Параметрический массив

Параметрический массив в области акустики представляет собой нелинейный механизм преобразования , который генерирует узкие, почти свободные от боковых лепестков пучки низкочастотного звука посредством смешивания и взаимодействия высокочастотных звуковых волн , эффективно преодолевая дифракционный предел (своего рода пространственный «принцип неопределенности»), связанный с линейной акустикой. ^[1] Основной свободный от боковых лепестков пучок низкочастотного звука создается в результате нелинейного смешивания двух высокочастотных звуковых пучков на их разностной частоте. Параметрические массивы могут быть сформированы в воде, ^[2] воздухе, ^[3] и земных материалах/горных породах. ^{[4] [5]}

История

Приоритет в открытии и объяснении параметрического массива принадлежит Питеру Дж. Вестервельту ^[6], обладателю медали лорда Рэлея ^[7] (в настоящее время почетному профессору Университета Брауна ), хотя в то же время в бывшем Советском Союзе велась важная экспериментальная работа. ^[2]

По словам Мьюира ^[8] и Альберса ^[9] , концепция параметрического массива пришла в голову доктору Вестервельту, когда он работал в лондонском филиале Управления военно-морских исследований в 1951 году.

По словам Альберса ^[9] , он (Вестервельт) впервые наблюдал случайную генерацию низкочастотного звука в воздухе капитаном Х. Дж. Раундом (британским пионером супергетеродинного приемника) с помощью параметрического механизма решетки.

Явление параметрического массива, впервые экспериментально обнаруженное Вестервельтом в 1950-х годах, было позже теоретически объяснено в 1960 году на заседании Акустического общества Америки . Через несколько лет после этого была опубликована полная статья ^[10] как расширение классической работы Вестервельта по нелинейному рассеянию звука звуком. ^{[11] [12] [13]}

Фонды

Основой теории Вестервельта о генерации и рассеянии звука в нелинейных акустических ^[14] средах является применение уравнения Лайтхилла для движения частиц жидкости.

Применение теории Лайтхилла к нелинейной акустической области приводит к уравнению Вестервельта–Лайтхилла (WLE). ^[15] Решения этого уравнения были разработаны с использованием функций Грина ^{[16] [17]} и методов параболических уравнений (PE), в частности, с помощью уравнения Кохлова–Заблоцкой–Кузнецова (KZK). ^[18]

Альтернативный математический формализм, использующий методы оператора Фурье в пространстве волновых чисел , был также разработан и обобщен Вестервельтом. ^[19] Метод решения сформулирован в пространстве Фурье (волновых чисел) в представлении, связанном с диаграммами направленности первичных полей, создаваемых линейными источниками в среде. Этот формализм был применен не только к параметрическим решеткам, ^[20] но и к другим нелинейным акустическим эффектам, таким как поглощение звука звуком и равновесное распределение спектров интенсивности звука в полостях. ^[21]

Приложения

Практические применения многочисленны и включают в себя:

• подводный звук
  • сонар
  • глубинное зондирование
  • профилирование поддона
  • неразрушающий контроль
  • и ощущение «видения сквозь стены» ^[22]
  • дистанционное зондирование океана ^[23]
• медицинское ультразвуко ^[24]
• и томография ^[25]
• подземная сейсморазведка ^[26]
• активный контроль шума ^[27]
• и направленные высококачественные коммерческие аудиосистемы ( Звук от ультразвука ) ^[28]

Параметрические приемные решетки также могут быть сформированы для направленного приема. ^[29] В 2005 году Элвуд Норрис выиграл премию Массачусетского технологического института имени Лемельсона в размере 500 000 долларов за применение параметрической решетки в коммерческих высококачественных громкоговорителях.

Ссылки

1. Бейер, Роберт Т. «Предисловие к оригинальному изданию». Нелинейная акустика .
2. Новиков, БК; Руденко, О.В.; Тимошенко, ВИ (1987). Нелинейная подводная акустика. Перевод Роберта Т. Бейера. Американский институт физики. ISBN 9780883185223. OCLC  16240349.
3. Тренчард, Стивен Э.; Коппенс, Алан Б. (1980). «Экспериментальное исследование насыщенного параметрического массива в воздухе». Журнал Акустического общества Америки . 68 (4): 1214–1216. Bibcode : 1980ASAJ...68.1214T. doi : 10.1121/1.384959.
4. Джонсон, PA; Миган, GD; Макколл, K.; Боннер, BP; Шенкленд, TJ (1992). "Исследования волн конечной амплитуды в земных материалах". Журнал Акустического общества Америки . 91 (4): 2350. Bibcode : 1992ASAJ...91.2350J. doi : 10.1121/1.403453 .
5. Формирование параметрического луча в горной породе
6. Профессор Питер Вестервельт и параметрический массив
7. Институт акустики - Программа медалей и наград Архивировано 28 июня 2009 г. на Wayback Machine
8. Мьюир 1976, стр. 554.
9. Albers 1972
10. Вестервельт 1963
11. Рой и Ву 1993
12. Бейер 1974
13. Беллин и Бейер 1960
14. Вестервельт, Питер Дж. (1975). «Состояние и будущее нелинейной акустики». Журнал Акустического общества Америки . 57 (6): 1352–1356. Bibcode : 1975ASAJ...57.1352W. doi : 10.1121/1.380612.
15. Источники звука разностной частоты в двухчастотной системе визуализации с учетом мониторинга термической хирургии ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
16. Моффетт и Меллен 1977
17. Моффетт и Меллен 1976
18. «Техасский код временной области KZK».
19. Вудсум и Вестервельт 1981
20. Вудсум 2006
21. Кэбот и Паттерман 1981
22. Кадучак, Грегори; Синха, Дипен Н.; Лизон, Дэвид К.; Келечер, Майкл Дж. (2000). «Бесконтактный метод оценки упругих структур на больших расстояниях: применение для классификации жидкостей в стальных сосудах». Ультразвуковая техника . 37 (8): 531–536. doi : 10.1016/S0041-624X(99)00109-2 . PMID  11243456.
23. Наугольных, Константин А.; Есипов, Игорь Б. (1995). "Дистанционное зондирование океана параметрическим массивом". Журнал Акустического общества Америки . 98 (5): 2915. Bibcode :1995ASAJ...98.2915N. doi : 10.1121/1.414208 .
24. Конофагу, Элиза; Тирман, Джонатан; Хайнинен, Куллерво (2001). «Метод фокусированного ультразвука для одновременной диагностики и терапии — имитационное исследование». Физика в медицине и биологии . 46 (11): 2967–2984. Bibcode : 2001PMB....46.2967K. doi : 10.1088/0031-9155/46/11/314. PMID  11720358. S2CID  2036873.
25. Чжан, Дун; Чэнь, Си; Сю-фэнь, Гонг (2001). «Акустическая нелинейность параметрической томографии для биологических тканей с помощью параметрической решетки от кругового поршневого источника — Теоретический анализ и компьютерное моделирование». Журнал Акустического общества Америки . 109 (3): 1219–1225. Bibcode : 2001ASAJ..109.1219Z. doi : 10.1121/1.1344160. PMID  11303935.
26. Muir, TG; Wyber, RJ (1984). "Высокоразрешающее сейсмическое профилирование с низкочастотным параметрическим массивом". Журнал Акустического общества Америки . 76 (S1): S78. Bibcode : 1984ASAJ...76...78M. doi : 10.1121/1.2022023.
27. "Активное управление звуком с использованием параметрического массива". Архивировано из оригинала 2007-03-09 . Получено 2006-12-05 .
28. n:Элвуд Норрис получает премию Лемельсона-Массачусетского технологического института 2005 года за изобретение.
29. Ривз, К.; Голдсберри, Т.; Роде, Д. (1979). «Эксперименты с параметрической акустической приемной решеткой с большой апертурой». ICASSP '79. Международная конференция IEEE по акустике, речи и обработке сигналов . Том 4. стр. 616–619. doi :10.1109/ICASSP.1979.1170632.

Дальнейшее чтение

• HC Woodsum и PJ Westervelt, «Общая теория рассеяния звука звуком», Journal of Sound and Vibration (1981), 76(2), 179-186.
• Питер Дж. Вестервельт, «Параметрический акустический массив», Журнал акустического общества Америки, т. 35, № 4 (535-537), 1963 г.
• Марк Б. Моффетт и Роберт Х. Меллен, «Модель для параметрических источников», J. Acoust. Soc. Am. Том 61, № 2, февраль 1977 г.
• Марк Б. Моффетт и Роберт Х. Меллен, «О факторах апертуры параметрического источника», J. Acoust. Soc. Am. Том 60, № 3, сентябрь 1976 г.
• Рональд А. Рой и Джунру Ву, «Экспериментальное исследование взаимодействия двух неколлинеарных звуковых пучков», Труды 13-го Международного симпозиума по нелинейной акустике, Х. Хобек, редактор, Elsevier Science Ltd., Лондон (1993)
• Харви К. Вудсум, «Аналитические и численные решения для «общей теории рассеяния звука звуком», J. Acoust. Soc. Am. Vol. 95, No. 5, Part 2 (2PA14), июнь 1994 г. (Программа 134-го заседания Акустического общества Америки, Кембридж, Массачусетс)
• Роберт Т. Бейер, Нелинейная акустика, 1-е издание (1974). Опубликовано Командованием военно-морских систем.
• HO Berktay и DJ Leahy, Журнал Акустического Общества Америки, 55, стр. 539 (1974)
• М. Дж. Лайтхилл, «О звуке, генерируемом аэродинамически», Proc. R. Soc. Lond. A211, 564-687 (1952)
• MJ Lighthill, «О звуке, генерируемом аэродинамически», Proc. R. Soc. Lond. A222, 1-32 (1954)
• JS Bellin и RT Beyer, «Рассеяние звука звуком», J. Acoust. Soc. Am. 32, 339-341 (1960)
• MJ Lighthill, Math. Revs. 19, 915 (1958)
• HC Woodsum, Bull. Of Am. Phys. Soc., осень 1980 г.; «Оператор граничных условий для нелинейной акустики»
• HC Woodsum, Труды 17-й Международной конференции по нелинейной акустике, AIP Press (Нью-Йорк), 2006; «Сравнение нелинейных акустических экспериментов с формальной теорией рассеяния звука звуком», статья TuAM201.
• TG Muir, Специальный отчет Управления военно-морских исследований - «Наука, технология и современный военно-морской флот, тридцатая годовщина (1946-1976), доклад ONR-37, «Нелинейная акустика: новое измерение в подводном звуке», опубликованный Министерством военно-морских сил (1976)
• В. М. Альберс, «Подводный звук», справочные документы по акустике, стр. 415; Dowden, Hutchinson and Ross, Inc., Страудсбург, Пенсильвания (1972)
• М. Кэбот и Сет Паттерман, «Перенормированная классическая нелинейная гидродинамика, квантовая связь мод и квантовая теория взаимодействующих фононов», Physics Letters Vol. 83A, No. 3, 18 мая 1981 г., стр. 91–94 (North Holland Publishing Company-Амстердам)
• Нелинейная параметрическая визуализация компьютерной томографии с помощью параметрической акустической решетки Y. Nakagawa; M. Nakagawa; M. Yoneyama; M. Kikuchi. Симпозиум IEEE 1984 Ultrasonics. Том, выпуск, 1984 Страница(и):673–676
• Активное нелинейное акустическое зондирование объекта с полями суммарной или разностной частоты. Чжан, В.; Лю, И.; Ратилал, П.; Чо, Б.; Макрис, NC; Remote Sens. 2017, 9, 954. https://doi.org/10.3390/rs9090954