[論文レビュー] Pressure dependence of the ultrasound attenuation and speed in bubbly media: Theory and experiment

Amin Jafari Sojahrood, Q. Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Ultrasound and Cavitation PhenomenaMaterials Science参考文献 5被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、線形近似を用いない圧力依存性で非線形なマイクロバブル振動を考慮する、気泡を含む媒体における超音波減衰および音速を予測する非線形モデルを提案する。実験的に検証されたこのモデルは、データと強い一致を示し、音速と減衰の同時測定を用いてマイクロバブルシェルの性質を高精度に特徴付けられる。

ABSTRACT

Results of the measurements of sound speed and attenuation in a bubbly medium are reported. Monodisperse bubble solutions are sonicated with broadband ultrasound pulses with pressure amplitudes ranging between 12.5-100 kPa. Fundamental relationships between the frequency dependent attenuation, sound speed and pressure are established. A new model for the estimation of sound speed and attenuation is derived that incorporates the effect of nonlinear bubble oscillations on the wave propagation in the bubbly media. Model predictions are in good agreement with experimental results.

研究の動機と目的

• 圧力依存性の超音波減衰および気泡を含む媒体における音速を予測する包括的な非線形モデルの構築を目的とする。
• 従来のモデルが通常の生体医療超音波露出条件下で失敗する線形近似の限界を克服することを目的とする。
• モノディスパーシブなマイクロバブル懸濁液における音速および減衰の圧力依存性を実験的に測定し、検証することを目的とする。
• 音速と減衰の同時測定がマイクロバブルシェルパラメータの特徴付け精度を向上させることを示すこと。
• 従来のモデルで一般的に問題となる $\frac{dP}{dV}$ 項の問題を回避するフレームワークを提供し、高非線形領域でも頑健な予測を可能とすること。

提案手法

• 波動の伝播を記述するカフリッシュ方程式に基づく理論的モデルを導出する。このモデルは、マイクロバブルの径方向振動の完全な非線形ダイナミクスを組み込む。
• エネルギー損失項の複雑な解析的表現を避けるために、マイクロバブルの径方向振動を唯一の入力として用いる。
• 超音波圧振幅（12.5–100 kPa）の変化に応じた非線形なバブル挙動を考慮するため、圧力依存性の散乱断面積を導入する。
• 線形化を行わず、波数の実部（音速）および虚部（減衰）を非線形的手法で計算する。
• モノディスパーシブなマイクロバブル懸濁液におけるブロードバンド超音波パルスの実験データとモデルを比較して検証する。
• 予測された減衰および音速曲線と実測値の両方に一致するように、シェルパラメータ（表面張力、弾性、粘性）を同時にフィッティングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超音波圧振幅がマイクロバブルを含む媒体における音速および減衰にどのように影響するか？
• RQ2 線形近似を避ける非線形モデルは、高圧力超音波露出条件下でも、気泡を含む媒体における減衰および音速を正確に予測できるか？
• RQ3 超音波圧とマイクロバブル懸濁液における音速の変化との間の実験的関係は何か？
• RQ4 音速と減衰の同時測定がマイクロバブルシェルパラメータの特徴付け精度をどのように向上させるか？
• RQ5 本モデルは、$\frac{dP}{dV}$ に依存する従来の手法の限界を克服でき、非線形振動領域でも機能するか？

主な発見

• 本モデルは、12.5–100 kPa の広い超音波圧範囲で、減衰および音速を高い精度で予測し、高圧力域では線形および準線形モデルを上回る性能を示す。
• 実験結果は、気泡を含む媒体における音速に測定可能な圧力依存性の変化があることを確認した。これは、従来、実験的に調査されていなかった分野であった。
• モデルは実験データと良好な一致を示し、線形モデルが再現できない非線形的傾向（減衰および音速の非線形的変化）を的確に捉えている。
• 音速と減衰の両方のデータを同時にフィッティングすることで、減衰のみにフィッティングする場合よりも、マイクロバブルシェルパラメータの決定がより正確に可能となる。
• 本モデルは $\frac{dP}{dV}$ 項に依存しないため、非線形領域における既知の問題を回避し、複雑なシェル挙動に対しても頑健な予測が可能となる。
• 低濃度および小さなバブルサイズの状況でも、本モデルはわずかではあるが測定可能な音速の変化を的確に捉え、予測できることを示し、感度および信頼性の妥当性を検証した。