中国近海悬浮颗粒物海水声波衰减

在对颗粒物声吸收机理分析的基础上,根据已有的南黄海和莱州湾海洋调查数据,对中国近海实际海域悬浮颗粒物海水在声呐工作频段内的声波衰减进行了计算分析.结果表明,在悬浮颗粒物浓度高的海水区域内,悬浮颗粒物粘滞性声吸收所造成的声波衰减与不计及颗粒物存在的海水声吸收相比不可忽略.计算分析同时表明,在声呐工作频段内,颗粒物的散射声吸收可以忽略不计.取可使粘滞衰减为较大值的粒径为5 um的悬浮颗粒物海水进行计算,在低于几十千赫兹的频率范围内,当泥沙类悬浮颗粒物浓度高于O.1 kg/m3、有机类悬浮颗粒物浓度高于1 kg/m3,颗粒物粘滞衰减系数将大于清澈海水的衰减系数.泥沙类悬浮颗粒物海水浓度高于0.1 kg/m3、有机类悬浮颗粒物海水浓度高于1 kg m3,可以作为是否需要计及颗粒物声吸收的比较保守的估计判据,或是作为悬浮颗粒物海水达到声学混浊的估计判据.     

石墨烯/纳米铜复合材料的制备及红外性能研究

采用原位还原法制备了还原石墨烯/纳米铜复合材料,对其进行表征分析.测量该材料的中远红外波段的复折射率,计算其吸收系数和大气窗口内的法向光谱发射率并进行实验验证,进而分析其在中远红外波段的吸收和辐射性能.结果表明,纳米铜吸附在还原石墨烯表面,粒径集中在15~25nm;不同尺寸的纳米铜、还原石墨烯及其表面缺陷和官能团等的吸收特性,使该复合材料在8~9.2μm、6~6.5μm、2~3μm波段内的吸收较强,且在远红外波段吸收最强;其在3~5μm的法向发射率在0.65~0.68范围内,法向发射率在8~9.5μm内有最小值0.53,而后稳定在0.58左右,其总法向发射率分别为0.66和0.59,且与测量值相符.该复合材料可用于红外吸收、消光材料和隐身涂料等方面.     

基于自发瑞利-布里渊散射的氮气体黏滞系数的测量

体黏滞系数是从微观角度认识气体分子黏滞性的重要参数,传统的兆赫兹声频范围的声波吸收方法无法直接应用于声波弛豫效应在千兆赫兹范围的高频领域,而瑞利-布里渊散射则能实现对声波弛豫效应在千兆赫兹的气体体黏滞系数的测量.本文测量了532 nm激光激发的常温下压强分别为1-9 bar的氮气的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用已知温度和压强的理论模型对测量光谱进行了比较,获得了准确的散射角.利用该散射角并结合χ~2值最小原理反演得到不同压强(4—9 bar)下氮气的平均体黏滞系数为(1.46±0.14)×10~(-5)kg·m~(-1)·s~(-1),该结果与文献中利用自发瑞利-布里渊散射获得的结果和理论计算结果相近,但与相干瑞利-布里渊散射的测量结果相差明显.利用该平均体黏滞系数对氮气在不同压强下的温度进行了反演,得到各压强下的温度与实际温度的绝对误差小于2.50 K,反演温度的平均值与实际温度误差小于0.15 K,该结果证明了实验测量得到的氮气的体黏滞系数具有较高的准确性,同时也说明利用瑞利-布里渊散射反演气体参数具有较高的准确性和可靠性.     

全场彩虹技术测量喷雾浓度及粒径分布

喷雾颗粒的浓度、粒径等多参数的同时测量是研究喷雾的关键. 对应用全场彩虹技术测量双组分液滴的浓度及粒径分布进行了研究. 基于改进的Nussenzweig理论,对液滴折射率和粒径分布采用无分布函数算法进行最优化求解, 然后通过折射率与浓度的关系反推液滴浓度.用模拟全场彩虹信号对该算法进行了验证, 该算法可准确反演具有单峰分布、双峰分布粒径特征的液滴群的折射率与粒径分布. 并对体积分数从0%到100%的乙醇溶液喷雾进行了实验测量, 结果表明,所测得折射率与理论值符合,粒径分布稳定.该技术在喷雾浓度测量方面具有广阔的应用前景. 关键词： 全场彩虹技术 折射率 粒径 组分     

雪粒径高光谱遥感估算模型研究

雪粒径是影响全球/局地能量收支和表征积雪水热状态的重要参数,大面积监测和估算雪粒径的分布及大小对于全球/局地气候变化和水资源管理具有重要意义。目前遥感技术已成为大面积监测和估算雪粒径的重要手段。针对雪粒径的遥感监测与估算,该研究采用辐射传输模型模拟雪面可见光-近红外波段的光谱曲线,经过分析光谱曲线并结合一阶微分和累计差异值选取对雪粒径敏感的波段和积雪指数,建立单变量雪粒径高光谱遥感估算模型,并用地面实测数据进行验证,结果表明,单波长1 030 nm,1 260 nm和归一化差值积雪指数(460和1 030 nm)构建的估算模型预测精度较高,雪粒径估算值与实测值的相关斜率分别为1.37,0.61和0.62 ,R2分别为0.82,0.86和0.93,RMSE分别为55.65,50.83和35.91 μm,可用于雪粒径的估算研究。研究成果为雪粒径的高光谱遥感反演提供科学依据。     

可见-红外波段光全散射法颗粒粒径测量范围的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,采用独立模式算法在可见-红外波段对粒径测量范围进行了深入的研究。通过对多种R-R分布函数反演结果进行分析,比较,以确定光全散射法颗粒粒径测量范围。同时在消光系数计算中,采用修正的消光系数代替原始的消光系数,以便得到更准确的粒径测量范围。仿真计算结果表明,在可见-红外光谱区,相对折射率m=1.235时的粒径测量范围为0.05～18 μm。在此区域内测量粒径分布,反演结果与真值基本吻合。随着颗粒相对折射率、波长范围的变化,粒径测量范围也随之发生改变。采用限制最小二乘算法能够最大限度地克服随机噪声对测量结果的影响,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量的消光值加入±1%随机噪声时,颗粒粒径分布的反演均能得到满意的结果。     

利用低相干光纤动态光散射法测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径分布

本文针对高浓度散射介质,用低相干光纤动态光散射技术测量浓悬浮液中多分散颗粒系的粒径及其粒径分布。利用迭代CONTIN算法对实验数据进行反演运算,得到多分散颗粒系的粒径分布结果。结果表明,浓悬浮液中多分散颗粒系的峰值粒径测量值与给定的两种标准粒径值相吻合,其误差在4%之内,粒径分布曲线中各散射颗粒所反映的散射体光强分布与根据Mie散射计算得到的理论值相吻合。实验结果证明低相干光纤动态光散射实验系统能准确测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径及粒径分布。     

多频声衰减法测量低密度差异液固两相流粒径分布

针对低密度差异液固两相流的分散相粒径分布测量问题,提出多频超声衰减测量方法。以ECAH (Epstein Carhart Allegra Hawley theory)理论模型为基础,分析了不同物性参数对多频超声衰减的影响,建立了分散相粒径分布与多频超声衰减之间的理论关系,用于计算被测流体中超声衰减的理论预测值。通过构造实测多频衰减与待求粒径分布间的目标函数,将粒径分布的反演表示为优化问题,利用高斯量子粒子群算法对不同粒径颗粒浓度参数寻优,实现粒径分布的反演。以微米级聚苯乙烯颗粒与水制备的悬浮液作为研究对象,在搅拌条件下进行动态实验。实验结果表明,利用4~11 MHz的多频超声衰减测得的粒径分布,与Mastersizer 2000激光粒度分析仪的测量结果基本一致,平均粒径误差为5.60%。     

颗粒物Mie散射对差分吸收光谱技术的影响

差分吸收光谱法(DOAS)应用于固定污染源烟气排放在线监测时,由于烟气中烟尘颗粒物含量较高,烟尘颗粒物Mie散射引起的消光对准确反演气体浓度应有一定影响,通过对1～10μm烟尘颗粒物Mie散射对DOAS影响的数值模拟和实验研究得出,烟尘颗粒物的散射光强与颗粒粒径分布、颗粒数密度有关,随着颗粒粒径和颗粒数密度增加,气体的差分吸收度随之而增加,差分吸收度曲线的频率特性发生变化,传统DOAS算法中的应用多项式滤波已无法消除颗粒物Mie散射对气体差分吸收度的影响,气体浓度的反演结果远远偏离真实值.     

海水低频声吸收与pH值的关系

本文用共振器法测量了天然海水低频声吸收与pH值的关系。测量频率为2.91、6.82和10.76kHz;pH值范围为6.48—8.51;温度为12.6℃。测量结果与不同的声吸收公式计算值进行了比较。本文实验的主要目的之一是通过将pH值减小到足够小的数值来检验海水中MgSO_4吸收的贡献。实验结果表明:为了能用一个统一的公式较准确地预估低频和高频的海水声吸收,此公式看来应该既包括MgCO_3吸收项,又包括MgHCO_3~ 吸收项。     

Additional acoustic attenuation of coastal turbid water—Measurements compared with predictions using particle size distributions techniques

Based on reverberation method,the viscous absorptions of 0.2-2.0kg/m~3 sediment and glass bead turbid seawater were measured.It is shown that the measurement results were more consistent with the prediction results using particle size distributions techniques instead of using average particle radius techniques.By comparison of the prediction results using particle size distributions techniques with that using average particle radius techniques,it was observed that the discrepancy is 2.3-2.6 dB every 100 meters for 1.0 kg/m~3 of sediment turbid seawater within the scope of experimental frequency.It was suggested that the particle size distributions should be considered in the predictions of viscous absorption in coastal turbid waters.     

海洋混合悬浮颗粒对蓝绿激光的散射特性研究

激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响,而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的,但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的,因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、悬浮泥沙、碎屑、悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象,充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况,构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数,分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响,同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。数值结果表明,当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时,平均散射系数越大,而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时,平均吸收系数增大,由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中,悬浮泥沙对光散射作用影响最大,悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。随着悬浮颗粒物浓度的增大,混合粒子的单次反照率保持不变,由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大,散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大,悬浮颗粒物的前向散射较强。该工作对蓝绿激光在海水中传输、信道建模,水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。     

鄱阳湖高浑浊水体悬浮颗粒物粒径分布及其对遥感反演的影响

悬浮颗粒物粒径分布特征为水环境结构与功能研究提供了重要信息,但目前针对内陆湖泊的研究还很少。依据2008年—2011年鄱阳湖丰枯水期实测数据,对悬浮颗粒物粒径分布的时空特征及光学特性进行了研究。鄱阳湖悬浮颗粒物粒径具有季节性变化特点：枯水期南部湖区颗粒物粒径大于北部湖区,而丰水期南北部湖区差异不大。同时,悬浮颗粒物粒径分布对水体吸收系数、衰减系数和散射系数都有影响。鄱阳湖水体总颗粒物吸收系数北部观测值高于南部;颗粒物中值粒径与总颗粒物比吸收系数呈负相关关系,这可能是由浑浊水体中存在的矿物颗粒物打包效应引起。鄱阳湖水体总颗粒物衰减系数和散射系数的时空分布规律相似：枯水期具有明显的区域性差异而丰水期区域性差异不大。遥感反射率、总颗粒物散射系数光谱斜率以及颗粒物粒径分布斜率之间的函数关系为遥感反射率表征粒径分布情况以及定量分析悬浮颗粒物粒径分布特征对遥感反射率的影响提供了依据。悬浮颗粒物粒径分布、颗粒物后向散射概率与颗粒物复折射率密切相关,可以反映鄱阳湖水体悬浮颗粒物组分信息。     

Crossover between 2D and 3D fluid dynamics in the diffusion of islands in ultrathin freely suspended smectic films

The Stokes paradox, that moving a disk at finite velocity through an infinite two-dimensional (2D) viscous fluid requires no force, leads, via the Einstein relation, to an infinite diffusion coefficient D for the disk. Saffman and Delbrück proposed that if the 2D fluid is a thin film immersed in a 3D viscous medium, then the film should behave as if it were of finite size, and D～ -ln(aη'), where a is the inclusion radius and η' is the viscosity of the 3D medium. By studying the Brownian motion of islands in freely suspended smectic liquid crystal films a few molecular layers thick, we verify this dependence using no free parameters, and confirm the subsequent prediction by Hughes, Pailthorpe, and White of a crossover to 3D Stokes-like behavior when the diffusing island is sufficiently large.     

Studies on nano suspensions of silver sol and redispersed nanocrystallite silver in aqueous and alcoholic media

Nanocrystallite silver and silver sol were prepared and characterized by UV-visible spectra, XRD, TEM and HRTEM. The crystallite silver is re-dispersed in two different media, namely, water and alcohol and sonicated before ultrasonic investigation. The silver sol was used as such. Three different models for the propagation of ultrasound through two phase media are compared in these three different types of nano suspensions. Effect of particle size and medium on ultrasonic velocity (U), compressibility (κ) impedance (Z) and viscous relaxation time (τ) is studied. The particle concentration range was 0.2-1 v/v. Density and viscosity of the dispersion and sol are measured at different particle volume fractions. Effective density and ultrasonic velocity are computed by Urick, Kuster and Toksöz and Urick and Ament models and compared with experimental velocities. Values of effective density obtained by using Urick and Urick and Ament equations closely agree with experimental results of density while Urick's equation prediction of velocity is in close agreement with the experimental velocities. This comes as a surprise in view of the large density difference between the medium and suspended particle and suggests the possibility of the balancing effect of the inertial and viscous forces operating in the suspension.     

水色要素垂直分布对其遥感反演算法精度的影响

基于辐射传输模型模拟得到叶绿素和悬浮颗粒物在不同垂直分布条件下的遥感反射率数据集,利用该数据集对现有叶绿素、悬浮颗粒物浓度和固有光学量模型进行检验,研究了垂直分布对遥感反演算法反演精度的影响。结果表明：在悬浮颗粒物垂直分布、叶绿素及其垂直分布的影响下,悬浮颗粒物波段比值模型高估的悬浮颗粒物浓度要大于单波段模型;叶绿素波段比值模型和三波段模型能够较好地降低由叶绿素垂直分布、悬浮颗粒物及其垂直分布引起的叶绿素浓度高估的程度。悬浮颗粒物和叶绿素及其垂直分布对固有光学量反演具有双重效应,悬浮颗粒物垂直分布将使得吸收系数和后向散射系数被高估,而叶绿素垂直分布将使得吸收系数和后向散射系数被低估。在悬浮颗粒物和叶绿素共同作用下,固有光学反演结果具有较大的不确定性。     

Measurement of optical constants for dense media by low-coherence dynamic light scattering

We perform the optical constants measurements for different absorption dense media by low-coherence dynamic light scattering (DLS) technique. The estimated particle size is used to calculate the scattering coefficient of particles suspended in dense media. The path-length resolved intensity distributions of light backscattered from the absorbing dense media are investigated experimentally by virtue of path-length resolved performance in low-coherence DLS measurements. The absorption coefficient can be obtained by applying the measured path-length resolved intensity distributions to the modified Lambert-Beer law. As a result, we proposed a new low-coherence DLS technique in simultaneous measurement of the scattering and absorption coefficients of absorbing dense media.     

混浊介质显微成像中吸收作用的门机制

采用蒙特卡罗方法研究了混浊介质的吸收特性对共焦荧光显微成像的影响。结果表明,混浊介质对光的吸收作用增强了成像的分辨率,同时降低成像强度。因此,混浊介质样品对光的吸收作用是样品本身所固有的分辨散射光的门机制。     

多分散Au-Ag合金纳米球的光谱消光法反演

贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振特性而引起了广泛的关注,其中Au-Ag合金纳米颗粒具有良好的结构稳定性、光热性能以及潜在的抗癌功效而得到普遍研究。在众多应用中的特性与其粒径和浓度密切相关,然而目前常用的电子显微镜观察法和动态光散射法不能同时获得粒径和浓度信息,因此采取有效手段测量颗粒粒径和浓度信息至关重要。基于光谱消光法,利用非负的Tikhonov正则化方法解决反演问题,并根据Mie理论计算消光矩阵。针对噪声问题,采取两种情况研究多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度的反演问题。未添加噪声情况下,颗粒系Ⅰ的反演相对误差小于颗粒系Ⅱ,在波长范围300～500 nm之间的反演相对误差最小,对应平均粒径、粒径标准差和颗粒数浓度的反演相对误差分别为0%,-0.03%和0%。添加随机噪声情况下,将0.5%和1.0%的随机噪声添加进颗粒系Ⅰ中的消光谱,经过数据比较发现在波长范围200～600 nm之间的反演相对误差最小。当添加0.5%的随机噪声时,粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为79.76～80.15 nm, 5.60～6.61 nm和0.995 8×1010～1.005 9×1010个·cm-3;当添加1.0%的随机噪声时,粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为78.87～80.27 nm, 5.36～9.00 nm和0.992 4×1010～1.027 7×1010个·cm-3。反演结果随着随机噪声的增大,变化范围也明显增大即反演相对误差增大,并且每次添加相同随机噪声后的反演结果不同。为了减少随机噪声导致的不稳定性,对100次反演结果进行平均得到平均粒径、粒径标准差和颗粒数浓度。当随机噪声从0.5%增大至1.0%时,其反演结果的相对误差均增大,但是反演得到的粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度相对误差均小于6%,这说明通过反演算法得到的反演结果具有较好的稳定性。研究表明,光谱消光法为反演多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度提供了一种简单、快速的表征手段,也对研究非球形纳米颗粒有启示作用。     

Optical properties of hybrid plasmonic nanofluid based on core/shell nanoparticles

The plasmonic effect is used in nanofluid to help capture and absorb sunlight. The optical absorption is significantly enhanced as plasmonic effect excited. To obtain an enhanced absorption in a broad band, the hybrid plasmonic nanofluid is developed. It is composed of core/shell nanoparticles of different sizes. The overall absorption of hybrid nanofluid is examined. Compared to the nanofluid of single particle size, the hybrid nanofluid exhibits a broadband absorption. As particle size increases, the plasmon resonance peak is shifted to longer wavelength. The variation in the sizes of core/shell nanoparticles can broaden the absorption spectrum. In the near-infrared region, the proportion of different size particles has an obvious influence. With the increase of proportion of larger particles, the absorption band is broadened. Since the suspended nanoparticles have different sizes, the particle distribution in base fluid also has an effect on absorption of light. The large particle in upper has a broadband absorption, however, less energy can be transmitted to lower after the absorption of upper particles. The contribution from the particles in lower is relatively weak.