声波在有裂纹的固体中的非经典非线性传播

固体材料的无损检测是一个非常重要的课题,带裂纹的固体材料显示非经典非线性声学现象,本文对此现象进行了实验和理论研究。从实验上一维观察到此现象,发现奇次谐波振幅与基波振幅呈平方关系,与理论预计基本吻合;理论上从二维的角度数值模拟了声波在有损耗的带裂纹的固体中的声传播,并讨论了经典非线性和非经典非线性对声传播的影响,发现裂纹的贡献主要体现在非经典非线性上。分析了样品中裂纹的宽度和位置与非线性声参数的关系,在靠近样品中心的两个对称区域以及距离声源较近点,非线性声参数对样品的破损较为敏感,而在中央和距声源最远端敏感性较低;随着裂纹宽度的扩大,非线性声参数也开始变大,但在破损区域蔓延到棒边缘之前,有下降的趋势。     

声波在球状准周期多层介质中的传播

运用转移矩阵方法研究了声波在准周期球形多层介质中的传播，与周期性结构比较它具有不同结构的通带和禁带，且随介质层数的增加声波衰减速度变慢。声波透射系数还随介质厚度的改变发生周期性的变化。     

声波在浓悬浮液中的传播

本文从理论上与实验上研究了纯高岭土悬浮液中的声传播问题。在理论上考虑了悬浮粒子在声场中的电力相互作用与流体动力相互作用,对Ahuja的理论作了些改进;在实验上我们测量了在室温条件下声速和声振幅吸收系数对频率的依赖关系。理论与实验的一致性是相当好的。     

声波在油管中的传播特性

随钻测井是七十年代末发展起来的新技术。由于它可以随时监测钻压、扭矩、泵压、井温、井压、泥浆性能,含油、气、水情况,使钻井人员能够及时而准确地了解井下参数,对钻井如何进行做出正确判断和决策。因此,随钻测井具有很大的经济效益,受到许多国家的重视。 随钻测井的关键问题是信号通道。与其它方法相比,声波随钻测井具有设备简单、费用低的优点,但低频干扰、传播距离等一些技术问题尚待解决。所以,该方法仍处于研究和试验阶段之中。 本文给出了声波在油管中传播时,油管的长度、接头、油管所在介质及发射频率对接收信号不同影响的测量结果。     

声波在纤维性吸声材料中的传播

本文对纤维性吸声材料中声音的传播理论作了推广.文中根据纤维无规分布的假定,从微观的纤维散射过程出发,借助严格的统计力学方法,导出诸如有效密度、有效压缩模量等宏观量的理论公式。对实验研究作了简要讨论,理论结果与实验数据良好相符,不需引入任何待定的经验常数。     

基于时间反转法的相控换能器声场的仿真研究

相控换能器具有焦距可调的优势。本文以82阵元相控换能器建立的3D数值仿真模型为例,基于时间反转法提取阵元的激励信号,利用时域有限差分(FDTD)法对Westervelt声波非线性传播方程进行声场数值仿真,研究不同阵元分布、偏离声轴的距离、设定焦距大小对形成声场的影响,可调控范围及其消除旁瓣方法。研究结果表明,随机分布相控阵可明显降低声场中的旁瓣;随着偏离声轴距离的增加,主瓣声压幅值逐渐减小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r逐渐增大,且沿声轴的可调控范围逐渐减小;随声轴方向上设定焦距的增加,主瓣声压幅值先增大后减小,r值先减小后增大;基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上扩大相控阵声场的可调控范围。     

基于时间反转的复杂声场拾声传声器阵列性能研究

探讨时间反转技术在复杂声场传声器阵列拾声中应用的可行性及其机理,给出其一般规律和性能。研究表明:在自由空间中,其拾声性能与频率,阵列形状和半径有关,频率越高,半径越大,拾声效果越好。在普通房间中,在语音频段内,圆弧阵列在预定目标点处的阵列增益性能要比离预定目标点约25 cm远处的位置处大5 dB以上。在普通房间和混响室中的实验验证了上述结论。     

声波在纯高岭土悬浮液中的传播

本文考虑到悬浮粒子在声场中的流体动力相互作用和电力相互作用的影响,修改了Ament的关于悬浮液的等效动量密度方程和运动方程,并导出了悬浮液的有效密度的较为完善的表示。其结果与实验数据的一致性是很好的。     

固体中时间反转法的声束自聚焦

时间反转是一种很有用的自适应聚焦技术。本文中我们进行了声束在固体中运用时间反转方法的自适应聚焦研究。理论分析和实验结果表明时间反转可补偿固体中各声线的程差,从而同时实现纵波和横波的自聚焦。聚焦增益的理论值和实验结果较好地符合。     

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。     

孔隙内填充单一固体的固-固孔隙介质中的声波传播

连通孔隙空间被有别于骨架固体的另一种固相介质充填而形成的双组分连通固体孔隙介质,简称固-固孔隙介质.推导出了固-固孔隙介质的声波动力学方程和本构关系,利用平面波分析的方法研究了各种波的频散和衰减特性.在此基础上,提出了基于一阶速度-应力方程的时间分裂的高阶交错网格有限差分算法,对其中的声场演化特点进行了模拟计算,分析了各种波的产生机制和能量分布,并详细讨论了两种固体间的摩擦系数和声源频率对各种波传播特性的影响.数值模拟表明:固-固孔隙介质中存在两种纵波(P1和P2)和两种横波(S1和S2),其中P1和S1波能量主要在骨架固体中传播;P2和S2波是骨架固体和孔隙固体之间相对运动产生的慢波,能量主要在孔隙固体中传播.固体骨架和孔隙固体之间的摩擦主要影响慢波(P2和S2)的衰减,且低频时衰减大于高频.     

非均匀饱含黏性流体孔隙介质中声波传播及井孔声场分析

声波在饱含流体孔隙介质中的传播特性与流体的黏滞性及孔隙介质的非均匀性密切相关.本文在Biot理论基础上,考虑了孔隙流体的剪切应力及孔隙结构的非均匀性,采用含黏性流体孔隙介质中的波动理论,研究了孔隙介质中四种体波的频散和衰减特性,分析了慢横波对快纵波转换散射的影响,进一步推导了孔隙地层井孔中的模式波及其声场的解析解,研究了非均匀孔隙介质中井孔模式波和波列的特征.研究结果表明,含黏性流体孔隙介质中存在慢横波,慢横波的频散很强,其传播特征受到介质孔隙度、渗透率及孔隙流体黏度的影响.在非均匀孔隙介质中,与慢横波相关的剪切应力平衡过程不仅导致快纵波的频散和衰减,还会影响井孔伪瑞利波及斯通利波的传播特征.本文的工作完善了孔隙介质中声波传播的物理机制,为孔隙地层井孔声波的解释与应用提供了理论指导.     

时间反转滤波器组多载波水声通信方法

针对水声滤波器组多载波(Filter Bank MultiCarrier,FBMC)传统均衡方法效率低、复杂度高等问题,提出了单阵元无源时间反转镜(Passive Time Reversal Mirror,PTRM)和虚拟时间反转镜(Virtual Time Reversal Mirror,VTRM)的均衡算法,该算法利用时间聚焦原理可以降低水声信道带来的符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI),并且不需要在FBMC符号中插入导频,进一步提高了通信速率.通过仿真和外场实验验证了水声FBMC系统采用单阵元PTRM和VTRM的有效性,结果表明,这两种均衡方法能够有效减少ISI,提高系统可靠性能。     

时间反转滤波器组多载波水声通信方法

针对水声滤波器组多载波(Filter Bank MultiCarrier,FBMC)传统均衡方法效率低、复杂度高等问题,提出了单阵元无源时间反转镜(Passive Time Reversal Mirror,PTRM)和虚拟时间反转镜(Virtual Time Reversal Mirror,VTRM)的均衡算法,该算法利用时间聚焦原理可以降低水声信道带来的符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI),并且不需要在FBMC符号中插入导频,进一步提高了通信速率.通过仿真和外场实验验证了水声FBMC系统采用单阵元PTRM和VTRM的有效性,结果表明,这两种均衡方法能够有效减少ISI,提高系统可靠性能。     

无源时间反转镜在水声通信中的应用

提出单阵元无源时间反转镜(PTRM),在对声信道没有任何先验知识的情况下可与信道自动匹配,实现自适应聚焦。并将其应用于Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,构成无源时间反转镜Pattern时延差编码水声通信系统(PTRM- PDS)。通过计算机仿真研究及湖试,验证了PTRM-PDS系统能够抑制声信道多途扩展产生的码间干扰,可在时变、空变的声信道中实现低误码率通信,具有很好的鲁棒性。     

弯曲模式声波在充液井孔中的传播

本文由波动方程讨论了充液井孔中,弯曲模式声波在弹性和非弹性、无限大井壁介质以及有限大井壁介质情况下沿井轴方向的传播。数值计算了它们的相速度频散曲线和井孔的频率响应特性,计算了衰减正弦信号在井孔中激励的波形。利用PZT压电晶片的弯曲振动模式,制作了偶极子测井换能器,在混凝土浇注的人工模拟井中进行了测试,试验结果与理论计算结果作了对比。     

时间反转和逆时偏移混合法用于层状介质中目标检测和定位的声场分析

基于时间反转和逆时偏移混合方法用于分层介质中目标的声学检测和定位的原理,本文对分层介质中目标检测和定位的声场进行了数值分析。首先给出了声场分布数值仿真的方法和步骤,进一步采用单发多收和多发多收两种方式对单个目标和多个目标计算出其声场分布。数值仿真结果表明可以较好地实现对目标的检测和定位。比较发现,单发单收方式和多发多收方式都得到较好的结果,但多发多收方式计算耗时过多,因此不宜采用。另外,对多个目标的探测提出了改进方法。     

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.