参量阵辐射的声波在水-沙界面的传播

T.G.Muir等人指出参量阵辐射的声波在水-沙界面的透射同常规平面波透射相比较,具有两个特点:第一,透射波的峰值出现在联接水中发射换能器和沙中水听器的直视角方向上,而不是出现在Snell折射定律所规定的方向上;第二,当入射角大于临界角时,透射波掠角不为零,而且其衰减比较小。 在理论分析和实验研究的基础上,本文指出,这些异常现象是由参量阵的体积阵特性、沙层介质的吸收特性以及特定的实验方法所致。文中描述的等阵长参量阵入射情况下的研究结果,证实了上述论点,指出声参量阵辐射的声波在分层介质中的传播本质上依然满足Snell折射定律。参量阵的视线传播现象在某些应用中具有实际价值。     

漫透射屏对光束光强分布的影响规律

从朗伯余弦定律出发,理论推导了漫透射屏后接收面上任意点光强与入射光强的关系。结合漫透射屏在功率监测仪中的应用,通过数值仿真计算,理论上概括了单层和多层漫透射屏对入射光束光强分布的影响规律。数值计算表明:当入射光束半径、漫透射屏与接收屏的距离满足二者之比小于或等于0.3时,入射光束的光强分布、光束口径对接收面上光强归一化分布的影响可以忽略,且接收面上光强的归一化分布主要取决于漫透射屏与接收屏的距离,而与多层漫透射屏的排列方式、层数等参数基本无关,此结论得到了实验的证明。     

声波在一维声子晶体中共振隧穿的研究

通过从实验和理论方面对声波在一维声子晶体单晶体和被小的共振腔分开的双晶体中传播时发生的隧穿和共振隧穿现象的研究，观察到了声子晶体单晶体在带隙频率范围内发生的隧穿现象，而对于双晶体样品，在带隙频率范围内出现了很强的共振透射峰.共振发生时，实验测得的群时间很大，但是没有共振时，群速度却很快. 关键词： 声波 声子晶体 隧穿 共振     

二维三组元声子晶体中的半狄拉克点及奇异特性

设计了一种二维三组元声子晶体结构, 利用偶然简并的方法在布里渊区中心实现了半狄拉克点, 探究了随着组元几何参数的改变半狄拉克点的演变过程. 利用有限元方法研究发现在半狄拉克点频率附近沿着ΓX 方向声子晶体表现出与零折射率材料相似的行为, 许多奇异特性如单向透射等均可以观察到. 另外还发现在半狄拉克点频率附近声子晶体是各向异性的, 沿着不同方向声波的传播现象是不同的, 这种特性是狄拉克点及类狄拉克点所不具备的. 这种各向异性的声波传播特性有许多重要的应用, 如单方向完美透射和单方向波前整形等.     

非均匀波导中的最大声能流透射及鲁棒性分析

以变截面含可穿透散射体波导为模型,理论研究声波在非均匀波导中的最大透射问题.通过耦合简正波理论构建模态域内透射矩阵和水平波数矩阵,推导透射波能流的具体表达式,分析任意入射波的能流透射率随频率的变化,进而讨论任意给定频率下能够产生最大能流透射率的最佳入射波,并给出数组全透射声场算例.最佳入射波仅由可传播模态决定,与衰逝模态无关.利用衰逝模态不携带能流的特性,讨论衰逝模态对产生能流最大透射声场的影响,并分析最大能流透射的鲁棒性.在频率满足一定条件时,全透射声场可能表现出完美鲁棒性.文中所述方法可延伸至多种非均匀波导以分析其中的能流最大透射问题.     

大振幅平面声波的反射和折射(Ⅰ)——一维情况

本文利用逐级近似法分析了大振幅平面声波正投射在分割二种不同介质的界面上时,声波在界面上发生反射和透射的特性.计算的结果表明在计及二级近似的情况下,二级反射波和透射波除有与一级反射系数和一级透射系数平方成正比的部分外,还有用二级反射系数和二级透射系数描述的反射波和透射波,这些波同二级入射波有一定的相移,相移的大小由二种介质的声学参数和非线性参数规定.本文所获得的结果可以用来阐明已在实验上取得的提高参量阵转换效率的理论依据.     

基于随机输入的束匀滑位相板研究

根据随机畸变激光波前入射确定束匀滑位相板的模型,利用随机理论分析了光束通过位相屏后的传输特性、透射光远场分布的统计均值和方差.通过计算得知远场分布的方差与位相屏的傅里叶谱的平方成正比.利用数值模拟计算了随机生成的两个波前分别通过两个位相屏后的远场分布,模拟结果证实了位相屏用于随机相位畸变激光束匀滑的可行性,并显示了匀滑效果.     

基于随机输入的束匀滑位相板研究

根据随机畸变激光波前入射确定束匀滑位相板的模型,利用随机理论分析了光束通过位相屏后的传输特性、透射光远场分布的统计均值和方差.通过计算得知远场分布的方差与位相屏的傅里叶谱的平方成正比.利用数值模拟计算了随机生成的两个波前分别通过两个位相屏后的远场分布,模拟结果证实了位相屏用于随机相位畸变激光束匀滑的可行性,并显示了匀滑效果.     

随机粗糙表面超声双透射研究

基于Fresnel近似及相屏近似理论建立了随机粗糙表面的声波双透射信号损失理论模型,提出采用指数替代法消除非线性积分项实现双透射信号损失的简单解析解。研究表明,观透射信号损失不仅与粗糙高度有关,而且与声波传播路径即缺陷深度有关。     

温度对一维异质双周期镜像声子晶体带隙的影响

设计了一种由铝和塑料组成的ABBA结构的一维异质双周期镜像声子晶体.用传递矩阵法研究了温度参量的变化对该声子晶体的声波带隙的影响.当温度发生变化时,声子晶体除了发生线膨胀之外,组成声子晶体材料的铝和塑料的杨氏模量也会发生变化,这就导致了声波在介质内的传播速度发生变化.通过观察分析透射谱线,发现在温度变量的影响下,声波带隙能够可控的出现和消失,随着温度的升高,声波带隙会向频率减小的方向移动.特别是在一定温度条件下出现带隙的反转,由带隙变为通带.结果表明,温度对声子晶体带隙有着明显的影响.这个特性可为新型声学器件的设计提供理论参考.     

声学脉冲序列及全透声机理研究

本文研究一维周期性层状结构中材料弹性模量时变因素作用下的声透射临界现象, 探究了这种声学脉冲序列及全透声现象的内在机理. 考虑弹性模量时变因素的影响, 通过求解波动方程, 运用分离变量法解得特征指数, 进而得到临界现象. 当调制幅值低于或等于临界值时, 周期性结构能够将入射波转化为一系列周期的毫秒级的反射脉冲序列; 尤其在调制幅值等于临界值时, 当周期性结构的层数达到16层时, 反射脉冲序列有完整的0和1 的波形; 当大于临界值时, 反射系数在50 ms内迅速衰减至0, 此时的结构相当于完全透声, 入射波可以无损地完全透过, 产生调制透声现象. 这些特殊的现象可为声波的动态控制、声脉冲序列的产生和声波的定向传播提供重要的理论依据, 在超声换能器及调制透声方面具有实际的工程应用前景.     

水中声速测量实验的模型修正

在共振干涉法和相位比较法测量介质的声速实验中,通常的实验模型是考虑发射声波与在接收换能器上反射的声波进行叠加,在特定条件下形成驻波.然而在水中的声速测量中,实验现象与该模型不完全相符.考虑声波在发射和接收换能器间的多次反射,同时叠加声波在水-空气界面反射的影响,提出了修正模型并进行Mathematica仿真.结果表明液面高度对实验现象有较大影响.     

液滴爆炸中马兰戈尼效应的研究

本文主要研究了当水和乙醇的混合溶液沉积在植物油上时的不稳定性,液滴暂时扩散并自发地分解成数千个微小的液滴形成液滴爆炸现象.从分子结构、表面张力入手验证了这种现象是由液滴的润湿转变和马兰戈尼效应的相互作用导致的,讨论了现象发生的临界浓度与扩散系数的关系.并从液滴爆炸总时间、扩散半径两个维度来衡量碎裂现象,将实验探究与Comsol仿真分析相结合,得到影响液滴爆炸碎裂和最终液滴大小的参数.     

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.     

基于相位调控的超高透射声学超表面及其应用*

声学超表面可以灵活有效地对声波进行调控,实现多种新颖的现象和功能,在诸多声波调控领域有潜在的应用前景。该文引入了一种镀膜型迷宫结构单元,可以提供全范围(0~2π)的突变相位,具有高效的透射率(~100%)和较好的鲁棒性。基于相位调控,可利用镀膜型迷宫结构单元构建出超高透射超表面,实现异常声折射、声聚焦、声束沿任意凸轨迹弯曲传播以及声成像等应用。     

横电波激励下亚波长一维金属光栅的异常透射性

针对一维亚波长金属光栅异常透射现象实现的问题,利用时域有限差分法,对横电波（TE波）激励带电介质的亚波长一维金属光栅的光场分布进行了模拟分析,得到了TE波的透射率与电介质折射率的变化关系,从而发现TE波在所研究的模型下具有异常透射现象.基于导模共振理论建立了类导模共振理论,并应用该理论较好地解释了TE波在所研究模型下的异常透射现象,确定类导模共振是TE波产生异常透射性的主要原因.应用所建立的理论解决了传统透射理论无法解决的问题.类导模共振理论揭示了异常透射现象的物理本质,为进一步研究异常透射性的物理本质提 关键词： 金属光栅 横电波 异常透射 类导模共振     

薄膜型负质量密度声学超常介质

文章作者提出了一种结构简单、易于实现的薄膜型声学超常介质,不仅从实验上证实了它能够在100Hz到1000Hz的低频范围内以200倍的幅度打破声波衰减的质量密度定理,而且还给出了相应的理论解释.由于薄膜弱小的弹性模量,对于一块周边被硬边框所固定的小面积的弹性薄膜而言,仍然存在着各种不同的低频振荡模式.这些振荡模式的本征频率可以通过在薄膜的中央放置一个小的质量块而调整.文章作者惊奇地发现,在位于两个最低的本征频率之间的某个特定频率处,入射的声波几乎完全被反射,此时整个薄膜面内的平均法向位移为零.借助于有限元数值模拟方法,也发现在全反射频率附近薄膜的动态质量密度是负的.实验结果和理论计算符合得非常好.与此同时还发现,微波在某些频率全透射通过金属分型结构的现象可以用类似的机制来解释,而且这些全透射频率也是位于两个局域共振频率之间.     

二维正方晶格多点缺陷声子晶体实验研究

基于超声浸水透射技术, 实验研究了有限尺寸二维正方晶格钢/水声子晶体多点缺陷模态性质. 利用COMSOL Multiphysics软件建立该声子晶体有限元计算方法, 求解了9×9超胞多点缺陷声子晶体能带结构, 把缺陷局域模态频率与数值仿真和实验结果进行对比, 结果表明: 实验数据和理论值能够很好符合. 进一步分析发现, 点缺陷数量影响声波局域效应、本征模态和传播特性, 为设计有限尺寸声波器件提供理论依据. 关键词： 声子晶体 多点缺陷 实验研究 有限元     

各向同性介质界面本征模分析

分析了两个各向同性材料界面处的本征模,从另一个角度来分析解释了布儒斯特定律.当入射光与界面处的表面模匹配时,入射光的能量就会全部转移到界面的本征场上,如果电磁波在折射介质中为行波,界面的本征场又会在折射介质中激发新的电磁波,形成透射波,也就是布儒斯特定律描述的横电波或者横磁波的全透射现象,这也可以看作是一种光学共振现象.横磁波的全透射现象往往出现在两个具有相同磁导率的介质的界面处,而横电波的全透射现象则往往出现在两个具有相同介电常数的介质的界面处.     

声学Mie共振及其应用

Mie共振是基于Mie散射理论的共振散射现象,起源于单极、偶极、四极、八极和更高的多极振子所引起的辐射叠加。近年来,人工产生的声学Mie共振得到了越来越多的关注。由于声学Mie共振具有多种共振模式,基于Mie共振的声学超构材料体现出许多独特的声学特性,有望被应用到低频声波强反射、负折射、彩虹俘获、指向性声辐射、超常声波透射等众多领域当中。