水中弹性球壳的共振声辐射理论

为了深入认识水中结构的声辐射机理,木文提出一个称为共振辐射理论（ResonanceRadiationTheory－RRT）的新理论。它是由共振散射理论（ResonanceScatterinyTheory－RST）推广得到的。对于一个在内壁简谐力激励下的水中弹性球壳,从经典的Rayleish简正级数解出发导出了共振辐射公式。水中薄钢球壳的辐射分波的数值计算表明,辐射形态函数与散射形态函数相似。由复共振极点参数按照共振辐射公式合成的辐射声功率曲线与严格理论的计算结果符合良好。     

有限声波束在Rayleigh角附近从平面液-固界面上散射的新的统一理论

分析有限声波束从平面液-固界面上散射的困难主要发生在平面波反射系数的处理上。本文应用奇异点展开法将反射系数在Rayleigh极点附近展开成一个解析函数(其值为1)和Laurent展开式之和。散射场的计算用波数和界面两个变量的双重积分来进行,常数1产生刚性界面的几何散射波,Rayleigh极点展开项导致Rayleigh泄漏波。本文特别证明,对于大多数液-固界面,极点的留数近似地正比于极点的虚部。因此,根据复极点的值可以确定Rayleigh泄漏波的整个特性,包括激发和再辐射效率。对于反向散射场,既然负Rayleigh极点起作用,自然地出现反向Rayleigh泄漏波。     

水中弹性结构声散射和声辐射机理——结构和水的声-振耦合作用

从三个方面综述水中弹性结构声散射和声辐射的机理,特别强调声-振耦合或流体负荷作用。首先从阻抗的角度讨论声-振耦合作用。对于典型问题散射和辐射声场可以用阻抗的形式表示,系统的总阻抗等于机械阻抗和辐射声阻抗之和。表面振速只依赖于总阻抗,而声辐射依赖于辐射声阻抗与总阻抗之比。总阻抗等于零给出系统的特征方程,方程的根就是声场函数的极点。其次应用共振散射和辐射理论讨论声-振耦合作用。此理论将声场表示成各种共振再辐射模态的叠加,从振动的角度揭示声-振耦合机理。已经证明,模态的再辐射效率近似正比于复频率极点的虚部。第三,应用基于Sommerfeld-Watson变换的表面弹性波理论讨论声-振耦合作用。此理论将声场表示成各种表面弹性波-环绕波的再辐射的叠加,从波动的角度揭示声-振耦合机理。也可以证明,环绕波的再辐射效率近似正比于复波数极点的虚部。     

可分离变量的水下弹性体的纯弹性共振散射

理论上，共振散射谱的提取通过纯弹性散射函数来实现，它定义为总的散射函数和合适的背景项之差。本文导出具有可分离变量的水下弹性体的纯弹性散射函数的简单而明显的表示式。它取决于模态的机械阻抗和声阻抗，除了一个只依赖于形状的相位因子外。用新公式分析分波共振谱发现两类不同特性的共振：弹性波共振和流体波共振。前者主要取决于物体的弹性，流体负荷的作用是第二位的。后者紧密联系于流体负荷，当流体负荷消失时它也消失。这就允许我们对单个共振正确地分类。最后，计及流体波共振极点，应用奇异点展开法对传统的共振散射公式进行了修正。     

球形粒子在Bessel波束照射下的轴向辐射力计算和分析

通过声散射理论,将水中粒子的Bessel波束声散射场的分波序列(PWS)表达公式加以推广,进而推导出声辐射力的表达公式,获得了液体球及弹性球在Bessel波束下声辐射力的变化规律。通过观察不同散射角形态函数,可发现声辐射力的产生与粒子背向散射抑制程度有关。对于液体球粒子,球壳厚度及材料介质对粒子声辐射力有着重要的影响,同时Bessel波束波锥角越大,产生负声辐射力的可能性越大。对于弹性球和弹性单层壳粒子,声辐射力的产生与其本身的共振特征存在很大的关系。同时,通过改变球壳内介质及壳层厚度的方法,可增加产生的负声辐射力的频率范围及幅值强度.      

平面声波斜入射到水中无限长圆柱壳体的纯弹性共振散射

斜入射情况下水中弹性圆柱壳体的共振声散射问题至今还很少被研究。本文导出了平面声波斜入射时水中无限长圆柱壳体纯弹性共振散射函数的简单而明显的表达式。针对中空铝圆柱壳体（ｂ／ａ＝０．８）详细计算了不同入射角时纯弹性共振散射的分波共振谱，同时还给出了远场反向散射形态函数及其刚硬背景隔离，发现形态函数受吻合频率的影响很大。文中详细计算了斜入射时无固次复频率平面上的共振复极点分布，并由此计算了不同入射角时各阶共振模式，特别是附加共振模式所对应螺旋环绕波的相速度频散曲线。这些结果十分有助于认识声波斜入射下圆柱壳体的共振和再辐射的物理本质。     

一类球函数加法公式在多球体散射中的应用

首先利用格林函数的双中心球坐标展开式得到了一类球函数加法公式。对于多球体声学系统,可应用该加法公式将空间声场相对于每一个球体中心展开,这样可以很方便地利用每个球体的边界条件来研究多球体系统的声学散射问题。研究了两球体系统在不同边界条件下的散射声场,每个球的散射声场可通过求解由双重级数和耦合的两个无穷方程组得到。最后引入了形函数的定义,计算了两球体系统在平面波入射下的形函数,从而通过与现有文献的数值对比验证了本文理论公式的正确性。     

湍流边界层压力起伏激励下弹性板的噪声辐射

本文提出一个统一的理论计算湍流边界层压力起伏激励下无限大弹性板的噪声辐射。用波数-频率谱传递函数表征包括弹性板和流体负荷在内的整个系统的特性,导出了噪声场互谱函数的一般表示式。这是复波数平面上的一个积分,它可以归结为两类极点的留数和。由于压力起伏的迁移峰引入的极点产生直接传递的噪声场,它在流体中呈现为渐消的非均匀波,因为这个极点处在高波数区。另一些由于结构传递函数引起的极点产生带有流体负荷的板的共振辐射场。这些极点的位置和留数可以用共振散射理论进行近似计算。对于水动力噪声情况,感兴趣的频率厚度乘积相当低,这时零阶对称模式对噪声辐射起主要作用。     

充水圆柱壳声散射的环绕波分析

研究了内部充水圆柱壳散射声场的构成。采用弹性薄壳理论和Sommerfeld-Watson变换(SWT)方法导出散射声场的解析解。数值搜索环绕波的复波数极点,比较圆柱壳体内部真空和内部充水两种情况下表面环绕波的相速度、衰减等性质。用镜反射波和环绕波的叠加合成反向散射形态函数,与简正级数解符合良好。计算流体附加环绕波的回波时序并与实验数据对照。结果表明,流体附加环绕波的再辐射是内部充水圆柱壳的形态函数出现更加丰富的共振峰和回波结构形成的重要原因。      

准周期加隔板有限长圆柱壳声散射

研究准周期加隔板有限长圆柱壳在水中的声散射特性,隔板位置存在小的随机偏差.首先给出理论推导,通过计算周期加隔板情况验证理论公式的正确性.然后以角度-频率谱形式给出准周期加隔板圆柱壳声散射计算结果.计算表明隔板的准周期性导致Bloch-Floquet弯曲波和散射声场背景出现扩散和增强现象,而近乎平行于横轴的由隔板共振引起的亮条纹被散射声场背景所掩盖.最后讨论了随机因子、隔板个数以及隔板间距对Bragg散射的影响.计算表明随机因子越大Bragg散射条纹的频率范围越宽扩散越明显,隔板个数越多Bragg散射条纹的频率范围越窄能量越集中,隔板间距变大时Bragg散射条纹增多而且越高阶次的Bragg散射条纹扩散越严重.根据Bragg散射的几何特征导出的近似估算公式可以较准确预报Bragg散射在频谱图上的位置,也可以大致预报隔板准周期排列时Bragg散射的扩散现象.     

周期性加隔板有限长圆柱壳声散射

研究内部真空周期性加隔板圆柱壳在水中的声散射特性.壳体振动用薄壳理论的Donnell方程描述,隔板振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述.考虑轴向、切向、径向三个方向的力和弯矩共同作用导出了散射声场的解析表达式.数值计算给出远场收发合置情况下的角度-频率谱图,并据此进行机理分析.通过与内部周期性加环肋圆柱壳声散射的角度-频率谱图比较发现,除周期加肋产生的Bragg散射波与弯曲Bloch-Floquet波外,加隔板的情况还存在明显的隔板共振亮线,并且发生隔板共振与壳体弹性波、Bragg散射波、弯曲Bloch-Floquet波耦合的现象.通过实验对理论进行了验证,在实验的频率范围内,Bragg散射亮线与理论符合得很好,部分Bloch-Floquet波散射亮线和隔板共振散射亮线也与理论符合.     

低能π-N散射p波共振中交叉过程的贡献

本文用等效极点代替π-N散射左割线,计算了交叉过程短程相互作用的贡献,在相移计算中得到与实验一致的低能p波3-3共振。计算结果要求至少用四个极点来代替左割线的贡献,说明左割线振幅的行为是相当复杂的。     

Franz波波速计算及实验测量

本文给出了计算水中无限长刚性圆柱对垂直入射平面声波散射所产生的Franz波的相速的理论公式。用Schlieren方法,观察到圆柱影区散射声场的稳定图象,并由此推算出Franz波的传播速度。理论分析与实验结果基本相符。     

Nd~(3+)掺杂硫系玻璃微球荧光腔量子电动力学增强效应

采用粉料漂浮高温熔融法自制Nd3+掺杂硫系玻璃微球,研究了腔量子电动力学增强效应对稀土掺杂硫系玻璃微球荧光光谱的影响。把直径90.53μm的硫系玻璃微球与锥腰直径1.02μm的石英光纤锥耦合,将808nm抽运激光导入微球,荧光光谱存在分立的共振峰。根据米氏散射理论公式,计算得到TE偏振态下基模的三个共振峰位置,确定了这三个共振峰的模式序数。增强因子η≈1122,这表明微球荧光自发辐射速率增强幅度为1122倍。在基模条件下对原增强因子公式进行近似化简,并利用近似公式进行估算得到η≈1167,误差为4%。     

水中双层弹性球壳的回声特性

研究水中双层同心弹性球壳的声散射．利用严格弹性理论和分离变量法导出了Rnyleigh简正级数解．计算并比较了单层和双层弹性球壳的反向散射形态函数．为了分析回波结构也计算了窄脉冲回波序列．结果表明,外壳很薄内壳稍厚的双层弹性球壳的回波特性主要依赖于内壳。在低Ka时双层壳体的回波可以近似用内部充水的外壳和内部真空的内壳的回波叠加而成．     

有吸收流体介质中典型弹性壳体的共振散射

研究了环境流体有吸收时弹性球壳和圆柱壳的共振散射特性。利用严格弹性理论和分离变量法导出的经典简正级数解仍然成立。但是,散射形态函数要根据介质吸收而进行修正,否则将得到不合理的结果。重新定义了有吸收介质中的反向散射形态函数,计算了各种吸收条件下中空和有固体填充物的弹性球壳和圆柱壳的形态函数。结果表明,环境流体的吸收导致中频段的吻合共振显著减弱,但对壳内填充物的低频共振影响较小。     

局部固体填充的水中复杂目标声散射计算与实验

利用二维有限元方法研究水中局部填充的带球冠柱体目标声散射特性,所采用的数值方法可高效地实现精细化、宽带、复杂轴对称模型散射声场计算.根据数值结果解释壳体、填充物以及入射方位对目标散射远场的影响,确定复杂目标散射研究中所必须考虑的重要物理和几何构成.完成水中悬浮目标自由场声散射实验,收发合置条件下将目标旋转360?接收并测量不同传播路径回波到达时刻得到距离-角度伪彩色图像.以表面环绕波和"回廊波"产生理论为基础,解释内真空和局部填充模型正横入射时目标散射信号中几何回波和各种弹性波成分产生的机理.由于固体填充与弹性壳的耦合作用,频率-角度谱的正横方向两侧呈现外八字"碗"形共振曲线.通过对比,理论计算和实验得到的散射函数关键频谱峰值特性符合较好.     

散射板干涉仪的统计光学原理

用近代光学方法,对散射板干涉仪的基本光路进行了严格分析.用傅里叶光学证明先散射后透射与先透射后散射两条光路传播光的等价性,给出存在波偈差时这两条光路的变化.而后用统计光学方法讨论了干涉条纹产生的机理以及干涉条纹对比度与两块散板透过率相关性之间的关系,建立了散射板干涉仪的干涉条纹公式.分析结果与实验现象相符合,并可以解释以往理论不能解释的现象.     

石英玻璃微球吸收光谱上的结构共振

通过CO2激光器熔融不同直径的熔锥光纤以得到相应直径的石英玻璃微球,利用此微球和熔锥光纤,构造了球微腔耦合系统。实验中利用光腰直径为3.1μm的熔锥光纤与直径为143.1μm的石英玻璃微球进行耦合,通过最大分辨力为1pm的可调谐半导体激光器对该耦合系统进行光谱扫描,发现石英玻璃微球的吸收光谱中出现分立的结构共振峰。利用光学微球腔理论讨论了石英玻璃微球吸收光谱中的结构共振,并用米氏散射理论公式对一阶TE模共振峰的位置以及它们的间隔进行了计算,共振峰位置实验结果与理论结果的误差仅为0.03%,表明实验与计算结果相符。     

超低温下钠原子散射特性研究

超低温下钠原子的散射特性对原子间的相互作用势非常敏感.本文基于构造精确的原子间相互作用势,详细研究了在超冷温度下处在超精细态|F=2,mF=2〉下23Na原子的弹性散射特性.我们分别用Numerov和半经典方法计算了散射长度和有效程,得到了较满意的结果.低能散射截面有丰富的共振现象产生,我们发现并给出了d-波和g-波形状共振的能级位置和共振宽度;此外,我们还对仅两个分波有贡献情况下的微分散射截面进行了理论计算.