The application of high-order numerical modeling to nonlinear ultrasonic wave propagation in fluids is discussed. This work is motivated by ongoing developments with Wave Phase Conjugating (WPC) transducers, which are able to greatly amplify and re-emit incident acoustic energy back to a source location. As a result of the high amplification factors, conjugate wave magnitudes may exceed linear acoustic thresholds, leading to progressive nonlinear distortion and shock wave formation. In this work, a numerical model is formulated and coded for the simulation of the high amplitude nonlinear wave-fields produced by WPC transducers. At ultrasonic frequencies (> 1 MHz) wavelengths are short relative to propagation distances, making accurate numerical methods a requirement. The implemented numerical scheme uses high-order Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) techniques. Novel analysis is presented on the WENO schemes' spectral accuracy and on their capability to model progressive wave distortion. Details on the integration of a WPC transducer model into the numerical framework are also provided. This combination of modeling capabilities offers a new advancement in the simulation of WPC transducers and the high amplitude sound fields they produce. Using a simplified one-dimensional representation, the numerical model is applied and preliminary results investigating the influence of nonlinear acoustic response in ultrasonic WPC are presented. / L'application de schémas numériques d'ordre supérieur à la propagation d'ondes ultrasonores non-linéaires dans les fluides sera discutée. Cette recherche est motivée par les développements continus relatifs à de la conjugaison de phase acoustique, procédé qui permet d'amplifier et de renvoyer l'énergie acoustique incidente vers son lieu d'émission. Pour cette raison, les amplitudes des ondes conjuguées peuvent dépasser les seuils de validité de l'acoustique linéaire, conduisant à une distorsion non-linéaire progressive et à la formation d'ondes de choc. Dans ce travail, un modèle numérique a été élaboré et codé pour simuler les champs induits par des ondes non-linéaires issues d'une conjugaison de phase acoustique. A des fréquences ultrasonores (> 1 MHz) les longueurs d'ondes sont courtes devant la distance de propagation, ce qui rend nécessaire l'usage de méthodes numériques précises. La modélisation numérique implémentée dans cette recherche utilise une technique de schémas d'ordre supérieur intitulée: "Weighted Essentially Non-Oscillatory". Les analyses faites sur la précision spectrale des schémas seront confrontées aux résultats des calculs de propagation d' ondes ultrasonores. Les détails de l'intégration du modèle de fluide non-linéaire avec celui d'un transducteur à conjugaison de phase acoustique seront présentés ainsi que les résultats préliminaires sur le comportement de la conjugaison de phase en milieu non linéaire.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104880 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Leadbetter, Jeffrey |
| Contributors | David Frost (Internal/Cosupervisor2), Evgeny Timofeev (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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