有限振幅声波在平面界面上的反射和折射

在文献[1]的基础上,进一步研究了有限振幅声波在平面界面上的反射和折射,求得了两种介质中的场,并对界面条件和折射关系作了讨论。 关键词：     

二维矩形波导管中的非线性声传播

本文采用部分波和二阶微扰理论对二维矩形波导管内声波的非线性传播问题进行了研究。由二次谐波的边界条件和初始条件，可得到物理图象清晰、便于计算的二次谐波声场解析式。结果表明，不同基波传播模式间的相互作用不存在二阶非线性，管内任意振幅分布的稳态激发源产生的二次谐波为各个模式二次谐波之和，且二次谐波声场分布具有对称性。     

大振幅平面声波的反射和折射(Ⅱ)——二维情况

在Lagrange坐标系中,根据流体力学的基本方程式,利用逐级近似法推导了计及二级近似的二维空间内平面波传播的波动方程式。以这组方程式为出发点分析了二层液态介质模型下,大振幅平面声波在平面分界面上的反射和折射。二级近似下的反射系数和透射系数不仅与介质的参数(包括非线性参数)有关,而且依赖于声源的位置。在斜投射时,一般而言,遵循线性声学反射和折射定律的二级近似反射波和折射波的波前上,波的幅度不再保持恒等。因之,除遵循线性声学反射和折射定律的二级近似反射波和折射波外,在其他方向上也有二级近似反射波和折射波。这个现象表明解释Muir等人的实验结果必须计及非线性效应。     

利用体声波微流阱阵列捕获微米级颗粒

提出了一种利用体声波微流阱在三维流体空间中捕获微米级颗粒的方法,制备了 2种体声波微流阱阵列,并采用有限元法进行仿真计算,求解方程得到一阶声场、二阶声场,仿真分析了聚苯乙烯微粒在流场中的运动情况.实验结果显示体声波微流阱能够快速、高效捕获三维流体空间中的微米级颗粒,实验结果与仿真结果吻合良好,圆柱型体声波微流阱与圆孔型...     

三维绝热简正波-抛物方程理论及应用

复杂海域通常存在环境参数的水平变化,这会导致声波在传播过程中发生水平折射,呈现出三维效应.利用绝热简正波-抛物方程理论进行三维声场建模,在垂直方向上使用标准简正波模型KRAKEN求解本征值和本征函数,水平方向上使用宽角抛物方程模型RAM求解简正波幅度.该模型物理意义清晰,计算效率高,但由于忽略了各号简正波之间的耦合,只适用于环境参数水平变化缓慢的问题.使用该模型分析了内波环境和大陆架楔形波导中的声波水平折射现象,结果表明,声波的水平折射将水平平面分为不同区域,每个区域内的声场结构明显不同.此外,声强在水平平面内的分布与声源频率和简正波号数有关,这种依赖关系是导致声信号频谱变化、波形畸变以及声场时空扰动的主要原因.     

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。      

旋涡声散射特性的尺度效应数值研究

以声波为主要表现形式的膨胀过程和以旋涡为主要表现形式的剪切过程之间的非线性耦合问题一直以来都是流体力学的研究热点.尤其是旋涡对声波的散射问题,具有重要的科学意义与工程应用背景.本文通过线性紧致格式直接数值求解二维欧拉方程,获得了平面声波穿过均熵Taylor涡的散射特性.与之前经典文献中的标准算例比较,结果极其吻合,直接验证了研究所采用的高精度高分辨率空间差分和时间推进格式以及远场无反射边界条件(缓冲区)的计算方法在时域同时解析动力学量和声学量(量级远远小于动力学量)的有效性.通过引入散射截面,将全区域的散射分为长波近似区、共振散射区和几何声学区.针对每个子区域,重点分析了无量纲尺度量旋涡强度和长度尺度比对散射声场的影响,给出了散射声场关于上述两个关键无量纲参数的尺度律关系,并且得到了极低马赫数极大波长时散射声场的分布函数.在此基础上给出了关于旋涡声散射物理机制的一种解释.     

偶极声波实现钻前地质探测的方法研究

针对随钻地震技术在声波长距离传播导致的衰减和信号混叠等问题,本文提出采用井下发射和接收声波的方式,利用偶极声波实现前方地质情况探测。结合数值模拟结果,分析了偶极辐射声场和反射声场特征,重点讨论了反射波信号与钻头前方反射面之间的关系。结果表明,偶极横波在低倾角反射面的反射强度较大,尤其是SH波具有振幅强、倾角覆盖范围大的特点,可以用于前方地质情况探测。偶极横波还表现出了较高的方位灵敏度,有助于识别前方反射体的方位。     

非均匀交换各向异性铁磁介质的非线性表面自旋波

利用Landau-Lifshitz 方程，研究了具有非均匀交换各向异性的半无限大铁磁体的非线性表 面自旋波理论。导出了部分钉扎纯交换铁磁介质的磁化强度所满足的边界条件和非线性表面 自旋波的色散关系，并获得了自旋波振幅沿z方向驻波的一维非线性Schrdinger方程和包 络振幅沿平面传播的二维非线性Schrdinger方程，结果表明铁磁体磁化强度的包络振幅随时空变化的性质是由二维非线性Schrdinger方程决定的。因此预言铁磁介质的表面非线性激发应是二维孤波的形式。对于弱非线性表面自旋波，对非线性Schrdinger方程存在孤子形式解的可能性作了讨论. 关键词： 表面自旋波 Landau-Lifshitz方程 非线性Schrdinger方程 孤子     

二维玻色-爱因斯坦凝聚中孤立波的调制不稳定性

研究了盘状势阱中二维玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的孤立波. 在平均场理论下, 由BEC所满足的Gross-Pitaevkii方程出发导出了二维BEC所满足的非线性Schrödinger方程. 从该方程出发, 研究单组分常振幅二维BEC(单组分常振幅 BEC)的调制不稳定性, 得到了该系统相应的增长率. 关键词： 孤子 不稳定性 玻色-爱因斯坦凝聚     

基于伴随格林函数法射流噪声的研究

本文采用声类比法探讨了射流中小尺度湍流远场噪声特性.此声类比理论基于线化欧拉方程及声源互易原理,建立了关联声源和远场声压的伴随格林函数,适于声波折射现象及小尺度湍流噪声计算.声场的边界采用完全匹配层边界条件,有效地避免了声波产生数值反射.为减小频散及耗散误差,时空导数均采用高阶预测-校正格式离散控制方程.计算结果与前人的实验相一致.     

无外置偏压的向列相液晶盒中的呼吸子传输

主要理论分析了(2+1)维呼吸子在一种预倾角为π/4的无外置偏压的液晶盒中传输的情况。基于(2+1)维非局域非线性薛定谔方程利用格林函数法计算得出这种特殊液晶盒中光束传输时的响应函数,同时得到了这种情况下的非线性系数,结果表明通过一定的技术手段获得了更强的非线性效应。在平衡点处将势函数近似展开到二阶的情况下得到了一个近似的呼吸子解,另外通过势函数数值积分也得到了一个呼吸子解,将两种理论方法计算所得的呼吸子解的波动振幅、周期和最大(最小)束宽分别与数值模拟结果比较,得到数值积分的结果与数值模拟结果吻合更好。     

非线性声学谐波方程的特解及其在边值问题中的应用

在流体或固体介质中,微扰法求解非线性声波的反射和折射问题时,谐波场通常满足非齐次波动方程。应用分离变量法及拉格朗日变动参数法求它的特解,出现了待定的分离常数,给这类非线性声学边值问题带来困难。本文结果表明,为不使定解问题出现佯僇,其独立的特解只有两类,一类是沿边界法线方向有积累效应的解,另一类则是沿平行边界面方向上有积累效应的解,由定解条件来决定究竟选用哪一类解。应用这个结果研究了平面边界的反射和折射谐波,该理论对非线性声学中的平面边值问题有普遍的应用意义。     

不确定声场分析的二阶区间摄动有限元法

针对一阶区间摄动有限元法在声场参数不确定程度增大时误差过大的缺陷,在二阶Taylor展开的基础上推导了声学二阶区间摄动有限元法,并将其应用于区间不确定声场的声压响应分析。该方法先对声学区间有限元方程的声压响应向量进行二阶Taylor展开,获取声压响应的二阶近似响应向量;再根据二次函数极值定理获得声压响应向量的上下界。二维管道声场与轿车声腔模型的数值分析算例表明,与一阶区间摄动有限元法相比,二阶区间摄动有限元法有效提高了计算精度。因此二阶区间摄动有限元适合不确定度更大的区间不确定声场声压响应分析,具有良好的工程应用前景。     

水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究

水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义.针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法,探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性.首先,基于运动介质的波动方程,通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项,并对流声耦合项进行频域分析处理,揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理;其次,采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟,分析了低马赫数条件下,不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律,并结合理论分析模型对其特性进行了解释.研究表明:低马赫数下,振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场,且随着入射声波频率、涡核尺度的增大,散射调制声场强度增强,总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣,且主瓣方位角趋近于入射波传播方向;在频率比远大于1条件下,涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.     

向列相液晶中的(1+1)维呼吸子解

理论分析了(1+1)维呼吸子在向列相液晶中传输时的情况,通过对原始方程作归一化计算和相应的傅里叶变换,得到了特定情况下的强非局域非线性薛定谔方程,并且通过此方程最终求到了呼吸子解。在未作近似时可以计算出呼吸子的周期和最大(最小)束宽,在平衡点处将势函数近似展开到二阶,此时不仅得出了呼吸子解的周期和最大(最小)束宽,而且解出了波动振幅的解析解。通过数值模拟与解析解的比较,结果表明,解析结果成立于非局域程度较强的情况,并且未作近似的解析解始终比较接近模拟解。     

论室内声场

室内声场的经典理论中只有简正波(混响声)而缺乏直达声,这不符合实际。实际上声源具有二重作用,或说声源的作用有两项功能。一是声源按自由空间辐射声波,只要不遇到室的墙壁、边界,就不会改变。自由辐射达到任一边界后,就逐渐失去其球面波的特性,成为被反射为壁面上的一系列小波,时间、空间、方向都是无规分布,但是小波的来源都可推到声源上,这是第二功能。这些小波继续传播、反射,最后形成室内允许的驻波,这些就是简正波了。所以声源既是直达声波的声源,又是室内驻波的声源。据此可改正室内声波方程,解出室内声场,包括直达声波和简正波,并求得直达声和混响声的关系。声衰变过程的特性。声衰变中,稳态声中的直达声不会立刻停止,其后果值得注意。PACS数: 43.20,43.55     

不确定声场分析的二阶区间摄动有限元法

针对一阶区间摄动有限元法在声场参数不确定程度增大时误差过大的缺陷,在二阶Taylor展开的基础上推导了声学二阶区间摄动有限元法,并将其应用于区间不确定声场的声压响应分析。该方法先对声学区间有限元方程的声压响应向量进行二阶Taylor展开,获取声压响应的二阶近似响应向量;再根据二次函数极值定理获得声压响应向量的上下界。二维管道声场与轿车声腔模型的数值分析算例表明,与一阶区间摄动有限元法相比,二阶区间摄动有限元法有效提高了计算精度。因此二阶区间摄动有限元适合不确定度更大的区间不确定声场声压响应分析,具有良好的工程应用前景。      

格子Boltzmann方法应用于气动声学研究

应用格子Boltzmann方法(LBM)对不同类型的气动声学问题进行数值研究.通过模拟一维平面声波和二维点源声波的传播,得到沿传播方向的声压脉动,其振荡幅值和衰减趋势与理论值相吻合.其次进行声波衍射和干涉现象的数值模拟.最后,模拟处于流场中运动声源辐射声场的多普勒效应.模拟结果说明LBM方法能较好地模拟低马赫数下的声学问题,包括声压脉动的传播,声波的波动特性以及流动与声波间的相互作用.     

非线性兰姆波在厚度缓慢变化和衰减下的特性分析

该文运用解析的方式推导了考虑声波衰减时兰姆波二次谐波的累积和传播规律,并用半解析方式将该理论推广到缓慢变厚度板的情况。由于色散特性,兰姆波二次谐波和基频波相速度不匹配,传播通常会产生拍频效应,使得二次谐波的振幅沿着传播距离周期性的归零。当考虑声波衰减或板的厚度缓慢变化的情况时,拍频效应将不再严格地被满足。二次谐波的振幅依然会沿着传播距离而振荡,但不会归零。该研究可以用于分析如何高效地激发和接收兰姆波的二次谐波,表征和评估不同厚度变化的结构中的微观结构损伤。