多层有限高度圆柱型水声换能器的研究

本文研究了有两层过渡层的有限高度圆柱型压电换能器,提出其电声性能的计算方法,即把压电方程、弹性壳体振动的控制方程及过渡层表面边界条件联立求解。辐射声场用球函数表示,它以最小平方误差满足有限高度圆柱外表面边界条件。用计算机作了数值计算,计算结果与实验结果基本吻合。所以这种方法可用于设计多谐或宽带声发射器。     

声学中用于时域有限差分法的一种高效吸收边界

本文提出一种用于声场时域有限差分法（FDTD）的高效吸收边界条件。通过伪逆矩阵对截断边界附近网格线之间的转移矩阵作最小二乘估计，所得到的吸收边界条件性能明显优于多种常用方法。新方法的数值计算效率高，算法稳定。对点源辐射，尖劈衍射和圆柱体散射问题的FDTD数值计算结果显示了这种方法的优异性能。     

用射线踪迹法解黑表面矩形介质耦合换热

本文用射线踪迹-节点分析法研究了二维黑体表面矩形、各向同性散射半透明介质内辐射与导热瞬态耦合换热。采用全隐格式的有限差分法离散二维瞬态微分能量方程,用辐射传递系数来表示辐射源项,结合谱带模型并采用射线踪迹法求解辐射传递系数。采用Patankar线性化方法将辐射源项及不透明边界条件线性化,并采用附加源项法处理边界条件,运用ADI方法求解名以上的线性化方程组,从而解得二维矩形介质内的瞬态温度分布。     

用MEI方法研究脉冲线源辐射问题

脉冲线电流源的辐射问题是研究高功率微波辐射、传播和散射问题的基础。用时域有限差分方法结合时域MEI吸收边界条件来对该问题进行求解,通过与不同种类边界条件配合得出的数值解的比较可以证明,利用时域MEI方法的一阶吸收边界条件对线源辐射问题进行处理时,可以使截断边界离源更近,从而减少了计算量,并达到提高计算精度的目的。     

用MEI方法研究脉冲线源辐射问题

 脉冲线电流源的辐射问题是研究高功率微波辐射、传播和散射问题的基础。用时域有限差分方法结合时域MEI吸收边界条件来对该问题进行求解，通过与不同种类边界条件配合得出的数值解的比较可以证明，利用时域MEI方法的一阶吸收边界条件对线源辐射问题进行处理时，可以使截断边界离源更近，从而减少了计算量，并达到提高计算精度的目的。     

大气风场和温度对无线电声波探测系统探测高度影响的数值研究

从声波扰动介质中的电波波动方程出发, 使用时域有限差分(FDTD)方法, 结合声波传播的FDTD 模型, 构建了描述声波和电波相互作用的数值模型, 并运用该模型分析风场和温度对无线电声波探测系统的探测高度的影响. 数值模拟结果表明: 温度与风场剖面的存在改变声波和电波散射回波的传播轨迹; 温度梯度剖面主要影响声波的传播速度, 风场剖面导致作为电波散射体的声波波阵面的偏移, 降低电波散射回波的强度并改变回波路径, 使得接收数据减少, 限制无线电声波探测系统的探测高度; 在强风背景下, 若降低声波散射体高度, 电波散射回波“聚束点”的偏移会有较大的改善, 但同时意味着探测高度的降低. 为了改善风场背景下无线电声波探测系统的探测高度, 可以使用双基地雷达或者增大接收天线面积等方法来实现.     

目标散射场全息重建方法研究

阐述了基于边界元方法（ＢＥＭ）的散射场近场声全息,这种方法可以由测量的散射近场数据重建散射体表面散射场并预报整个散射场。文中首先推导了这种方法及相关的散射场分离方法的基本公式,然后通过数值仿真分析了不同全息图面的不同对全息重建结果的影响、奇异值滤波方法的作用、散射场分离方法的可行性等问题。     

三维障碍物形状反演问题的一种简单算法

研究了从声散射场的远场分布的信息,再现三维物体形状的反问题.基于将在有限个测量方向上的远场数据作加权合成的思想,提出了求解这类反问题的一种简单快速算法.在这个算法中,既不需预先知道散射体的边界类型,也不需预先知道散射体个数的信息.对有限孔径远场数据的数值算例表明了这一方法是实用和有效的.     

基于角系数跟踪反射能量研究太空中空心圆柱体温度分布

利用角系数跟踪反射能量求得辐射传递因子,探讨太空中太阳入射下、热控涂层对空心圆柱体温度分布的影响.使用有限差分法离散圆柱坐标系下三维稳态导热方程,考虑辐射-导热边界条件,用Patankar线性化方法将边界条件线性化,用点迭代法来求解名义上的线性化方程组从而得到空心圆柱体的温度分布.热控涂层表面的辐射特性用一组矩形谱带来近似.本文的研究方法对太空航天器件温度分布的精确数值求解具有参考价值.     

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。     

开口/封闭薄壳体声辐射和散射的统一边界积分方程解法

推导了在二维和三维空间下开口和封闭薄壳体在任意阻抗边界条件下声辐射和散射的统一边界积分方程.相对于以前的求解方法,该方程求解声辐射和散射问题具有相同的影响矩阵,能够同时求解薄壳体气动和振动噪声的辐射和散射现象,以及分析壳体声阻抗对声波传播的影响.推导的方程可以应用于叶轮机械、管道等噪声和消声器消声性能的预测等方面.在此方程基础上,可以进一步考虑运动边界和运动介质对声辐射和散射的影响. 关键词： 薄壳体 声阻抗 积分方程 边界元方法     

具有不规则自由表面的粘弹性介质中声波模拟的有限差分算法

声波在具有不规则自由表面的粘弹性介质传播的数值模拟工作在地震勘探,地震预测中非常重要,特别是当模型有起伏的自由界面和较强的衰减特性时更是如此。基于镜像方法和直接方法,本文发展了一种二维有限差分算法,可以模拟不规则自由表面引起的声波散射问题。该方法将自由表面条件与速度应力方程结合求解粘弹性波动方程,在垂直和水平自由段及拐点处设置相应的边界条件。该方法假设自由表面穿过剪切应力和相应参数的网格点。为了提高计算精度,分别计算了水平和垂直方向上应力镜像值,而对质点速度,采用先水平方向后垂直方向分析进行镜像计算和更新。将粘弹性水平自由表面镜像方法和不同倾斜度平滑自由表面的改进方法的数值结果进行对比,并验证了算法的精度。     

水下弹性圆柱的共振散射

当声波频率与水下弹性圆柱的某一模式的共振频率相符时,圆柱受声波激励产生的共振振动向周围介质辐射的声波最强。国内、外研究表明,对一般的金属圆柱而言(其弹性纵波与切变波速度大于水中声速),在与入射波方向相反的方向上,由于这种辐射声波与圆柱表面的几何反射波位相相反,因此两者干涉的结果形成了在共振频率上出现反向散射声振辐的极小值。本文揭示了一种新的情况,即对于弹性切变波波速小于水中声速的一种材料做成的圆柱体,无论是理论计算和实验测量,均表明在共振频率上出现反向散射振幅的极大值。     

周期性微结构硅基表面辐射特性数值研究

本文通过时域有限差分法求解 M-well 方程组,分析微结构表面与入射辐射间的相互作用,结合近场 - 远场辐射转换模型,获得了尺寸、温度和入射波长等参数对表面双向反射分布函数的影响规律,研究结果为热辐射的光谱和方向调控技术提供了数值基础.     

Rijke管自激热声振荡的数值模拟

为了对热声不稳定的发生及控制机理进行研究,对Rijke管内的自激热声振荡现象进行了数值模拟。采用具有低频散低耗散特点的计算气动声学方法,对带有非线性热源项的声波方程进行数值求解,并比较了不同的热源模型及边界条件对非线性效应的影响。结果表明,计算气动声学方法可以成功捕捉到Rijke管内压力的起振过程,而且在速度扰动达到平均流速度的1/3时,振荡会由线性增长转为非线性增长,最终达到有限幅值极限循环。相比热源项,考虑管口辐射耗散的非线性边界条件在振荡幅值和频谱方面对结果的影响都比较小。数值模拟得到的结果与实验符合较好,表明计算气动声学方法适合于热声振荡问题的研究。     

Rijke管自激热声振荡的数值模拟

为了对热声不稳定的发生及控制机理进行研究,对Rijke管内的自激热声振荡现象进行了数值模拟。采用具有低频散低耗散特点的计算气动声学方法,对带有非线性热源项的声波方程进行数值求解,并比较了不同的热源模型及边界条件对非线性效应的影响。结果表明,计算气动声学方法可以成功捕捉到Rijke管内压力的起振过程,而且在速度扰动达到平均流速度的1/3时,振荡会由线性增长转为非线性增长,最终达到有限幅值极限循环。相比热源项,考虑管口辐射耗散的非线性边界条件在振荡幅值和频谱方面对结果的影响都比较小。数值模拟得到的结果与实验符合较好,表明计算气动声学方法适合于热声振荡问题的研究。     

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.     

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.     

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。     

采用球面波叠加法还原自由声场的方法

为解决非自由声场中近场声全息重建时,干扰声在目标声源表面产生的散射影响,提出一种基于球面波叠加法的自由场还原技术。该技术首先采用基于球面波叠加法的声场分离技术获得向内和向外传播的声场,然后以目标声源的表面导纳作为边界条件,实现目标声源辐射声和散射声的分离,从而获得等效于自由声场的测量条件。该技术为准确实现非自由声场中的噪声源识别创造了条件。文中首先详细描述了该技术的基本原理,并提出一种最优球面波展开项数选取方法,最后通过数值仿真说明了该技术的有效性。结果表明:在频率较低时,散射声影响较小,采用声场分离技术和自由场还原技术效果相当;但随着频率升高,散射声影响逐步增强,必须采用自由场还原技术才能准确获得目标声源辐射声。