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Contents

1 Introduction to Nonlinear Acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2

Constitutive Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.3

Phenomena in Nonlinear Acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 Nonlinear Acoustic Wave Equations for Sound Propagation

 

in Fluids and in Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.1

Nonlinear Acoustic Wave Equations in Fluids . . . . . . . . . . . . . . . .

3

 

2.1.1 The Westervelt Equation [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

 

2.1.2 The Burgers’ Equation [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

 

2.1.3 KZK Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

 

2.1.4 Nonlinear Acoustic Wave Equations for Sound

 

 

Propagation in Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3 Statistical Mechanics Approach to Nonlinear Acoustics . . . . . . . . . . .

9

3.1

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.2

Statistical Energy Analysis is Transport Theory . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.3

Statistical Energy Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.4

Transport Theory Approach to Phase Transition . . . . . . . . . . . . . .

14

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

4 Curvilinear Spacetime Applied to Nonlinear Acoustics . . . . . . . . . . . .

17

4.1

Introduction and Meaning of Curvilinear Spacetime . . . . . . . . . . .

17

4.2

Principle of General Covariance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

4.3

Contravariant and Covariant Four-Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.4

Contravariant Tensors and Covariant Tensors . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

4.5

The Covariant Fundamental Tensor gμν . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

4.6Equation of Motion of a Material Point in the Gravitational

Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

xi

xii

Contents

4.7The Laws of Momentum and Energy for Matter,

as a Consequence of the Gravitational Field Equations . . . . . . . . . 22

4.8The Euler Equation of Fluids in the Presence

of the Gravitational Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.9Acoustic Equation of Motion for an Elastic Solid

in the Presence of Gravitational Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5 Gauge Invariance Approach to Nonlinear Acoustical Imaging . . . . . 29 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.2Gauge Invariance Formulation of Electron–Phonon

Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.3 Illustration by a Unidirectional Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.4 Quantization of the Gauge Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.5 Coupling of Elastic Deformation with Spin Currents . . . . . . . . . . 34 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6 B/A Nonlinear Parameter Acoustical Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

6.1

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

6.2

The Thermodynamic Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

 

6.2.1

Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

 

6.2.2

Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

6.3

The Finite Amplitude Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

 

6.3.1 The Wave Shape Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

 

6.3.2

Second Harmonic Measuements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

 

6.3.3 Measurement from the Fundamental Component . . . . . . .

42

6.4

B/A Nonlinear Parameter Acoustical Imaging . . . . . . . . . . . . . . . .

43

 

6.4.1

Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

 

6.4.2

Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

 

6.4.3

Experiment [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

 

6.4.4

Image Reconstruction with Computed Tomography . . . . .

46

References .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

7 Ultrasound Harmonic Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 7.1 Theory of Ultrasound Harmonic Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

7.2Methods Used to Isolate the Second Harmonic Signal

 

Component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

7.3

Advantages of Harmonic Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

7.4

Disadvantages of Harmonic Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

7.5

Experimental Techniques in Nonlinear Acoustics . . . . . . . . . . . . .

55

7.6Application of Ultrasound Harmonic Imaging to Tissue

Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

7.7Applications of Ultrasonic Harmonic Imaging

to Nondestructive Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Contents

xiii

7.8Application of Ultrasound Harmonic Imaging

to Underwater Acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

8 Application of Chaos Theory to Acoustical Imaging . . . . . . . . . . . . . . 61

8.1Nonlinear Problem Encountered in Diffraction Tomography . . . . 61

8.2

Definition and History of Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

8.3

Definition of Fractal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

8.4

The Link Between Chaos and Fractals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

8.5

The Fractal Nature of Breast Cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

8.6

Types of Fractals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

 

8.6.1

Nonrandom Fractals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

 

8.6.2

Random Fractals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

 

8.6.3

Other Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

8.7

Fractal Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

8.8

Diffusion Limited Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

8.9

Growth Site Probability Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

8.10

Approximating of the Scattered Field Using GSPD . . . . . . . . . . . .

71

8.11

Discrete Helmholtz Wave Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

8.12

Kaczmarz Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

8.13

Hounsfield Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

8.14

Applying GSPD into Kaczmarz Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

8.15

Fractal Algorithm using Frequency Domain Interpretation . . . . . .

77

8.16

Derivation of Fractal Algorithm’s Final Equation Using

 

 

Frequency Domain Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

8.17

Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

8.18

Comparison Between Born and Fractal Approximation . . . . . . . .

80

References .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

9 Nonclassical Nonlinear Acoustical Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

9.1

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

9.2Mechanisms of Harmonic Generation Via Contact

 

Acoustic Nonlinearity (CAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

 

9.2.1

Clapping Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

 

9.2.2

Nonlinear Friction Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

9.3

Nonlinear Resonance Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

9.4

Experimental Studies on Nonclassical CAN Spectra . . . . . . . . . . .

88

 

9.4.1 CAN Application for Nonlinear Acoustical

 

 

 

Imaging and NDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

9.5

Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

References .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

10 Modulation Method of Nonlinear Acoustical Imaging . . . . . . . . . . . . .

95

10.1

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

10.2

Principles of Modulation Acoustic Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

10.3

The Modulation Mode of Method of Crack Location . . . . . . . . . .

96

xiv

 

Contents

10.4

Experimental Procedure of the Modulation Method for NDT

. . . 97

10.5

Experimental Procedures for the Modulation Mode System . .

. . . 99

10.6

Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . 100

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 101

11 Applications of Nonlinear Acoustical Imaging and Conclusions . . . . 103 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103