非线性对大气介质中阵列聚焦声场分布影响的研究

基于时域有限差分算法将大气中近似到二阶微小项的非线性声波波动方程进行离散化,得到了模拟采用的差分波动方程.在此基础上,数值模拟了初始声压强弱不同的5个点声源组成的线阵列垂直或斜向辐射的连续正弦波在大气中传播时二维声场的分布情况.将线性条件下的模拟结果与非线性条件下的模拟结果进行比较后发现:弱非线性会对声场的分布和阵列聚焦增益产生一定的影响,使声场分布波形比线性条件下的声场分布波形更加靠近阵列,聚焦效果变差;强非线性会使波形发生更严重畸变,这是由于产生了基频以外的其他频率声波引起的;非线性对斜向传播时声场分布的影响与垂直传播时的影响效果基本相同,但由于斜向辐射时的声波几何扩展造成的轴向声压衰减要大于垂直辐射时的轴向声压衰减,因此聚焦增益和强非线性的影响都将小于垂直辐射时的情况.     

活塞式超声换能器声场的一种解析描述

本文作者采用一种全新的“高斯函数多项式”来描述活塞声场,用这种方法计算了活塞式声场的轴向分布和远近场的径向分布,与用精确的表达式(瑞利积分)计算结果颇相符合,并证明了这种“函数多项式”或高斯函数组对于某一类函数展开是完备的,这表明轴对称声源可以看作一系列高斯声源的线性叠加。这种方法不仅为了简化声场的数学描述,而且也有利于处理有限束声场的散射、聚焦声场等声学问题。     

高斯叠代法研究相控阵非线性声场

相控阵在聚焦超声治疗应用中不可避免地受到非线性影响,提出了采用高斯叠代法计算相控阵的非线性声场。在该方法中,利用预设焦点参数并应用伪逆矩阵算法得到阵元的激励参数;然后将阵元近似拟合成一组高斯声束的叠加,通过高斯声束叠代计算非线性声场。数值计算中以64阵元一维相控阵为研究对象;线性条件下,高斯叠代法结果与菲涅耳积分结果的误差低于0.5%,验证了该方法的可行性;单焦点及双焦点模式的相控阵非线性声场结果表明非线性效应能提高焦点聚焦性能,并且非线性效应与激励声压及激励频率成正比。      

非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算

针对近轴近似的多高斯声束模犁无法准确计算离轴区域声场的问题,我们提出了一个矩形源的非近轴近似多高斯声束模型,用于计算偏转聚焦时线性相控阵换能器辐射的声场.利用该方法计算了由矩形阵元组成的相控线阵的辐射声场,并与瑞利积分、近轴近似方法及夫琅和费近似方法进行了分析和对比,计算结果表明该方法克服了常规近轴近似条件的限制,可以准确、快速地计算较大偏转范围内的换能器辐射声场,在计算相控阵换能器偏转聚焦声场中具有独特的优势.     

1-3型二维柱形凹面线聚焦换能器声场特性

设计并研制了柱面结构的1-3型复合材料凹面线聚焦换能器,在提高换能器带宽的同时,可以实现声场的线聚焦。将换能器内部PZT柱作为独立声源,应用瑞利积分和叠加原理,推导出了柱形凹面换能器总声场的理论表达式。通过仿真计算分析了换能器在聚焦线上的声场特点以及相关参数对聚焦性能的影响。对换能器参数做出合理设计,使换能器在实现线聚焦的同时,声场在聚焦线上的起伏较小,从而设计并制作出聚焦性能良好的线聚焦凹面换能器探头。实验测试结果表明采用本文方法计算得到的换能器声场与实测的声场分布基本符合,柱形凹面换能器在其几何焦点附近范围内均可实现聚焦,并在侧向上形成清晰的聚焦线,其聚焦线长度为换能器的侧向结构长度,在聚焦线上声场分布起伏较小。      

基于分数导数研究高强度聚焦超声的非线性声场

在高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU) 的研究中, 生物组织的衰减和色散性质会对声能量的空间分布产生影响. 本文提出应用分数导数修正非线性Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程, 研究生物组织中非线性HIFU声场. 对三种生物仿体的衰减和声速色散的理论实验研究表明分数导数应用的可行性, 在此基础上通过数值仿真分析研究了衰减及声速随频率的变化对HIFU焦域分布的影响. 研究结果表明, 在计算强非线性聚焦超声时, 由于高次谐波的强色散作用, 引入分数导数来解决生物组织特殊的衰减以及色散问题可进一步提高HIFU治疗的安全性. 关键词： 分数导数 声衰减 色散 高强度聚焦超声     

分层半空间表面非线性瑞利波的激发*

针对非线性瑞利波在均匀分层半空间结构中的激发和传播规律进行研究。根据摄动理论和模态分解将分层半空间结构中瑞利波的二次谐波声场表示为二倍频瑞利波模式的线性组合,经由互易关系得到各模式的展开系数表达式。对不同分层半空间结构中瑞利波二次谐波的激发和传播特性进行讨论,结果表明相速度匹配的瑞利波模式其二次谐波分量随传播距离线性增长,非匹配模式的二次谐波分量则沿传播方向周期震荡传播。此外,文中定义非线性参数表征瑞利波模式产生的非线性程度,这有利于选择出具有明显非线性效应的匹配点,为后续检测工作提供理论依据,具有指导意义。     

随机相控高强度聚焦超声换能器的栅瓣抑制

采用3种随机排列策略形成相控阵元线性排列结构抑制高强度聚焦超声(HIFU)相控阵栅瓣。第1种和第2种策略中阵元基于规则排列随机移动,而第3种策略中阵元则直接进行随机移动,阵元可移动范围依次为:第1种<第2种<第3种。采用瑞利积分和非线性Westervelt方程分别计算了3种策略对应随机相控阵产生的线性和非线性声场,并通过归一化栅瓣最大声压、归一化栅瓣平均声强和归一化旁瓣平均声强3个参量,对栅瓣抑制效果进行评价。结果表明:线性声场中,阵元可移动范围的增加有利于栅瓣抑制,3种随机策略的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低30.7%,53.8%和55.8%;非线性声场中对于同一种随机排列策略,随机度的增加可以改善栅瓣抑制效果。例如,第3种随机策略在随机度为0.9时正负压的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低55.6%和54.8%。进一步讨论了焦点偏移时随机相控阵的非线性声场,以-8 dB作为栅瓣的安全标准,第2种和第3种随机策略可以满足要求,横向偏移分别为6 mm和10 mm。本文的工作为抑制栅瓣提供了新思路,有利于随机HIFU相控阵的设计优化。      

变厚度聚焦换能器对声焦域轴向长度影响的研究*

针对不同厚度的病变组织,改变声焦域轴向长度能提高高强度聚焦超声在临床治疗过程中的安全性和有效性。基于多频超声波叠加原理,该文提出了变厚度(多频)聚焦换能器,并设计了两种类型变厚度聚焦换能器。根据瑞利积分法推导了变厚度聚焦换能器声场,计算和分析了变厚度聚焦换能器的声焦域轴向长度,并与等厚度(单频)聚焦换能器声焦域轴向长度进行对比。结果显示,变厚度聚焦换能器中心到边缘的厚度变化趋势与声焦域轴向长度变化相关,中间薄两边厚换能器声焦域轴向长度缩短,中间厚两边薄换能器声焦域轴向长度变长,且实验验证了理论的正确性。研究结果可为变厚度聚焦换能器声场研究和高强度聚焦超声的临床治疗提供参考。     

高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究

为探究临床常用的7 MHz高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规律问题,基于Westervelt方程和Pennes传热方程,使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异,然后在非线性模型下探究换能器的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示：在7 MHz频率下,当换能器输出声功率超过5 W时,声波传播的非线性效应不可忽视(p <0.05);当声功率从5 W增大到15 W时,非线性模型与线性模型预测的温度偏差从20%增加到34.703%;高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著,基频能量向高次谐波转移的程度增大,声功率为10 W和15 W时4次谐波与基波之比分别达到7.33%和12.12%;高频换能器参数的改变对组织中声场和温度场分布的影响较大,换能器焦距从12 mm减小到11.2 mm,焦点处最高温度增加了77%。结果表明,7 MHz聚焦超声的非线性声传播需要考虑到4次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。     

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场的理论与实验研究

基于Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov(KZK)方程，在频域提出了聚焦超声波在层状生物媒质中传播的理论模型，该模型计及生物媒质的吸收、非线性和边界，同时考虑声源的衍射对声传播的影响.数值研究了聚焦超声波的基波和二次谐波在层状生物媒质中的声传播，并与实验结果相比较.研究结果表明，此方法可以有效地描述聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场. 关键词： 聚焦超声波 层状生物媒质 二次谐波     

发动机圆形管道内噪声衰减谱模态分析

本文应用模态分析方法建立了剪切流存在条件下,发动机多段声衬圆形管道声传播工程计算模型,对管内各模态频谱和总噪声衰减频谱进行了算例计算,并与有关文献试验数据进行了对比。结果表明,多段声衬圆形管道中声传播工程计算方法是可行的,从而为发动机前短舱管内声传播研究提供了一种模态分析工程预测方法。     

The use of a hybrid model to compute the nonlinear acoustic performance of silencers for the finite amplitude acoustic wave

In the present study, a hybrid method is proposed for predicting the acoustic performance of a silencer for a nonlinear wave. This method is developed by combining two models: (i) a frequency-domain model for the computation of sound attenuation due to a silencer in a linear regime and (ii) a wavenumber space model for the prediction of the nonlinear time-evolution of finite amplitudes of the acoustic wave in a uniform duct of the same length as the silencer. The present method is proposed under the observation that the physical process of the nonlinear sound attenuation phenomenon of a silencer may be decoupled into two distinct mechanisms: (a) a linear acoustic energy loss that owes to the mismatch in the acoustic impedance between reactive elements and/or the sound absorption of acoustic liners in a silencer; (b) a nonlinear acoustic energy loss that is due to the energy-cascade phenomenon that arises from the nonlinear interaction between components of different frequencies. To establish the validity of the present model for predicting the acoustic performance of silencers, two model problems are considered. First, the performance of simple expansion mufflers with nonlinear incident waves has been predicted. Second, proposed method is applied for computing nonlinear acoustic wave propagation in the NASA Langley impedance duct configuration with ceramic tubular liner (CT57). Both results obtained from the hybrid models are compared with those from computational aero-acoustic techniques in a time-space domain that utilize a high-order finite-difference method. Through these comparisons, it is shown that there are good agreements between the two predictions. The main advantage of the present method is that it can effectively compute the nonlinear acoustic performance of silencers in nonlinear regimes without time-space domain calculations that generally entail a greater computational burden.     

Propagation of acoustic wave in viscoelastic medium permeated with air bubbles

Based on the modification of the radial pulsation equation of an individual bubble, an effective medium method (EMM) is presented for studying propagation of linear and nonlinear longitudinal acoustic waves in viscoelastic medium permeated with air bubbles. A classical theory developed previously by Gaunaurd (Gaunaurd GC and \"{U}berall H, {\em J. Acoust. Soc. Am}., 1978; 63: 1699--1711) is employed to verify the EMM under linear approximation by comparing the dynamic (i.e. frequency-dependent) effective parameters, and an excellent agreement is obtained. The propagation of longitudinal waves is hereby studied in detail. The results illustrate that the nonlinear pulsation of bubbles serves as the source of second harmonic wave and the sound energy has the tendency to be transferred to second harmonic wave. Therefore the sound attenuation and acoustic nonlinearity of the viscoelastic matrix are remarkably enhanced due to the system's resonance induced by the existence of bubbles.     

圆锥面PVDF聚焦换能器的非线性声场理论及实验研究

圆锥面聚焦换能器可在超声成像中获得较好径向分辨率的同时提高探测深度.利用高斯声源函数叠加法来近似表示圆锥面聚焦声源的分布函数，结合近轴近似的KZK方程，得到了圆锥面聚焦换能器在损耗媒质中产生的基波、二次谐波声场的解析解.在实验上制作了PVDF圆锥面聚焦换能器，测量了圆锥面聚焦换能器的基波及二次谐波声场，实验结果和理论计算相符.     

The nonlinear propagation of acoustic waves in a viscoelastic medium containing cylindrical micropores

Based on an equivalent medium approach, this paper presents a model describing the nonlinear propagation of acoustic waves in a viscoelastic medium containing cylindrical micropores. The influences of pores' nonlinear oscillations on sound attenuation, sound dispersion and an equivalent acoustic nonlinearity parameter are discussed. The calculated results show that the attenuation increases with an increasing volume fraction of micropores. The peak of sound velocity and attenuation occurs at the resonant frequency of the micropores while the peak of the equivalent acoustic nonlinearity parameter occurs at the half of the resonant frequency of the micropores. Furthermore, multiple scattering has been taken into account, which leads to a modification to the effective wave number in the equivalent medium approach. We find that these linear and nonlinear acoustic parameters need to be corrected when the volume fraction of micropores is larger than 0.1%.     

Geoacoustic inversion for bottom parameters in a thermocline environment in the northern area of the South China Sea

Bottom acoustic parameters have important influence on the application of underwater acoustic propagation and source location.The acoustic parameters of the seabed in the northern of the South China Sea(SCS) were inversed using the experiment data from an acoustic experiment in 2015.Based on the comprehensive analysis of the influence of the sound speed fluctuation and the geoacoustic model on seabed inversion,the multi-parameter hybrid acoustic inversion scheme is improved by selecting the equivalent mean sound speed profile(SSP) and half-infinite liquid bottom model to save the inversion dimensions in the matched field processing(MFP) inversion.The inverted bottom sound speed and density are in good agreement with the core sampling measurements.The nonlinear empirical relationship of the attenuation coefficient with frequency is given out.The inversion results are meaningful to the sound propagation research and application in the northern area of the SCS.