对镶在圆柱障板上单块有限复合板散射近场的研究

本文提出了预测镶在圆柱障板上一块具有三层加筋结构的复合材料有限板的振动特性和近场散射特性的理论模型。研究了在密介质中振动系统和入射声场的互作用以及不同振动之间由于辐射场引起的互耦合作用,数值计算了简支镶嵌在圆柱障板上的单块有限复合板的各种振动模式自耦合和互耦合系数,计算分析了有限复合板的振动再辐射近场特性。设计进行了测定有限复合板系统的近场实验。实验结果与理论计算结果符合较好。     

水声作用下矩形弹性-粘弹性复合板的振动和散射声近场(Ⅰ)——矩形复合板的振动分析

本文根据弹性理论最小势能原理和变分技术,确定不同弹性材料层胶合的复合板弯曲运动时的中和面位置,并引人复合板的等效弹性常数和等效质量,从而导出复合薄板弯曲振动方程和边界条件的简洁形式;跟据粘弹性理论还得出:粘弹性层和弹性层复合板的振动方程;采用模态分析和傅里叶变换法给出矩形复合薄板自由振动和强迫振动的一般分析解;以钢板作为基板,进行数值计算得出不同厚度、不同材料覆盖层的复合板的等效刚度、泊松比和面密度,以及简支条件下简正模式的阻尼常数、阻力系数和固有频率。     

粘弹性夹层板结构声传入的理论分析

应用有阻尼的简正模态概念,推导出夹层板与腔耦合条件下的声波基本方程,并通过数值计算研究了粘弹性层的特性参数对板结构振动及其辐射噪声的影响。结果表明,利用粘弹性层的剪切效应,可以有效地抑制结构的振动和由此所建立的闭空间声压。     

超声频矩形六面体的三维耦合振动

本文利用表观弹性法分析了矩形六面体的三维耦合振动,重点分析并计算了矩形六面体的基模方式耦合振动,推出了矩形六面体基频振动的总体频率方程,得出了六面体基模耦合振动的三个谐振频率,即六面体三个轴向的谐振频率f_x,f_y及f_z,实验表明谐振频率的测量值与计算值基本符合,本研究将为复频超声清洗中换能振动系统的设计提供理论依据。     

矩形板高阶模式超声振动辐射器的研究

在耦合振动理论以及矩形截面细棒弯曲振动的基础上,本文对矩形薄板的弯曲振动进行了研究,推出了自由边界矩形薄板的弯曲振动频率方程,研究了薄板的振动模式及其与共振频率的关系.实验表明,矩形薄板弯曲振动共振频率的测量值与计算值符合很好.用共振式矩形薄板作为超声清洗等液体中超声应用技术的声波辐射器具有声场分布均匀,换能器频率调节容易,声波辐射面大等优点,是一种很有前途的新型超声源.     

三维绝热简正波-抛物方程理论及应用

复杂海域通常存在环境参数的水平变化,这会导致声波在传播过程中发生水平折射,呈现出三维效应.利用绝热简正波-抛物方程理论进行三维声场建模,在垂直方向上使用标准简正波模型KRAKEN求解本征值和本征函数,水平方向上使用宽角抛物方程模型RAM求解简正波幅度.该模型物理意义清晰,计算效率高,但由于忽略了各号简正波之间的耦合,只适用于环境参数水平变化缓慢的问题.使用该模型分析了内波环境和大陆架楔形波导中的声波水平折射现象,结果表明,声波的水平折射将水平平面分为不同区域,每个区域内的声场结构明显不同.此外,声强在水平平面内的分布与声源频率和简正波号数有关,这种依赖关系是导致声信号频谱变化、波形畸变以及声场时空扰动的主要原因.     

三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法

利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点,提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法.该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型,计算局域波导下结构声振信息,并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值;然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场.重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后,对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析.研究得出,当圆柱壳靠近海面(海底)时,其耦合频率比自由场下的要高(低),当潜深达到一定范围时,与自由场耦合频率基本趋于一致;在低频远场,结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性,且等效距离随着频率增加而增加;由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响,结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.     

不同边界条件下的封闭矩形声腔的结构-声耦合分析

分析了由2块四边弹性支承的弹性板及4块刚性板构成的封闭矩形声腔的结构-声耦合特性。通过在弹性板边界施加假想的连续分布弹簧系统模拟板的不同边界和连接条件,利用汉密尔顿函数和瑞利-李兹方法,充分考虑了两弹性板之间以及弹性板与腔体内声场之间的耦合。腔体内的声压响应和弹性板的振动速度与Kim的实验结果能较好的吻合,验证了本文理论推导的正确性。最后,通过对耦合声场的分析计算,表明两弹性板之间为弱耦合,耦合声场主要由受到外激励的结构所决定;支承板的线弹簧的刚度变化对耦合声场的影响较旋转弹簧大。     

弯曲振动矩形板辐射阻抗的计算

本文推导了四边简支矩形板的辐射阻抗表达式, 利用高斯数值积分方法, 计算了其相对辐射阻抗的数值解. 由不同模态下相对辐射阻抗与频率以及不同长宽比对应的相对辐射阻抗与频率的关系可知, 在中低频段, 模态越低, 辐射阻抗越大, 也就意味着辐射声功率和同振质量越大; 对于一定面积和模态的矩形板, r (r=a/b, 长与宽之比)值越接近1, 即越接近正方形, 辐射阻和辐射抗越大. 本文的方法能对其他复杂边界条件下的、无振动解析解的矩形板的辐射阻抗数值量级大小提供一个参考, 也可由计算弯曲振动的阻抗自然地过渡到活塞振动阻抗的计算.     

中央开耦合槽矩形双间隙谐振腔中的TM高次模

 用解析方法导出了中央开耦合槽矩形双间隙谐振腔中π-TM模式频率的本征方程和特性阻抗的计算公式,分析了耦合槽大小对几种π-TM模式频率和特性阻抗的影响。对TM₃₁₀模的具体计算结果显示,解析方法与模拟方法的计算结果符合得很好,可以用于计算谐振频率和特性阻抗。研究表明,耦合壁的厚度对π-TM模式频率的影响不大,耦合槽的大小和位置对谐振频率影响则较大。同时发现,在TM高次模双间隙腔中,出现了π₁模消失现象。     

含色散介质的一维光子晶体微腔中简正耦合模的物理图像

对一维光子晶体中的色散介质采用洛伦兹振子模型,对线性层及色散δ层均采用传输矩阵的方法,研究了一维含色散介质的光子晶体微腔中的简正耦合模.通过改变洛伦兹振子和微腔之间的失谐频率,分析了简正耦合模频率的变化情况.在失谐频率比较大时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较小,简正耦合模中的一个接近腔模频率,而另一个则接近洛仑兹振子的共振频率;在失谐频率比较小时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较大,简正耦合模与未耦合的腔模频率和洛仑兹振子的共振频率之间的差别较为明显.最后通过引进该结构的复有效折射率,对含色散介质的系统,由于带隙中间的共振模被湮灭并分裂为左右两个耦合模,其复有效折射率虚部在原共振峰处跃变为一较大值,而在新生成的两个耦合模附近趋近于零,光与色散介质相互耦合而形成的腔极化激元的物理图像十分清晰.     

矩形板声辐射预测中速度采样问题的研究

为减少系统的复杂度和成本,基于无限大障板上振动矩形板模型,研究了声辐射预测中板表面速度采样问题.从理论上分析了影响速度采样间隔选取的因素,得到了低频时采样间隔由振动模态决定,高频时采样间隔由振动频率决定的结论.数值结果显示临界频率应满足kcsinθ=const(kc=2πFc/c,Fc为临界频率,θ为观察点倾斜角,c为声波波速)的规律,并且通过数值模拟和实验验证了该规律的适用性.     

声波导单模光纤中后向受激布里渊散射的声模分析

本文推导了单模光纤中的声波亥姆霍兹方程,利用分离变量法求解并获得正规声波导导模的特征方程,定义了声模的归一化频率,结合贝塞尔函数的宗量近似分析了声波模式的特征值范围、截止频率和远离截止,探讨了声模的色散和布里渊增益谱的多峰成因.研究结果表明单模光纤中纵向声波基模L₀₁模无截止,主要被限制在纤芯中,与光基模耦合形成布里渊增益谱的主峰;高阶声模都存在低频截止,在包层分布比基模多,与LP₀₁模耦合形成布里渊增益谱的次峰.只有纵向L_0n声模对后向布里渊增益谱有贡献,纤芯掺锗浓度增大能使布里渊增益谱发生红移,声模数量增多, L₀₁模的增益峰值逐渐变大而高阶模的贡献减小.泵浦波长为1.55μm,纤芯掺锗浓度3.65%、纤芯半径4.2μm的单模光纤存在4个L_0n和16个Lmn (m>0)声模,声模L₀₁, L₀₃,L₀₄与光模LP₀₁声光耦合产生布里渊增益谱的1个主峰和2个弱峰;纤芯掺锗浓度15%,...     

水下三弹性柱壳耦合声散射特性研究

为研究3个并排无限长弹性圆柱壳受垂直于柱轴方向的平面声波作用的声散射特性,采用Fourier级数展开法建立了圆柱壳声散射数学物理模型,考虑了三圆柱壳弹性振动声辐射和刚性声散射,建立了3个壳体辐射声场和刚性散射声场的耦合作用关系,比对了等效散射强度的刚性散射分量与弹性散射分量,并分析了三壳体等效散射强度特性。计算结果表明:当ka₂>40,在频率f=3000 Hz以上频段,弹性分量对等效散射强度变化趋势的贡献可以忽略。当ka₂>30,在频率f=2400 Hz以上频段,弹性散射分量对等效散射强度影响不超过3 dB;三壳与单壳的等效散射强度在0°入射角方位相当,其它方位三壳体等效散射强度明显大于单壳体。本文的理论公式可推广到任意数量阻抗柱的声透射和声反射问题。      

反演声场简正波耦合系数矩阵

研究了有内波传播时声场的耦合简正波形式,分析表明各阶简正波系数的时间信号包含多个频率成分,各成分的频率为对应的两地波数差与内波速度的乘积,各频率成分的振幅与对应简正波之间的耦合系数成正比。因此即使内波的波形不随其传播而变化,接收器处的各阶简正波系数仍然具有多频的复杂结构。由此并根据简正波耦合强度与声场简正波系数起伏强度的对应关系提出了一种反演简正波耦合系数矩阵的方法;并用实验中获得的内波数据,反演了声场;计算结果表明:该方法有效地反演了内波传播情况下的简正波耦合系数矩阵。     

球冠型换能器声辐射指向性分析

为了研究球冠型换能器的声辐射特性,在分离变量法求解球面坐标系下波动方程的基础上,采用基于球谐基傅里叶变换及边界条件的求解模型,给出了球冠型换能器声辐射的远场声压计算表达式和远场指向性表达式;仿真计算了球冠换能器的远场指向性随球冠极角、球半径及振动频率变化的特性,球冠所在球障板的直径和介质中声波的波长比决定着球冠声辐射指向性,在低频或波长大于球障板直径时,球冠声辐射呈无指向性,随着频率的增高即波长的减小或者球障板直径的增大,球冠声辐射的指向性越明显,波束开角越趋向于球冠的开角,而且波束开角内出现波浪状起伏越明显;试制了高频球冠型换能器基阵,测试了换能器基阵300 kHz的指向性,测试结果与理论计算相符合,验证了理论计算表达式的正确性,可为设计球冠型换能器及基阵提供理论指导。      

海面随机起伏对噪声场空间特性的影响规律

对于1 k Hz以上声波,海面起伏会对浅海声传播产生显著影响,现有的噪声预报模型在建模过程中基本没有考虑海面起伏的影响.针对这一问题,本文基于传输理论建立了随机起伏界面下噪声场垂直相关性和指向性模型,仿真分析了海面起伏对噪声强度、垂直相关性与指向性的影响.结果表明,对于表面噪声,海面随机起伏使声波能量从中间阶简正波向低阶和高阶简正波转移,而对噪声强度起主要贡献的一般是中间阶简正波,所以海面起伏使得噪声强度减弱;简正波之间能量的耦合导致垂直平面上不同掠射角方向上到达的声波响应发生变化,经由海面反射大掠射角到达的声波响应以及中小角度到达的声波响应变弱,而经由海底反射大掠射角到达的声波响应变强;海面随机起伏还会扰动各阶简正波相位,使不同阶简正波互相关性变弱,致使噪声场的空间相关性也变弱.     

具有弹性障板的有限长充液管道的管口声辐射

求解了下端自由、上端带弹性障板的有限长充液管道,在下端受到流体脉动激励时,上端管口向水下半无限空间的声辐射。求解过程中,管道部分采用行波法求解,其中管壁与管内流体的耦合归结到求解充液管道的色散曲线;弹性障板的振动部分则采用模态法来求解,其中弹性障板及管口与外界流体间的声振耦合最终归结到求解模态的辐射阻抗。数值研究表明:管口辐射的流体声和弹性障板辐射的结构声对系统的声辐射均有较大的贡献。     

大尺寸矩形断面超声变幅杆固有频率的研究

超声变幅杆是功率超声技术中换能器振动系统的一个重要组成部分,本文利用表观弹性法研究了大尺寸矩形断面超声变幅杆的耦合振动,推出了常用的几种单一变幅杆(指数形,圆锥形,悬链线及阶梯形)的频率设计公式,为大尺寸矩形变幅杆的频率设计及计算提供了一种简单易行的方法,实验表明,利用本文公式设计的大尺寸矩形断面变幅杆,实测共振频率与理论计算频率基本一致,与一维振动理论的结果相比,利用耦合振动理论得出的变幅杆共振频率更加接近于测量值。     

弯管对末端带弹性障板充液管路辐射声能量的影响

基于声固耦合有限元方法建立了末端带弹性障板的充液管路数值模型,重点分析了不同激励下弯管对管口辐射声能量的影响.结果表明:弯管引入的高阶周向模式耦合使结构振动和流体声传播都发生明显改变,以致系统辐射声能量及主要能量贡献源也发生转移,并随激励方式和频率而不同.对本文管路模型,平面波激励下弯管系统在低频的结构辐射声能量明显增...