水中弹性圆柱壳的共振声辐射

研究了在内壁简谐法向线力激励下的水中弹性圆柱壳的振动和声辐射问题，这有助于深入认识水中结构的声辐射机理，验证水下结构共振声辐射理论。本文从经典Ｒａｙｌｅｉｇｈ简正级数解出发导出共振声辐射公式，然后分别用经典公式和共振声辐射公式计算钢圆柱壳的辐射声功率及壳体表面声压曲线。计算结果表明两者符合良好。     

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。     

奇异点展开法(SEM)与共振散射理论(RST)之间的联系

近年来,在声散射问题中提出了两种理论:奇异点展开法(SEM)和共振散射理论(RST)。本文建立这两种理论之间的联系,以水中弹性柱和球的散射为例,我们证明RST可以直接从SEM导出,因此两者是等价的。首先从总散射波中分离出刚性背景,然后应用Mittag-Leffler定理将纯弹性散射波展开成严格共振公式。我们特别证明,对于大多数水中实弹性体,再辐射效率和共振宽度近似地正比于相应极点的虚部,这说明共振散射特性可以整个地由复频率极点确定。因此,目前的分析允许对RST有更深的理解。对于水中铝柱和钨碳球的情况,我们用新的共振公式计算了分波形态函数,其结果与严格计算符合良好。     

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。     

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。      

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.      

水中双层无限长圆柱壳体声散射

研究水下双层无限长圆柱壳体的声散射。采用弹性薄壳理论和Fourier变换方法导出了散射声场的解析解。并分别计算了平面波正横和斜入射单层和双层无限长圆柱壳体的远场散射形态函数。计算表明在不同的入射角,由于不同类型的弹性波被激励,散射波呈现不同的特性。通常双层无限长圆柱壳体的散射特性由外壳、内壳和中间耦合水层共同作用决定。但外壳很薄、内壳较厚、水层较薄时,无限长充水双层圆柱壳体的低频散射特性主要由单层内壳决定。当然这时外壳的共振特性也不能忽略。     

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.     

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．     

非理想流体中的关联

本文给出非理想流体(非理想气体、等离子体及液体)的对偶关联性质的一般理论。文中给出了计算多组元、任意分子相互作用势体系的对偶关联函数的一般公式,以及由辐射(激光与微波)散射测定分子间相互作用势与对偶密度关联函数的理论基础。     

近似声斗篷的多层介质覆盖水中弹性球壳的声散射

对水中弹性球壳的低频覆盖层消声效果和消声机理进行研究。声斗篷(Acoustic cloak)是各向异性的超常材料,根据有效介质近似理论(Effective MediumApproximationTheory),采用各向同性多层介质近似各向异性材料的声斗篷,推导出覆盖多层介质水中弹性球壳散射声场的解析表达式,计算了弹性球壳覆盖多层介质前后的散射形态函数、谐振模态以及声场分布,分析了覆盖前后球壳的声散射特性和声传播机理。研究表明,覆盖层内的声波在多层介质之间的声传播方向发生改变,声场形成弯曲变形,声能流绕过目标,这不仅极大的降低了低频散射强度,而且使到达弹性体表面的声场强度非常小,散射频响中除了0阶子波产生的第一个谐振峰外,无法激发弹性球壳的其它谐振模态,有效的抑制弹性球壳的谐振散射。      

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.     

正常金属-分子量子点-超导耦合系统的介观输运研究

运用非平衡格林函数理论、正则变换以及BCS平均场理论研究了正常金属-分子量子点-超导耦合系统（N-MQD-S）的介观输运,得到了系统的电流公式并选择适当的参数进行了数值计算。数值计算结果表明：电声子耦合强度 与线宽函数 对系统的输运行为有较大影响。当 增大时,由声子辅助隧穿所产生的共振峰将高于分子量子点自身能级产生的共振峰;当线宽函数 增大时,在Andreev反射共振峰的两侧将出现新的边峰。     

正常金属-分子量子点-超导耦合系统的介观输运研究

运用非平衡格林函数理论、正则变换以及BCS平均场理论研究了正常金属-分子量子点-超导耦合系统（N-MQD-S）的介观输运,得到了系统的电流公式并选择适当的参数进行了数值计算。数值计算结果表明：电声子耦合强度 与线宽函数 对系统的输运行为有较大影响。当 增大时,由声子辅助隧穿所产生的共振峰将高于分子量子点自身能级产生的共振峰;当线宽函数 增大时,在Andreev反射共振峰的两侧将出现新的边峰。     

水下掩埋目标的散射声场计算与实验

水下掩埋目标声散射问题是识别和探测掩埋目标的理论基础, 是声散射研究领域的热点问题. 本文基于射线声学推导了掩埋情况下目标声散射计算的格林函数近似式, 并在此基础上进一步给出了相应的远场积分公式. 在有限元方法的基础上, 将推导得到的公式写入有限元仿真软件, 对软件功能进行拓展, 构建二维轴对称目标的声散射模型, 并计算掩埋情况下弹性实心球在不同条件下的目标强度, 获得了其散射声场随频率、掩埋深度、沙层吸收系数等参数的变化规律. 开展实心球的自由空间和浅掩埋条件下水池声散射实验, 利用共振隔离技术处理实验数据, 提取目标声散射的纯弹性共振特征进行分析, 结果表明可将其用于掩埋目标识别和探测. 最后利用总散射声场与理论计算结果进行对比, 验证了理论仿真的正确性.     

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.     

三弹性圆柱壳体多重耦合声辐射计算方法

为研究多圆柱壳组合结构的声辐射特性,采用模态叠加法建立了3个并排无限长弹性圆柱壳的振动声散射耦合物理模型,充分考虑了三圆柱壳的表面振动与散射声场的耦合,其中散射声场可分解为各圆柱壳刚性散射声场和弹性辐射声场的叠加,数学上将各壳间的声场耦合关系通过柱函数加法公式描述。利用该物理模型,分析了多重散射对稳态声场求解结果的影响,比较了三圆柱壳耦合系统与单个圆柱壳系统的辐射声场指向性、声压级及辐射声功率级的差异及其产生机理,结果表明:结构弹性耦合声辐射不仅在低频对总声场有显著影响,在高频范围也不可忽略;另外,针对本文设定参数的组合圆柱壳,在150 Hz以上频段,两旁圆柱壳对中间圆柱壳在正横方位产生了声辐射遮蔽效应,垂直方位则体现声泄漏作用。本文建立的方法可推广到三维空间任意多壳结构的声振耦合建模。      

金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性分析

应用有限元方法, 研究金纳米球壳对的几何结构参数及物理参量对其表面等离激元共振的散射及消光光谱的影响, 并根据等离激元杂化理论进行了理论分析. 结果表明, 随着金壳厚度的增加, 金纳米球壳对的散射及消光共振峰先发生蓝移而后红移, 而随着金纳米球壳间隙的减小, 或者随着金纳米球壳的内核尺寸或内核介质折射率的增大, 散射及消光共振峰均发生红移; 随着金壳厚度或内核尺寸减小, 或者随着内核介质折射率增大, 金纳米球壳对的散射与消光共振强度减弱, 而随着金壳间隙的减小, 金纳米球壳对的散射共振强度先增强后减弱, 而消光共振强度逐渐增强, 数值模拟与理论分析一致.     

用物理声学方法计算界面附近目标的回波

用物理声学（KIRCHHOFF近似）方法研究界面附近目标的声散射。导出了计算形态函数或目标强度的积分表示式．所产生的散射场由三部分组成：（1）不存在界面时目标的散射场;（2）入射或散射波之一经受界面反射时的散射场,如同双站散射场;（3）目标相对于界面的镜象产生的散射场,其中入射和散射波都经受界面反射．对于一个自由界面下的刚硬球,数值比较说明本文的方法与严格的解析方法符合良好．本文提供了一种计算沉浸在海面下或躺在海底上的水下目标的回波计算方法．     

金复合纳米微粒的消光特性

基于Mie光散射理论,研究了金壳介质芯的金复合纳米球壳微粒在光散射与吸收中的消光特性.对微粒增大时的多极子特性以及内半径变动时共振峰的移动作了计算和分析,证实了共振峰位置随内外半径比增大而增大的规律.还对纯金纳米微粒的多极子特性作了计算,并讨论了总消光效率中散射和吸收各自的贡献.