1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Акустический журнал
  4. T. 69, № 6, 2023

Акустический журнал, 2023, T. 69, № 6, стр. 778-791

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

Д. Я. Суханов a, *, А. Е. Кузовова a

a Томский государственный университет
634050 Томск, пр. Ленина 36, Россия

* E-mail: sdy@mail.tsu.ru

Поступила в редакцию 18.11.2020
После доработки 13.05.2023
Принята к публикации 22.06.2023

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.

Ключевые слова: обращение времени, множество частиц, кубическая объемно-центрированная кристаллическая решетка, звукоизлучающий объект, метод динамики частиц

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.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Акустический журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал