基于Fourier-Bessel级数的Bessel型超声场二次谐波近场特性研究

将Fourier-Bessel级数引入KZK方程的求解，用于计算黏滞媒质中零阶Bessel型超声场的二次谐波声场，得到其级数形式的解析解，并由此得出二次谐波声场在近场分布的一个新结论.设声源表面声压分布为J₀(α₀r)，则二次谐波声压在近场的径向分布服从J²₀(α₀r)函数规律.这一结论合理解释了相关的实验结果，表明二次谐波声场在近场和远场有不同的径向分布，从而解决了非线性Bessel型超声场二次谐波的近场分布问题.研究还发现二次谐波声场具有类似基波声场的有限衍射特性.给出了一个数值计算和仿真实例.     

二维矩形波导管中的非线性声传播

本文采用部分波和二阶微扰理论对二维矩形波导管内声波的非线性传播问题进行了研究。由二次谐波的边界条件和初始条件，可得到物理图象清晰、便于计算的二次谐波声场解析式。结果表明，不同基波传播模式间的相互作用不存在二阶非线性，管内任意振幅分布的稳态激发源产生的二次谐波为各个模式二次谐波之和，且二次谐波声场分布具有对称性。     

锥形声源的二次谐波声场分布

本文推导了锥形声源的非线性二次谐波声场分布。理论表明锥形源二次谐波声场沿径向呈Bessel函数分布，且与传播距离无关。另一个重要结论是这种声场的二次谐波束宽刚好为基波的1／2，而非一般情况下的1／倍，此外，我们指出了这种声束在非线性参量B/A成象或测量中潜在的应用价值．     

非线性声场中的参量激发

本文基于求解单频声波方程近似解的方法,得到了非线性声场中谐波的声压与介质性质、初始声压幅值及频率之间的定量关系.并对两列相对声压幅值和相对频率不同情况下的声场分布进行了研究.通过分析单、双频声源辐射场中的谐波分布和传播规律发现:在非线性声场中会不断地出现新的谐波,激发的各阶谐波随着声波传播距离的增大逐渐增强而后减弱.在声源的附近,谐波的声压随基波声压振幅的增大而增大;但在基波的频率增大时反而会减小.在输入总声能相同的情况下,与单频声场相比双频声源辐射场的声能量分布较均匀,声的传播距离较大,远场中的谐波含量较大.结果表明,基波的频率越高,衰减得越快,谐波的积累越缓慢;声压的极值越大,基波声能量转移得越多,产生的谐波越多,基波的衰减越快,声压对远场声能的负效应增大;如果改用多频声源,并适当地控制输入声波的组成成分,可以达到改善声场分布均匀性、增大声辐射距离的效果.     

分层结构中兰姆波二次谐波发生的模式展开分析

采用二阶微扰近似和模式展开方法,对分层结构中兰姆波的二次谐波发生问题进行了深入研究,得到了二次谐波声场的一般表达式。兰姆波在分层结构中传播时,固体板材的体弹性非线性效应导致在各固体层的内部及表面出现二倍频的体驱动力及面驱动应力,其作用是在分层结构中激发出一系列二倍频兰姆波的简正模式,这些简正模式的叠加即构成分层结构中兰姆波的二次谐波声场。当构成二次谐波声场的某一二倍频兰姆波简正模式的相速度等于基频兰姆波的相速度时,该二倍频兰姆波简正模式分量表现出随传播距离积累增长的性质。本文还就铝板-环氧粘接层-铝板结构中兰姆波的二次谐波声场进行了数值分析,结果显示,软粘接层性质对二次谐波声场的影响很大。     

马铁菊头蝠声道声学特性的数值分析

采用有限元数值计算得到了马铁菊头蝠声道内部的声场分布,给出了马铁菊头蝠声道内几种特殊的腔体结构在蝙蝠发声过程中的作用。通过微型CT扫描并经过三维重构得到了马铁菊头蝠声道的三维立体模型用于有限元数值计算,通过在声门处放置单位声源计算得到了整个声道内部以及鼻孔周围的声压分布。结果表明,马铁菊头蝠声道包含了鼻腔结构后声波在声门上方的声压幅度明显大于不含鼻腔结构的情况,从传输曲线来看,声门上方鼻腔的存在使得系统对声波传输在二次谐波频率处呈现低阻抗效果,同时鼻腔的改变还可影响二次谐波的位置。而声门下方的气管空腔主要影响声波的背向转播,声门下方的气管空腔的存在可明显降低蝙蝠发声时声场在声道声门下方的声压幅度,同时抑制声音背向传播时二次谐波成分的强度。      

材料非线性衰减系数的二次谐波测量方法研究

采用有限幅值法测量材料在基波和非线性引起的二次谐波作用下的衰减系数:利用准线性下的KZK方程推导基波和二次谐波的声压分布,并提取波束修正系数;采用短纯音信号进行非线性实验,对检测得到的基波和二次谐波声压进行衍射修正处理,有效抑制衍射对衰减系数测量的不利影响,继而通过线性拟合的方法计算得到更精确的基波和二次谐波的衰减系数。以水为例进行实验,研究了实验测量所得衰减系数的频率依赖关系,结果表明在非线性条件下水的衰减系数与频率间存在较强的线性关系,而线性条件下衰减系数随频率呈现二次方增长的特性则不适用于非线性条件。该研究提出了准确测量非线性声波衰减系数的方法,为更有效地应用非线性超声检测提供理论依据。      

圆形平面换能器产生的二次谐波声场及对非线性声参量成像的影响

在利用二次谐波进行非线性声参量B／A层析成像中,发射换能器的声场特性,尤其是在近场区域的特性对成像结果的定性及定量分析极其重要。本文从理论及实验上分析了圆形平面活塞换能器在传播介质中产生的二次谐波声场,就其对非线性声参量成像的影响进行了分析和讨论．研究结果有助于在非线性声参量成像中降低重建误差,提高分辨灵敏度．     

马铁菊头蝠声道声学特性的数值分析

采用有限元数值计算得到了马铁菊头蝠声道内部的声场分布,给出了马铁菊头蝠声道内几种特殊的腔体结构在蝙蝠发声过程中的作用。通过微型CT扫描并经过三维重构得到了马铁菊头蝠声道的三维立体模型用于有限元数值计算,通过在声门处放置单位声源计算得到了整个声道内部以及鼻孔周围的声压分布。结果表明,马铁菊头蝠声道包含了鼻腔结构后声波在声门上方的声压幅度明显大于不含鼻腔结构的情况,从传输曲线来看,声门上方鼻腔的存在使得系统对声波传输在二次谐波频率处呈现低阻抗效果,同时鼻腔的改变还可影响二次谐波的位置。而声门下方的气管空腔主要影响声波的背向转播,声门下方的气管空腔的存在可明显降低蝙蝠发声时声场在声道声门下方的声压幅度,同时抑制声音背向传播时二次谐波成分的强度。     

非线性对大气介质中阵列聚焦声场分布影响的研究

基于时域有限差分算法将大气中近似到二阶微小项的非线性声波波动方程进行离散化,得到了模拟采用的差分波动方程.在此基础上,数值模拟了初始声压强弱不同的5个点声源组成的线阵列垂直或斜向辐射的连续正弦波在大气中传播时二维声场的分布情况.将线性条件下的模拟结果与非线性条件下的模拟结果进行比较后发现:弱非线性会对声场的分布和阵列聚焦增益产生一定的影响,使声场分布波形比线性条件下的声场分布波形更加靠近阵列,聚焦效果变差;强非线性会使波形发生更严重畸变,这是由于产生了基频以外的其他频率声波引起的;非线性对斜向传播时声场分布的影响与垂直传播时的影响效果基本相同,但由于斜向辐射时的声波几何扩展造成的轴向声压衰减要大于垂直辐射时的轴向声压衰减,因此聚焦增益和强非线性的影响都将小于垂直辐射时的情况.     

应用角谱方法研究聚焦声束在层状生物组织中的非线性声传播

应用角谱方法理论研究了聚焦声束在层状生物组织中的非线性传播特性，将声波分解为角谱，可计算垂直于声轴的任意平面的非线性声场。在圆形平面活塞聚焦换能器的焦区中插入多种生物组织样品，数值计算了样品内部及外部的二次谐波声场，并通过实验测量验证了理论方法的有效性。基于快速傅氏变换的角谱方法可直观地描述非线性声传播，对非线性声成像有指导作用。     

高功率超声脉冲激励下金属板的非线性振动现象研究

对高功率超声脉冲作用下金属板中的超谐波、次谐波、准次谐波以及混沌等非线性振动现象进行了实验和理论研究.在实验中,高功率超声换能器产生脉冲调制的高频振动激励金属板产生非线性振动,利用激光测振技术测量不同尺寸和不同固定方式下金属板复杂的非线性振动情况,并对其进行了时序分析、频谱分析以及相空间分析.根据实验条件,提出包含非线性接触阻尼的振动-碰撞动力学模型,用以研究强超声振动-碰撞作用下的板非线性振动机制,并进行了相应的理论计算.计算结果表明,超声换能器的变幅杆与金属板之间的间歇性高频碰撞作用是金属板强非线性振 关键词： 非线性板振动 强超声脉冲激发 振动-碰撞动力学     

各向异性固体板中的非线性超声导波

将超声导波的非线性视为线性波动响应的一个二阶微扰,采用二阶微扰近似和导波的模式展开分析方法,从理论上研究了各向异性固体板中超声导波的二次谐波发生效应,给出了超声导波二次谐波声场的一般形式解.板材的各向异性可从多个方面对二次谐波发生效应产生影响,尤其是板材各向异性引起的导波模式相速度的改变,可显著地影响到构成导波二次谐波声场的二倍频导波模式随传播距离的积累增长程度.根据理论分析和数值计算结果可知,在不同传播方向上超声导波的非线性效应存在较显著的差异,伴随基频导波模式的传播所发生的二次谐波对固体板材的各向异性表现出更为敏感的性质,这一结果可为准确定征板材的弹性各向异性提供一种理论依据.     

分层半空间表面非线性瑞利波的激发*

针对非线性瑞利波在均匀分层半空间结构中的激发和传播规律进行研究。根据摄动理论和模态分解将分层半空间结构中瑞利波的二次谐波声场表示为二倍频瑞利波模式的线性组合,经由互易关系得到各模式的展开系数表达式。对不同分层半空间结构中瑞利波二次谐波的激发和传播特性进行讨论,结果表明相速度匹配的瑞利波模式其二次谐波分量随传播距离线性增长,非匹配模式的二次谐波分量则沿传播方向周期震荡传播。此外,文中定义非线性参数表征瑞利波模式产生的非线性程度,这有利于选择出具有明显非线性效应的匹配点,为后续检测工作提供理论依据,具有指导意义。     

采用分布式球形阵列的球谐波域声场分离方法

为从测得的混合声场信号中提取出需要的目标声场,提出一种基于分布式球形传声器阵列的声场分离方法。该方法依据声场的球谐波分解,利用阵列各传声器采集到的声场声压信号,获得目标声场与干扰声场的球谐波展开系数,进而估计目标声场。该方法利用声场以不同中心展开的球谐波系数之间的变换关系,直接建立传声器测量声压信号与整体坐标系下声场展开系数的方程,与传统的分布式球形阵列声场分离方法,即先求解局部坐标系下声场展开系数,再变换为整体展开系数的方法,进行比较。分别通过数值仿真和实验说明了提出方法的有效性。结果表明:该方法能够从混合声场中较准确地估计出目标声场,并且在干扰声场能量增大时,保持了较小的声场估计误差,相比于传统方法误差增加更少。     

基于声压场描述的扩散声场多自由度互易原理研究

应用于复杂结构中频声振分析的扩散场多自由度互易原理采用位移变量描述系统,实质为弹性波场互易原理,应用于声波场时会造成模型自由度数不必要的增加。建立基于声压描述的扩散声场受挡模型,利用声辐射模态描述扩散声场中结构的表面受挡声压;据此提出基于声压描述的扩散声场多自由度互易原理,发现扩散声场中结构表面受挡声压的互谱矩阵与该结构在自由空间中振动辐射声波的声阻矩阵成正比。该互易原理与传统的单自由度互易原理表达形式相似,但适用于任意自由度结构。该互易原理可用于扩散声场中复杂结构的表面受挡声压的自谱及相关分析,仿真研究表明当边界元网格尺寸小于声波波长的1/6(线性单元)或1/3(二次单元)时,数值解与理论解完全吻合。      

聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场的理论与实验研究

基于Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov(KZK)方程，在频域提出了聚焦超声波在层状生物媒质中传播的理论模型，该模型计及生物媒质的吸收、非线性和边界，同时考虑声源的衍射对声传播的影响.数值研究了聚焦超声波的基波和二次谐波在层状生物媒质中的声传播，并与实验结果相比较.研究结果表明，此方法可以有效地描述聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场. 关键词： 聚焦超声波 层状生物媒质 二次谐波     

超谐波声场及其生物组织成像的理论及实验研究

理论及实验研究了平面活塞换能器激发的超谐波(三次、四次及五次谐波的线性幅度叠加)的轴向和径向声场特性,讨论了声源强度及传播距离对超谐波的强度及指向性的影响。结果表明在合适的声源强度及传播距离条件下,超谐波的幅度可大于二次谐波,同时-3dB波束宽度变窄,为基波和二次谐波的59%和77%。对生物组织进行了超谐波成像,并与基波、二次谐波图像对比。结果表明超谐波可提高超声非线性成像的灵敏度及分辨率。     

线性和非线性单频混响声场空间起伏的初步研究

对于线性单频混响声场的统计特性的研究人们曾做了许多工作,建立了均方根声压和平均声能密度统计分布理论。本文在此基础上推导出声压级统计分布函数,并把处理方法推广到混响室内在强大声源激发下的非线性单频混响声场,求得各谐波声场和总声场的统计分布函数。本文实验采用数字测量技术,对混响声场进行了大量的测量,得到的实验结果与理论符合良好。     

基于反相位脉冲技术的生物组织谐波成像研究

理论及实验研究了反相位脉冲技术在生物组织二次谐波成像中的应用。结合有限振幅声波的非线性传播理论,从理论上证明了反相位脉冲技术可有效抑制基波信号,同时二次谐波信号增强两倍,轴向及径向声场的实验测量结果基波被抑制30～50dB,二次谐波提高6dB,与理论相符。建立了相应的成像系统,对若干生物离体组织进行了基于反相位脉冲相位技术的二次谐波成像,并与常规的基波及二次谐波图像对比,进一步证明了该技术能有效提高图像的对比度和清晰度。