固体中任意形状散射体对脉冲声散射的射线—衍射理论

本文应用固体中球体的连续弹性波散射的精确理论,采用傅氏变换技术,用数值计算方法求得球体的脉冲声散射场。然后,将光学的射线跟踪理论和衍射理论相结合,提出了用以近似处理固体中表面起伏较缓的任意形状散射体对脉冲纵波和横波的反向散射问题的射线-衍射理论。结果表明,用此理论所得到的球体散射的解与精确解十分符合。作为例子,本文给出Si_3N_4结构陶瓷材料中椭球形空洞及WC等散射体对脉冲纵波和横波的散射结果及分析。     

复杂形状封闭薄壳内部存在散射体时的内部散射声场计算

基于覆盖域的思想和方法,本文给出了复杂形状封闭薄壳在内部存在散射体时的内部散射声场计算表达式.研究结果表明,该内部散射声场可表示为封闭薄壳的内部散射声场和这些散射体的外部散射声场之和的形式.最后用数值分析验证了该结论的正确性.     

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。     

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

适用于任意形状封闭空间的声场预测相干模型

针对现有几何声学的方法对封闭空间内声场进行预测时在中低频段出现较大误差的问题,该文提出一种近似圆锥声束追踪法和相干反射场理论相结合的声场预测新模型。在近似圆锥声束追踪法基础上,考虑声束轴线在边界多次反射时声压和相位的改变,最后计算不同声波之间的干涉效应,建立一种适用于任意形状封闭空间的声场预测相干模型。利用该模型对某一矩形封闭空间进行声场预测,通过对边界元法、Raynoise软件相干和非相干算法的预测结果和本模型的数值模拟结果对比。结果表明,文中提出的方法和边界元法的计算结果在中低频段非常吻合,两者的计算结果平均绝对误差为1.1 d B。本模型在中低频率下与同样考虑了相位的Raynoise相干算法相比有更好的准确性,在较高频率上,本模型计算结果与Raynoise相干算法计算结果非常吻合。     

谐振管形状对热声发动机内非线性声场的影响

研究了谐振管一端受活塞声源激励,另一端刚性封闭条件下,管道形状对热声发动机谐振管内部非线性声场的影响。基于流体力学基本方程建立了渐变截面谐振管内一维非线性声场的模型,考虑了黏性耗散及非线性效应的影响。利用伽辽金法数值求解了该模型的速度势方程,分析了谐振管形状、活塞振动速度及激励频率对管内声场的影响。将双曲形、指数形、锥形、正弦形等四种变截面谐振管内的非线性声场与圆柱形直管的情况进行了比较。结果反映了谐振管内声场的压力波动受活塞振动速度及谐振管形状的影响;显示了当活塞振动幅度较大时,谐振管内出现的波形畸变、频率曲线偏移、共振频率滞后等非线性现象;揭示了变截面谐振管在抑制管内的高阶谐波及提高压比等方面的优越性。     

准高斯声束对超声造影剂的声辐射力研究*

超声造影剂的定向输运在超声医学成像领域有着极为重要的意义,而声辐射力作用是实现该过程的关键,相比于高斯声束,准高斯声束是无源亥姆霍兹方程的精确解,可以使用标准波分解法简化计算。因此,本文研究了准高斯声束对超声造影剂的声辐射力作用。文章首先分析了准高斯声束与高斯声束之间的相关性;随后通过数值计算求得了准高斯声束对超声造影剂模型的声辐射力函数与无量纲频率之间的关系;最后,本文研究了不同造影剂气泡情况下的声辐射力。研究结果表明:声辐射力函数随无量纲频率变化将在不同位置出现共振峰,不同的波束宽度值将改变辐射力强度,但不改变共振峰的位置。相关结果可为利用声辐射力定向输运超声造影剂至靶向位置提供理论参考。     

电磁声换能器的辐射声场研究

分析了一种圆环形螺线圈、垂直偏置磁场结构的电磁声探头在非铁磁性介质铝中的辐射声场特性。首先根据电磁感应原理对探头进行了物理和数学建模,将表面力源近似成水平和竖直分布的两种,且水平分量远大于竖直分量,推导出该种力源产生的声场的理论解析解。分别数值计算出了横波和纵波的切向和法向指向性,并和实验结果进行对比。实验结果和理论计算符合较好,为此种结构的电磁声换能器的实际工程应用提供了理论依据。      

零阶Bessel驻波场中任意粒子声辐射力和力矩的Born近似

声辐射力和声辐射力矩的计算是实现粒子精准操控的重要基础.基于经典声散射理论的偏波级数展开法较难直接用于复杂模型的研究,而纯数值的方法则不利于进行系统的参数化分析.基于Born近似的基本原理,推导了低频情况下零阶Bessel驻波场中心任意粒子的声辐射力和力矩表达式.在此基础上,以球形粒子、椭球形粒子和柱形粒子为例进行详细地计算,并考虑声参数的非均匀性对声辐射力和力矩的影响.仿真结果表明,在低频范围内Born近似具有很高的精度,随着频率的增加和粒子与流体的阻抗匹配变差,Born近似的精度逐渐下降.对于倾斜放置于零阶Bessel驻波场中的椭球形粒子和柱形粒子,非对称性会导致其受到声辐射力矩的作用.在粒子尺寸远小于波长的情况下,声辐射力特性与粒子的具体形状几乎无关,但声辐射力矩不然.最后,引入周围流体的黏滞效应并对声辐射力的表达式进行了修正.该研究预期可以为生物医学、材料科学等领域利用驻波场声镊子实现微小粒子的精准操控提供一定的理论指导.     

有限声束的二阶积累声场研究

将有限声束分解为一系列平面波,结合声非线性相互作用理论,对有限声束的二阶积累声场进行了分析和计算。结果表明,任意两个平面波相互作用不产生二阶积累波,伴随有限声束传播所发生的二阶积累波仅是各个平面波非线性自作用的结果。此外,本文还得到了具有直观物理意义的有限声束二阶积累声场的表达式。     

Analytical and numerical study of acoustic intensity field in irregularly shaped room

The modal expansion method has been used to formulate expressions for real and imaginary parts of the complex sound intensity inside enclosures. Based on theoretical results, the computer program has been developed to simulate the acoustic intensity vector field inside the irregular room whose shape resembles the capital letter L. Calculation results have shown that a low-frequency distribution of the acoustic intensity is strongly influenced by the modal localization and the characteristic objects in the active intensity field are energy vortices and saddle points positioned irregularly inside the room. It was found that for small sound damping the vortex centers lie exactly on the lines corresponding to zeros of the eigenfunction for a dominant mode. An increase in a sound attenuation results in the change of vortex positions and can cause the formation of new vortices. Finally, an influence of the wall impedance on the quantitative relation between the acoustic and reactive intensities was studied and it was concluded that for very small sound damping the behavior of the sound intensity is basically only oscillatory.     

Sound field separating on arbitrary surfaces enclosing a sound scatterer based on combined integral equations

To eliminate the limitations of the conventional sound field separation methods which are only applicable to regular surfaces, a sound field separation method based on combined integral equations is proposed to separate sound fields directly in the spatial domain. In virtue of the Helmholtz integral equations for the incident and scattering fields outside a sound scatterer, combined integral equations are derived for sound field separation, which build the quantitative relationship between the sound fields on two arbitrary separation surfaces enclosing the sound scatterer. Through boundary element discretization of the two surfaces, corresponding systems of linear equations are obtained for practical application. Numerical simulations are performed for sound field separation on different shaped surfaces. The influences induced by the aspect ratio of the separation surfaces and the signal noise in the measurement data are also investigated. The separated incident and scattering sound fields agree well with the original corresponding fields described by analytical expressions, which validates the effectiveness and accuracy of the combined integral equations based separation method.     

Research on sound radiation from body in free field

I.IntroductionWhenastructurcvibratcs,itsvibratingsurfacewillmakesurroundingmediummovetogethcrwithit.Ifthernotionissofastthatthcmediumroundthestructureproduccaloca1contractionandcxpansionandthcypropagatefaraway,thesoundradiationisformed.Itispossiblctodcscribeanalytica11ytheradiationfic1dofsimplyandregularlyshapcdsourcessuchaspointsoundsourccs,spherica1soundsourccsandinflnite1engthllnearsoundsourccs,butitisa1mostimpossib1ctosolvetheradiationfiledbyanyanalyt-ica1methodforsourcesofvcrycomplicateds…     

平面行波场中多个粒子受到的声辐射力*

从粒子在行波场中的声散射出发,研究当声场中存在稀疏分布的多个粒子时粒子受到的声辐射力,并且给出了适用于声场中任意位置的粒子声辐射力计算公式。由于声辐射力为非线性力,当声场中存在多个粒子时,直接计算粒子受到的声辐射力非常复杂。结果表明,当声场中存在多个稀疏分布的粒子时,这一多粒子系统可以视为多个单独的双粒子系统的叠加,只需要分别计算各个双粒子系统的声辐射力就可以通过叠加得到声场中任意粒子的声辐射力。这一结果有助于利用声辐射力对微小粒子进行精细操控。     

An expression for the radiation force exerted by an acoustic beam with arbitrary wavefront (L)

Most studies investigating the acoustic radiation force upon a target are based on symmetry considerations between the object and the incident beam. Even so, this symmetry condition is not always fulfilled in several cases. An expression for the radiation force is obtained as a function of the beam-shape and the scattering coefficients of an incident wave and the object, respectively. The expression for the radiation force caused by a plane wave on a rigid sphere is used to validate the formula. This method represents a theoretical advance permitting different interpretations and predictions concerned to the acoustic radiation force phenomenon.     

自由场结构体声辐射研究

结构体振动与其辐射的噪声之间存在着一种定量关系.本文从自由场结构体声辐射的理论公式──自由场Helmholtz积分方程入手,然后采用边界元法(BEM)离散积分方程,通过任意形状结构体表面弹性振动的速度场,来计算其向外辐射的声场,从而达到有效地预测其声场特性的目的.     

基于声辐射模态的有源结构声传入及其辐射控制

从辐射模态的概念和角度研究利用结构误差传感方法对弹性封闭空间结构声辐射进行传感和有源控制。首先分析了辐射模态的数学和物理意义并揭示了辐射模态与声腔模态之间的内在耦合关系。通过声辐射模态建立了弹性封闭空间结构声辐射传感和有源控制模型,并提出了通过传感器阵列测量结构表面有限点的振速分布和设计特定的辐射模态空间滤波器来获得控制所需的误差信号。在此基础上对封闭空间结构声辐射有源控制和误差传感策略进行了深入的理论和数值仿真分析,重点讨论了传感器的数量和布放对辐射模态传感及其有源控制效果的影响。结果表明:辐射模态与声腔模态的耦合具有严格的选择性,各阶辐射模态的形状和与相耦合的主导声模态在耦合面上的形状非常相似;利用结构传感技术传感封闭空间的辐射模态时测点不足或空间采样不足将可能产生较严重的模态泄漏问题,使得不希望的结构模态泄露进所测的辐射模态当中来。在低频范围内,一般只需传感并最小化前三阶有效辐射模态声势能,在更低频和空间声模态频率附近,只需最小化前一阶最有效辐射模态声势能,便能和总声势能最小化策略控制效果基本一样。