Propagación no lineal de ondas acústicas: reverberación, scattering y cavitación

Abstract

En este trabajo se presenta un estudio experimental sobre la propagación de ondas ultrasonoras en un régimen no lineal. Para alcanzar este régimen las ondas deben de tener alta amplitud tal que, en su propagación o en su interacción con el medio en que se propagan, se generen componentes de frecuencias no presentes inicialmente. El problema de estudio consiste en comprender cómo se comportan estas frecuencias cuando la onda incide en medios con diferentes características y dinámicas de propagación. De forma complementaria y recíproca nos preguntamos: ¿qué propiedades de estos medios podemos conocer mediante el estudio de los efectos no lineales observados?. Las situaciones experimentales estudiadas son: una cavidad reverberante, un medio de múltiple scattering y un sólido blando. En la cavidad reverberante la onda permanece "atrapada" en su interior distribuyéndose en modos normales. Las frecuencias que se generan durante la propagación no lineal produce un incremento en la cantidad de modos ocupados. Por esto, es que la onda no lineal puede contener información de modos normales que en régimen lineal no serían excitados. En este trabajo, presentamos una caracterización original de la cavidad reverberante en régimen no lineal. Esta se basa en la medida del tiempo de reverberación y en un modelo que permite comprender cómo intervienen las características de la cavidad en los valores de dicho tiempo. El medio de múltiple scattering es atravesado por la onda que, durante su propagación, sufre múltiples reflexiones. En consecuencia, se produce una pérdida de coherencia. En régimen no lineal, parámetros de transporte pueden ser determinados en función de la frecuencia en un rango mayor que en régimen lineal. Para estudiar el comportamiento de ondas no lineales en la cavidad reverberante y en medios con multiple scattering utilizamos la técnica de la inversión temporal. Este aspecto es la principal contribución de esta tesis, permitiendo obtener más información en cada caso y establecer los límites de validez de la inversión temporal para ondas no lineales. En el trabajo se analiza además el fenómeno de cavitación, que se produce en la interacción de ondas de alta amplitud con un sólido blando. Esta consiste en la formación de burbujas y puede producir la generación de subarmónicos. En relación a este fenómeno, presentamos una caracterización a partir de la detección de subarmónicos y un modelo original que permite describir la probabilidad con que el fenómeno ocurre o es detectado. Además, implementamos un sistema que permite estudiar el fenómeno durante su origen y su persistencia en el tiempo.