Визуализация ультразвуковых излучателей методом обращения сигнала во времени в модели динамики частиц

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Предлагается метод решения обратной задачи восстановления источников акустических волн по измерениям поля на некоторой поверхности на основе обращения волнового фронта в методе динамики частиц. В этом методе рассматриваемая среда представляется в виде совокупности взаимодействующих частиц (материальных точек или твердых тел), для которых записываются классические уравнения движения. В работе рассматривается представление среды в виде множества частиц в кубической объемно-центрированной кристаллической решетке. Рассматривается случай линейной зависимости силы притяжения частиц от расстояния. Преимуществом такого подхода является возможность учета распространения волн в произвольно неоднородных средах в рамках единой численной модели. Численно и экспериментально показана возможность визуализации двух сферических источников акустических волн в воде за преградой, несмотря на наличие поперечных волн в рассматриваемой модели твердого тела; их влияние пренебрежимо мало в рассматриваемом случае. Проведена экспериментальная проверка предложенного метода на звуконепроницаемом экране с отверстием, имитирующем звукоизлучающий объект сложной формы. Через отверстие проходит волна от точечного источника коротких импульсов. С помощью приемного акустического сенсора, установленного на двухкоординатном сканере, было измерено пространственно-временное распределение звуковых колебаний на поверхности воды. При обработке данных путем обращения волнового фронта в модели частиц, было восстановлено изображение отверстия в звуконепроницаемом экране.

Об авторах

Д. Я. Суханов

Томский государственный университет

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

А. Е. Кузовова

Томский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sdy@mail.tsu.ru
Россия, 634050, Томск, пр. Ленина 36

Список литературы

  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.

© Д.Я. Суханов, А.Е. Кузовова, 2023