水下环形凹槽圆柱体散射声场空间指向性调控

本文提出一种具有深度梯度的环形凹槽结构,可用于调控水中有限长刚性圆柱体散射声场空间指向性.基于声学相位阵列理论分析了环形凹槽圆柱声散射空间指向性改变的机理,研究表明:凹槽深度方向相位延迟和凹槽间Bragg散射的相互作用使得平面声波垂直于圆柱方向入射其正横方向散射声波发生偏转.采用有限元方法讨论了凹槽结构参数如占空比、梯度等对圆柱散射声场空间分布特征的影响规律.多个不同深度梯度环形凹槽单元组合圆柱体散射声场数值计算和实验结果显示:具有环形凹槽结构圆柱体正横方向散射声波均匀偏转到预定的空间范围内,使得圆柱体声散射场空间指向性均衡化,改变了圆柱整体的散射特征,这为水下目标声隐身设计和声波定向传播提供了新的方法.     

亥姆霍兹旋转木马的实验研究

设计了简易的实验装置,对亥姆霍兹旋转木马的声-动能转化现象及其运动过程进行了实验研究和讨论,并简单确定了亥姆霍兹共振器的共振频率.     

腔壁弹性对水下小型圆柱形亥姆霍兹共振器共振频率的影响

理论和实验研究了腔壁弹性对水下小型圆柱形亥姆霍兹共振器共振频率的影响.基于电-声类比理论,建立了小型共振器的简化模型,利用电路分析方法得到了便于计算的共振频率一般表达式.分别仿真分析了共振器壁面厚度和材料对共振频率的影响,得到了不同尺寸的小型共振器的近似刚性条件.在充水驻波罐中对不同壁厚、不同材料的小型圆柱形亥姆霍兹共振器的共振频率进行了测量,实验结果较好地验证了理论分析和近似刚性条件的正确性.所得结果对小型圆柱形亥姆霍兹共振器的设计和水下应用具有较好的参考价值. 关键词： 亥姆霍兹共振器 共振频率 传递函数 辐射阻抗     

双峰远场结构的激光二极管阵列光场传输特性

提出了一种描述激光二极管阵列(Laser Diode Array,LDA)双峰远场结构的光场新模型,该模型同时考虑了激光二极管阵列垂直于结平面大发散角的传输特性,基于亥姆霍兹方程的远场解,运用非傍轴光传输理论分析,得到描述激光二极管阵列远场光分布模型,其结果与实验测量结果吻合较好.     

一维亥姆霍兹共振腔声子晶体中缺陷模式的实验研究

基于亥姆霍兹共振腔单元设计并制作了一种一维局域共振型声子晶体, 针对结构中存在点缺陷的情况, 进行了实验研究. 实验结果表明, 由于点缺陷的存在, 局域共振型声禁带中出现了缺陷模式, 并且在缺陷单元周围引起了能量的局域现象, 与理论结果符合较好. 缺陷单元从两个不同的方向趋近于完美单元时, 缺陷模式分别按照不同的规律变化, 但是越靠近禁带边缘, 所局域的能量就越多. 另外, 当缺陷单元共振频率小于完美单元共振频率时, 局域能量主要集中在声波导内; 反之, 局域能量则主要集中在共振腔内. 本研究对设计新型低频声滤波装置及高声强集中装置具有一定意义. 关键词： 亥姆霍兹共振腔 声子晶体 缺陷模式 能量局域化     

周期镶嵌亥姆霍兹共鸣腔平板的声全背向反射

研究斜入射声波在周期镶嵌亥姆霍兹共鸣器的刚性界面上的反射行为.共鸣器间的空间周期间隔d和入射声波的波长入相当,且大于共振腔尺寸,因此可被视为具有集总参数的声学元件.理论分析和数值计算均表明,当入射波频率和方向既满足布拉格共振条件又同时满足亥姆霍兹共振条件时,在通常的反射方向上反射声波消失,反射波逆入射方向传播,引起与常规反射全然不同的全背向反射.     

利用霍尔效应测磁场实验的数据处理

推导了亥姆霍兹线圈产生磁场的全空间分布的普遍公式,讨论了如何确定磁感应强度的方向。就实验内容进行了实例分析,利用Matlab软件进行了相关计算,提出了利用霍尔效应测磁场实验的数据处理方法。最后,详细讨论了亥姆霍兹线圈所在平面处磁场强度相关参数的分布曲线。     

亥姆霍兹的科学生涯和他对音乐物理学的开创性贡献──纪念亥姆霍兹诞辰170周年

1991年 3月 27日至 29日,全国首届音乐物理与音乐心理研讨会在北京大学北京现代物理研究中心召开.著名物理学家、北京现代物理研究中心主任李政道教授为此会欣然题辞:“物理与音乐共鸣,声波为科学交响”.全国许多著名物理学家、音乐家、心理学家和生理学家济济一堂,热烈商讨音乐物理与音乐心理问题.许多代表在讲演中都谈到了对音乐物理学做出开创性贡献的德国物理学家和生理学家亥姆霍兹. 1991年 8月 31日是亥姆霍兹诞辰 170周年.笔者谨以此文纪念这位伟大的科学家. 一、亥姆霍兹的科学生涯 赫尔曼·路德维希·弗迪南德·亥姆霍兹(Hermann …     

电子成像均匀约束磁场的产生及测试分析

为增加离子与原子碰撞成像系统中探测电子的立体角，设计了一约束电子的复合型亥姆霍兹线圈装置.对复合型亥姆霍兹线圈的磁场分布进行了理论计算和分析，并对制作的复合型亥姆赫兹线圈产生的磁场进行了实验测量，得出磁场的均匀性好于±0.6%. 关键词： 亥姆霍兹线圈 磁场分布 磁场均匀性     

对亥姆霍兹线圈磁场分布的分析

利用DH4501D实验仪探究了亥姆霍兹线圈轴线上和轴线外的磁场分布问题。首先通过对单个线圈不同电流下的磁场分布的实验值与理论值对比发现电流大的磁场更接近理论值,更适合用来研究磁场分布问题。然后利用较大电流分别研究了单个线圈以及亥姆霍兹线圈轴线上和轴线外的磁场分布的规律及产生原因。最后利用磁场分布拟合了真空磁导率并与理论值进行了对比。通过对这些问题的研究不仅加深了对毕奥-萨伐尔定律的理解,更加明确了亥姆霍兹线圈的磁场分布规律。     

Beaming of light through depth-tuned plasmonic nanostructures

A nanostructure comprising dielectric/Ag interface with central slit surrounded by grooves is presented for beam focusing and collimating. Desired phase retardations of the beam emerging through slits are manipulated by tuning the depth of grooves. Numerical simulations are performed through a finite-difference time-domain (FDTD) algorithm. Results reveal the suitability of parabolic depth-tuned structure for enhanced transmission and beam collimation. Enhanced transmission and beam collimation are the result of transportation of electromagnetic energy in the form of surface plasmon polariton (SPP) waves.     

单向声传播结构研究

受到电子二极管整流效应的启发,对单向声传播结构展开了一系列的理论与实验研究：将超晶格结构与非线性声学材料组合构成了可实现声整流效应的声二极管结构;通过将反对称弹性结构引入到复合结构板来产生Lamb波的不对称模式转化,设计了可实现Lamb波单向传播的线性声学结构;基于声子晶体的部分禁带特性,在有限尺度声学系统中设计并实现了单向声学波导结构;设计并实现了由纯板与声栅构成的声单向传播结构,具有小尺寸与高效率的特点,且声波出射角度可调;基于声学梯度材料设计了可在极宽频带内实现不对称声传播的声学结构。     

Acoustic Multi Emission Lens via Transformation Acoustics

Based on transformation acoustic methodology, we propose an algorithm for designing acoustic non-resonant lens antenna, which is competent to generate multiple directive beams that are pointing at the desired direction.Unattainable with previous works, the present approach is capable of adjusting the directivity of each radiated beam individually, which is of the utmost importance in several acoustic applications such as in sonar systems. A linear transformation function is intentionally used for eliminating the inhomogeneity of the obtained materials and to pave the way towards more general acoustic patterns. Several numerical simulations are performed to show the capability of the proposed method in manipulating the acoustic waves. To authenticate the concept,a structure that can generate four beams with different directivities is realized with non-resonant meta-fluid bi-layered structure through effective medium theory.     

水声工程中基于均匀圆阵列的涡旋声波性能分析*

声波作为信息和能量的载体,一直以来在水下通信中被广泛采用,但尚未解决带宽窄、速率低的问题。在光学领域和电磁波领域,轨道角动量都表征了螺旋相位结构的自然属性;通过引入轨道角动量到声学领域中,水声通信系统的传输能力以及频谱效率都得到扩展。基于换能器圆阵列产生涡旋声波进行分析和检测,研究涡旋声波波束的阵列产生方法,给出涡旋声波波束在水下传播的特性。在主轴方向,采用均匀圆阵列产生不同拓扑模式的涡旋声波波束,确定轨道角动量拓扑模式与换能器阵列之间的对应关系;为生成不同拓扑模式下的涡旋声波,研究阵列单元数目、阵列半径、传输频率等对涡旋声波的影响。通过研究发现模式数越高,涡旋声波主瓣波束角越大,主瓣峰值越小。阵列半径越大,主瓣波束角越大,而主瓣峰值则随着阵列半径的增大而减小;频率越高,主瓣波束角越小,主瓣峰值变化不大;阵列单元数对主瓣波束角无影响,但与主瓣峰值成正比关系,阵列单元数越多,主瓣峰值越大。     

超材料型周期管路声传播特性及低频宽带控制

船舶管路系统噪声的低频宽带控制是船舶设计和制造中亟待解决的关键问题之一。将超材料理论引入船舶管路系统的结构设计,构造了具有低频声波带隙的一维周期管路结构,并给出了周期管路声波带隙和声波透射系数的计算方法。计算结果表明,该周期管路同时存在声波布拉格带隙和局域共振带隙。在这两种带隙频率范围内,声波在系统中的传播将被衰减抑制。进一步发现,布拉格和局域共振带隙在一定条件会发生耦合,出现带隙耦合展宽现象,且两种带隙存在精确耦合条件。利用带隙耦合的展宽效应和低频设计,可实现声波在低频范围内的传播操控,从而达到船舶管路系统低频噪声宽带控制的目的。      

声单向操控研究进展

电子二极管的发明标志着现代电子学的诞生, 在整个人类社会中引起了科技的深刻变革. 声波是一种具有非常悠久的研究历史的经典波, 却始终被认为仅具有对称的传播形式. 若能制造出可像电子二极管控制电流般实现声波单向导通的声学器件, 显然将对整个声学研究领域产生重大影响, 具有重要的科学意义及应用价值. 第一个基于非线性媒质与声子晶体的声二极管利用非线性突破声学互易原理的局限, 首次实现了将声能流限制在单一方向上的声整流效应. 针对非线性系统转换效率低下的固有缺陷, 在线性体系内围绕声单向传播这个重要科学问题开展了一系列理论和实验研究, 设计与制备了多种具有特殊结构和性能的线性声学单向结构, 在器件的效率、带宽及尺寸方面产生了突破. 在声二极管研究的基础上, 第一个可以像电子三极管操控电流般对声流进行操控与放大的声三极管理论模型也被提出. 本文介绍了声单向传播这一新兴且富有蓬勃生机的研究领域中的主要进展.     

随钻声波测井隔声体刻槽影响的数值模拟研究*

针对随钻声波测井中钻铤波干扰以及刻槽后散射波问题，该文 利用时域有限差分法模拟钻铤波在随钻隔声体中的传播规律，首先考察在无限大流体中钻铤波在凹槽分界面处的散射特征，利用波场快照直观显示了钻铤波会有一部分能量在刻槽的固液界面转化为斯通利波。同时在有地层时分别对比了均匀内刻槽和外刻槽对钻铤波的衰减效果，发现在选择均匀内刻槽还是外刻槽时结果不仅与频率范围有关，而且与刻槽的深度也有关系。最后对比了槽宽较大的均匀凹槽隔声体和槽宽较小的渐变凹槽隔声体。可以得出结论，在设计随钻隔声体时，在10 kHz以下选择均匀外刻槽方式相对于内刻槽隔声效果会更好。随着刻槽槽深增加，外刻槽在10 kHz以下相比于内刻槽隔声性能优势更加明显。渐变刻槽在满足衰减钻铤波幅度要求的同时，散射波对后续地层波和斯通利波影响也更小。     

Propagation of surface acoustic waves in a piezoelectric medium with a periodic groove structure

A system of equations is formulated to describe the propagation of surface acoustic waves in a piezoelectric substrate whose surface has a periodic structure formed by transverse grooves. Dependences of the reflection coefficient and the wave velocity on the geometry of the periodic structure (the width and the depth of the grooves) are obtained in a wide range of variation of these parameters for five different orientations in various piezoelectric crystals (quartz, lithium niobate, lithium tantalate, and langasite).     

电磁波在高密度等离子体微柱腔体结构中的新传输模式

超高声速飞行器再入过程中会因为等离子体鞘层而产生通信中断,俗称"黑障".近些年人们针对黑障通信的研究虽取得了一些成果,但仍然没能从根本上解决问题.本文从电磁波在高密度等离子体柱中的传输机理研究出发,借鉴二维光子晶体和表面波局域耦合相关理论,设计出了一种新型的等离子体微柱腔体结构,在这种特殊结构下L和S波段的电磁波在某些频段内出现了不同寻常的传输现象,即从高密度等离子体柱的内部穿过.这种新结构下的传输模式将为黑障通讯研究提供新的技术途径和方法.     

Peculiar transmission property of acoustic waves in a one-dimensional layered phononic crystal

In this article, we report both theoretical calculation and experimental observation of acoustic waves abnormally through a one-dimensional layered transmitted phononic crystal at frequencies within the band gap into a material of large acoustic impedance mismatch, with an efficiency as high as unity. The transmission peaks can be interpreted as a result of the interference of acoustic waves reflected from all periodically aligned interfaces. The condition for the appearance of peaks is analyzed in detail and the optimized layer number is given for different configurations.