有限振幅声波非线性传播畸变消除的研究

在高声强情况下建立一个无畸变(或低畸变)的声场是非线性声学的一个颇有兴趣的问题。本文讨论了频率分别为f_1,f_2和f_3三列声波的非线性相互作用,其中f_1为有限报幅声波的频率,而f_2=2f_1,f_3=3f_1。基于Fenlon关于多频率有限振幅声波传播的理论,作者指出,如果适当控制频率为f_2及f_3声波的初始位相和振幅,就有可能在某些接收点上抑制有限振幅声波的二次及三次谐波,从而使其传播畸变有极明显的降低。     

有限长号筒中非线性声传播的数值模拟研究

研究了大振幅活塞声源经有限长号筒向外辐射声波的非线性声学问题。采用具有频散保持特性的高精度计算格式求解了适用于变截面管道的一维非线性声场模型,并考虑到声波的非线性畸变及管口处的声反射,加入了宽频时域声阻抗边界条件。宽频阻抗模型的共轭复数系数采用优化拟合方法近似求解,并采用递推卷积算法快速求解出时域声阻抗。在弱非线性条件下模拟指数形号筒中的声传播取得了与已有实验相一致的结果,表明模型能够描述声波非线性畸变带来的宽频特性。进而采用本模型数值模拟了大振幅活塞声源在双曲形、锥形、指数形和正弦形号筒中的非线性声传播问题,结果表明号筒出口声压级受活塞振动速度、频率以及号筒形状的影响,并分析讨论了波形畸变与号筒几何形状之间的关系。     

非线性声场中的参量激发

本文基于求解单频声波方程近似解的方法,得到了非线性声场中谐波的声压与介质性质、初始声压幅值及频率之间的定量关系.并对两列相对声压幅值和相对频率不同情况下的声场分布进行了研究.通过分析单、双频声源辐射场中的谐波分布和传播规律发现:在非线性声场中会不断地出现新的谐波,激发的各阶谐波随着声波传播距离的增大逐渐增强而后减弱.在声源的附近,谐波的声压随基波声压振幅的增大而增大;但在基波的频率增大时反而会减小.在输入总声能相同的情况下,与单频声场相比双频声源辐射场的声能量分布较均匀,声的传播距离较大,远场中的谐波含量较大.结果表明,基波的频率越高,衰减得越快,谐波的积累越缓慢;声压的极值越大,基波声能量转移得越多,产生的谐波越多,基波的衰减越快,声压对远场声能的负效应增大;如果改用多频声源,并适当地控制输入声波的组成成分,可以达到改善声场分布均匀性、增大声辐射距离的效果.     

利用复合换能器测量反射的二次谐波及介质的非线性参量

计算了有限振幅声波在层状媒质中的传播和反射,研究了用二次谐波反射模式的非线性声参量测量方法,设计制作了用于反射法测量非线性声参量的复合结构超声换能器,利用该换能器及有限振幅插入取代法建立了脉冲反射式测量非线性声参量Ｂ／Ａ的实验系统,对若干流体和生物样品进行了非线性声参量的测量,其结果与现有文献上的值吻合的很好。     

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

有限振幅声波间的非线性相互作用对声源远场指向性的影响

根据Fenlon理论推导得到了多频声源的辐射声压.基于单频声源谐波指向性的求解方法,得到了二阶近似下的双频声源辐射出的声波相互作用时的远场指向性.分别研究和讨论了在初始辐射声压和频率不同情况下,两列波的相互作用对其中一列波的一阶波和二阶波远场指向性的影响.结果表明,声波间的相互作用对声源远场指向性的影响根据各波之间的相对初始辐射声压和相对频率的不同而有所变化. 关键词： 有限振幅声波 非线性相互作用 远场指向性     

突变截面驻波管和极高纯净驻波场的实验研究

突变截面驻波管属于失谐驻波管,即其高阶共振频率不是一阶共振频率的整数倍。通过对STAS的优化设计,利用STAS的失谐性质在一阶和二阶共振频率下激励分别获得了180 dB和177 dB的极高纯净驻波声场。尽管声压级已经很高,但在接下来的对一阶和二阶共振频率激励下的声波波形畸变和谐波饱和情况进行的实验研究中仍然没有观察到谐波饱和现象。与此同时,对三阶共振频率激励下的声场进行了实验研究,由于三阶共振频率激励下的大振幅非线性声场的二次谐波频率接近六阶共振频率,在声压级达到170 dB时观测到了三阶共振频率激励下的声波波形畸变和谐波饱和现象。     

非线性有限束光声效应理论

当一束受正弦调制的激光入射于光声腔中的固体样品上时,由于非线性的光声效应,在光声腔中不仅能接收到基频成份的声信号,还能接收到其二次谐波成份。本文提出一个非线性热波束方程及其相应的非线性边界条件。借助于逐步近似法在光源为高斯径向分布的情形下,求解这一方程。利用Hankel变换获得这一方程的一级与二级近似解。解析结果表明,二次谐波的热波束仍然维持高斯径向分布,而其高斯半径比基频成份小。分析还表明,二次谐波的振幅不仅与线性热参数,而且也与非线性热参数有关。后者或许能提供样品的更多的有意义的信息。综合其各种特点, 关键词：     

固体中超声波传播的非线性畸变

研究超声波在固体媒质中传播规律时,通常采用线性近似方法,略去声波参数(如位移、应变和应力等)的二级小量,假定应力和应变的关系遵从胡克定律.这样,固体中声波参数所满足的波动方程是一类线性二阶偏微分方程,其解代表简谐振动或许多简谐振动的叠加.在线性近似下,任何不同类型的简谐波均可独立地传播.若不考虑媒质引起的声波衰减,则声波的波形不变. 但是,对于在固体中传播的强度较高的声波,应力和应变不再能用胡克定律来描述.媒质质点振动的非线性项应该保留.从波的传播特性来看,原来的简谐基波振动在其传播过程中将产生高次谐波分量,发生波…     

基于声光效应的光束偏转控制理论研究

基于参量互作用观点及声光互作用原理,构建了入射光为高斯光并且存在声波吸收情况下的声光偏转器模型.基于此模型研究了超声波频率、声波功率和光束入射角对衍射光的影响.对比了有声波吸收和无声波吸收两种情况下上述三个参量对衍射光产生的不同影响.计算结果表明,同无声光吸收时相比,当存在声波吸收时,偏转器的衍射效率将减小,导致衍射波形畸变,光强峰值位置发生偏移.     

用变分法研究高阶色散和五阶非线性对高斯脉冲在光纤中传输特性的影响

从修正的非线性薛定谔方程出发,采用变分法,导出了在高阶色散和五阶非线性共同作用情况下高斯型脉冲参量随传输距离的演化方程组;求出了振幅与脉宽、频率与啁啾、脉宽与啁啾之间的三个重要约束关系;并进一步得出了脉宽随传输距离演化的解析解和脉冲中心位置随传输距离的演化规律;描绘了高阶色散和五阶非线性下,脉宽随传输距离演化的图形.结果表明:光纤中的高阶色散和五阶非线性都会影响高斯型脉冲各个参量的演化,但脉宽和振幅间的绝热关系并未改变.高阶色散使高斯型脉冲的脉宽展宽,五阶非线性使高斯型脉冲的脉宽压缩,它们对脉宽或初始啁啾的影响可以在一定程度上抵消,从而有可能使脉冲近似实现保形传输.     

The effect of the nonparabolicity of the free carriers dispersion law on the propagation of surface polaritons in a semiconductor-metal structure

The results of a study on the influence of the nonparabolicity of the free carriers dispersion law on the propagation of surface polaritons (SPs) located near the interface between an n-type semiconductor and a metal arc reported. The semiconductor plasma is assumed to be warm and nonisothermal. The nonparabolicity of the electron dispersion law has two effects. The first one is associated with nonlinear self-interaction of the SPs. The nonlinear dispersion equation and the nonlinear Schrodinger equation for the amplitude of the SP envelope are obtained. The nonlinear evolution of the SP is studied on the base of the above mentioned equations. The second effect results in third harmonics generation. Analysis shows that these third harmonics may appear as a pure surface polariton, a pseudosurface polariton, or a superposition of a volume wave and a SP depending on the wave frequency, electron density and lattice dielectric constant.     

Collapse arrest in a two-dimensional Airy Gaussian beam and Airy Gaussian vortex beam in nonlocal nonlinear media

Propagation dynamics of a two-dimensional Airy Gaussian beam and Airy Gaussian vortex beam are investigated numerically in local and nonlocal nonlinear media. The self-healing and collapse of the beam crucially depend on the distribution factor b and the topological charge m. With the aid of nonlocality, a stable Airy Gaussian beam and an Airy Gaussian vortex beam with larger amplitude can be obtained, which always collapse in local nonlinear media. When the distribution factor b is large enough, the Airy Gaussian vortex beam will transfer into quasi-vortex solitons in nonlocal nonlinear media.     

Characteristics of High Harmonics Generated in a Gas Filled Microcapillary

１　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　ＨｉｇｈｏｒｄｅｒｈａｒｍｏｎｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆｇａｓａｔｏｍｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｔｅｎｓｅｌａｓｅｒｆｉｅｌｄｉｓａｐｒｏｍｉｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｏｄｕｃｅａｃｏｈｅｒｅｎｔｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔａｎｄｓｏｆｔＸｒａｙｓｏｕｒｃｅ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅｆｉｒｓｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈｏｒｄｅｒｈａｒｍｏｎｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆｒａｒｅｇａｓｅｓｅｘｐｏｓｅｄｔｏｉｎｔｅｎｓｅｌａｓｅ…     

Characteristics of High Harmonics Generated in a Gas Filled Microcapillary

The phase-match and amplitude characteristics of high harmonics generation in gas filled micro-capillary have been analyzed. The results show that the order of harmonic can be selected by adjusting the gas pressure, the laser intensity and the inner diameter of capillary. The adjustment is depended on the dispersion properties of gas media . The amplitude of harmonics generated in gas filled capillary is two orders higher than that of gas jet, and the spectrum is become more monochromatic when the radius of the capillary is smaller. A high brightness tunable coherent soft X-ray source can be produced through interaction of fs intense laser with gas filled microcapillary.     

对数饱和非线性介质中的自洽多模高斯孤子解

通过解对数饱和非线性介质中光场满足的非线性薛定谔方程,得到一组厄米-高斯型的自洽多模解.在借鉴了R.G.Glauber的相干态理论的基础上,合理假设这组解在非线性介质中呈泊松分布,进而得到了在对数饱和非线性介质中存在高斯孤子的结论,并获得高斯孤子解、非线性系数与泊松参量三者之间的关系.该关系说明,若在介质中存在高斯孤子解,其非线性系数必须满足条件a≥1.当α=1,在介质中仅存在单模高斯孤子,其光斑尺寸必须满足的条件W=1/k n0/n2.在该条件下,以"束腰"注入介质中的高斯光束才可以在保持其光斑尺寸不变的情况下传输,否则光斑尺寸会存在一定的振荡.而振荡方式、振荡范围(表示光斑尺寸展宽或压缩及大小)与输入光束光斑尺寸及其一次导数有直接关系.     

Nonlinear propagation in ultrasonic fields: measurements, modelling and harmonic imaging

In high amplitude ultrasonic fields, such as those used in medical ultrasound, nonlinear propagation can result in waveform distortion and the generation of harmonics of the initial frequency. In the nearfield of a transducer this process is complicated by diffraction effects associated with the source. The results of a programme to study the nonlinear propagation in the fields of circular, focused and rectangular transducers are described, and comparisons made with numerical predictions obtained using a finite difference solution to the Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (or KZK) equation. These results are extended to consider nonlinear propagation in tissue-like media and the implications for ultrasonic measurements and ultrasonic heating are discussed. The narrower beamwidths and reduced side-lobe levels of the harmonic beams are illustrated and the use of harmonics to form diagnostic images with improved resolution is described.     

非均匀光纤中暗孤子传输特性研究

由于变系数非线性Schrödinger方程的增益、色散和非线性项都是变化的, 根据方程这一特点可以研究光脉冲在非均匀光纤中的传输特性. 本文利用Hirota方法, 得到非线性Schrödinger方程的解析暗孤子解. 然后根据暗孤子解对暗孤子的传输特性进行讨论, 并且分析各个物理参量对暗孤子传输的影响. 经研究发现, 通过调节光纤的损耗、色散和非线性效应都能有效的控制暗孤子的传输, 从而提高非均匀光纤中的光脉冲传输质量. 此外, 本文还得到了所求解方程的解析双暗孤子解, 最后对两个暗孤子相互作用进行了探讨. 本文得到的结论有利于研究非均匀光纤中的孤子控制技术.     

Concrete damage diagnosed by using non-classical nonlinear acoustic method

<正>It is known that the strength of concrete is seriously affected by damage and cracking.In this paper,six concrete samples under different damage levels are studied.The experimental results show a linear dependence of the resonance frequency shift on strain amplitude at the fundamental frequency,and approximate quadratic dependence of the amplitudes of the second and third harmonics on strain amplitude at the fundamental frequency as well.In addition,the amplitude of the third harmonics is shown to increase with the increase of damage level,which is even higher than that of the second harmonics in samples with higher damage levels.These are three properties of non-classical nonlinear acoustics.The nonlinear parameters increase from 10~6 to 10~8 with damage level,and are more sensitive to the damage level of the concrete than the linear parameters obtained by using traditional acoustics methods.So,this method based on non-classical nonlinear acoustics may provide a better means of non-destructive testing(NDT) of concrete and other porous materials.