有限声束的二阶积累声场

有限声束的二阶积累声场邓明晰（重庆后勤工程学院物理教研室重庆·６３００４２）吕霞付蔡绍皙（重庆大学生物工程研究院重庆·６３００４４）１引言在实际应用中，用于激发声波的换能器辐射面总是有限宽的，因此，研究有限声束在介质中的声传播性质就具有重要的实际意义...     

基于结构表面声压的自适应有源声吸收控制研究

研究了实际系统中有源声吸收自适应控制方案。首先提出三种控制准则：反射声功率最小、弹性板表面声压平方和最小及有限点声压平方和最小;然后根据求声功率的近场方法、求耦合声波／振动方程的声弹性理论及无约束最优化技术,推导了三种准则下声吸收的计算公式;最后通过仿真实例,研究了采用不同准则时,次级力源与监测传感器个数和位置对吸声效果的影响     

一维声子晶体振动特性与仿真

研究了一维细长杆声子晶体振动特性。利用平面波展开法，计算一维无限周期结构声子晶体的带隙结构，发现每一带隙的宽度与材料的组份比有关。对于有限结构的一维声子晶体，利用MSC／NASTRAN进行防真，仿真结果与实验吻合较好。并通过仿真不同直径的声子晶体研究了横波对带隙的影响。     

考虑重流体耦合效应的双层板-腔结构振动与声辐射分析

考虑半空间声场内重流体的声振耦合效应，对有限大双层板-腔结构的振动与声辐射特性进行研究。采用改进傅里叶级数描述薄板位移和腔内声压，通过Rayleigh积分建立辐射板表面辐射声压和辐射板位移的关系，基于Hamilton原理，提出采用Rayleigh-Ritz法分析耦合系统声振特性的半解析方法，并通过和有限元结果对比验证方法的收敛性和准确性。分析单位简谐力激励下，声腔厚度和腔内流体介质对双层板-腔结构声辐射特性的影响。结果表明：重流体的耦合效应使薄板（奇，奇）模态振型显著变化，声腔较薄时声辐射对声腔厚度变化较敏感。相较于腔内流体声速，腔内流体密度对声辐射有较大影响。     

平面波激励矩形板辐射声计算中奇异积分处理方法研究

平面波垂直入射均匀薄板为一常见的透声问题;如果从振动声辐射角度来讲,这也是一个平面波激励板振动的声辐射问题,两种分析思路均已有经典方法可以采用,计算结果也理应一致。前者计算容易,但后者由于积分中含有奇点所以计算比较复杂。文章首先对有限薄板被激振动和声辐射的已有研究结果进行了回顾,重点处理了矩阵求解和奇点积分问题,给出了求解奇点积分的具体方法,对奇点的影响进行了分析,最后编写程序进行计算。计算结果表明,基于简正模态的计算方法在给定算例下的结果与理论分析结果接近。这表明基于振动模态分析的方法是可行的。此方法技术难度较大,但其可用于研究简支薄板的声场结构,以及曲面结构声辐射等复杂问题的求解。     

平面无限板类声子晶体结构带隙计算方法研究

针对结构在xy平面内具有无限周期性而在z方向上具有有限尺寸的特性,提出了平面无限板类声子晶体的概念。根据结构特征,将平面波展开法和有限元法的基本理论相结合从而建立了平面波展开有限元结合法。通过与借助于有限元软件计算求得的能带结构进行对比,从不同材料组分、不同散射体形状以及不同组元数等多角度检验了该方法对平面无限板类声子晶体结构的精确性和适用性。为工程上减振降噪领域板类声子晶体的应用提供了全新有效的理论研究方法。     

充水透声结构声目标强度预报方法研究

充水透声结构是水下航行体重要的结构类型之一,主动声呐作用于目标时,声波可以透射充水透声结构外表面进入结构内部,在充水透声壳体结构内表面产生内部散射,从而影响目标的目标强度。文章提出了一种适用于透声结构目标强度预报的考虑透声的修正板块元方法,此方法假设散射声场近似为内表面板块散射声场和与之对应的外表面板块散射声场叠加,基于Z-Buffer算法确定充水透声结构的外、内表面板块之间的透射遮挡对,再考虑外表面板块的反射和透射系数、内表面的反射系数,采用非刚性表面板块元方法对两部分声场进行分别计算,相干叠加后预报总目标强度。此方法考虑了充水透射结构内表面的一次散射,物理概念清晰,提高了板块元方法预报精度。通过双层平板算例验证方法的正确性,并将此方法应用于BeTSSi Ⅱ潜艇模型中的典型透声结构——围壳部分的目标强度仿真计算,最后通过围壳缩比模型目标强度水池试验,验证了提出的方法预报精度。     

新型低温光声传感器

新型低温光声传感器Ｍ．Ｍ．ＡＩ－ｋｈａｆａｊｉ等１．前言Ｒｏｓｅｎｃｗａｉｇ和Ｇｅｒｓｈｏ对固体的光声效应作了理论分析以后，又对固体的光声特性作了许多研究。最近几年已开发出许多新的固态激光材料，因而需对它们的性质，尤其是它们的量予效率进行表征。许多激...     

一维杆状结构声子晶体扭转振动带隙研究

从椭圆杆的扭转振动方程出发，利用平面波展开法，给出了无限周期结构的一维声子晶体杆的扭转振动能带结构。发现一维声子晶体具有扭转振动带隙，并且分析了椭圆形状对带隙频率的影响。利用有限元方法计算了有限周期结构的椭圆杆的扭转振动频率响应，在带隙频率范围内频率响应具有明显的衰减。扭转振动是噪声及振动控制领域研究的主要对象之一，周期结构杆中存在扭转振动带隙为减振理论与应用提供了一种新的思路。     

非球面大孔径固体—液体复合声透镜及其水下成象应用的研究

本文介绍一种水下聚焦声成象用的、孔径为３００毫米的非球面固体－液体二元声透镜的设计和结构工艺特点。给出了最佳面形方程和象差计算曲线。运用声学理论，推导了透镜效率的计算公式，算得１兆赫时效率为８％。另外，推导了使用声透镜的水下聚焦声成象系统的观察距离的计算公式，并给出了系统的观察距离的计算曲线。 在４米长的水池中进行的聚焦声成象系统的实验中，声透镜成功地获得了水下物体的满意的反射声象和透射声象。透镜的角分辨率达０．６°。实验表明，此种型式的声透镜可作为水下显示系统的空间处理器。     

基于轻薄硬质超表面的空气声波反射场操控

对反射声波的复杂操控是声学研究的基础问题之一,并广泛应用于房间声学设计及噪声能量消除等重要场合。近年来出现的声学超表面为声学功能器件的小型化提供了新的启示,因此如何进一步缩减其尺寸和重量具有重要的物理意义与应用价值。展示了一种轻薄超表面结构对低频空气声波所产生反射声场的高效、精准操控。通过理论计算证明了利用简单的扁平中空结构,可在不显著牺牲能量反射率及结构强度的前提下,通过调控单个结构参数产生0~2π范围内的反射相位,同时避免了制备难度高和增加器件重量的复杂内部结构,因此具有尺寸超薄(λ₀/20)、重量轻盈、反射率高及制备简单等优势。通过实现任意角度的异常反射、基于超薄平面透镜的可调声聚焦、构建平面棱锥镜产生类贝塞尔声束3个典型例子展示了该器件对反射声波的丰富操控性能。实现基于轻薄超表面对反射声场的操控,有助于新型平面声学器件的研究与应用,并有望在建筑声学、噪声控制、扬声器设计等领域中产生重要价值。     

快速预估水下圆形角反射体散射声场的修正声束弹跳方法

针对水下圆形角反射体散射声场计算速度问题,在声束弹跳法基础上,提出了一种快速预估散射声场的修正声束弹跳法。对组成圆形三面角反射体的弧形边缘进行离散化,相邻离散点与角反射体顶点构成板块元,并与声源点构成入射声束,利用几何声学计算每条声束在角反射体反射面上的反射,同时得到反射面上每条声束"照射"后再次构成的板块元,用物理声学方法计算所有板块元的散射声场,叠加求和得到整个角反射的散射声场。通过与原始的声束弹跳法计算结果的对比,两者计算结果一致,修正声束弹跳法降低了计算量。     

海洋涡旋地震成像的时域有限差分仿真

传统的水声建模方法只考虑水中声波的折射影响,忽略了水层间的声反射,因此不能对反射波地震勘探的海水分层结构成像结果进行分析。文章首先建立了基于时域有限差分的低频宽带脉冲信号传输预报模型,该模型考虑海水分层结构的声反射影响,通过数值求解波动方程计算低频宽带脉冲信号近距离传播过程中的时域波形;其次将某次海上多道地震测量的水文条件作为输入环境参数,计算了近海面地震勘探接收阵所接收的气枪低频脉冲信号时域波形;最后按照反射波地震勘探处理流程,对接收阵信号在共反射点进行相干累加和地震成像,所得到的海水分层结构成像结果与海上多道测量成像结果符合较好。仿真结果验证了水层声反射对海水分层结构反射波地震成像的影响。     

高静水压下障板样品声特性的计算与测量

为研制一种在声呐水下声系统中起到屏蔽噪声、提高声基阵空间增益作用的耐压、低频、宽带声障板,设计了声管样品,根据分层介质中的声传播理论,利用多层均匀结构的传递矩阵法计算了它在空气和水介质背衬下的声压反射系数和透射系数,在不同的背衬情况下具有明显不同的声学特性。制备了直径206mm的样品,利用杭州应用声学研究所水声驻波管和行波管测量系统测量了频率范围100Hz～4kHz、静水压范围从常压到2MPa的声学性能,测量结果和理论计算值基本吻合,声障板样品在静水压状态下具有一定的低频、宽带反声特性。     

深亚波长尺度的三维超薄声准直器件

文章提出了一个以空气为背景介质、具有强指向性的三维超薄人工结构。该结构包含一个中心螺旋结构,结构上下两侧刻有呈米字型排列的亥姆霍兹共振腔(Helmholtz Resonator, HR)凹槽阵列。中心螺旋结构降低了结构厚度,使整体结构厚度仅为入射波长的1/10,同时延长了声波的传播距离,实现了低频处的法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)共振。两侧HR凹槽阵列将散射声波转换为束缚在结构表面的声表面波,通过声表面波和F-P共振产生的透射声波的耦合实现了声波的准直发射。仿真结果证明该准直低频声束在透射端自由声场的传播距离大于15个入射波长。该三维器件在深亚波长尺度实现了高指向性声辐射,有望广泛应用于噪声控制及电声设计等领域。     

A surface acoustic wave technique for monitoring the growth behavior of small surface fatigue cracks

The theory of Kino and Auld which relates the reflection coefficient of acoustic waves from a crack to its size is summarized. A scattering model is evaluated from this theory concerning the reflection of surface acoustic waves (SAW) from a small surface fatigue crack at a frequency such that the crack depth is much smaller than the acoustic wavelength. Acoustic predictions of crack depth are compared to postfracture measurements of depth for small surface cracks in Pyrex glass, 7075-T651 aluminum, and 4340 steel. Additionally, the minimum detectable crack depth as limited by the acoustic noise level is determined for several typical aluminum and steel alloys. The utility of SAW reflection coefficient measurements for inferring crack depth, crack growth, and crack opening behaviorin situ during fatigue cycling is discussed.     

小斜率近似方法分析粗糙界面声散射问题

利用小斜率近似方法计算了起伏海面的声散射特性,得到了具有高斯分布粗糙海面的平均反射系数（即镜反射系数）计算公式,并与微扰法和Kirchhoff近似做了比较,结果表明小斜率近似是一种非常有效的分析起伏表面散射特性的近似方法。最后讨论了海面镜反射系数随海面的不平整度（波浪的均方根高度）、声波频率和声波入射方向的变化关系,得出了只有在声波波长和起伏波浪高度可比拟时,才有明显的镜反射的结论。这为分析浅海目标声散射特性时,选择是否需要考虑海面（海底）所引起的多途效应提供了理论依据。     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

HIFU治疗中生物组织对声学焦域及声的非线性影响的研究

生物分层组织是高强度聚焦超声治疗中最常见的声通道组织。通过研究生物组织对声学焦域的影响,可以为高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗安全性和可靠性提供理论依据。基于Westervelt方程,利用频域和时域有限元算法仿真HIFU治疗过程中超声透过分层组织后的焦域变化,并用新鲜离体猪肉组织进行实验验证。结果表明:生物组织声学特性的差异性和结构的不均一性使HIFU的声学焦域位置发生改变,尤其在声焦平面内,相对2.5mm的焦域宽度,1mm的偏移量将会对HIFU治疗精准性产生影响;声通道中存在生物组织,超声声束不会发生扩散,没有散焦现象,焦域宽度维持在2.38~2.79mm范围内;HIFU透射生物组织,声学焦域的非线性有明显的减弱,谐波次数越高,衰减程度越大,实验中基波声衰减值为9.97dB,二次谐波声衰减值为22.33dB,三次谐波声衰减值为28.05dB,四次谐波声衰减值为31.06dB,五次谐波已衰减消失。     

Nonspecular reflection of beams from liquid-solid interfaces

Nonspecular reflection plays an important role in acoustic beam interaction with fluid-immersed elastic media. Such anomalous reflection is attributed to the strong interaction which occurs when the incident beam is phase-matched to one of the leaky waves supported by the structure. The properties of the incident beam as well as those of the interface geometry exert a marked influence on the observed nonspecular return. Previous investigations have been limited to rather special beam and interface conditions. The present study removes many of these limitations by allowing for arbitrarily collimated beams incident on plane and (cylindrically) curved layered geometries as well as simultaneous excitation of multiple leaky waves. By use of the complex source point (CSP) method for modeling quasi-Gaussian beams, the reflection problems are solved rigorously by wavenumber spectral decomposition. They are then reduced by asymptotic techniques to yield physically meaningful wavefield contributions, which explain the phenomenology and also allow efficient computation. The accuracy of the CSP asymptotic algorithms, and that of more restrictive conventional algorithms, is assessed by comparison with purely numerically generated reference data. The results establish the accuracy and versatility of the CSP strategy for a broad range of beam-interface conditions. While the present study is for two-dimensional problems, the method has also been extended to the three dimensional case. The data base generated by this method is the first step toward developing a strategy for extracting from data information about the interface conditions.