Параметрический массив

Параметрическая решетка в области акустики представляет собой нелинейный механизм преобразования , который генерирует узкие, почти без 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 боковой безлепестковый луч звука низкой частоты создается в результате нелинейного смешения двух звуковых лучей высокой частоты на их разностной частоте. Параметрические массивы можно формировать в воде, ^[2] воздух, ^[3] и земляные материалы/камень. ^[4]^[5]

История

Приоритет открытия и объяснения параметрической матрицы принадлежит Питеру Дж. Вестервельту , ^[6] обладатель лорда Рэлея медали ^[7] (в настоящее время почетный профессор Брауновского университета ), хотя важные экспериментальные работы велись в то же время в бывшем Советском Союзе. ^[2]

По словам Мьюира ^[8] и Альберс, ^[9] Идея параметрической решетки пришла в голову доктору Вестервельту, когда он работал в лондонском филиале Управления военно-морских исследований в Англии, в 1951 году.

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

Явление параметрической решетки, впервые экспериментально замеченное Вестервельтом в 1950-х годах, позже было объяснено теоретически в 1960 году на собрании Акустического общества Америки . Через несколько лет после этого вышла полная статья ^[10] был опубликован как продолжение классической работы Вестервельта о нелинейном рассеянии звука звуком. ^[11]^[12]^[13]

Фонды

Основы теории генерации и рассеяния звука Вестервельта в нелинейной акустике. ^[14] media обязана применению для уравнения Лайтхилла движения частиц жидкости .

Применение теории Лайтхилла к нелинейной акустической сфере дает уравнение Вестервельта – Лайтхилла (WLE). ^[15] Решения этого уравнения были разработаны с использованием функций Грина. ^[16]^[17] и методы параболического уравнения (PE), в первую очередь с помощью уравнения Кохлова – Заблоцкой – Кузнецова (КЗК). ^[18]

Альтернативный математический формализм, использующий оператора Фурье методы в пространстве волновых чисел , также был разработан и обобщен Вестервельтом. ^[19] Метод решения сформулирован в пространстве Фурье (волновых чисел) в представлении, связанном с диаграммами направленности первичных полей, генерируемых линейными источниками в среде. Этот формализм применялся не только к параметрическим массивам, ^[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
- гидролокатор
- глубинное зондирование
- профилирование поддона
- неразрушающий контроль
- и ощущение «видеть сквозь стены» ^[22]
- дистанционное зондирование океана ^[23]
медицинское УЗИ ^[24]
и томография ^[25]
подземная сейсморазведка ^[26]
активный контроль шума ^[27]
и направленные высококачественные коммерческие аудиосистемы ( ультразвуковой звук ) ^[28]

Параметрические приемные решетки также могут быть сформированы для направленного приема. ^[29] В 2005 году Элвуд Норрис получил премию Массачусетского технологического института-Лемельсона в размере 500 000 долларов за применение параметрического массива в коммерческих громкоговорителях высокого качества.

Ссылки

^ Бейер, Роберт Т. «Предисловие к оригинальному изданию» . Нелинейная акустика .
^ Перейти обратно: ^а ^б Новиков Б.К.; Руденко О.В.; Тимошенко, В.И. (1987). Нелинейная подводная акустика . Перевод Роберта Т. Бейера. Американский институт физики. ISBN 9780883185223 . OCLC 16240349 .
^ Тренчард, Стивен Э.; Коппенс, Алан Б. (1980). «Экспериментальное исследование насыщенной параметрической решетки в воздухе». Журнал Акустического общества Америки . 68 (4): 1214–1216. Бибкод : 1980ASAJ...68.1214T . дои : 10.1121/1.384959 .
^ Джонсон, Пенсильвания; Миган, Грузия; МакКолл, К.; Боннер, BP; Шенкленд, Ти Джей (1992). «Исследование волн конечной амплитуды в земных материалах» . Журнал Акустического общества Америки . 91 (4): 2350. Бибкод : 1992ASAJ...91.2350J . дои : 10.1121/1.403453 .
^ Формирование параметрического луча в скале
^ Профессор Питер Вестервельт и параметрический массив
^ Институт акустики - Программа медалей и наград. Архивировано 28 июня 2009 г. в Wayback Machine.
^ Мьюир 1976 , с. 554.
^ Перейти обратно: ^а ^б Альберс 1972 г.
^ Вестервельт 1963
^ Рой и Ву 1993
^ Бейер 1974
^ Беллин и Бейер, 1960 г.
^ Вестервельт, Питер Дж. (1975). «Состояние и будущее нелинейной акустики». Журнал Акустического общества Америки . 57 (6): 1352–1356. Бибкод : 1975ASAJ...57.1352W . дои : 10.1121/1.380612 .
^ Источники звука разностной частоты в двухчастотной системе визуализации с применением для мониторинга термической хирургии ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Моффетт и Меллен 1977
^ Моффетт и Меллен, 1976 г.
^ «Код временной области Техаса KZK» .
^ Вудсам и Вестервельт 1981
^ Вудсам, 2006 г.
^ Кэбот и Путтерман 1981
^ Кадучак, Григорий; Синха, Дипен Н.; Лизон, Дэвид С.; Келечер, Майкл Дж. (2000). «Бесконтактный метод оценки упругих структур на больших расстояниях: применение к классификации жидкостей в стальных сосудах» . Ультразвук . 37 (8): 531–536. дои : 10.1016/S0041-624X(99)00109-2 . ПМИД 11243456 .
^ Наугольных Константин А.; Есипов, Игорь Б. (1995). «Дистанционное зондирование океана параметрической решеткой» . Журнал Акустического общества Америки . 98 (5): 2915. Бибкод : 1995ASAJ...98.2915N . дои : 10.1121/1.414208 .
^ Конофагу, Элиза; Тирман, Джонатан; Хининен, Куллерво (2001). «Метод сфокусированного ультразвука для одновременного диагностического и терапевтического применения — симуляционное исследование» . Физика в медицине и биологии . 46 (11): 2967–2984. Бибкод : 2001PMB....46.2967K . дои : 10.1088/0031-9155/46/11/314 . ПМИД 11720358 . S2CID 2036873 .
^ Чжан, Донг; Чен, Си; Сю-фэнь, Гун (2001). «Томография параметров акустической нелинейности биологических тканей с помощью параметрической матрицы от источника с круглым поршнем - теоретический анализ и компьютерное моделирование». Журнал Акустического общества Америки . 109 (3): 1219–1225. Бибкод : 2001ASAJ..109.1219Z . дои : 10.1121/1.1344160 . ПМИД 11303935 .
^ Мьюир, Т.Г.; Вайбер, Р.Дж. (1984). «Сейсмическое профилирование высокого разрешения с помощью низкочастотной параметрической антенной решетки». Журнал Акустического общества Америки . 76 (С1): С78. Бибкод : 1984ASAJ...76...78M . дои : 10.1121/1.2022023 .
^ «Активное управление звуком с помощью параметрического массива» . Архивировано из оригинала 9 марта 2007 г. Проверено 5 декабря 2006 г.
^ n: Элвуд Норрис получает премию Лемельсона-MIT 2005 года за изобретения.
^ Ривз, К.; Голдсберри, Т.; Роде, Д. (1979). «Эксперименты с параметрической акустической приемной решеткой с большой апертурой». ИКАССП '79. Международная конференция IEEE по акустике, речи и обработке сигналов . Том. 4. С. 616–619. дои : 10.1109/ICASSP.1979.1170632 .

Дальнейшее чтение

Х. К. Вудсум и П. Дж. Вестервельт, «Общая теория рассеяния звука звуком», Журнал «Звук и вибрация» (1981), 76 (2), 179–186.
Питер Дж. Вестервельт, «Параметрическая акустическая решетка», Журнал Акустического общества Америки, Vol. 35, № 4 (535-537), 1963 г.
Марк Б. Моффетт и Роберт Х. Меллен, «Модель для параметрических источников», J. Acoust. Соц. Являюсь. Том. 61, № 2, февраль 1977 г.
Марк Б. Моффетт и Роберт Х. Меллен, «О факторах апертуры параметрического источника», J. Acoust. Соц. Являюсь. 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 общей теории рассеяния звука звуком», J. Acoust. Soc. Am. Vol. 95, № 5, часть 2 (2PA14), июнь 1994 г. ( Программа 134-го собрания Акустического общества Америки, Кембридж, Массачусетс)
Роберт Т. Бейер, Нелинейная акустика, 1-е издание (1974). Издано Командованием морских систем ВМС.
Х.О. Берктай и Д.Д. Лихи, Журнал Акустического общества Америки, 55, стр. 539 (1974)
М. Дж. Лайтхилл, «О звуке, генерируемом аэродинамически», Proc. R. Soc. Lond. A211, 564–687 (1952).
М. Дж. Лайтхилл, «О звуке, генерируемом аэродинамически», Proc. Р. Сок. Лонд. А222, 1-32 (1954)
Дж. С. Беллин и Р. Т. Бейер, «Рассеяние звука звуком», Дж. Акуст. Соц. Являюсь. 32, 339–341 (1960)
М. Дж. Лайтхилл, Матем. Обороты. 19, 915 (1958)
HC Woodsum, Bull. Ам. Физ. Социум, осень 1980 г.; «Оператор граничных условий для нелинейной акустики»
HC Woodsum, Proc. 17-я Международная конференция по нелинейной акустике, AIP Press (Нью-Йорк), 2006 г.; «Сравнение нелинейных акустических экспериментов с формальной теорией рассеяния звука на звуке», статья ТуАМ201.
Т.Г. Мьюир, Специальный отчет Управления военно-морских исследований - «Наука, технологии и современный флот, тридцатая годовщина (1946-1976), документ ONR-37, «Нелинейная акустика: новое измерение подводного звука», опубликованный Департаментом Военно-Морской Флот (1976)
В. М. Альберс, «Подводный звук», «Эталонные статьи по акустике», стр. 415; Dowden, Hutchinson and Ross, Inc., Страудсбург, Пенсильвания (1972).
М. Кэбот и Сет Путтерман, «Перенормированная классическая нелинейная гидродинамика, квантовая связь мод и квантовая теория взаимодействующих фононов», Physics Letters Vol. 83A, № 3, 18 мая 1981 г., стр. 91–94 (North Holland Publishing Company-Амстердам)
Нелинейная визуализация параметров. Компьютерная томография с помощью параметрической акустической решетки Ю. Накагава; М. Накагава; М. Ёнеяма; М. Кикучи. Симпозиум IEEE 1984 по ультразвуку. Том, выпуск, 1984 г. Страницы: 673–676
Активное нелинейное акустическое зондирование объекта с полями суммы или разности частот. Чжан, В.; Лю, Ю.; Ратилал, П.; Чо, Б.; Макрис, Северная Каролина; Дистанционное зондирование. 2017, 9, 954. https://doi.org/10.3390/rs9090954.

[1] Бейер, Роберт Т. «Предисловие к оригинальному изданию» . Нелинейная акустика .

[nonlinear-underwater-acoustics-book-2] Перейти обратно: ^а ^б Новиков Б.К.; Руденко О.В.; Тимошенко, В.И. (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 насыщенной параметрической решетки в воздухе». Журнал Акустического общества Америки . 68 (4): 1214–1216. Бибкод : 1980ASAJ...68.1214T . дои : 10.1121/1.384959 .

[4] Джонсон, Пенсильвания; Миган, Грузия; МакКолл, К.; Боннер, BP; Шенкленд, Ти Джей (1992). «Исследование волн конечной амплитуды в земных материалах» . Журнал Акустического общества Америки . 91 (4): 2350. Бибкод : 1992ASAJ...91.2350J . дои : 10.1121/1.403453 .

[5] Формирование параметрического луча в скале

[6] Профессор Питер Вестервельт и параметрический массив

[7] Институт акустики - Программа медалей и наград. Архивировано 28 июня 2009 г. в Wayback Machine.

[8] Мьюир 1976 , с. 554.

[:0-9] Перейти обратно: ^а ^б Альберс 1972 г.

[10] Вестервельт 1963

[11] Рой и Ву 1993

[12] Бейер 1974

[13] Беллин и Бейер, 1960 г.

[14] Вестервельт, Питер Дж. (1975). «Состояние и будущее нелинейной акустики». Журнал Акустического общества Америки . 57 (6): 1352–1356. Бибкод : 1975ASAJ...57.1352W . дои : 10.1121/1.380612 .

[15] Источники звука разностной частоты в двухчастотной системе визуализации с применением для мониторинга термической хирургии ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[16] Моффетт и Меллен 1977

[17] Моффетт и Меллен, 1976 г.

[18] «Код временной области Техаса KZK» .

[19] Вудсам и Вестервельт 1981

[20] Вудсам, 2006 г.

[21] Кэбот и Путтерман 1981

[22] Кадучак, Григорий; Синха, Дипен Н.; Лизон, Дэвид С.; Келечер, Майкл Дж. (2000). «Бесконтактный метод оценки упругих структур на больших расстояниях: применение к классификации жидкостей в стальных сосудах» . Ультразвук . 37 (8): 531–536. дои : 10.1016/S0041-624X(99)00109-2 . ПМИД 11243456 .

[23] Наугольных Константин А.; Есипов, Игорь Б. (1995). «Дистанционное зондирование океана параметрической решеткой» . Журнал Акустического общества Америки . 98 (5): 2915. Бибкод : 1995ASAJ...98.2915N . дои : 10.1121/1.414208 .

[24] Конофагу, Элиза; Тирман, Джонатан; Хининен, Куллерво (2001). «Метод сфокусированного ультразвука для одновременного диагностического и терапевтического применения — симуляционное исследование» . Физика в медицине и биологии . 46 (11): 2967–2984. Бибкод : 2001PMB....46.2967K . дои : 10.1088/0031-9155/46/11/314 . ПМИД 11720358 . S2CID 2036873 .

[25] Чжан, Донг; Чен, Си; Сю-фэнь, Гун (2001). «Томография параметров акустической нелинейности биологических тканей с помощью параметрической матрицы от источника с круглым поршнем - теоретический анализ и компьютерное моделирование». Журнал Акустического общества Америки . 109 (3): 1219–1225. Бибкод : 2001ASAJ..109.1219Z . дои : 10.1121/1.1344160 . ПМИД 11303935 .

[26] Мьюир, Т.Г.; Вайбер, Р.Дж. (1984). «Сейсмическое профилирование высокого разрешения с помощью низкочастотной параметрической антенной решетки». Журнал Акустического общества Америки . 76 (С1): С78. Бибкод : 1984ASAJ...76...78M . дои : 10.1121/1.2022023 .

[27] «Активное управление звуком с помощью параметрического массива» . Архивировано из оригинала 9 марта 2007 г. Проверено 5 декабря 2006 г.

[28] : Элвуд Норрис получает премию Лемельсона-MIT 2005 года за изобретения.

[29] Ривз, К.; Голдсберри, Т.; Роде, Д. (1979). «Эксперименты с параметрической акустической приемной решеткой с большой апертурой». ИКАССП '79. Международная конференция IEEE по акустике, речи и обработке сигналов . Том. 4. С. 616–619. дои : 10.1109/ICASSP.1979.1170632 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]