Accurate simulation of nonlinear acoustic waves is essential for the continued development of a wide range of (high-intensity) focused ultrasound applications. This article explores mixed finite element formulations of classical strongly damped quasilinear models of ultrasonic wave propagation; the Kuznetsov and Westervelt equations. Such formulations allow simultaneous retrieval of the acoustic particle velocity and either the pressure or acoustic velocity potential, thus characterizing the entire ultrasonic field at once. Using non-standard energy analysis and a fixed-point technique, we establish sufficient conditions for the well-posedness, stability, and optimal a priori errors in the energy norm for the semi-discrete equations. For the Westervelt equation, we also determine the conditions under which the error bounds can be made uniform with respect to the involved strong dissipation parameter. A byproduct of this analysis is the convergence rate for the inviscid (undamped) Westervelt equation in mixed form. Additionally, we discuss convergence in the $L^q(\Omega)$ norm for the involved scalar quantities, where $q$ depends on the spatial dimension. Finally, computer experiments for the Raviart--Thomas (RT) and Brezzi--Douglas--Marini (BDM) elements are performed to confirm the theoretical findings.


翻译:非线性声波的精确模拟对于继续开发广泛的(高强度)焦点超声波应用至关重要。本文章探讨了超声波传播的经典强立半线性模型、库兹涅佐夫和韦斯特韦利特方程式的混合有限元素配方。这些配方允许同步检索声粒速度以及压力或声速潜力,从而同时描述整个超声场的特征。使用非标准能量分析和固定点技术,我们为半分立方程式的能量规范中稳妥、稳定和最优的先验错误建立了充分的条件。对于韦斯特韦斯特方程式而言,我们还确定了使错误界限与所涉强散射参数相一致的条件。这一分析的副产品是以混合形式描述整个超声波场的趋同率。此外,我们讨论了在 $Lq$(Omega)$(Omini) 标准中,半分立立方方方方方方方形的能量标准(Marg-Marq-Ramía ) 标准的趋同性磁度,其中涉及的磁标数是磁度。

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