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.     

衍射超声透镜

以基尔霍夫衍射理论和菲涅尔波带片理论为原理,设计制作了一个衍射超声透镜,实验达到声波聚焦放大效果,理论模拟准确预言实验结果.改变透镜的物距D和透镜环数N对比声场,发现后者是影响一维声场分布的主要因素.     

声学超表面抑制Mack第2模态机理与优化设计

从理论上推导了声学超表面对平面声波的作用模型,该理论模型计及声波高阶衍射模态,从而能够计及超表面微结构之间的声学干扰.通过与数值结果对比,该模型预测的反射频率精度得到了一定程度的提高,并能够分辨出相邻孔声场之间的耦合模态.讨论了声学超表面吸声特性与阻抗特性对高超声速边界层内Mack第2模态的抑制机理,研究发现通过设计超表面阻抗特性,使得入射声波与反射声波在壁面处相位相反,同样可以抑制Mack第2模态.基于理论模型,分别优化设计得到最优的微结构几何尺寸,并通过对Mach 6平板边界层流动进行稳定性分析,验证了超表面不同声学特性的抑制效果.      

粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型

提出描述粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型,利用分段均匀概率函数描述粗糙接触界面劲度系数变化,结合表面粗糙峰的几何分布特征,得到界面粗糙度和两侧表面相对运动对声波的非线性调制作用。实验观测了铝合金材料的粗糙接触界面的高次谐波现象和阈值现象,进一步分析了归一化非线性参数与界面加载压力、粗糙度之间的关系。实验测量结果与概率模型的理论预测一致,证明了该模型的正确性,为利用超声非线性效应评价粗糙接触界面提供了理论依据。      

条状障碍物对超声非线性声场的影响研究

基于Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov(KZK)方程，在频域建立了求解三维非轴对称声场的方法，理论及实验研究了声波通过肋骨条状障碍物后的非线性声场分布，数值计算与实验结果相符.本文还讨论了条状障碍物对空间平均-时间平均声强(I_SATA)的影响. 关键词： 非轴对称 频域法 肋骨 衍射场     

输气管道声波法泄漏检测技术的理论与实验研究

为探究输气管道声波法泄漏检测技术的基本原理和研究方法,建立了输气管道泄漏仿真模型和实验模型。首先,研究输气管道发生泄漏时声波产生机理,从而明确声波法泄漏检测技术的工作原理;其次根据声波法泄漏检测的原理建立Fluent仿真模型,通过CFD软件模拟输气管道泄漏得到流场和声场,得到声波信号特征;再次根据声波法泄漏检测的原理搭建实验管道,设计完成声波信号数据采集终端,并在仿真结果指导下完成输气管道泄漏检测实验,采集得到实验数据并进行分析,得到泄漏时声波信号特征并对仿真结果进行验证;最后对比多工况条件下的实验结果和仿真结果,分析不同工况条件对压力波动值的影响规律,从而总结输气管道声波法泄漏检测的仿真与实验研究方法,为声波法泄漏检测的实际工程应用提供理论基础。研究结果表明:输气管道泄漏产生的声波来源于泄漏时气体不稳定流动产生的偶极子声源和四极子声源;仿真模拟和实验研究的方法都可以完成声波法泄漏检测技术的研究,可以对声波法泄漏检测技术的推广和工程应用提供强大的理论支持和可行性保证。结论是:声波法泄漏检测技术可以很好的检测输气管道泄漏,是一种灵敏度高,检测时间短,值得推广的方法。      

超声光栅测声速的方法运用到液体表面波波速的测量

理论上分析了超声光栅衍射和液体表面波光栅衍射,得到了表面波光栅衍射图样与表面波参数的解析关系.实验上得到清晰的衍射图样,利用表面波光栅衍射法测量了液体表面波波速,实验结果与理论值误差不超过1%.     

衍射法测量低频液体表面波的衰减系数

提出了一种可用于几百赫兹低频液体表面声波研究的激光衍射法测量新技术。在实验上采用入射光掠入射到表面波上在远场得到了中间亮,两边暗的高反衬度的衍射条纹,实验中发现对频率为几百赫兹的低频衰减液体表面波,当移动振源改变激光入射点与振源间距离时发现零级条纹消失,这意味着此时的衍射效率接近100%。在理论上给出了衍射光强度与表面波振幅的解析关系,并利用所提出的新技术实现了对几百赫兹液体表面波的衰减系数的实时测量。     

非线性声波方程二次谐波高阶近似解及实验验证

非线性声波方程的传统二次谐波二阶近似解不够精确,对测量材料的非线性系数造成较大误差。利用摄动法展开非线性声波方程得到一系列非齐次偏微分方程,根据低阶解的性质拟定高阶特解的形式,通过符号计算求出高次谐波特解,对所有二次谐波成分求和最终获得二次谐波的高阶近似解。在水中开展非线性声学实验验证高阶近似解,结果表明:二次谐波相对幅度随传播距离和输入信号均呈现先增加后减小的趋势,高阶近似解即使在传播距离不太短和输入信号不太弱的宽泛条件下也能更好地吻合实验结果。得到的高阶近似解不仅弥补了现有二次谐波幅度理论公式的不足,进行非线性声学实验时还可扩展测量范围,充分利用实验数据也能提高非线性系数的测量精度。      

基于显微物镜的表面等离子体共振EI北大核心CSCD

利用高数值孔径显微物镜(油浸)并采用Kretschmann结构在52.3nm金膜上激发了表面等离子体共振.从麦克斯韦方程和菲涅尔公式出发,建立了相应的数学模型,并对物镜后焦面的光强分布进行了数值模拟.由图像传感器采集了后焦面的光强分布,通过计算机处理并显示.与理论结果对比,实验得到的共振角与理论值相符.对数值模拟和检测结果的分析为金膜表面介质的表面等离子体共振成像应用和折射率检测提供了理论与实验依据.     

液体表面波振幅与激发深度的关系

研究了液体表面波振幅随激发深度的变化特性.采用探针式激发器激发,观察到液体表面波的衍射图样|改变激发深度,得到不同激发深度处的衍射图样|根据衍射图样分布与表面波振幅之间的关系并进行计算机编程,获得表面波振幅与激发深度之间的关系.用最小二乘法拟合,发现|液体表面波振幅随激发深度的增加而减小,并呈指数规律.     

低频液体表面波衍射条纹的不对称性

实验上实现了低频液体表面波的光衍射,当表面波波长远大于入射光波波长时,得到了稳定、清晰的衍射图样,并首次发现了衍射条纹具有明显的不对称分布.理论上对表面波衍射的近似条件进行了分析,得出了各级衍射条纹角宽度的解析表达式,解释了衍射条纹的非对称分布.衍射图样的不对称分布具有普遍规律,可观察的明显程度与表面波的波长和光波波长的比值有关,在能观察到衍射效应的条件下,当表面波波长远大于光波波长,非对称分布越明显,当表面波波长远接近光波波长时,衍射条纹可近似的看成是对称分布的.     

水下低频声信号的激光探测及波的衰减

为了探测几十赫兹的低频水下声信号,建立了水下低频声信号的光学探测系统,得到了稳定、清晰的衍射图样.得到了衍射图样的宽度与声源距离的变化关系,声源距离越小,衍射图样越宽.当水下声波传至水表面后,实验上得到了表面声波的衰减特性,理论上得到了衍射图样的角宽度和液体表面波振幅的解析关系式.发现表面波振幅的衰减随距离是指数型衰减.并研究了衰减系数随频率的变化,频率不同衰减系数也不同,而且频率越大,衰减系数越小.     

小振幅低频液体表面波的光学干涉效应的研究

实验上实现了频率为几十赫兹的低频液体表面波的光干涉调制研究,得到了稳定、清晰的干涉图样。理论上对表面波干涉现象进行了分析,得出了条纹分布的解析表达式,较合理的解释了干涉图样的分布现象。该方法适用于低频液体表面波的特性研究,通过分析实验图样,可以对液体的表面张力等特性参数进行研究。     

Enhancement of photoelastic constant of optical thin film waveguide assisted by surface acoustic wave

In the present research, we proposed a method of controlling the photoelastic constant using surface acoustic waves, which had not previously been reported, and carried out experimental studies thereof. A Bragg diffraction was carried out to determine the photoelastic constants of Ta2O5. As a result, it is confirmed that the photoelastic constant of a Ta2O5 thin film undergoing a sputtering process, during which surface acoustic waves were excited on the substrate, was about 2.19-2.27 times larger than those of thin films on which surface acoustic waves were not excited.     

基于衍射条纹非对称性的表面波衰减系数的测量

通过采用将入射光掠入射到频率为几百赫兹的衰减低频液体表面波上,观察到了清晰的间距分布具有明显非对称性的衍射条纹。当入射光掠入射到低频液体表面上时,衍射图样非对称分布具有普遍性。理论上得到了考虑表面波衰减影响后观察屏处衍射光强分布的解析表达式。理论结果表明:衍射图样的这种非对称分布与衍射级次、入射光波波长、液体表面波波长及表面波衰减系数有关;正负级次衍射亮条纹距离中央零级亮条纹的间距体现表面波衰减信息;正衍射级次之间以及负衍射级次之间的条纹间距体现表面波波长信息。利用所提出的方法实现了对几百赫兹液体表面波的衰减系数的实时便捷测量。     

液体表面波及其谐波的光衍射效应

为了探究液体表面波的波动规律,提出了一种基于激光衍射的探测方法.未扩束的激光束直接斜入射到波动液面,液面波动的强度由电磁式激发器控制、频率由信号发生器控制,用CCD采集光衍射图样并传送到计算机中实时处理.根据波动光学理论,给出了衍射光场和液体表面波之间的解析关系,发现实验现象和理论分析吻合.实验结果表明:该方法具有实时、准确、无损的特点.     

低频液体表面波激光衍射条纹的特征

用激光衍射法实现了低频液体表面波稳定、清晰、反衬度非常高的条纹,并发现了缺级现象.理论上分析了表面波的光衍射效应,得到了衍射光场和表面波之间的解析表达式,表达式包括衍射因子和干涉因子.通过对衍射因子和干涉因子的分析,得到衍射条纹空间分布与表面波波长的关系、条纹的半角宽度与入射激光光斑覆盖表面波的个数和入射方向的关系、衍射光强度与表面波振幅的关系,并解释了条纹缺级现象.     

Generation and detection of shear acoustic waves in metal submicrometric films with ultrashort laser pulses

We present experimental and calculational results demonstrating the thermoelastic generation of shear acoustic waves using femtosecond laser pulses in submicrometric isotropic aluminum films. We show that the generation of the shear waves is correlated to the reduction of the width of the optoacoustic source on the surface. The presence of shear waves is related to acoustic diffraction and acoustic mode conversion at the thin film interfaces.     

Focussed surface acoustic waves on an anisotropic crystal, studied by optical probing

Efficient focussing of surface acoustic waves has been achieved using a properly shaped gold film deposit on the −22.3° rotated Y-cut surface of quartz. The acoustic wave field was studied with laser probing techniques. A more than threefold increase in intensity and a tenfold decrease in beam width was observed at the focal point. The focussing action was obtained with the elastic wave equivalent of the Fresnel phase-reversal zone plate of optics. The multiple foci of this device allowed a simultaneous generation of acoustic waves in nearly all directions on the surface. Consequently, the surface wave velocity anisotropy could be determined completely. The experimental results are in very good agreement with the calculated velocity anisotropy. Electromagnetic diffraction theory is adopted to the two dimensional anisotropic system to analyse the performance of the focussing device.