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.     

1维微波光子晶体频率选择性反射面

研究了一种由多层介质交替排列的1维微波光子晶体,应用传输矩阵法计算和分析了该结构周期数、波的入射角、介质的相对介电常数以及介质层厚度等对其频率选择特性的影响,并具体给出了一个可行的设计方案。所设计的频率选择表面在3.2~4.0 GHz频率范围内,反射系数大于0.99,在9.5~9.7 GHz频率范围内透射系数大于0.98。     

水下多层均匀材料的声特性

本文研究水和空气中由不同厚度的两层弹性板及消声橡胶共同组成的分层介质在斜入射时的声特性,并采用数值方法求解多层结构声场的线性方程组。得到反射,透射系数,当板的厚度远小于波长时,采用弹性薄壳振动模型和弹性波模型进行计算,它们的结果基本相同,但是薄壳振动模型更便于计算和理论分析;对系统反射系数和透射系数的计算结果表明,系统增加消声橡胶层后,极大地改变后射系数和透射系数的频率响应;频率升高,反射系数减小     

指数型分层介质粗糙面光透射问题的微扰法

运用微扰法研究了平面波入射分层介质粗糙面的光透射问题,推出了不同极化状态的透射系数公式.采用指数型粗糙面模拟实际的分层介质粗糙面,结合其功率谱导出了平面波入射时的透射系数计算公式.通过数值计算得到了HH极化情形透射系数随透射光散射角变化的曲线.数值计算结果表明,底层介质介电常量对透射系数几乎没有影响;中间介质介电常量影响透射系数的大小及透射系数角分布曲线;中间介质厚度增大为原来的二倍时,曲线振荡的周期减小为原来的二分之一;粗糙面高度起伏均方根影响透射系数的大小、曲线振荡的振幅;粗糙面高度起伏相关长度既影响透射系数的大小、同时影响曲线的振荡行为;透射系数随入射波长的增大而振荡减小.     

随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型

针对随机起伏冰面的声散射问题,建立了随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型。利用Delaunay三角剖分方法对随机起伏冰面进行三角面元剖分,然后采用Z-buffer算法进行面元的遮挡消隐,得到处于声波照射亮区的面元,最后采用Gordon面元积分的板块元方法计算得到随机起伏冰面的散射强度。数值计算模型中,将冰面认为是局部阻抗表面,直接代入起伏冰面局部反射系数进行散射声场的计算,避免了解析计算模型中对反射系数的近似处理。对比分析了数值和解析计算模型在小粗糙起伏冰面、大粗糙起伏冰面及不同声波入射角和不同声波频率时的散射强度。相比解析模型计算结果,数值模型计算结果与实测结果更吻合。      

常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界比较研究

分别对常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界在完全弹性介质和孔隙介质的应用效果进行了比较研究。比较了两种吸收边界应用于完全弹性介质和孔隙介质所需计算量、存储量大小以及吸收效果。为比较吸收效果,首先给出两种吸收边界下声场快照图的比较,然后利用吸收边界附近的接收点波形,计算和分析了两种吸收边界在固定入射角度处随时间变化的边界反射幅度,以及对不同入射角度声波的边界反射系数。研究结果表明,无论是完全弹性介质还是孔隙介质,常规非分裂完全匹配层吸收边界比分裂完全匹配层吸收边界对垂直入射乃至一般入射角度的声波都有更好的吸收效果,但需要更大的存储量和计算量。      

常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界比较研究

分别对常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界在完全弹性介质和孔隙介质的应用效果进行了比较研究。比较了两种吸收边界应用于完全弹性介质和孔隙介质所需计算量、存储量大小以及吸收效果。为比较吸收效果,首先给出两种吸收边界下声场快照图的比较,然后利用吸收边界附近的接收点波形,计算和分析了两种吸收边界在固定入射角度处随时间变化的边界反射幅度,以及对不同入射角度声波的边界反射系数。研究结果表明,无论是完全弹性介质还是孔隙介质,常规非分裂完全匹配层吸收边界比分裂完全匹配层吸收边界对垂直入射乃至一般入射角度的声波都有更好的吸收效果,但需要更大的存储量和计算量。     

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.     

影响反声障板增益的因素

障板的反射系数一般是指声波垂直入射时的反射声波与入射声波的幅值比,不能全面反映障板的使用效果。在实际应用中,障板的实际增益受到障板自身的声特性、换能器到障板的距离、声波入射角度、声波频率等众多因素的影响,反射系数很高的反声障板,实际增益却可能为负。本文使用相对灵敏度级(Relative Sensitivity Level)来衡量反声障板的"真实"增益,论述了相对灵敏度级的计算方法,对影响反声障板增益的因素进行了研究。     

高斯分层介质粗糙面光波透射问题的微扰法研究

运用微扰法研究平面波入射分层介质粗糙面的光波透射问题,推出了不同极化状态的透射光波散射系数公式。采用高斯粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面,结合高斯粗糙面的功率谱导出了平面波入射高斯分层介质粗糙面的透射系数计算公式。通过数值计算得到HH极化透射系数随透射光波散射角变化的曲线,讨论底层介质介电常数、中间介质介电常数和厚度、粗糙面参数及入射光波长对透射系数的影响。数值计算结果表明：底层介质介电常数、中间介质介电常数和厚度、粗糙面参数及入射光波长对透射系数的影响是非常复杂的。     

带电平面的反射与透射研究——菲涅耳公式的修正

根据一般条件下电磁场的边界条件,研究了两种介质分界面存在面电荷分布时的反射与透射,证明了这一条件下反射定律和折射定律仍然成立,推导得到存在面电荷分布时入射波平行分量和垂直分量的振幅反射系数和振幅透射系数,即修正的菲涅耳公式。由于不同界面的导电特性不同,两种介质界面的面电荷分布会影响界面的面电导率,修正后的菲涅耳公式与面电导率和自由空间阻抗有关。计算结果表明当面电荷密度或界面特性使面电导率发生较大变化时,振幅反射系数和振幅透射系数及反射率和透射率发生变化。     

气泡线性振动对含气泡水饱和多孔介质声传播的影响

为了研究孔隙水含少量气泡时多孔介质中波的传播,本文在Biot模型的基础上,将孔隙水中气泡的体积振动融合到多孔介质的孔隙流体渗流连续性方程中,从而得到了考虑气泡体积振动的孔隙流体渗流连续性方程.在此基础上,根据气泡线性振动下气泡瞬时半径和介质背景压力的关系,以及多孔介质运动方程和流体介质运动方程,导出了受气泡影响下多孔介质位移矢量波动方程,建立了非水饱和多孔介质声速频散和衰减预报模型.气泡的存在增大了孔隙水的压缩率,导致含气泡水饱和多孔介质声速的降低.当声波频率等于气泡的共振频率时,在声波激励下,介质呈现高频散,且孔隙水中的气泡产生共振,吸收截面达到最大,使得多孔介质的声衰减也达到最大.文中数值分析验证了上述结论,表明了气泡含量、大小和驱动声场频率是影响声波在含少量气泡的水饱和多孔介质中传播的主要因素.     

任意各向异性介质光栅的严格模式理论分析

将“逆规则”傅里叶级数展开法和反射透射系数阵递推算法进行推广。对任意面形及任意入射角的电磁各向异性介质光栅衍射特性进行研究，该方法物理概念清晰，数值计算稳定收敛，计算速度快，并与其它方法的计算结果进行了比较。     

弱电离尘埃等离子体层反射与透射的SO-FDTD方法分析

将弱电离尘埃等离子体复介电常数表示以jω 为自变量的分式多项式形式, 利用移位算子时域有限差分(SO-FDTD)方法, 给出了弱电离尘埃等离子体频域本构关系的时域形式. 推导了弱电离尘埃等离子体电磁特性的时域递推关系式. 用SO-FDTD方法计算了弱电离尘埃等离子体层的反射和透射系数, 分析了尘埃粒子浓度和尘埃粒子半径的变化对反射系数和透射系数的影响. 结果表明: 有尘埃粒子时的反射系数比没有尘埃粒子时反射系数小, 而透射系数要比没有尘埃粒子时的透射系数大; 当尘埃粒子浓度或尘埃粒子半径增大时, 其反射系数均减小.     

高斯光束在单轴挛晶界面上的反射与折射

给出了高斯光束入射到挛晶结构的电磁场分布,解出了反射系数和透射系数。根据晶体的色散关系解出了入射角、反射角和折射角关于晶体参量及波矢的方程,并根据角度方程给出了在一定参量下反射角和折射角关于入射角变化的关系图,以图示的方法显示了光束在界面处的异常性质。根据角度关系和反射、透射系数分析了异常光束在界面处能够出现二性折射、负反射、全透射和全反射等光束的奇特性质;分析了出现这些奇特性质对晶体参量和入射角所要求的条件。根据时间平均的能流密度公式,用数值模拟的方法给出了二性折射、全透射和全反射在特定参量下的高斯光束在挛晶内的能流密度分布图及当发生全反射时不同宽度光束在界面处关于入射角的古斯-亨兴(Goos-Hanchen)位移。     

电磁波在均匀薄膜上的反射和透射

本文通过电磁波在均匀介质薄膜界面上反射系数和透射系数的计算,讨论反射光增强和透射光增强的条件。     

实心砖墙对电磁波的衰减特性

应用模式传输线理论分析了多层周期介质实心砖墙对电磁波的衰减特性。计算得到了电磁波穿透实心砖墙的透射反射系数与入射角和频率的关系曲线,数值计算的结果与软件仿真的结果符合较好。利用电磁波测量系统测量得到了实心砖墙对电磁波衰减随频率（2~8 GHz）的变化关系。综合考虑数值计算和实验测量的结果,得到频率为2~8 GHz时,实心砖墙对电磁波的衰减为15~25 dB。     

微高斯分层介质粗糙面光波透射

应用微扰法研究三层介质构成的微粗糙面光透射问题,推导出不同极化状态透射系数的公式.采用高斯粗糙面模拟实际的分层介质粗糙面,通过数值计算得到底层介质介电常数、中间层介质介电常数和厚度、粗糙面参数和入射光波长对HH极化透射系数的影响.     

多层介质的转移矩阵及其在声子晶体中的应用

引入四维波矢的概念,推导出弹性波斜入射到多层介质系统时的转移矩阵以及透射系数和反射系数。利用这些公式计算了纵波和横波正入射到一维掺杂声子晶体时纵波和横波的透射系数。得出:当纵波正入射时,透射波中纵波在一定频率范围内出现了禁带,并且在禁带的中心频率处出现了缺陷模。当横波正入射时也有相同的结果。     

多孔介质结构对燃烧室内流场和喷雾特性影响的数值研究

以多孔介质发动机为背景,用数值模拟方法考察气缸内加入多孔介质蓄热体后对燃烧室内湍流流场及混合气形成的影响.计算基于Antohe和Lage的适用于多孔介质的κ-ε模型,其中引入了Darcy项和Forchheimer项.建立了一种可描述多孔介质随机结构的简化模型.针对燃油喷雾在不同结构多孔介质内的流场进行了数值计算.计算表明,多孔介质结构对燃烧室内燃油液滴的蒸发和混合气的形成过程具有重要的影响.