一种辐射声场近似计算方法——单元辐射叠加法

提出一种基于表面振速预报辐射声场的近似方法--单元辐射叠加法.研究表明,声传递向量中的每项元素等于对应单元以单位速度振动、其它单元振速都为零时的辐射声压,即刚性障板上活塞面以单位速度振动时的辐射声压.在此基础上,利用刚性障板上单位速度振动活塞面的辐射声压直接建立表面振速与辐射声压之间的传递关系,根据这个传递关系对表面振速进行加权、求和便得到总的辐射声压.计算时采用规则形状障板面去拟合实际障板面,以规则形状障板上振动活塞面的辐射声压去近似实际障板上振动活塞面的辐射声压.相对于边界元方法,该方法在计算速度与存储空间上具有很大的优势.计算表明该近似方法是合理的、可行的.     

基于阵列倏逝波荧光传感器的雌二醇免疫检测方法

近年来,环境内分泌干扰物愈来愈受到人们的关注。对其用传统的检测技术分析,过程复杂、耗时长、价格昂贵,因此急需发展灵敏度高、反应迅速快、价格低廉的检测手段。介绍了一种平面波导型阵列倏逝波荧光生物传感器,在对系统光路参数进行模拟优化的基础上,可实现24个传感位点的同步、快速、灵敏检测。基于此阵列倏逝波荧光传感器,运用间接竞争免疫检测模式,优化并建立环境内分泌干扰物雌二醇的标准检测条件。实验结果表明,入射角在61.8°时,系统灵敏度最高。该方法对雌二醇检测线性检测区间为0.08~2.52 μg·L-1,检测限为0.05 μg·L-1,半抑制浓度为0.46 μg·L-1,完成单次样品的检测时间为20 min。利用该传感器对污水处理厂出水进行加标回收测试,回收率在84%~120%之间,相对标准偏差小于15%,表明该方法能够用于实际水体中雌二醇的快速检测。     

大弹性常数差二维声子晶体带隙计算中的集中质量法

通过引入振动力学中的连续系统离散化的思想，将一维集中质量法延伸至二维，提出一种二维声子晶体带隙特性计算的集中质量法. 进而采用该算法对两种正方晶格的二维声子晶体的带结构进行了计算，计算结果与传统的平面波展开法相符合. 通过对计算结果以及两种算法收敛性的分析，发现集中质量法的收敛性对组成声子晶体的不同材料弹性参数差不敏感，这使得该算法在计算大弹性常数差二维声子晶体的带隙特性时较平面波展开法收敛速度更快. 此外，集中质量法对二维声子晶体单元形状没有特殊要求，这使得它更加适用于声子晶体带隙特性的计算. 关键词： 声子晶体 声子带隙 集中质量法     

复杂封闭声场面板声学贡献度识别的等效源法

针对由复杂结构振动形成的封闭空间声场,提出了一种基于等效源法的面板声学贡献度分析方法。该方法首先利用基于等效源法的内部声全息技术,重构出振动结构表面的法向振速并实现对整个内部封闭声场的预测。再将振动结构的每个面板在腔体内部场点产生的声压分别用位于空腔表面附近的等效源在该点产生的辐射声压代替,将复杂的封闭非自由声场问题转化为简单的内部自由场问题,结合重建出的结构表面法向振速进而识别出封闭振动结构各面板对腔体内任意位置的声学贡献度。通过对复杂结构内声场的数值仿真和验证实验,分析了等效源的数量及与重建面距离等参数对重建精度的影响,结果表明所提方法不仅能够达到传统数值分析方法的计算精度,而且具有更简单的求解过程。      

稀疏测点条件下的结构法向速度重建

为了实现稀疏测点条件下结构表面法向速度的准确重建,利用声辐射模态包含结构表面几何形状信息的性质,以声辐射模态作为基函数提出了一种稀疏测点条件下的结构法向振速重建方法。首先对结构表面的声辐射模态进行计算,并建立结构表面法向振动速度与声辐射模态之间的关系;在此基础上,由实际布置情况形成测点位置处的振速与其声辐射模态值的关系,并通过最小二乘法求得展开系数;最后由展开系数重建出结构表面的全部法向振速。利用两端封闭的双层钢质圆柱壳体在消声水池中进行了试验验证,分别开启激振器和转子台进行激励,两个试验的结果均表明,当测点数目较少时,所测的结果不能准确地表示结构的实际振动情况,在波数域内就表现为与振动相关的波数成份的丢失;利用所提出的方法,可以较为准确地重建和恢复结构的表面法向速度及其波数成份,由此验证了所提出方法的有效性。      

一种增强LED光提取效率的新方法

本文从分析全内反射中的近场倏逝波出发,提出了在近场倏逝波衰减长度内置一金属Ag光栅的LED结构模型,同时基于时域有限差分(FDTD)方法计算了此模型的光谱特性,分析了此LED模型的光提取效率。结果表明置入的金属Ag光栅在特定的波段可以将近场倏逝波耦合为传播波模式辐射出去,从而有效地增强了LED的光提取效率。     

体积速度匹配分布源边界点法的特解源位置优化方法研究

在分布源边界点法中,选择特解源及特解源位置对声场计算的精度具有很大的影响。为减小声场计算的误差,提出了一种确定特解源位置的优化方法。在该方法中,采用三极子作为特解源,以1%体积速度相对误差对结构声辐射计算的上限频率进行预测,然后在计算上限频率范围内通过体积速度匹配搜索,得到体积速度相对误差最小意义下的特解源优化位置,在该优化位置处构造声压与表面体积速度之间的传递矩阵来计算声场,以减小计算误差。数值仿真结果表明:在求取的计算上限频率范围内,特解源处于优化位置时,计算误差得以显著减小。当振速测量存在一定误差时,采用该方法仍可将计算误差控制在5%以内。      

体积速度匹配分布源边界点法的特解源位置优化方法研究

在分布源边界点法中,选择特解源及特解源位置对声场计算的精度具有很大的影响。为减小声场计算的误差,提出了一种确定特解源位置的优化方法。在该方法中,采用三极子作为特解源,以1%体积速度相对误差对结构声辐射计算的上限频率进行预测,然后在计算上限频率范围内通过体积速度匹配搜索,得到体积速度相对误差最小意义下的特解源优化位置,在该优化位置处构造声压与表面体积速度之间的传递矩阵来计算声场,以减小计算误差。数值仿真结果表明:在求取的计算上限频率范围内,特解源处于优化位置时,计算误差得以显著减小。当振速测量存在一定误差时,采用该方法仍可将计算误差控制在5%以内。     

基于 L-曲线参数优化的均匀声场重建算法

为了得到最小二乘法声场重建问题的稳定解,通常需要引入Tikhonov正则化方法。然而正则化程度取决于正则化参数的选择。针对这一问题,提出了一种基于L-曲线法参数选择的均匀声场重建算法。该算法根据重建误差与扬声器功率计算得到L-曲线,该曲线上曲率最大的点所对应的参数值作为Tikhonov正则化参数的选值。确定正则化参数后可进一步得到扬声器权系数以及重建均匀声场。针对不同正则化参数取值方法,对控制区域进行均匀声场重建以及重建性能仿真。仿真结果及实验表明,L-曲线法实现了重建误差与扬声器驱动信号功率之间的平衡。     

有耗介质空间完全匹配层吸收边界条件及其应用

 针对Gedney提出的完全匹配层(PML)无法用于有耗各向同性计算域的截断及其对倏逝波的衰减不理想等问题,提出了一种扩展方法。扩展的PML的主要思想是在各向异性的PML中引入与有耗介质空间相一致的复介电常数和复磁导率,使之可以与有耗介质计算域相匹配。通过给PML的张量介电常数、张量磁导率增加衰减因子以加速倏逝波的衰减。构造了PML吸收效果验证模型,数值结果证明了扩展的PML在处理有耗介质计算域截断问题中的有效性。利用该吸收边界条件,采用时域有限差分法计算了电磁脉冲作用下地面铺设电缆的电磁脉冲响应,计算结果和试验结果取得了较好的一致。     

高对比度目标的电磁逆散射超分辨成像

提出了一种适用于高对比度目标的超分辨成像方法,通过结合对比度源反演方法与基于轨道角动量的超分辨技术,实现对高对比度目标的超分辨成像.首先采用基于轨道角动量的成像方法求解出对比度函数,将其作为对比度源反演方法的迭代初值,虽然初值结果与实际目标相差较大,但是由于初值中已经包含了关于目标的倏逝波信息,再利用这个初值开始迭代便可以得到超分辨重建结果,这种方法具有一定的抗噪声能力.本文研究表明,为了实现超分辨成像,一方面需要将目标对应的倏逝波信息转化到测量数据中,另一方面还要保证成像算法能够充分利用这些信息.本文所引申出的关于超分辨信息的概念对于逆散射超分辨成像的研究具有一定的借鉴意义.     

基于倏逝波的光纤生物传感器研究

构建了一种以光纤束作为激发光信号和荧光信号传输通道的光纤生物传感器结构.根据光纤探针的倏逝波理论和模式匹配理论对光纤探针的几何形状进行了设计,制作了数组光纤探针并根据需要对其中一部分进行荧光标记.选择了光纤探针置于空气中和水溶液中两种情况,对光纤传感器系统进行了信号检测实验,对比标记了的和未标记的相同几何结构参数的光纤探针两者在系统中被探测的信号差异.从二者的差别区分出系统所探测的倏逝波激发的荧光信号,证明了该光纤传感器系统的可行性.     

非自由声场中目标声场还原与重建的等效源方法

为消除在非自由声场中重建声场时干扰声源对重建效果的影响,提出一种采用单个测量面上的声压和质点振速作为输入、等效源法作为分离和重建算法的非自由声场中目标声场还原与重建方法。该方法首先利用单面声压-质点振速测量和基于等效源法的声场分离技术将测量的混合声场分离为来自目标声源的向外传播的声场和来自干扰声源的向内传播的声场,然后利用向内传播的声场和目标声源的边界条件计算出干扰声在目标声源表面产生的散射声场,并将其从向外传播的声场中去除,还原出目标声源在自由声场条件下的辐射声场,最后利用还原的声场实现目标声场重建。通过数值仿真和实验检验了该方法的有效性和必要性。仿真和实验的结果表明,该方法可以在非自由声场的测量条件下,有效地去除干扰声的影响,实现目标声场的准确重建。      

基于Burton-Miller方程的轴对称结构声学边界元方法

提出了一种求取轴对称结构任意边界条件下声辐射特性的边界元方法。采用Burton和Miller改进型公式将高阶奇异项转化为弱奇异项之和,保证声辐射参数的唯一性,且计算简单精确。将结构表面声压与振速按照旋转轴角度进行Fourier级数展开,利用级数的正交性建立各项待定系数的求解公式;然后转化格林函数的法向偏导为切向偏导,方便直接计算各项积分,并将面积分公式表示为沿结构边界的线积分和沿旋转角度的积分;进一步采用二次等参单元离散结构边界线,建立声压与振速的关系矩阵,从而确定结构声辐射参数。以脉动球源和横向振动球源为例计算,与解析解和传统边界元法结果作对比,说明该方法的有效精确性。     

迭代重加权时域平面波叠加法的非稳态声场重建

提出了迭代重加权时域平面波叠加法,并应用于非稳态声场重建。该方法首先通过时域离散卷积得到全息面时域声压与虚源面时域波数谱离散状态公式;然后根据稀疏表示和迭代重加权,得到残差范数与加权解范数最小化问题表达式;最后将每一对波数下虚源面时域波数谱与时域传播核卷积叠加得到重建面上的时域声压。为了验证该方法的有效性,给出了激励板声源的仿真验证,并在半消声室内进行了实验验证。讨论了一些参数对该方法的影响,并通过与基于Tikhonov正则化的时域平面波叠加法比较,突出该方法的重建优势。仿真和实验结果表明,该方法对非稳态声场重建具有很好的效果,并且重建精度高。     

板结构的声辐射模态分析及其高分辨率法向振动速度重建

提出了一种基于声辐射模态的速度基向量构建方法,该速度基向量不受网格划分的影响,可用于高分辨率的板结构法向振动速度重建。首先对板表面稀疏网格的声辐射模态进行计算,再以声辐射模态和模态系数构建板法向振动速度分布的基向量,然后由声场测量声压求解基向量系数,最后由该系数和加密网格的速度基向量重建高分辨率的板法向振动速度分布。以简支板声源进行仿真计算,当测量声压信噪比为30 dB时,低频的法向振动速度重建误差最低可达3.7%;以固支板声源在消声室中进行实验验证,131.5 Hz振动频率下的重建误差低于7%。该方法实现了只需要少量声压测量点即可精确重建板声源更高分辨率的法向振动速度分布。      

基于逆散射理论的地震波速度正则化反演

本文基于逆散射理论利用正则化有限差分对比源反演算法对地震波传播速度进行反演, 该方法是基于波动方程的频率域波形反演算法, 利用非线性共轭梯度法, 通过最小化目标优化函数不断迭代更新速度模型. 由于地球物理反演问题的病态性和不稳定性, 通过基于反演参数总变差的正则化处理, 使反演问题变为良性问题且算法具有较强的抗噪声干扰能力. 反演过程中使用了频率-空间域9点差分正演算子以及PML吸收边界条件. 与其他反演算法相比, 由于背景模型在反演迭代过程中保持不变, 可以避免在每次迭代过程中重新构造正演算子及矩阵分解等相关计算过程, 使得该算法非常适合于大规模三维反演计算. 此外, 本文采用基于MPI的并行计算, 进一步提高了反演计算的效率. 二维CSEG模型反演结果表明该方法可以反演得到高分辨率的地震波速度重建结果, 为地震勘探数据处理及解释提供准确的速度信息.     

组织热凝固程度无损监控的光学断层成像研究

提出了利用光学断层成像技术对组织热凝固程度进行无损在位监控的方法。在重建算法上采用不需要计算雅可比(Jacobian)矩阵的非线性多参数优化方法,采用了基于N进制分部编码的遗传算法作为优化策略,可以有效提高成像速度,克服计算雅克比矩阵带来的误差。采用简化的感兴趣区热疗模型,该模型最大程度的减小了对精度的影响。通过蛋白质凝固的实时监控实验,对监控方法进行了验证,给出了相应的监测结果,并从曲线、重建图像的临床意义等方面进行了分析。结果证明论文实现了通过约化散射系数对生物组织局部热凝固治疗过程无损实时监测的目的。     

金属薄膜亚波长近场成像特性研究

采用基于等离子体物理模型的时域有限差分方法模拟了金属薄膜近场成像特性;采用薄膜传输矩阵方法计算了金属薄膜对倏逝波分量的放大作用.实现了周期为1μm的Cr光栅的成像实验,验证了平板金属薄膜的模拟成像特性. 关键词： 时域有限差分 金属薄膜 近场亚波长成像 传输矩阵方法     

求解水中加肋板声辐射特性的虚拟声源法*

发展一种利用虚拟声源离散声场的方法求解加肋板在水中的声振耦合问题。由波叠加原理和单元体积速度匹配的原则,根据离散的结构单元满足的动力方程和结构与介质的交界相容性条件,确定虚拟声源强度,计算结构的声辐射功率。本文以简支矩形加肋板为例,在不获得结构表面振速和声压的情况下,计算了结构在水中的声辐射功率,并与解析方法计算的结果进行了比较,表明了该方法具有较好的计算精度。