用时间反转法在水下波导介质中实现自适应聚焦的研究

研究了水下波导中声波时间反转自适应聚焦问题,分别在半无界流体介质和置于半无界刚性固体之上的流体层中开展了时间反转法的理论和实验研究工作。理论上采用射线近似方法分析了时间反转声场特性,实验上在实验室内开展了水下波导的超声模拟实验。理论和实验证明,聚焦增益可以提高 12 dB以上。  

层状半空间中导波的传播

研究了在弹性层状半空间中传播的导波的频散及激发机制,分别在含有两层和三层介质情况下,详细分析了对称点源激发的所有可能存在的导波模式的传播特性以及它们与介质参数的相互关系,研究了表面波和能陷波的激发与传播机理。对于速度递增的介质,可存在多个模式,但对于速度递减的介质模型,至多只存在一个导波模式。在含有低速夹层情况下,存在沿低速层传播的能陷模式。能陷波和表面波的传播特性不仅与介质参数有关,而且还与声源频率有关。  

层状介质中的声波场及面波研究

本文在前人基础上，采用B、P、C坐标系研究了层状介质中的声波场及面波特性，理论上发现了一个重要结论及一些新的性质，并数值分析了Rayleigh和Love面波的频散特性。定义了关于Rnyleigh面波的两个物理量β1（位移的民P分量比）和β2（应力的B，P分量比），经理论及数值分析发现：β1和β2与介质的层状结构密切相关，是对层状介质进行分析和判断的两个重要物理量。  

分层介质中面波的能量分布

在三维情况下研究了分层介质中Rayleigh和Love面波的能量分布问题，分析了多层介质中柱面面波的能量传播特性．面波是声源与介质分界面相互作用的结果，其能流密度随深度增加很快衰减，但在一定深度处出现极大和极小值．通过数值分析发现只有当径向距离较大时，面波能量传播的速度才等于其群速度．文中还考查了频率、深度、介质层状结构等参数对能量分布的影响．  

时间反转法在水下通信中的应用

将时间反转法应用于水下扩频编码通信,在分析水下波导中时间反转自适应聚焦特性的基础上,研究了时间反转法克服多径效应对编码信号造成的波形畸变,采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)编码方式,选取7位巴克码(Barker code) 作为扩频编码信号的码型,在实验水槽内进行了时间反转法用于水下通信的实验研究并进行了相应的理论分析。理论和实验证明了时间反转法能获得聚焦增益并提高编码信号相关解码时的主副瓣比,因此时间反转法应用于水下编码通信时,可望降低误码率和提高水下通信距离。  

压电条SH声辐射场研究

具有一定宽度和厚度的无穷长压电条置于均匀各向同性半空间上, 压电条在电激励下产生机械振动从而在整个空间产生声场. 将压电条取为6mm晶系, 其对称主轴沿长度方向. 针对这 种压电换能器结构, 深入研究了SH波的激发和辐射特性. 首先将压电条中的声场展开为傅里 叶级数, 而将压电条下的无界半空间中的声场展开为傅里叶积分, 然后根据边界条件得到了 整个空间中声场的求解方案, 通过数值模拟计算了声场的分布特性, 并和传统方法进行了定 量的对比和分析. 最后采用最陡下降法(鞍点法)研究并得到了压电条声辐射场的远场近似表 达式, 分析了声场的指向性规律. 结果表明只有当频率f和压电条宽度a的乘积 fa<1 kHz·m 时, 传统方法得到的结果是可靠的，当频率升高时，压电条内应力和位移呈振荡式分布，频率愈高振荡愈激烈，且与传统方法的差异愈大.本文对声学微系统与声传感器件的研究具有 重要意义.  

Radiation Acoustic Field of a Linear Phased Array on a Cylindrical Surface

A new linear ultrasonic phased array fixed on a cylindrical surface is designed. This kind of the cylindrical phased array can meet the specific requirements of the application in testing pipe quality inside pipes. Using the transducer, we can not only avoid mechanical rotating but also test the quality of any point in a pipe by ultrasonic phase array technology. The focused acoustic field distributions in the axial, radial and tangential directions of the transducer are investigated theoretically by numerical simulation. The energy flux density, the width of the main lobe, the imaging resolution, the grating lobe elimination and other characteristics are analysed. The effect of the focal distance, effective aperture, transducer radius, number of total element, and steering angle on the acoustic field distribution is also studied.thoroughly. Many important results are obtained.  

分层介质半空间瑞利波的时频分析

对分层介质半空间瑞利波的频散特性,用一种时频分析方法——重排的平滑伪魏格纳维尔分布(RSPWVD,Reassign- ment of Smooth Pseudo-Wigner Ville Distribution)进行了分析和研究。对均匀半空间和两层介质半空间的理论和实验研究表明,由于层状介质中瑞利波的频散曲线存在多个模式,所获得的群速度频散曲线在不同的频段显示出来的模式是对应表面位移幅度占主导作用的模式。频散曲线的这种模式判定对利用层状半空间的瑞利波反演介质参数是必须预先了解的。  

环形相控阵换能器辐射和反射声场

研究了超声环形相控阵辐射声场和反射声场的基本特性。理论上详细分析了环形相控阵的阵元数目、环形阵半径、阵元间距、中心频率、焦点位置等因素对辐射声场的影响。实验上设计并制作了具有8个环的等面积环形相控阵列并进行了实验测量。通过理论和实验分析,研究了环形相控阵的辐射声场及在液固界面上的反射声场特性,取得了理论和实验相吻合的结果。  

声波在固体板中的多径传播及其时间反转声场

采用无穷长条形阵元在固体板自由表面激发,研究了固体板中声波(纵波和横波)传播的多径效应,在射线近似下深入分析了柱面纵波和横波在固体板中的多次反射及波型转换特性,给出了简明解析表达式;将时间反转法应用于固体板中声波的传播,在理论和实验上分析了时间反转声场规律,证明了从不同阵元发出的沿不同路径传播的声波时间反转后同时同相到达原接收点,表明时间反转法能自动补偿固体板中由于多径效应造成的波形畸变;还通过聚焦增益和主副瓣比定量地分析了时间反转声场的自适应聚焦过程,考查了焦点位置和换能器阵列孔径对聚焦效果的影响,得到了理论和实验相符的结果。