时间反转聚焦在组织中形成损伤的数值建模

为考察基于时间反转方法的高强度聚焦超声治疗在预设目标点处的组织损伤情况,使用三维有限差分算法求解Westervelt方程,建立非线性声波传播数值模型,采用97阵元相控阵结合虚拟源的时间反转方法进行超声聚焦,分析其形成的声场和热场,并考察目标点偏离轴线时的组织损伤形成规律。结果表明随着目标点偏轴距离的增大,声压旁瓣开始增多。旁瓣的温升较低,不足以形成组织损伤。时间反转方法可用于多点聚焦,在一定的范围内,形成多点目标损伤而不产生额外的周围组织损伤。同时多点聚焦可以形成一个较大的损伤区域,减少超声治疗时间。     

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.     

声波在高炉炉料中传播的研究

从实验和理论两方面研究声波在高炉炉料中的传播规律。高炉炉料是非均匀的随机介质,在实验中采用了空化声源,测得不同频率的声衰减系数。在理论分析中我们采用了输运理论的漫射近似万法。理论和实验的结果基本一致。研究表明,引起声波在炉料中的衰减主要由单个炉料的散射截面和吸收截面的几何平均数与炉料数密度的乘积决定。     

弹性波传播模拟的Chebyshev谱元法

通过在每一个单元中采用谱展开近似,Chebyshev谱元法兼具了有限元处理边界及复杂结构的灵活性和谱方法的快速收敛特性,为弹性波传播的数值模拟提供了一种有效工具。从加权余量原理出发,详细阐述了Chebyshev谱元法用于弹性波传播模拟的基本理论及相应数学公式.给出了使用Chebyshev正交多项式展开得到的,存在等参变换时有关单元质量矩阵和单元刚度矩阵的精确积分公式。同时应用逐元技术极大地减少了内存和计算需求.最后,两个数值算例被用于验证这种谱元方法的高精度和强适应性。     

分扇区水泥胶结测井胶结质量的定量评价研究*

为了实现分扇区水泥胶结测井仪(SBT)对第二界面(水泥-地层界面)的检测,本文在SBT的声系结构基础上,通过优化声源入射角提出检测水泥胶结质量的新方法。本文首先分析了不同充液条件下薄壁管激发的模态波频散特征;之后应用三维有限差分算法模拟薄壁管和实际套管井在斜入射声源激励下的声场,由计算结果提出激励速度"平台"上的模态有利于检测界面胶结质量;最后通过一系列波场模拟与分析来论证应用接收信号定量评价一二界面胶结质量的可行性。结果表明,特定的入射角可激励出对应速度"平台"处的模态,该模态波的特征较好的体现在接收信号中,可利用其幅度衰减程度判断水泥的胶结质量。该成果为套管井二界面水泥胶结质量的定量检测提供了研究基础。     

多网格谱元法及其在高性能计算中的应用*

针对传统谱元法在每个单元内只能存在单一均匀介质,应用在复杂非均匀介质的波传播模拟中可能造成极大计算规模的问题,发展了多网格谱元法。该方法在谱元法单元内引入独立的辅助网格,用于精细描述单元内的介质和外力分布变化,在较稀疏的主网格上进行波场的求解。基于声波和弹性波方程推导了多网格谱元法公式,并对几种典型模型进行了波场的数值模拟。与传统谱元法的对比结果表明,此算法在复杂非均匀介质的弹性波传播模拟中可以利用较少的网格点数达到不低于传统算法的精度。此外,实现了并行化的多网格谱元法,获得了较好的并行效率。     

剪切波对时间反转调相的经颅聚焦超声的影响*

为研究颅骨中的剪切波对经颅聚焦超声的影响,该文利用Kelvin-Voigt固体声波方程并结合时间反转法,分别模拟了考虑剪切波和不考虑剪切波时,256-单元平面相控阵为实现超声经颅聚焦所需的相位调控,并将这两种相位调控都分别作用于考虑剪切波和不考虑剪切波时的聚焦情形。对这两种相位调控以及基于它们的经颅聚焦超声场的对比分析结果表明:聚焦深度较大时,剪切波对基于时间反转进行的相位调控影响较小;不过,剪切波对经颅聚焦超声场的强度分布影响较大,忽略剪切波会导致对焦域处声场聚焦强度的高估以及对颅骨附近声能量沉积的低估。     

声-流耦合空化场观测与量化表征探索*

该文利用搭建的高速摄影和空化噪声同步观测的声-流耦合空化实验平台,观察分析了声-流耦合场中空化云的演化规律及相应的空化噪声特征。通过引入空化状态变量,给出了空化强度的一种新的明确表述,并提出了一种基于高速摄影图像分析来测量和表征空化状态变量及空化强度的方法。利用该方法进一步对声-流耦合空化时间演化周期性和空间强度分布进行了定量计算。结果表明,声-流耦合空化强度和作用范围相比单独声空化和单独水力空化有显著的提升。     

套管井中偏心对声场的影响分析*

目前在油田的实际应用中,声幅-变密度水泥胶结测井(CBL/VDL)在套管井的水泥胶结质量评价中发挥重要作用。但是,在一些大斜度井或者水平井中,往往由于仪器或者套管的重量等原因导致套管井中出现偏心现象,这给利用声波测井资料进行水泥胶结质量评价带来一些难题。为此,本文建立了套管偏心和仪器偏心两种情况下的三维声学模型,利用柱坐标系下的三维交错网格有限差分算法数值模拟了两种偏心情况下的声波传播情况,并着重研究了偏心率的变化对套管井中声场波形特征,尤其是套管波及地层波特征的影响。另外,模拟了具有不同外径尺寸的套管和偏心率的组合情况下的声场传播情况,在此基础上研究了偏心率的大小对声场特征的影响规律。本文的研究结果表明,套管偏心和仪器偏心均会给声场波形特征带来影响,且随着偏心率的增加而增大;相比较而言,仪器偏心对套管波的影响更大。     

Gauss声束对离轴椭圆柱的声辐射力矩

利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数,推导了一般情况下的声辐射力矩表达式.在此基础上,通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响.结果表明:正向与负向声辐射力矩均可以在一定条件下存在;低频情况下刚性椭圆柱比非刚性椭圆柱更容易产生较强的声辐射力矩;特定频率的入射声场可以激发出非刚性椭圆柱不同阶的共振散射模式,因而非刚性椭圆柱的声辐射力矩峰值与频率的关系更密切;增加束腰半径有利于扩大散射截面,进而增加椭圆柱的声辐射力矩.该研究结果预期可以为利用声辐射力矩实现粒子的可控旋转和流体黏度的反演提供一定的理论指导.