任意形状封闭薄壳内部声场计算的一种新方法研究

采用覆盖域的概念,给出任意形状封闭薄壳的内部散射声场的统一表达式,并用互易原理可求解封闭薄壳在外力作用下的内部声场。本文所提出的这一方法适用面广,可以求出任意形状封闭薄壳（等厚度或不等厚度）的内部声场。实验验证证明了本文提出方法的可行性。     

充水有限长圆柱薄壳声散射:Ⅰ.理论

研究水中充水有限长圆柱薄壳的声散射。采用弹性薄壳理论结合边界条件导出了有限长圆柱薄壳倾斜入射时散射声场的解析解,内部充水的作用反映在系统总阻抗中增加了内部流体阻抗。数值计算表明,在反向散射声场中,刚性散射部分仅在正横附近有比较大的贡献,而斜入射时起主要作用的是弹性散射部分。散射波相速度频散曲线的计算表明,与内部真空的情况相比内部充水后除正横附近的纵波和剪切波以外,增加了一组内部流体引起的附加波,其对散射声场贡献非常重要。在计算的频率-角度谱图中,内部流体附加波呈现"碗"形共振曲线。      

任意声场中非规则形状Rayleigh散射体的声辐射力研究

为满足声辐射力更广泛的应用,克服传统辐射力理论仅适合简单理想声场及规则形状散射体的局限性,建立了任意入射声场中非规则形状Rayleigh散射体的声辐射力计算理论.针对任意声场中流体质点沿曲线轨迹振动以及非规则散射体空间姿态随机取向的特点,在散射场计算中同时计入散射体质心甲移与姿态转动的影响,得到了更为普适性的散射场速度势函数.在此基础上,推导出适于任意声场中非规则散射体的声辐射力计算公式.实例研究表明,本文方法不仅完全满足简单声场规则散射体的辐射力计算,而且还适合于任意声场非规则散射体辐射力的应用,规则散射体的计算结果与传统方法完全一致,而对于非规则散射体证实了其旋转角速度不为零,且声辐射力随姿态不同而变化.     

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

浅海波导中目标散射的边界元方法

提出了一种计算三维散射体在声速剖面随深度变化、距离无关浅海波导中散射声场的数值方法波导边界元方法。当散射体不十分靠近波导界面因而边界多次散射可以忽略时,在边界元计算中可以用自由场格林函数近似波导格林函数。应用镜像法和球波函数加法定理推导了理想波导中球体散射声场的解析解,用来验证波导边界元方法的计算精度,证明该数值方法是准确的。对浅海波导中水下潜器散射声场数值模拟的结果表明,浅海波导海面、海底界面反射、声速剖面等对目标散射声场的幅值和方向性都有很大的影响。      

固体中带状裂缝对脉冲超声波散射的理论分析——普适解

研究各种形状散射体,特别是具有尖锐稜边散射体的散射声场,是无损检测中关键性的基础工作。本文研究了固体内部具有自由表面的无限长带状裂缝对平面纵波或平面sv横波超声脉冲的散射,采用拉氏变换和广义Wiener-Hopf方法,给出了散射声场在拉氏域的表达式。当裂缝较宽时,本文给出了上述表达式的一种近似。这个近似式,可以采用 Cagniard-de Hoop方法反演,而获得在时空域中的解析解。这个解在散射的初始阶段较准确地描述了散射近场的一些特性。我们曾用光弹方法,对玻璃内带状裂缝的散射进行了一些实验验证,实验情况将另文报道。     

非均匀流体介质内部散射声场重建的逐层计算方法*

入射声波激励下非均匀流体介质内部散射声场的重建方法对超声层析成像具有重要意义。以往采用矩量法求解,但该方法全域离散形成的复数满秩矩阵规模随着分辨率与计算精度的提高而急剧增大,对算力具有很高的要求,一定程度上限制了其在实际中的应用。为克服上述缺陷,本文以逐层离散、逐层计算为核心思想,以声散射基本公式与近场声全息理论为基础,推导出逐层计算非均匀流体介质内部散射声场的理论公式并给出对应的几何离散模型。为验证该方法的可行性,以矩量法为参照,对同样的介质模型进行介质内部声场重构仿真。结果表明,逐层算法不仅可以有效地重建非均匀流体介质内部散射声场,且大幅度减小了求解规模。     

基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体

该文提出了一种基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体。利用附加质量块的薄膜和空气腔组成的薄膜结构构建了反射声波相位差接近180°的两种共振单元。将两种共振单元按照一定的顺序进行排列,可以组成深亚波长尺寸下的声学超表面。所构建的声学超表面可以产生宽频有效的散射声场。通过有限元仿真软件对多个频率的近场散射声场分布、远场声指向性和扩散系数进行了仿真计算,仿真结果显示,该散射体可以高效地散射入射声波,并且散射效果在一定的频率范围内是宽频有效的。     

充水圆柱壳声散射的环绕波分析

研究了内部充水圆柱壳散射声场的构成。采用弹性薄壳理论和Sommerfeld-Watson变换(SWT)方法导出散射声场的解析解。数值搜索环绕波的复波数极点,比较圆柱壳体内部真空和内部充水两种情况下表面环绕波的相速度、衰减等性质。用镜反射波和环绕波的叠加合成反向散射形态函数,与简正级数解符合良好。计算流体附加环绕波的回波时序并与实验数据对照。结果表明,流体附加环绕波的再辐射是内部充水圆柱壳的形态函数出现更加丰富的共振峰和回波结构形成的重要原因。      

室内粗糙表面声散射体掠入射角度散射估计

针对经典边界元方法对掠入射角度下的散射估计精度较低的问题,发展了一种边界无网格模型.此模型将散射体视为具有无限延伸的形式,避免了经典边界元法中薄板形式所导致的声压差问题,而且更加符合实际房间中散射体的存在形式;模型利用无网格算法实现数值仿真,可对任意表面形状特别是曲面散射体具有更高的仿真精度。利用边界无网格模型计算了不同形状散射体的散射系数及散射声场,并将结果与解析方法、测量实验进行了对比.对比结果表明,边界无网格模型可以准确预测散射体的散射性质,特别是对掠入射角度的估计要优于经典边界元法.研究结论可应用于室内声学散射体特征预测及优化设计,对提高声场扩散及室内音质水平具有重要意义.      

基于脉冲声分离的刚性球散射声控制

提出了一种基于脉冲声的三维空间中刚性球散射声分离方法,并利用前馈、固定系数控制方式对分离出的散射声进行有源控制,抑制散射声强度,实现了刚性球散射体在观测点处“声学不可见”。该方法利用脉冲信号作为初级噪声,通过有无刚性球时传声器采集脉冲信号的差值确定散射声大小,实现散射声与声源直达声的分离。对分离出的散射声进行多通道有源控制以验证该文所提分离方法及控制系统的有效性。实验结果表明,700~1000 Hz范围内,有源控制开启后,双通道散射声的平均降噪量大于5 dB,多通道散射声的平均降噪量大于8 dB,且误差传声器处采集的残余声场与无刚性球时采集的初级声场信号波形基本一致,实现了刚性球散射体在误差传声器处“声学不可见”。此外,参考传声器布放位置的选取问题也在该文做了详细讨论。     

边界积分方程法求解目标的声散射T矩阵

提出了计算任意表面形状刚性边界目标散射的基于边界积分方程的T矩阵方法(TMM-BIE).利用Helmholtz积分方程法(HIEM)计算目标表面声场,替代扩展边界法(EBCM)计算中对目标表面声场的近似处理,解决了扩展边界法不能计算任意形状目标的散射T矩阵问题.文中计算了刚性边界的球目标、有限长圆柱目标以及非对称的三维散射体-猫眼(cat's-eye)模型的散射指向性和T矩阵.通过与解析解和HIEM结果比较,证明该方法的有效性.     

基于近场声全息的圆柱壳体内部声场重构效果的影响因素

在Neumann边界条件下基于近场声全息原理(NAH)重构了两端封闭的有限长圆柱壳体内部声场,计算出的结果与基于模态叠加法构建的内部声场进行比较,证明了重构方法的正确性,然后分别讨论了激励频率和全息面选择对NAH重构声场精度的影响以及重构面上不同位置的重构效果。     

横向各向同性固体中圆柱状散射体对水平偏振剪切波的散射

给出横向各向同性介质中ＳＨ波的标量波动方程，并通过简单的坐标变换，将其化为标准的Ｈｅlｍｈｏｌｔｚ方程．建立了求解散射问题的积分方程，利用边界单元方法数值计算了横向各向同性固体中圆柱状空洞及刚性散射体对ＳＨ波的散射场分布。重点分析了各向异性对空洞散射体散射场指向性的影响．     

横向各向同性柱状复合结构对超声波的散射

首先描述了横向各向同性复合圆柱结构的入射声场、散射声场及内部的驻波声场，然后利用转移矩阵方法导出了求解散射声场的方程组，计算了铝／各向异性界面层／纤维复合结构对斜入射声波的背向散射谱和散射截面积。将柱状复合结构中各向异性界面薄层相应的转移矩阵作渐近展开，建立了模拟这种界面薄层的弹簧模型及界面处广义边界条件。结果表明，模型中劲度常数仅依赖于界面薄层厚度及界面层媒质的弹性常数Ｃｌｌ，Ｃ１２和Ｃ４４，而振子质量与Ｃｌｌ，Ｃ４４，Ｃ１３和Ｃ３３有关。     

中红外散射的基质折射率效应研究

本文利用Mie散射理论对中红外波段三种不同类型散射体的散射和消光进行了研究,发现基质在三种不同类型散射体的散射和消光中所起作用完全不同。对于无吸收的高折射率散射体,基质折射率越大面积散射比(或面积消光比)越低;对于反常色散散射体,基质折射率越大面积散射比和面积肖光比越高;而对于金属散射体,基质折射率的大小对于散射和消光影响极小。     

传递矩阵法预报时空随机激励下任意薄壳腔体内部噪声

利用结构有限元结合声有限元及边界元方法,建立了任意薄壳腔体弹性壳板振动与内外声场的耦合模型,并计算了激励力与壳板振动和内部声场之间的传递矩阵;湍流边界层脉动压力具有时空随机面激励特性,引入整体形状函数矩阵,进一步推导弹性壳板广义节点力功率谱密度函数矩阵与随机面分布激励力功率谱密度函数的关系,再利用声振耦合传递矩阵,得到弹性壳板振动和内部声场功率谱密度函数与广义节点力功率谱密度函数矩阵的关系,形成随机分布激励下任意薄壳腔体结构振动及内部声场的计算方法。以典型的内外均有声介质且一面为弹性矩形板的矩形腔声振耦合模型为例,计算了弹性壳板振动和内部声场功率谱密度函数,并与解析方法进行了比较,两者基本吻合,偏差分别为1 dB和2 dB左右。传递矩阵法不受腔体结构及其内部区域形状的制约,具有良好的适用性。      

一种含圆柱形谐振散射体的黏弹材料低频吸声机理研究

利用层多重散射法分析了一种含圆柱形谐振散射体黏弹 材料吸声层在钢背衬条件下的低频吸声特性. 该吸声层由包覆软材料的圆柱空腔周期嵌入橡胶材料中构成, 其中, 散射体轴线与吸声层平行. 结果表明, 20 mm厚吸声层在1000–3000 Hz具有良好的吸声性能. 通过综合分析单个散射体的吸收截面、单层周期散射体的声吸收、 结构内部位移场以及耗散功率密度分布, 揭示了该吸声层的低频吸声机理. 关键词： 水声吸声 吸收截面 耗散功率密度     

水下双层加肋圆柱壳全空间收发分置散射声场快速预报方法

针对水下双层加肋圆柱壳的全空间收发分置散射声场求解,提出了一种快速预报方法。该方法将散射声场表示为声散射传递函数与声源密度函数的乘积,以目标表面网格信息、少量的仿真或测试多基地散射声压数据作为已知信息,借助数值积分、矩阵理论、最小二乘法对其他收发分置散射声场进行预报。分别以有限元仿真和试验测试的散射声压数据作为输入,对水下双层加肋圆柱壳的多基地散射声场进行了计算,并与完全采用有限元方法的计算结果进行了对比。结果表明:该方法在目标表面结构和部分散射声场数据已知条件下能对目标的全空间收发分置散射声场进行预报;已知散射声压数据量越多,计算频率越低,预报精度越高。     

周期性加隔板有限长圆柱壳声散射

研究内部真空周期性加隔板圆柱壳在水中的声散射特性.壳体振动用薄壳理论的Donnell方程描述,隔板振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述.考虑轴向、切向、径向三个方向的力和弯矩共同作用导出了散射声场的解析表达式.数值计算给出远场收发合置情况下的角度-频率谱图,并据此进行机理分析.通过与内部周期性加环肋圆柱壳声散射的角度-频率谱图比较发现,除周期加肋产生的Bragg散射波与弯曲Bloch-Floquet波外,加隔板的情况还存在明显的隔板共振亮线,并且发生隔板共振与壳体弹性波、Bragg散射波、弯曲Bloch-Floquet波耦合的现象.通过实验对理论进行了验证,在实验的频率范围内,Bragg散射亮线与理论符合得很好,部分Bloch-Floquet波散射亮线和隔板共振散射亮线也与理论符合.