complex shape. A wave from a point source of short pulses passes through the aperture. Using a receiving acoustic sensor mounted on a two-dimensional scanner, the spatiotemporal distribution of sound vibrations on the water surface was measured. By processing the data
using wavefront reversal in the particle model, the image of the aperture in the soundproof screen was reconstructed.

Sobre autores

D. Sukhanov

Tomsk State University, Tomsk, 634050 Russia

Email: sdy@mail.tsu.ru
Россия, 634050, Томск, пр. Ленина 36

A. Kuzova

Tomsk State University, Tomsk, 634050 Russia

Autor responsável pela correspondência
Email: sdy@mail.tsu.ru
Россия, 634050, Томск, пр. Ленина 36

Bibliografia

  1. Свет В.Д. Экспериментальное восстановление звукового поля точечного источника в волноводе // Акуст. журн. 1990. Т. 36. № 4. С. 733–739.
  2. Tappert F.D., Nghiem-Phu L., Daubin S.C. Source localization using the PE method // J. Acoust. Soc. Am. 1985. V. 78. P. 68–75.
  3. Еремин А.А., Глушков Е.В., Глушкова Н.В., Ламмеринг Р. Локализация неоднородностей в упругой пластине методом обращения волн // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 5. С. 523–531.
  4. Беседина Т.Н., Кузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Переселков С.А. Локализация источника звука в океанических волноводах // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 2. С. 207–215.
  5. Sarvazyan A.P., Urban M.W., Greenleaf J.F. Acoustic waves in medical imaging and diagnostics // Ultrasound Med. Biol. 2013. V. 39. № 7. P. 1133–1146.
  6. Суханов Д.Я., Калашникова М.А. Дистанционная ультразвуковая дефектоскопия звукоизлучающих объектов через воздух // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 3. С. 279.
  7. Зверев В.А. Принцип акустического обращения волн и голография // Акуст. журн. 2004. Т. 50. № 6. С. 792–801.
  8. Зверев В.А., Коротин П.И., Стромков А.А. Пространственная протяженность области акустического обращения волн // Акуст. журн. 2008. Т. 54. № 5. С. 823–830.
  9. Синельников Е.Д., Сутин А.М., Сарвазян А.П. Обращение времени в фокусирующих излучателях и приемниках ультразвука // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 2. С. 206–217.
  10. Лямшев Л.М., Саков П.В. Обращение волнового фронта при нелинейном рассеянии звука на пульсирующей сфере // Акуст. журн. 1988. Т. 34. № 1. С. 127–134.
  11. Denison M.H., Anderson B.E. The effects of source placement on time reversal focusing in rooms // A-pplied Acoustics. 2019. V. 156. № 15. P. 279–288. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2019.07.026
  12. Alder B.J., Wainwright T.E. Studies in Molecular Dynamics. I. General Method // J. Chem. Phys. 1959. V. 31. № 2. P. 459–466.
  13. Xu C., Wu G., Du F., Zhu W., Mahdavi S.H. A Modified Time Reversal Method for Guided Wave Based Bolt Loosening Monitoring in a Lap Joint // J. Nondestructive Evaluation. 2019. V. 38. № 4. P. 1–13. https://doi.org/10.1007/s10921-019-0626-1
  14. Годин О.А., Кацнельсон Б.Г., Qin Jixing, Brown M.G., Заботин Н.А., Zang Xiaoqin. Использование обращения волнового фронта для пассивного акустического зондирования океана // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 3. С. 283–295.
  15. Буров В.А., Румянцева О.Д. Обратные волновые задачи акустической томографии. Ч. 1: Обратные задачи излучения в акустике. М.: Ленанд, 2017. 384 с.
  16. Горюнов А.А., Сасковец А.В. Обратные задачи рассеяния в акустике. М.: Изд-во МГУ, 1989. 152 с.
  17. Смагин Н.В., Крутянский Л.М., Зеленова З.В., Брысев А.П. Измерение коэффициента акустического поглощения в образцах биологических тканей с помощью обращенных ультразвуковых волн // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 2. С. 199–203.
  18. Сапожников О.А., Пищальников Ю.А., Морозов А.В. Восстановление распределения нормальной скорости на поверхности ультразвукового излучателя на основе измерения акустического давления вдоль контрольной поверхности // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 3. С. 416–424.
  19. Кривцов А.М. Деформирование и разрушение твердых тел с микроструктурой. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 304 с.
  20. Nosé S. A molecular dynamics method for simulations in the canonical ensemble // Molecular Physics: An International Journal at the Interface between Chemistry and Physics. 1984. V. 52. № 2. P. 255–268.
  21. Gould H., Tobochnik J., Christian W. An Introduction to Computer Simulation Methods. Chapter 8. Third edition. 2005. P. 267–268.
  22. Шайтан К.В., Сарайкин С.С. Молекулярная динамика. 1999. [Электронный ресурс]. URL: http://www.library.biophys.msu.ru/MolDyn/
  23. Лагунов В.А., Синани А.Б. Компьютерное моделирование деформирования и разрушения кристаллов // Физика твердого тела. 2001. Т. 43. № 4. С. 644–650.
  24. Hoang H., Galliero G. Grand canonical-like molecular dynamics simulations: Application to anisotropic mass diffusion in a nanoporous medium // J. Chem. Phys. 2012. V. 136. P. 184702-1–184702-11. https://doi.org/10.1063/1.4712139
  25. Baidakov V.G., Tipeev A.O., Bobrov K.S., Ionov G.V. Crystal nucleation rate isotherms in Lennard-Jones liquids // J. Chem. Phys. 2010. V. 132. № 23. https://doi.org/10.1063/1.3439585
  26. Parrinello M., Rahman A. Crystal Structure and Pair Potentials: A Molecular-Dynamics Study // Phys. Rev. Lett. 1980. V. 45. P. 1196–1199.
  27. Parrinello M., Rahman A. Polymorphic Transitions in Single Crystals: A New Molecular Dynamics Method // J. Appl. Phys. 1981. V. 52. P. 7182–7190. https://doi.org/10.1063/1.328693
  28. Zuckerman N., Lukes J.R. Acoustic phonon scattering from particles embedded in an anisotropic medium: A molecular dynamics study // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. № 9. P. 094302-1–094302-20.
  29. Суханов Д.Я., Кузовова А.Е. Моделирование волновых процессов методом динамики частиц // Математическое моделирование. 2020. Т. 32. № 10. С. 119–134.
  30. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000. С. 179–180.
  31. Marburg S. Six boundary elements per wavelength: Is that enough? // J. Comp. Acoust. 2002. V. 10. № 1. P. 25–51. https://doi.org/10.1142/S0218396X02001401
  32. Liu Q.H., Jianping T.J. The perfectly matched layer for acoustic waves in absorptive media // J. Acoust. Soc. Am. 1997. V. 102. № 4. P. 2072–2082.
  33. Diaz J., Joly P. A time domain analysis of PML models in acoustics // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 2006. V. 195. P. 3820–3853.
  34. Hastings F.D., Schneider J.B., Broschat S.L. Application of the perfectly matched layer (PML) absorbing boundary condition to elastic wave propagation // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. № 5. P. 3061–3069.
  35. Kim D. A Modified PML Acoustic Wave Equation // Symmetry. 2019. V. 177. № 11. P. 1–15.
  36. Chern A. A reflectionless discrete perfectly matched layer // J. Comp. Phys. 2019. V. 381. P. 91–109.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
2.

Baixar (457KB)
3.

Baixar (335KB)
4.

Baixar (481KB)
5.

Baixar (145KB)
6.

Baixar (226KB)
7.

Baixar (528KB)
8.

Baixar (714KB)
9.

Baixar (1MB)
10.

Baixar (995KB)
11.

Baixar (185KB)
12.

Baixar (272KB)

Declaração de direitos autorais © Д.Я. Суханов, А.Е. Кузовова, 2023

Este site utiliza cookies

Ao continuar usando nosso site, você concorda com o procedimento de cookies que mantêm o site funcionando normalmente.

Informação sobre cookies