Nonlinear Acoustic Holography With Adaptive Sampling
Nonlinear Acoustic Holography With Adaptive Sampling
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具有自适应采样的非线性声全息术
DOI：
10.1109/tuffc.2023.3315011
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Shahab, Shima
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Sallam, Ahmed;Shahab, Shima
高度非线性超声传播的精确和高效的数值模拟对于广泛的治疗和物理超声应用是必不可少的。然而，由于较大的域尺寸和产生较高的谐波，这种模拟在计算上具有挑战性，特别是在具有激波的三维问题中。目前的数值方法是基于计算效率低下的均匀网格，解决了整个空间域的最高谐波。为了解决这一挑战，我们提出了一种计算效率高的非线性声全息自适应数值算法。在传播的每一步，该算法监测声信号的谐波含量，并相应地调整其离散化参数。这使得在高非线性区域的高谐波的有效的局部分辨率，同时避免不必要的分辨率在其他地方。此外，该算法主动适应信号的非线性水平，消除了对先验参考模拟或有关声场谐波含量空间分布的信息的需要。该算法在频域中采用上采样处理以适应前向传播中高次谐波的产生，在后向传播中高次谐波被抽取时采用下采样处理。对于高度非线性的三维问题，该算法的效率进行了评估，结果表明，与均匀网格实现相比，计算成本显著降低，速度提高了近50倍。我们的发现为非线性高强度聚焦超声（HIFU）波传播建模提供了一种更快速有效的方法。
Accurate and efficient numerical simulation of highly nonlinear ultrasound propagation is essential for a wide range of therapeutic and physical ultrasound applications. However, due to large domain sizes and the generation of higher harmonics, such simulations are computationally challenging, particularly in 3-D problems with shock waves. Current numerical methods are based on computationally inefficient uniform meshes that resolve the highest harmonics across the entire spatial domain. To address this challenge, we present an adaptive numerical algorithm for computationally efficient nonlinear acoustic holography. At each propagation step, the algorithm monitors the harmonic content of the acoustic signal and adjusts its discretization parameters accordingly. This enables efficient local resolution of higher harmonics in areas of high nonlinearity while avoiding unnecessary resolution elsewhere. Furthermore, the algorithm actively adapts to the signal’s nonlinearity level, eliminating the need for prior reference simulations or information about the spatial distribution of the harmonic content of the acoustic field. The proposed algorithm incorporates an upsampling process in the frequency domain to accommodate the generation of higher harmonics in forward propagation and a downsampling process when higher harmonics are decimated in backward propagation. The efficiency of the algorithm was evaluated for highly nonlinear 3-D problems, demonstrating a significant reduction in computational cost with a nearly 50-fold speedup over a uniform mesh implementation. Our findings enable a more rapid and efficient approach to modeling nonlinear high-intensity focused ultrasound (HIFU) wave propagation.
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J. Adams
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