声波方程高阶差分方法数值模拟结果研究

首先,给出了声波方程时空域高阶差分格式.证明了差分格式在时间上是二阶精度,在空间上最高可以达到2M精度.其次,对该高阶差分格式优缺点评价,新的差分格式是一种关于一个方向上所用到的临近网格节点数目一半的可变长度的差分算子,为不同精度需求提供了灵活可变的差分算子公式.另外一种意义上说,新的差分格式是依赖于频率的,同一种差分格式对于不同频率的震源,其频散的程度也不一样,因此只有采用了合适的差分形式才能够达到最好的效果.最后,给出了一系列数值模拟实例,验证了文中所得到的结论.     

轻质板壳结构振动与声学耦合特性的理论及实验研究

复杂板壳/板腔结构被广泛地用作汽车、高速机车、舰艇/潜艇及航空航天飞行器等外壳及内部隔舱结构,其声振耦合特性研究对降低交通工具舱内外噪声至关重要.在民用及国防工业领域减振降噪应用需求的牵引下,围绕典型板壳/板腔结构在静止流体及平均流流场中的声振耦合问题,通过理论建模、实验验证和数值计算分析相结合的研究方法,对由点激励或外部复杂声场和流场作用下产生的结构弯曲波、声波在板壳结构中的传播行为及结构的动力学响应和声振耦合特性进行了系统深入的研究,并对结构进行了力学性能和声学性能综合优化设计方面的有益探索.主要研究内容及学术贡献如下:第一,基于声波速度势函数分别建立了简支和固支双板空腔结构声振耦合性能的理论模型.相对于传统的刚性空腔模态函数法,该理论模型精确描述了边界条件对薄板和密封空气腔的约束作用,具有更广泛的适用性.研究发现:空腔厚度显著影响结构的声振耦合性能,结构传声损失曲线波峰波谷随空腔厚度的增大向低频偏移,隔声性能随之增强;低频段有限大结构传声损失大于无限大结构,而高频段无限大结构的传声损失为有限大结构提供了可能的上限;增加板厚能显著加强双板空腔结构的隔声能力;入射声波的俯仰角显著影响结构的隔声性能,而方位角的影响可以忽略.开展实验验证研究,证实了简支和固支理论模型的正确性和可靠性.研究表明,固支双板空腔结构的固有频率高于简支结构;在低频段,两种边界下的结构传声损失差别很大,而在高频段,两种边界下的结构传声损失差别取决于入射声波的俯仰角;可采用声波垂直入射情况下简支板的模态振型近似模拟固支板的模态振型,但在声波斜入射情况下,两种模态振型差别显著.第二,针对有限大简支板在两侧存在平均流情况下的声振耦合问题,建立了相关理论模型并分析研究了平均流对简支板传声损失的影响,该模型通过对流波动方程和流固界面上位移连续性条件的应用考虑了气动弹性耦合效应的影响.不同于以往的研究,该模型可分析研究最一般的情况,即简支板的两侧同时存在平均流,为深入研究分析此类问题奠定了理论基础.研究表明,入射声场中的平均流对传声损失的影响明显不同于透射声场中平均流的影响;声波折射角随入射角和平均流流速变化的等高线图存在两个分支,分别为正折射分支和负折射分支;平均流在透射声场情况下的等高线图与平均流在入射声场情况下的等高线图相比,相当于互换了入射角和折射角坐标系;空气动力学阻尼效应对传声损失的影响在两种情况下均可体现,但是两种情况下的结构吻合共振低谷差别显著:随着Mach数的增大,平均流在入射声场情况下的吻合共振频率增大,而平均流在透射声场情况下的吻合共振频率保持不变;板两侧同时存在平均流的情况下,反映折射关系的等高线图明显不同于只有一侧存在平均流的情况.另外,声波顺流入射与逆流入射对板的声振耦合特性影响显著.第三,针对飞机机身典型的双层板壳结构,考虑了飞机在巡航飞行状态时,外部气流对飞机喷气发动机产生的噪声从舱外传入舱内产生影响的物理过程与物理机理.结合板壳振动理论、对流声学波动方程、Navier-Stokes方程及流固耦合条件,建立了相关的理论模型,给出了不同Mach数下气流速度对结构传声的影响,发现了传声过程出现的4种新的声学现象;基于基本物理原理给出了4种声学现象对应频率的计算公式,并与基于振动理论、对流声学波动方程及Navier-Stokes方程的理论模型计算结果取得良好的吻合.研究表明:(i)声波顺流入射情况下,结构传声损失随Mach数的增加而增大;由于平均流的质量增加效应,使得除吻合共振以外的其它3种声学模态共振的频率显著地偏向低频;吻合共振频率增大是因为其主要受平均流折射效应的影响;(ii)声波逆流入射情况下,随着Mach数的增加,除吻合共振以外的其它3种声学模态共振频率增大直至Mach数达到临界值;当Mach数超过临界值后,板-空气-板共振、驻波衰减和驻波共振消失,仅剩吻合共振,同时,结构传声损失随Mach数的增加而增大;(iii)板曲率和舱内压的联合作用对结构传声损失具有显著影响,在曲板环频率共振附近的低频区域表现得尤为明显.第四,应用空间谐波分析法理论研究了波纹层芯夹层板结构的声振耦合特性,揭示了波纹层芯结构对整体结构隔声能力的影响;同时考察了其频散特性,发现声波在夹层板结构中传播时存在禁带和通带现象,并且传声损失曲线上的波峰和波谷与频散曲线存在内在联系.研究结果主要包括:(i)声波入射角对夹层板结构的隔声性能具有重要影响,夹层板对垂直面板入射的声波具有最好的隔声效果;(ii)波纹层芯的结构倾角对三明治夹层板的隔声性能影响显著,即随着波纹层芯结构倾角的增大,结构传声损失STL曲线上的所有隔声波峰与隔声波谷均向高频推移,传声损失整体增大,同时传声损失曲线上低频平滑段逐渐向高频扩展;(iii)对夹层板结构频散特性及传声损失的分析研究,深入揭示了传声损失曲线上出现的波峰波谷的本质的物理机理:即波峰的出现对应于驻波振动而波谷的出现对应于结构波的吻合共振;(iv)定义了综合力学和声学性能的评价指标,并据此对夹层板结构的质量、力学刚度和隔声能力进行了综合的优化设计.第五,基于Fourier积分变换法和空间谐波分析法,分别建立了正交加筋三明治夹层板结构的声辐射理论模型和结构传声理论模型.不同于以往的研究,该理论模型通过在面板的振动控制方程中引入加筋板对面板的拉力、弯矩和扭矩及其相应的惯性项,精确描述了加筋板振动对面板的作用.研究表明:(i)入射声波俯仰角对夹层板结构的传声损失影响显著;斜入射的声波比垂直入射的声波更容易穿透夹层板结构,这是因为斜入射的声波与结构中的弯曲波可以发生相长干涉;(ii)加筋板惯性效应的引入使理论预测结果捕捉到更多的物理细节,进而更准确地预测结构的声振耦合特性;(iii)作为夹层板结构周期特性的关键参数,加筋板周期间距对结构声振耦合特性影响显著,即结构的固有频率随周期间距增大而减小,特性曲线上的波峰波谷向低频偏移,但特性曲线总体形状趋势相似.最后,针对航空航天飞行器中常用到的轻质三明治复合材料夹层板结构,应用等效流体模型模拟声波在多孔纤维吸声材料中的传播,分别建立了层芯空腔填充多孔纤维吸声材料的正交加筋三明治夹层板结构的声辐射理论模型和结构传声理论模型.通过引入材料动态密度和动态体积模量,考虑了声波在纤维材料中传播时空气与纤维间的粘性拖曳力和热交换作用.研究发现,流固耦合效应对结构声辐射/传声有较大影响,而加筋板间距的增大会加剧该影响;纤维材料通过自身的刚度和阻尼损耗效应的共同作用来影响结构的声振耦合特性,而这两种作用的平衡受到结构周期间距的显著影响;提出了综合结构质量、刚度和隔声能力综合性能的夹层板结构优化设计准则,以结构的关键尺寸参数为优化设计变量,对结构进行了初步的优化设计.总之,在国家民用工业及国防工业减振降噪重大应用需求的牵引下,该文通过理论分析、实验验证和数值计算,研究了汽车、高速机车、舰艇/潜艇及航空航天飞行器中常用典型结构的声振耦合特性,建立了相对完善可靠的结构声振耦合特性理论表征体系,分析了关键结构参数对结构声振耦合特性的影响,揭示了弯曲波在结构中的传播规律及结构的声辐射/传声特性,提出了轻质、高强度、声辐射小及隔声性能优良的复杂板壳结构的创新优化设计概念,建立了综合结构质量、力学刚度和声振耦合特性的优化设计理论和判据,为典型板壳/板腔结构在民用工业及国防工业中的应用奠定了理论基础、实验依据并提供了技术支撑.     

含多种尺寸缺陷岩体中的弹性波散射

研究了含多种尺寸扁平椭圆缺陷的岩体中弹性波散射规律．细观上应用Green函数方法,考虑了入射波与基本的扁平椭圆缺陷相互作用,宏观上采用线性叠加原理,得到了缺陷岩体的频散和衰减规律．频散曲线中特征频率与裂纹尺寸负相关．含几种不连续尺寸裂纹的岩体中其频散曲线呈"阶梯跳跃"形,其衰减曲线也有不同的峰值;而含"均匀分布"与"正态分布"裂纹尺寸的岩体,与含单一尺寸缺陷的岩体相比,其频散曲线具有较宽的特征频率段．结合两个声波测试实例,讨论了这一理论模型的合理性与可行性．     

表面效应对偏场下介电高弹体表面波传播的影响

采用表面薄层模型考察偏场下介电高弹体的表面效应,针对不同边界情形,建立一阶等效边界条件.基于有限变形电弹性体的线性增量理论,利用Stroh公式和Ting方法,给出等效边界条件的严格推导过程.进一步利用Stroh公式,获得了偏场下具有表面效应的介电高弹体中表面波的频散方程.以可压缩Neo-Hookean介电高弹体为例,分析了表面效应对预变形和电学偏场作用下的介电高弹体表面波传播特性的影响.结果表明,通过施加适当的偏场,可以调控和优化纳米声表器件的性能.     

基于smoothL1改进的边框回归损失函数

为了进一步提高目标检测任务中的边框回归精度,提出一种基于smoothL1改进的边框回归损失函数.通过自适应地增大smoothL1中非离散点的梯度,缓解了模型反向传播中对离散点和非离散点梯度分布不平衡问题,提高了模型的精度.实验结果表明,在PASCAL VOC2007测试集上,基于改进的smoothL1的目标检测模型Faster R-CNN,平均精度均值(mAP)达到了70.8％,相较smoothL1,模型精度有所提高.     

一类KdV-Burgers方程的奇摄动解与孤子解

讨论了一类具有大Reynolds数且弱频散性的KdV-Burgers方程, 在数学上表示为一类奇摄动KdV-Burgers方程.KdV-Burgers方程中含有的非线性项与频散项互补作用形成稳定向前传播的孤立子.通过数学分析, 描述了孤立子的传播途径和传播速度等物理量的发展变化规律.通过奇摄动展开方法, 构造了该问题的渐近解.首先,用Riemann-Earnshaw方法求得退化解, 得到了简单波, 该简单波波形中的任意一点与初始点都存在一个传播速度差, 这使得波在传播过程中波形不断畸变, 最终形成冲击波面, 即间断面, 在它的两侧质点的速度有一个跳跃, 且随时间不断变化;其次, 在退化解的间断曲面处做变量替换, 构造一种修正的行波变换, 得到了内解展开式的孤子解, 并证明了内外解的存在性与唯一性;最后,通过一致有界逆算子的存在性做了余项估计, 并得到渐近解的一致有效性.结果表明, KdV-Burgers方程在大Reynolds数且弱频散性的性质下,扰动集中在退化解的间断面附近,孤立子链接两侧质点,其传播途径不是时间与空间的线性形式,而是沿着退化解的间断面附近传播,形成稳定的波形.     

基于广义高阶非线性薛定谔方程深海内波传播的数值模拟

基于与实际海洋背景参数相关的广义高阶非线性薛定谔方程,首先讨论了不同的海洋环境参数对方程的非线性项和频散项的影响;然后通过有限差分算子给出了方程的二阶三层数值差分格式,并且分析了该差分格式的稳定性与精度阶;最后又通过得到的差分格式数值模拟了不同的海洋环境参数下深海内波的传播情况,结果显示:内波由深海向浅海的传播过程中,随着总水深的变化,发生了分裂现象,并且密度差之比越大,波的分裂速度越快.     

1997年11月2日太阳射电尖峰辐射对

国家天文台 2.6~3.8 GHz 太阳射电频谱仪首次观测到微波毫秒尖峰(microwave millisecond spike (MMS))辐射对, 并测出MMS的频漂率, 得到 MMS对的分界频率大约在2900MHz附近, 对应辐射层的高度约在光球之上 2×10⁴ km. 它的偏振度为左旋圆偏振(LCP), 其平均值为25%, 随频率的变化是波纹形, 并随频率增加而变小. MMS对与Ⅲ型爆发对之间有明显不同, 在分界频率周围一定频率范围内Ⅲ型爆发对没有射电辐射存在, 但是在MMS对中没有这一特征. 这一现象能使人们更好地了解MMS的机制.     

微极热弹性无限板的轴对称自由振动

研究了在应力自由和刚性固定边界条件下,无能量耗散的均匀、各向同性微极热弹性无限板的轴对称自由振动波的传播,导出了相应的对称和斜对称模态波传播的闭合式特征方程和不同区域的特征方程.对短波的情况,应力自由热绝缘和等温板中对称和斜对称模态波传播的特征方程退化为Rayleigh表面波频率方程.根据导出的特征方程得到了热弹性、微极弹性和弹性板的结果.在对称和斜对称运动中计算了板的位移分量幅值、微转动幅值和温度分布,给出了对称和斜对称模式的频散曲线,并示出了位移分量和微转动幅值和温度分布的曲线.能够发现理论分析和数值结论是非常一致的.     

基于简化的应变梯度理论下Kirchhoff板模型边值问题的提法及其应用北大核心CSCD

考虑应变梯度和速度梯度的影响,建立薄板控制微分方程及给出其边值问题的提法,修正了前人给出的薄板角点条件.采用Levy法,给出受分布力作用下简支板的挠度及自由振动频率的解析解.通过与文献中分子动力学数据对比,验证了该文模型的有效性并提出校核材料参数的一种方法.研究结果表明,增大弹性地基和应变梯度参数可以有效提高板的等效刚度,而速度梯度参数则相反.该文提出的板的边值问题为研究薄板在复杂支撑边界及外荷载等条件提供了理论依据.同时,有望为其有限元法、有限差分法和基于能量原理的Galerkin法等数值方法提供理论依据.     

列车荷载引起路基振动研究分析

为了研究地基特性和轨道结构对列车振动荷载作用下地基振动问题,通过无限元边界与有限元边界相结合的有限元分析方法进行模型建立,把路堤高度、列车速度、阻尼系数、振动频率及轨道抗弯刚度因素考虑在内.结果表明,无限元边界与有限元边界相结合的有限元计算方法可以有效反映出地基振动效果,由列车荷载引起的地基振动响应随着路堤高度增加而减小;速度增加地基振动响应相应增加,并且低速与高速情况相应情况变化很大;列车低速时,轨道刚度对地基振动影响较小,相反高速时轨道刚度对振动响应影响较大;当列车速度低于剪切波速时阻尼系数改变对振动影响较小,高于剪切波速时,阻尼系数增大路堤周围地基振动水平明显减小;随着列车荷载振动频率增加,地基振动响应变化较小,但是具有减小趋势.     

耳蜗毛细胞活动的神经动力学分析

为了更深刻地了解耳蜗毛细胞活动的神经动力学机制，建立了基于Hodgkin-Huxley方程的毛细胞模型，通过数值模拟对不同声音频率刺激时的毛细胞膜电位、功率和能量消耗进行了神经动力学分析.研究结果表明:声音频率在0.1~20 kHz范围内，外毛细胞膜电位的衰减低于内毛细胞，而外毛细胞功率和能量消耗的增益远高于内毛细胞.外毛细胞膜电位的低衰减、功率和能量消耗的高增益支持了外毛细胞的放大作用是由电致运动驱动的.对耳蜗毛细胞膜电位、功率和能量消耗的研究结果有助于深刻了解毛细胞活动的神经动力学性质.     

基于EASD风险准则的社交网络信息传播模型

本文通过可信性分布函数刻画信息传播中的风险性因素,并建立三种不同的社交网络信息传播风险模型。将可信性理论和绝对半偏差风险评价准则应用到社交网络信息传播问题中,进而考虑从信息传播流量期望值的两侧分别定义不同的风险评价指标来分析信息传播中的部分风险性因素。从数值算例的结果可以看出三种信息传播风险模型的最优值随着关键参数的整体变化波动比较小,最大的相对误差没有超过1.002%,这也充分说明在关键参数变化时,模型的最优值是比较稳定的。三种信息传播风险模型均考虑的是无向全连通社交网络问题,但对于部分有向非连通的实际社交网络,模型的实用性效果就会相对比较差。新模型不仅丰富了社交网络分析的研究方法,而且将可信性理论引入到社交网络信息传播风险问题中,提高了部分主观不确定性因素的处理效率。     

大脑皮层信号作用下人体步态节律运动的探讨

中枢模式发生器可产生节律性运动．目前的中枢模式发生器（CPG）建模研究可以很好地表现CPG的自激行为,但对于人脑信号的调节作用没有讨论．为了体现大脑皮层信号对于CPG网络的调控性,基于Matsuoka神经振荡器的CPG模型,对原有模型中输入刺激与网络内部参数的关联进行了复杂构建,使得模型本身各参数随输入信号的变化而变化,增强了输入信号对于网络自身的影响,令CPG网络不仅仅产生自激状态,同时能够产生自我调节的运动形式,从而体现出大脑信号的调控作用．数值模拟计算结果表明,修正后的模型随着输入刺激的变化可以产生不同模式及不同频率的运动形式,且各不同形式之间可以相互转换,从而在理论上很好地反映出大脑信号在步态节律运动过程中对步态的模式和频率起到了一定的调节作用,实现了各种步态运动之间的行为转换及恢复的功能,从理论上实现了自发节律与大脑调节性节律运动的共存性,做到大脑信号与CPG模型的统一．     

小鼠视觉感受区电位信号(LFP)与视觉刺激之间关系研究

针对小鼠脑电波与行为之间关系研究中涉及弱脑电波信号处理、成分分离及提取、脑电波与对应行为分析等问题,首先处理了脑电波信号,根据呼吸机理建立了"呼"、"吸"动作电位触发下的脑电波模型.其次,通过独立分量分析方法获得睡眠状态小鼠视觉感受区LFP信号模型,采用区间估计和Rayleigh熵检验结合讨论了提取的相关脑电波与呼吸信号的锁相性,分析了LFP信号的周期性,建立了多元线性回归模型,用最小二乘法从理论上讨论了其线性关系,并检验了所建二次模型周期变化的相关性.然后,通过平均经验模态分解及基于互相关性的伪分量检验算法,改善了模态混叠,建立了完整的脑电波信号分离模型.最后,分析图形因素的图像特征,通过提取视觉刺激曲线、功率谱相关频段,采用叠加平均信号法,以LFP节律随视觉信号锁相程度判断不同视觉刺激引起的LFP成分变化.     

复杂形状及开孔功能梯度板的三维分析

推导出适应功能梯度材料构件分析的半解析梯度有限元法基本算式,并针对功能梯度构件的材料参数随空间坐标变化的特点,将材料参数纳入到力学方程中进行整体积分计算,从而分析不同情况功能梯度板件问题.该法适应性强而又简洁高效,采用一维离散,给出三维分析结果,是一种解决功能梯度构件力学分析的有效数值方法.用提出的方法分析几种具有复杂形状及开孔的功能梯度板,给出了板件的力学量三维分布形态.     

弹性边界约束旋转功能梯度圆柱壳结构自由振动行波特性分析

对旋转功能梯度圆柱壳自由振动行波特性及边界约束影响进行了分析研究.将功能梯度材料的物理特性表示成沿壳体厚度方向指数变化的函数,基于Love壳体理论,将圆柱壳3个方向的振动位移场采用改进Fourier(傅立叶)级数方法展开, 进而改善位移函数在边界位置求导连续性,结合旋转圆柱壳结构能量原理描述与Rayleigh Ritz法,推导旋转功能梯度圆柱壳自由振动特征方程.通过将计算结果与现有文献结果对比验证了该文模型的正确性与收敛性.随后,通过算例讨论分析了功能梯度材料特性参数、几何参数、边界条件及约束弹簧刚度对旋转功能梯度圆柱壳自由振动行波振动特性的影响.结果表明:边界条件在环向波数n较小或长径比L/R较小的情况下对行波特性影响较为明显;随着厚径比H/R的增大,边界条件的影响逐渐减小;边界约束弹簧对行波特性影响程度取决于模态阶数情况;功能梯度材料特性参数对前后行波频率的影响随着模态序数的增大而逐渐增大.     

基于澳大利亚山火的无人机调度问题

本文用澳大利亚山火数据,对火灾进行聚类分析.并在Okumura-Hata的基础上建立了信号传播模型,考虑了信号传播的损失,模拟出火灾地区的无人机信号传输范围.并结合SSA无人机和中继无人机的功能,建立最优化模型,考虑了不同情况下SSA无人机和中继无人机的分布、搭配问题,并利用最小生成树算法求解,使无人机系统能够平衡无人机的成本与对火灾的探测能力.     

Investigation on the 2D Contact of Multilayer Functionally Graded Piezoelectric Material Coating Under Conducting Indenters北大核心CSCD

考虑了材料参数可按照任意函数形式变化的功能梯度压电材料(FGPM)涂层在不同形状导电压头作用下的接触问题,研究了梯度系数对功能梯度压电涂层接触力学行为的影响.建立了多层功能梯度压电材料涂层模型,运用了Fourier积分变换和传递矩阵将多层功能梯度压电材料涂层的接触问题转化为奇异积分方程.利用GaussChebyshev数值计算方法,得到了多层功能梯度压电材料涂层-基底结构在刚性导电平压头和圆柱形压头作用下的表面应力分布和电荷分布.利用数值解,分析了材料参数按照不同变化形式的FGPM涂层对最大压痕和电势的影响,还分析了功能梯度压电涂层内部的应力和电位移分布.研究结果表明,功能梯度压电材料参数的不同变化形式对结构的接触性能具有重要的影响.     

Mindlin板条中弹性波传播问题的分析

基于Mindlin弹性厚板理论，采用Hamilton状态空间求解方法，研究了板条横向两侧为自由边界条件下的弹性：波传播问题，给出了问题的分析解，以及各种振动模态和波传播模的存在性．采用本征函数展开法给出了条形板中导波模的频散方程，并与直接根据Mindlin提出的解获得的频散关系进行了比较，通过比较发现：在短波时，频散曲线相差较大，即前几阶低频模式有一定差别。根据Hamilton体系得到的截止频率高一些，长波时频散曲线几乎相同，即高频模式无差别。