Una matriz paramétrica , en el campo de la acústica , es un mecanismo de transducción no lineal que genera haces estrechos, casi sin lóbulos laterales , de sonido de baja frecuencia, a través de la mezcla e interacción de ondas sonoras de alta frecuencia , superando efectivamente el límite de difracción (una especie de 'principio de incertidumbre' espacial) asociado con la acústica lineal. [1] El haz de sonido de baja frecuencia sin lóbulos laterales principal se crea como resultado de la mezcla no lineal de dos haces de sonido de alta frecuencia en su frecuencia diferencial. Los arreglos paramétricos se pueden formar en agua, [2] aire, [3] y materiales terrestres / roca. [4][5]
Historia
La prioridad para el descubrimiento y explicación de la matriz paramétrica se debe a Peter J. Westervelt , [6] ganador de la Medalla Lord Rayleigh [7] (actualmente profesor emérito en la Universidad de Brown ), aunque al mismo tiempo se estaban realizando importantes trabajos experimentales en la ex Unión Soviética. [2]
Según Muir [16, p. 554] y Albers [17], el concepto de la matriz paramétrica se le ocurrió al Dr. Westervelt mientras estaba destinado en la sucursal de Londres, Inglaterra, de la Oficina de Investigación Naval en 1951.
Según Albers [17], él (Westervelt) observó por primera vez una generación accidental de sonido de baja frecuencia en el aire por parte del Capitán HJ Round (pionero británico del receptor superheterodino) a través del mecanismo de matriz paramétrica.
El fenómeno de la matriz paramétrica, visto por primera vez de forma experimental por Westervelt en la década de 1950, se explicó más tarde teóricamente en 1960, en una reunión de la Acoustical Society of America . Unos años después de esto, se publicó un artículo completo [2] como una extensión del trabajo clásico de Westervelt sobre la dispersión no lineal de sonido por sonido, como se describe en [8,6,12].
Cimientos
La base de la teoría de Westervelt de generación y dispersión de sonido en medios acústicos no lineales [8] se debe a una aplicación de la ecuación de Lighthill (ver Aeroacústica ) para el movimiento de partículas fluidas.
La aplicación de la teoría de Lighthill al ámbito acústico no lineal produce la ecuación de Westervelt-Lighthill (WLE). [9] Se han desarrollado soluciones para esta ecuación utilizando las funciones de Green [4,5] y los métodos de ecuaciones parabólicas (PE), sobre todo mediante la ecuación de Kokhlov – Zablotskaya – Kuznetzov (KZK). [10]
Westervelt también desarrolló un formalismo matemático alternativo que utiliza métodos de operador de Fourier en el espacio de números de onda , y se generalizó en [1] para resolver el WLE de la manera más general. El método de solución se formula en el espacio de Fourier (número de onda) en una representación relacionada con los patrones de haz de los campos primarios generados por fuentes lineales en el medio. Este formalismo se ha aplicado no solo a las matrices paramétricas [15], sino también a otros efectos acústicos no lineales, como la absorción del sonido por el sonido y la distribución de equilibrio de los espectros de intensidad del sonido en las cavidades [18].
Aplicaciones
Las aplicaciones prácticas son numerosas e incluyen:
- sonido subacuático
- ultrasonido médico [13]
- y tomografía Zhang, Dong; Chen, Xi; Xiu-fen, Gong (2001). "Tomografía acústica de parámetros de no linealidad para tejidos biológicos a través de una matriz paramétrica de una fuente de pistón circular: análisis teórico y simulaciones por computadora". La Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica . 109 (3): 1219-1225. Código bibliográfico : 2001ASAJ..109.1219Z . doi : 10.1121 / 1.1344160 . PMID 11303935 .
- prospección sísmica subterránea [14]
- control de ruido activo [15]
- y sistemas de audio comerciales direccionales de alta fidelidad ( sonido de ultrasonido ) [16]
También se pueden formar matrices de recepción paramétricas para la recepción direccional. [17] En 2005, Elwood Norris ganó el premio MIT-Lemelson de $ 500,000 por su aplicación de la matriz paramétrica a altavoces comerciales de alta fidelidad.
Referencias
- ^ Beyer, Robert T. "Prefacio a la edición original" . Acústica no lineal .
- ^ a b Novikov, BK; Rudenko, OV; Timoshenko, VI (1987). Acústica subacuática no lineal . Traducido por Robert T. Beyer. Instituto Americano de Física. ISBN 9780883185223. OCLC 16240349 .
- ^ Trenchard, Stephen E .; Coppens, Alan B. (1980). "Estudio experimental de una matriz paramétrica saturada en el aire". La Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica . 68 (4): 1214-1216. Código Bibliográfico : 1980ASAJ ... 68.1214T . doi : 10.1121 / 1.384959 .
- ^ Johnson, PA; Meegan, GD; McCall, K .; Bonner, BP; Shankland, TJ (1992). "Estudios de ondas de amplitud finita en materiales terrestres". La Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica . 91 (4): 2350. Bibcode : 1992ASAJ ... 91.2350J . doi : 10.1121 / 1.403453 .
- ^ Formación de vigas paramétricas en roca
- ^ El profesor Peter Westervelt y la matriz paramétrica
- ^ Instituto de Acústica - Programa de medallas y premios Archivado el 28 de junio de 2009 en la Wayback Machine.
- ^ Westervelt, Peter J. (1975). "El estado y el futuro de la acústica no lineal". La Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica . 57 (6): 1352-1356. Código Bibliográfico : 1975ASAJ ... 57.1352W . doi : 10.1121 / 1.380612 .
- ^ Fuentes de sonido de frecuencia de diferencia en un sistema de imágenes de doble frecuencia con implicaciones para la monitorización de la cirugía térmica [ enlace muerto permanente ]
- ^ "Código de dominio de tiempo de Texas KZK" .
- ^ Kaduchak, Gregory; Sinha, Dipen N .; Lizon, David C .; Kelecher, Michael J. (2000). "Una técnica sin contacto para la evaluación de estructuras elásticas a grandes distancias de separación: aplicaciones a la clasificación de fluidos en recipientes de acero" . Ultrasonidos . 37 (8): 531–536. doi : 10.1016 / S0041-624X (99) 00109-2 . PMID 11243456 .
- ^ Naugolnykh, Konstantin A .; Esipov, Igor B. (1995). "Teledetección oceánica por matriz paramétrica" . La Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica . 98 (5): 2915. Código Bibliográfico : 1995ASAJ ... 98.2915N . doi : 10.1121 / 1.414208 .
- ^ Konofagou, Elisa; Thierman, Jonathan; Hynynen, Kullervo (2001). "Un método de ultrasonido enfocado para aplicaciones diagnósticas y terapéuticas simultáneas: un estudio de simulación" . Física en Medicina y Biología . 46 (11): 2967–2984. Código bibliográfico : 2001PMB .... 46.2967K . doi : 10.1088 / 0031-9155 / 46/11/314 . PMID 11720358 . S2CID 2036873 .
- ^ Muir, TG; Wyber, RJ (1984). "Perfilado sísmico de alta resolución con arreglo paramétrico de baja frecuencia". La Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica . 76 (S1): S78. Código bibliográfico : 1984ASAJ ... 76 ... 78M . doi : 10.1121 / 1.2022023 .
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 9 de marzo de 2007 . Consultado el 5 de diciembre de 2006 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ n: Elwood Norris recibe el premio Lemelson-MIT 2005 por invención.
- ^ Reeves, C .; Goldsberry, T .; Rohde, D. (1979). "Experimentos con una matriz de recepción acústica paramétrica de gran apertura". ICASSP '79. Conferencia internacional IEEE sobre acústica, habla y procesamiento de señales . 4 . págs. 616–619. doi : 10.1109 / ICASSP.1979.1170632 .
Otras lecturas
- [1] HC Woodsum y PJ Westervelt, "Una teoría general para la dispersión del sonido por el sonido", Journal of Sound and Vibration (1981), 76 (2), 179-186.
- [2] Peter J. Westervelt, "Matriz acústica paramétrica", Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica, vol. 35, núm. 4 (535-537), 1963
- [3]
- [4] Mark B. Moffett y Robert H. Mellen, "Modelo de fuentes paramétricas", J. Acoust. Soc. Soy. Vol. 61, núm. 2, febrero de 1977
- [5] Mark B. Moffett y Robert H. Mellen, "Sobre los factores de apertura de la fuente paramétrica", J. Acoust. Soc. Soy. Vol. 60, No. 3, septiembre de 1976
- [6] Ronald A. Roy y Junru Wu, "Una investigación experimental de la interacción de dos haces de sonido no colineales", Actas del 13º Simposio internacional sobre acústica no lineal, H. Hobaek, Editor, Elsevier Science Ltd., Londres (1993)
- [7] Harvey C. Woodsum, "Soluciones analíticas y numéricas a la 'Teoría general de la dispersión del sonido por el sonido", J. Acoust. Soc. Am. Vol. 95, No. 5, Parte 2 (2PA14), junio , 1994 (Programa de la 134a Reunión de la Sociedad Estadounidense de Acústica, Cambridge Massachusetts)
- [8] Robert T. Beyer, Acústica no lineal, 1ª edición (1974) ,. Publicado por el Comando de Sistemas Marítimos Navales.
- [9] HO Berktay y DJ Leahy, Revista de la Sociedad Americana de Acústica, 55, p. 539 (1974)
- [10] MJ Lighthill, "On Sound Generated Aerodynamically", Proc. R. Soc. Lond. A211, 564-687 (1952)
- [11] MJ Lighthill, “On Sound Generated Aerodynamically”, Proc. R. Soc. Lond. A222, 1-32 (1954)
- [12] JS Bellin y RT Beyer, "Dispersión de sonido por sonido", J. Acoust. Soc. Soy. 32, 339-341 (1960)
- [13] MJ Lighthill, matemáticas. Revs. 19, 915 (1958)
- [14] HC Woodsum, Bull. De Am. Phys. Soc., Otoño de 1980; "Un operador de condiciones de contorno para acústica no lineal"
- [15] HC Woodsum, Proc. 17ª Conferencia Internacional sobre Acústica No Lineal, AIP Press (NY), 2006; "Comparación de experimentos acústicos no lineales con una teoría formal para la dispersión de sonido por sonido", artículo TuAM201.
- [16] TG Muir, Informe especial de la Oficina de Investigación Naval - "La ciencia, la tecnología y la marina moderna, trigésimo aniversario (1946-1976), documento ONR-37," Acústica no lineal: una nueva dimensión en el sonido submarino ", publicado por el Departamento de Marina (1976)
- [17] VM Albers, "Underwater Sound, Benchmark Papers in Acoustics, p.415; Dowden, Hutchinson y Ross, Inc., Stroudsburg, PA (1972)
- [18] M. Cabot y Seth Putterman, "Hidrodinámica no lineal clásica renormalizada, acoplamiento de modos cuánticos y teoría cuántica de fonones interactuantes", Physics Letters Vol. 83A, No. 3, 18 de mayo de 1981, págs. 91–94 (North Holland Publishing Company-Amsterdam)
- [19] Tomografía computarizada de imágenes de parámetros no lineales por matriz acústica paramétrica Y. Nakagawa; M. Nakagawa; M. Yoneyama; M. Kikuchi. Simposio de Ultrasonidos IEEE 1984. Volumen, número, 1984 Página (s): 673–676