Параметрическое (направленное) излучение звука

Создание численных алгоритмов, разработка новых излучателей


Слышимый звук (т.е. низкой частоты) обладает слабым затуханием (т.е. может распространяться на дальние расстояния), однако при этом также характерен быстрым расхождением (т.е. трудно направляем в определенную сторону).

Ультразвуковые волны (т.е. высокой частоты), наоборот, могут обладать выраженной направленностью, но склонны к быстрому затуханию в среде распространения. Однако при высокой мощности две высокочастотных волны способны на нелинейное (параметрическое) взаимодействие — т.е. генерацию множества дополнительных гармоник (частот). При этом волна разностной (наименьшей) частоты (ВРЧ) получается узконаправленной и способна распространяться на достаточное удаление от излучателя, а высокочастотные волны быстро затухают. Таким образом, неслышимый ультразвук может создавать, например, слышимый звук, распространяющийся далеко и узконаправленно.

В связи с этим, параметрическая генерация ВРЧ активно используется в различных сферах:

  • узконаправленное слышимое излучение в воздухе (бесконтактные аудиогиды в библиотеках и музеях, системы активного шумоподавления);
  • узконаправленный сигнал, распространяющийся на большие дистанции в воде (изучение дна и изучение океана на длинных трассах);
  • медицинские приложения (ультразвуковая визуализация на разностной частоте, контрастная визуализация упругости материалов) и т.д.

Такое взаимодействие двух высокочастотных волн накачки может быть численно рассчитано с помощью уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК). При этом для проведения трехмерных расчетов требуется проведение оптимизация алгоритмов путем учета лишь наиболее существенных спектральных компонент нелинейной волны.

Задачи LIMU

  • Разработка новых численных алгоритмов решения трехмерных параметрических задач в сильно нелинейных режимах
  • Исследование особенностей параметрической генерации ВРЧ
  • Численные расчеты по поиску оптимальных характеристик параметрического излучения
  • Разработка специализированных параметрических излучателей для конкретных медицинских и промышленных приложений

Деятельность

  • численное моделирование
  • разработка излучателей

Контакты

Подробности

[1] Fully nonlinear three-dimensional modeling of parametric interactions in the field of a dual-frequency acoustic array / A. V. Kvashennikova, P. V. Yuldashev, V. A. Khokhlova, I. B. Esipov // Journal of the Acoustical Society of America. — 2024. — Vol. 155, no. 3. — P. 1682–1693. DOI: 10.1121/10.0025049

[2] Quasilinear approximation for modeling difference-frequency acoustic wave in a diffracting pump-wave beam / A. V. Tyurina, P. V. Yuldashev, I. B. Esipov, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2023. — Vol. 69, no. 1. — P. 30–39. DOI: 10.1134/S1063771022700014

[3] Spectral modeling of difference-frequency generation in the case of two-frequency interaction of ultrasound waves / A. V. Tyurina, P. V. Yuldashev, I. B. Esipov, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2022. — Vol. 68, no. 2. — P. 130–137. DOI: 10.1134/s1063771022020105

[4] Demodulation of pulsed acoustic signals in strongly nonlinear propagation regimes / A. V. Kvashennikova, M. S. Sergeeva, P. V. Yuldashev et al. // Acoustical Physics. — 2024. — Vol. 70, no. 5. — P. 797–807. DOI: 10.1134/s1063771024602279

[5] Метод численного расчета генерации ультразвуковых волн разностной частоты в условиях формирования ударного фронта / М. С. Сергеева, А. В. Тюрина, П. В. Юлдашев, В. А. Хохлова // Ученые записки физического факультета Московского Университета. — 2022. — № 4. — С. 2240101.

[6] Численные модели распространения нелинейных акустических волн в задачах медицинского ультразвука и в некоторых приложениях аэро- и подводной акустики / П. В. Юлдашев, О. А. Сапожников, М. М. Карзова, С. А. Цысарь, А. В. Квашенникова, Е. О. Коннова, В. А. Хохлова. // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. — 2025. — Т. 80, № 2. — С. 2520301. DOI: 10.55959/MSU0579-9392.80.2520301

[7] Параметрическая гидроакустическая антенна — перспективный инструмент для мониторинга океана на протяженных трассах / И. Б. Есипов, С. П. Тарасов, В. Л. Чулков // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014 7(2):46-57.

[8] Parametric acoustic array and Its application in underwater acoustic engineering / H. Zhou , S. H. Huang, W. Li // Sensors (Basel). 2020 10;20(7):2148. DOI: 10.3390/s20072148.

[9] Development of parametric loudspeaker / C. Shi, G. Woon-Seng // IEEE Potentials. 2010 29: 20 — 24. DOI: 10.1109/MPOT.2010.938148