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[硕士论文] 燕文进
物理学 中北大学 2017(学位年度)
摘要:近场声学是近年来在光学飞速发展的基础上发展起来的,该技术在保密防伪、军事侦察、医用检查、水下探测、等各个方面获得了广泛的应用,引起人们的关注。近场声全息技术作为全息技术的一种,是光全息基础上发展起来的,本文对基于空间Fourie变换的近场声全息进行了研究,分析了近场声全息在成像中产生误差的原因,并充分利用声学超材料透镜的完美成像性质有针对性的对此进行改进,对提高近场声全息的分辨率,准确识别和定位声源具有指导意义。
  本文从声波辐射理论入手,对理想流体介质中稳态小振幅声波场分别在平面、柱面以及球面坐标系下的Helmholtz方程求解,详细研究了基于空间Fourie变换的近场声全息在不同坐标系下的算法实现以及误差产生原因。产生误差原因有:(1)全息面上的声压传感器的离散分布带来的“窗效应”;(2)实测信号和分布在孔径周围无限多个“虚像”造成卷绕误差;(3)携带声源细节信息的倏逝波只存在于近场中,而全息面布置位置离声源较远,丢失声源细节信息。
  通过第三章对亚波长声学超材料透镜的成像研究,因负折射声子晶体对携带声源细节信息的倏逝波具有放大作用,所以倏逝波在通过超透镜后才开始衰减,受此启发,本文提出创新思想,即没计亚波长声学探头置于声源近场中,将声源信息先汇聚于一点,再在聚焦点用声传感器采集并重建。该方法不仅减小了因离散采集带来的误差,同时也将近场中的倏逝波一并重建,采集到的声源信息完整,成像效果效果良好。文中运用运用COMSOL软件对声学超透镜进行了建模,并模拟仿真了点源通过透镜的成像效果,像点声压值与物点声压值非常相近,成像效果良好,为上文创新思想提供有力的理论证据。
[硕士论文] 吴慧友
物理电子学 湖南师范大学 2017(学位年度)
摘要:空化效应是功率超声中的一个基本效应。空化现象往往伴随产生高温高压、高速射流、声致发光、自由基、冲击波等剧烈极端的瞬时物理现象,引发机械效应、热效应、光效应、化学效应等多种次级效应。声空化机理已成功应用于超声清洗、超声加工、超声雾化等相关工业技术中。目前,随着高强度聚焦超声治疗技术的发展,也面临空化效应的诸多问题。在HIFU治疗中,一方面空化效应的剧烈性可配合聚焦超声场中的热效应、机械效应等损伤破坏肿瘤细胞,避免防止其转移复发;另一方面由于空化效应的不易控制和难以测量,对空化程度往往不好把握,治疗中也需避免较强空化效应的发生对正常组织部分造成意外损伤。在声化学学科和其它功率超声应用方面,对空化效应的理论发展也提出新的要求。空化效应已成为超声应用领域一个重要问题。
  本研究主要内容包括:⑴基于理想化假设,考虑泡内气体为理想气体,对气泡运动模型进行仿真。改变环境参数,液体静压力、表面张力、粘滞性等都对气泡运动有阻碍抑制作用,较大的液体静压力、表面张力、粘滞性时,不容易发生瞬态空化。为了保证空化发生,需增加激励超声强度。⑵视泡内气体为实际气体,考虑气泡内外热量交换,对瞬态空化过程中泡内温度和压强变化进行仿真。考虑导热因素对空化程度的影响,导热程度越好,空化达到的最高温度偏低。超声声频越高,能加快空化进度;声压幅值越高,能增加空化强度,空化进度却变慢。⑶研究了液体中振动空泡对超声传播的影响。由于振动空泡的次级声辐射,空泡会对超声在液体媒质中的传播产生干扰,超声场内声压会出现微扰不规则分布。液体中的空化气泡越密集,对声传播的干扰越大。初始气泡越大,声压幅值越高,也会加剧空化气泡对声传播的干扰效果。为了避免液体中空化气泡对声传播的干扰,有必要对液体进行除气处理。
[硕士论文] 巩一帆
物理学 中北大学 2017(学位年度)
摘要:声子晶体利用其独特的负折射特性能够实现对声波的聚焦,这一奇特的物理现象引起了广大科研工作者的关注。在海洋探索,开发和防卫上,利用声学聚焦可以实现高分辨率成像声呐;医学上,声学聚焦能够为治疗肿瘤提供更安全有效的治疗手段,声学聚焦技术的应用具有很大的技术优势和实用价值,利用声学物理透镜实现声波的聚焦是更先进的科技前沿,所以声学透镜的理论与设计有极其重要的研究价值。
  本文在局域共振型声子晶体、负折射理论等相关知识的基础上,结合声学聚焦技术的应用前景、声透镜发展现状和声成像的需要,提出并设计了一种新型的管状声学超透镜结构并建立了其简易模型;详细的阐释了声波在声子晶体中的传输过程以及负折射的形成;通过分析声子晶体元胞振动特性得出了负折射形成的理想频率范围,运用层多散射法得出了透镜的能带结构图,最终利用COMSOL Multiphysics软件模拟了近场点声源在理想频率下通过不同厚度的管状声学超透镜后的声波传输和聚焦情况,得到了透射率和反射率的关系曲线,确定了最佳成像效果时透镜的厚度;并且在理想厚度下,模拟了不同入射频率下管状声学超透镜的聚焦效果,得到了半峰全宽(FWHM)曲线,确定了最佳入射频率。在仿真结果中,都观察到入射波和出射波的波形基本接近,弥散现象很弱,仿真结果与理论达成了很好的一致,很好的验证了该管状声学超透镜可以对近场点声源实现良好的聚焦成像。
[硕士论文] 张志强
航天工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:声子晶体是一种具有弹性波或声波带隙的周期性结构。声子晶体的带隙特性表明,带隙频率范围内对应的弹性波或声波在周期性结构中传播会受到抑制。当完美型声子晶体的周期性遭到破坏时,原有的带隙内就有可能出现缺陷态。缺陷态对应的弹性波或声波会在声子晶体的点缺陷处局域化或沿着线缺陷方向定向传播。目前,非完美型声子晶体的相关研究工作主要集中在理论研究,实验研究工作相对较少。本文理论研究了声子晶体梁的能带结构,并对其传输特性进行了实验验证,最后应用缺陷态特性来采集梁结构中的弯曲波能量。全文主要研究工作如下:
  (1)本文应用了比Euler-Bernoulli梁更精确的Timoshenko梁TMM理论来计算声子晶体梁的能带结构。通过超晶格模型得到缺陷态,我们发现了带隙中的缺陷态并不是凭空产生的,而是由其它频散曲线平移得到的。探讨了梁的材料长度、缺陷材料的高度和缺陷材料的杨氏模量对缺陷态的影响,发现不同的物理参数会使得缺陷态是由不同的频带平移产生的。其中声子晶体带隙及缺陷态位置受到晶格常数的影响尤为敏感。
  (2)本文首次应用布拉格光纤光栅(FBG)位移传感技术实验研究了声子晶体梁的传输曲线,并重点实验研究了缺陷态对弯曲波群速度的影响。应用Hanning窗口调制第一缺陷态频率附近的21步激励信号波(频率范围介于300Hz到900Hz)进行瞬态特性实验。光纤光栅瞬态测量实验和有限元(FEM)仿真的弯曲波群速度分布图可以清楚地说明声子晶体梁缺陷态对应的弯曲波有较慢的群速度。本文通过缺陷态频率下不同时刻对应的声子晶体梁位移瞬态振型指出了缺陷态对应的弯曲波传播行为是驻波模式。
  (3)本文充分利用点缺陷对弯曲波局域化的特点和能量采集器靠近振动源布置的双重效果,设计了可进行高效率能量采集的含点缺陷的声子晶体梁结构。我们利用压电薄膜(PVDF)采集到的第一缺陷态(615Hz)和第二缺陷态(2688Hz)的最大输出功率分别为54.4nW和777.5nW,该结果远大于传输曲线中其它一般通带共振频率下的输出功率。此外,本文建立了压电采集理论来预测含点缺陷声子晶体梁的输出电压和输出功率,其理论预测与实验结果匹配较好。
[硕士论文] 孙锐
固体力学 合肥工业大学 2017(学位年度)
摘要:边界元法的几乎奇异积分问题一直制约着边界元法在工程中的广泛应用。如何准确、有效的计算边界元法的几乎奇异积分,一直是学者们关注的问题。本文首先介绍了边界元法的研究背景及研究现状,随后简要的介绍了目前边界元法的主要研究方向,分析了边界元法几乎奇异积分类型,最后提出解决三维声场边界元法几乎奇异积分的半解析算法。
  本文对三维声场边界元法高阶单元的几乎奇异积分问题展开研究,基于扣除法思想,以六节点三角形单元、八节点四边形单元为例,建立一种三维声场边界元法高阶单元几乎奇异积分的半解析算法。主要研究工作和创新成果总结如下:
  提出了基于八节点四边形等参数单元的三维声场高阶单元几乎奇异积分的半解析算法。首先分析高阶单元几何特征,构造近似几何量,然后应用扣除法,将奇异积分核函数分解为规则核函数与近似几何量表达的奇异核函数。规则核函数由于不奇异,其积分采用常规Gauss数值积分计算;奇异核函数积分采用本文提出的八节点高阶单元半解析算法计算。算例结果表明,八节点高阶单元半解析算法比双线性元算法更加稳定,能够有效、准确地计算距离单元非常近的近边界点处的声压。
  与八节点高阶单元相比,六节点三角形高阶单元具有几何适应性好、单元划分简单等优点。本文第四章在第三章八节点高阶单元半解析算法思想的基础上,提出一种基于六节点三角形二次等参元的三维声场边界元法高阶单元几乎奇异积分半解析算法。文中给出的声场经典算例计算结果表明六节点高阶单元半解析算法可以准确计算三维声场边界元法中的各阶几乎奇异积分。
[硕士论文] 李召
机械工程 杭州电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:焦距可调式微透镜作为微光学器件的重要组成部分,具有体积小、无机械运动、焦距动态可调等优点,在成像、自适应光学等方面具有广阔的应用前景。目前,应用较为广泛的焦距可调式微透镜制备方法主要包括:压力驱动式、热效应式和电润湿式等。这些方法虽然在一定程度实现了焦距可调微透镜的制备,但制备系统复杂、可控性相对较差,限制了上述制备方法的快速发展。
  基于此,本文研究了一种基于聚焦超声辐射力场的两相界面变形方法,以期应用于焦距可调式微透镜的制备。该方法的原理是聚焦超声换能器产生的聚焦声场作用于两相界面,使两相界面在聚焦超声辐射力、重力、界面张力等共同作用下发生可控的界面变形。本文重点研究聚焦超声辐射力场下两相界面的变形特性,主要研究工作包括:
  1)根据声场基础理论和凹球面型聚焦超声换能器的声场理论,分析了声透镜式聚焦超声换能器声场声压的理论计算,并对聚焦声场声压分布特性进行了仿真分析。
  2)结合两相界面理论分析了聚焦超声辐射力场下两相界面的变形机理,仿真研究了两相界面处的聚焦超声辐射力分布以及聚焦超声辐射力场下两相界面的变形形态。
  3)实验研究了聚焦超声辐射力场下两相界面的变形情况。实验研究表明,通过调节聚焦超声辐射力场可以实现对两相界面变形形态、变形高度及变形区域径向宽度的动态控制。
  4)实验研究了两相界面在聚焦超声辐射力场下的大变形情况:两相界面在聚焦超声辐射力场下形成类似于“通道”的液柱。适当调节聚焦声场可实现液柱的断裂并致使部分液柱与母液相互分离,与母液分离的液柱在自身表面张力的作用下收缩成球状。
  最后对论文研究工作进行了总结。
[博士论文] 张咏鸥
船舶与海洋结构物设计制造 华中科技大学 2016(学位年度)
摘要:流场与声场的耦合作用产生了诸如水声信号干扰、流噪声和声控流动等问题,在船舶、汽车、航空以及医学等领域受到了广泛关注,具有重要的工程应用背景和学术研究价值。近年来,在流场问题的求解上,基于拉格朗日方法的研究途径取得了令人瞩目的成果,也因此引起了计算声学学者的关注,并对静止介质内的声传播问题进行了相关研究。本文针对现有拉格朗日方法未考虑流场对声场作用的不足,以及声学边界支持域截断的问题,突破流体质点运动过程与声传播过程的分离解耦方法、拉格朗日无网格粒子计算方法、边界条件的粒子表征方法等关键技术,系统地建立拉格朗日流体声学数学模型及相应的粒子算法体系,为流声耦合作用问题的数值研究提供一种新的思路和途径。同时,通过相应的算法分析和应用研究,扩展拉格朗日计算声学的应用范围,构建流场粒子算法到声学问题求解间的桥梁,以期使得流场计算中因拉格朗日特性而带来的优势能够为声学计算所采用,为复杂条件下流声耦合作用的模拟建立基础。本文主要开展了以下研究工作:
  首先基于流声分离思想,将质点运动过程与声传播过程进行分离解耦,推导建立了两种拉格朗日流体声学数学模型,即可压质点运动/声扰动分离模型和不可压质点运动/声扰动分离模型。前者基于质点运动为低马赫数下的可压过程进行流声分离,后者基于质点运动为不可压过程进行分离,此时密度变化认为仅由声场引起。两种模型均分别包含流体质点的运动控制方程和声场控制方程两部分。在此基础上,给出了简化后的流体声学模型,同时采用投影法,给出了不可压流场的半隐式求解方法。
  以光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)作为传统拉格朗日无网格粒子算法代表,针对拉格朗日流体声学模型的SPH计算方法展开了研究。探讨了SPH和修正SPH(Corrective Smoothed Particle Method, CSPM)对流体质点运动控制方程和声场控制方程的粒子表达、核函数的构造和选取,以及人工粘度的应用等内容。
  针对传统 SPH方法中对核函数求导所带来的限制,采用一种无网格有限差分格式,建立了有限差分粒子算法(Finite Difference Particle Method, FDPM),避免了对核函数进行求导。从而相比传统SPH方法,FDPM避免了人工粘度的使用,同时克服了核函数选择时的部分条件限制,扩展了核函数的选取范围。且由于算法本身基于泰勒展开,使得空间导数易于扩展至高阶格式。为了消除计算中因粒子聚集而导致的精度降低问题,引入人工粒子位移技术保持了粒子的均布特性,从而保持了计算精度和稳定性。此外,通过对不同的粒子搜索方式进行分析,给出了较优的粒子搜索策略。
  随后开展了不同流场和声学边界条件的无网格粒子表征方法研究,改善了由于边界处粒子缺失而导致精度下降的问题,并对不同边界表征方法进行了验证和讨论。在流场边界方面,通过采用虚拟粒子技术,建立了固壁边界和周期性边界的粒子表达。在声场边界方面,通过建立粒子算法和时域有限差分法的混合方法,对边界方程进行了离散,实现了两种声学刚性边界条件。同时,在稳态流场假设下推导了Mur吸声边界和完美匹配层边界条件,并采用混合方法建立了两种吸声边界的粒子表达。数值结果验证了FDPM算法的收敛性和正确性,同时表明所建立的无网格粒子表征方法均能用来模拟所对应的边界条件,且在采用不同类型核函数进行求解的情况依然保持了较好的精度。
  在此基础上,基于拉格朗日流体声学模型及其简化模型,分别采用SPH、CSPM和FDPM三种无网格粒子算法求解了不同流场条件下的声传播问题,并验证了算法的可行性。随后分析了各算法的精度和效率,探讨了初始粒子间距、支持域范围以及时间步长等对声场求解的影响。计算结果表明,CSPM和FDPM两种方法对所有算例均能保持不错的收敛性。相同计算参数条件下,FDPM相对于CSPM能够获得更高的求解精度,但同时需采用较小时间步长保持计算时的稳定性。
  结合前文给出的数学模型、边界处理方法和误差分析,利用FDPM方法建立了平面波入射涡流场的声散射流声耦合问题的数值计算模型,并针对水下涡声散射问题进行了预报。鉴于缺少水声试验数据,采用已有气动声学算例验证了所建立的涡声散射场数值模拟方法的正确性。随后探讨了计算参数和计算域对水介质条件下数值模型结果的影响,建立了合适的水介质计算模型。在对涡声散射场进行系统研究后,给出了散射场分布特性以及马赫数、入射波波数和涡核尺寸等对声场的影响。
[博士论文] 缪宇跃
船舶与海洋结构物设计制造 华中科技大学 2016(学位年度)
摘要:水中圆柱壳振动与声辐射问题的文献多假设圆柱壳处于理想无限流域中,未考虑流域边界对声波的反射作用,而声边界约束下水中圆柱壳的声辐射特性不同于无限域情况,值得深入分析。目前对于水面和水底声边界约束下水中圆柱壳的声辐射研究,已有的方法存在局限性,针对这些不足,本文主要利用声学边界元方法开展研究,同时为提高数值计算效率和精度,对声学边界元相关计算方法进行了改进研究,并应用于水中圆柱壳的声辐射研究中。
  首先,为提高数值计算效率,对原始的声学边界元多频快速算法进行改进研究,提出了级数截断项数的选取原则,消除原始算法的不稳定性,拓展级数多频算法的适用范围。改进型多频算法所需级数截断项数更少,降低了计算量,能够应用于更高频段的声学分析。
  然后,针对常规边界元分析过程中存在的奇异积分问题和近场计算不准确问题,提出了分级自适应细分方法,可同时计算声学边界元奇异和拟奇异积分,并提出接近度的概念和细分判据,作为拟奇异积分计算的理论依据,且可用于预估拟奇异性是否存在。此方法无须迭代,相比于已有方法效率更高。数值分析表明拟奇异性会影响结构近场声压的计算精度,影响程度由观测点与单元的相对位置决定。
  其次,采用二维和三维半空间声学边界元法研究水下有限浸没深度圆柱壳的声辐射特性。根据镜像原理和Graf加法定理建立了水下无限长圆柱壳声振耦合模型,并结合二维半空间声学边界元法计算其辐射声压;采用虚拟质量法求解水下有限长圆柱壳的表面振速,并结合三维半空间声学边界元法、改进型多频算法和分级自适应细分方法计算辐射声功率和声压。分析了自由液面对水下无限长和有限长圆柱壳声辐射特性的影响,获得了辐射声压的某些规律,并用声学偶极子的叠加原理揭示了规律的产生机理。
  再次,在半空间声辐射问题中边界往往被简化为自由液面或刚性壁面,其中刚性壁面近似模型并不适用于有明显吸声作用的海底边界。考虑海底吸声作用,对半空间格林函数进行修正,其反射项系数由掠射角决定,进一步完善半空间边界元法,并结合改进型多频算法和分级自适应细分方法研究了吸声和刚性海底边界条件下圆柱壳的声辐射特性的差异和相似之处,解释了这些声辐射现象的产生原因。
  最后,同时考虑海面和吸声海底的影响,对格林函数进行修正,进一步完善平行波导空间声学边界元法,并结合分级自适应细分方法研究了浅海波导域中圆柱壳的声辐射特性,揭示了辐射声压的变化规律和辐射声场的分布特性,发现可用平行波导点源格林函数预测圆柱壳的声辐射特性,进而寻找满足半无限域和无限域条件的声压观测点,为声学测试提供参考。
  本文较系统地研究了水面及水底边界约束下圆柱壳的声辐射特性,并根据点声源辐射叠加原理揭示了辐射规律的产生机理,研究结果可为工程应用提供理论参考。
[硕士论文] 杨文广
光学工程 山西大学 2016(学位年度)
摘要:本文提出一种新的方法来测量微波电场,这种测量手段能够将拓展测量频带,将测量溯源至基本的物理常数,方便携带并能够实现电场传感器的自我校准。这种方法是基于处于激发态的里德堡原子与射频场的相互作用,由于EIT-AT效应微波场引起了里德堡态的能级分裂,我们通过分析探测到的分裂来分析微波电场。实际上,置于蒸气室中的碱金属原子作为一种将微波电场强度测量转换为光频测量的传感器,将微波电场的强度测量转换为光频的测量。我们展示了用一个小的原子蒸气室能够测量不同波段不同频率的微波电场,选取碱金属原子(本文中使用铷和铯)作为探测介质,用微波场耦合不同的里德堡态来证明这种方法的宽频特性。我们测量了Autler-Townes分裂宽度与微波功率的关系,同时测量了微波电场在原子蒸气池中的分布。利用时域有限积分电磁计算方法对微波电场空间分布进行了数值模拟进而验证方法的正确性。
  本文的主要内容包括以下几个方面:
  一、介绍了里德堡原子以及EIT-AT效应的概念、特点以及研究进展。对比传统的微波电场测量存在的缺点和不足,阐述了基于里德堡原子的EIT-AT效应探测微波电场的优越性以及潜在的应用价值。
  二、详细介绍了基于里德堡原子的EIT-AT效应探测微波电场的基本原理,简要说明原子跃迁偶极矩的计算。
  三、介绍了本实验的实验装置,并选取铯和铷的里德堡原子,对毫米波和厘米波的微波场分别进行了测量,测量出EIT-AT分裂间隔和微波源输出功率的关系,并将微波电场强度的实验值与标定值对比,描绘出微波场在原子蒸气池中的分布,分析了新的方法探测微波电场存在的不确定度。
  本文的创新之处包括:
  1.本文基于里德堡原子的EIT-AT效应分别进行了厘米波和毫米波电场测量。与传统的微波测量方法进行了比对,测量结果的不确定度在5%以下。
  2.实现了微波电场空间特征分布的高分辨率成像,空间分辨率可以达到100微米。
  3.与传统的微波测量技术相比,新的测量方法有自校准、便携等特点,并且打破了传统传感器的材料和尺寸等因素对测量精度和范围造成的限制,有望成为微波场测量的革新方法。
[硕士论文] 梁善军
机械工程 哈尔滨工程大学 2016(学位年度)
摘要:声子晶体是材料参数或几何参数具有一定周期性的结构物,以其独特的负折射、声聚焦和弹性波禁带等特性在弹性波和声波控制领域展现出极大的应用前景,吸引了众多学者对其进行探索。近年来,声子晶体的概念也得到了进一步的延伸,人们不再局限于传统意义上的周期结构,而将其拓展到一些特殊的周期结构物中,广义声子晶体就是其中一个重要组成部分。
  本文基于广义声子晶体的概念,构造了柱系下的二维广义声子晶体圆板和柱壳结构。利用有限元理论结合能量法研究了弹性波在圆板结构中的传播机理和重要的带隙特性,并对柱壳结构的隔声特性进行了分析。主要工作包括:
  1、利用阻尼边界构建了二维广义声子晶体圆板的能量通路,引入能量传递率作为带隙表征,分析了弯曲波、扭转波和径向波的带隙特性及其参数影响规律。
  2、利用功率流矢量考察了特定频率激励下二维广义声子晶体圆板内部的能量流动情况。通过分析功率流矢量场与能量传递率之间的对应关系,从能量传递的角度研究了带隙的详细特征。此外,还分析了特定频率下圆板内部的应力局域化现象。
  3、利用能量传递率得到二维广义声子晶体柱壳的径向波带隙,基于声固耦合场仿真研究了结构的隔声特性和指向性,并与结构场结果进行了对比验证。
  研究表明,柱系二维广义声子晶体圆板具有显著的弹性波带隙,该带隙的主要特征如起始位置和中心频率等是由径向周期性导致的布拉格散射机理决定的,而局部特征如带隙中的共振峰特性,则是由周向周期分布的散射体形成的能量通道效应和局部共振效应决定的。二维广义声子晶体柱壳与圆板相似,其结构场也同样存在显著的径向波带隙,利用其带隙特性能够获得良好的隔声性能。此外,本文的工作同时也表明了有限元结合能量法是研究二维广义声子晶体的有效手段,这也为此类特殊周期结构物的分析提供了一条可行途径。
[硕士论文] 李正伟
声学 兰州交通大学 2016(学位年度)
摘要:声子晶体是由至少两种材料构成的具有弹性波带隙和周期性结构的复合材料。声波在声子晶体中传播的过程中,一些频率的声波会被抑制,从而形成了声子带隙。声子晶体及其相关理论的提出,为研发性能更为优越的声表面波器件提供了新思路.
  科学技术的突飞猛进,传统的材料已经远远不能满足人们的要求,具有特殊性能的复合材料的出现,在很大程度上缓解了这一矛盾。本学位论文着重从材料参数(杨氏模量、剪切模量以及密度)和外界环境(温度)两个方面入手,分析了二维钨-硅声子晶体能带结构的影响因素。
  应用平面波展开法计算了二维钨-硅声子晶体的能带结构,发现在结构函数一定的情况下,提高散射体的填充率,声子晶体的带隙不断变宽,达到峰值后,锐减为零。虚拟材料参数分析了其对二维固-固声子晶体能带结构的影响,研究发现:当散射体的剪切模量小于基体时,在填充率较低的情况下依然能够出现带隙,且随着填充率的增加,能带不断变宽,但总体上,所形成的声子晶体带隙较窄;而当散射体的剪切模量大于基体时,该声子晶体只有在较高填充率的情况下出现能带,且该能带较宽。密度对声子晶体能带结构的影响则恰恰相反,当散射体的密度小于基体时,在填充率非常高的情况下才能出现带隙,而当散射体的密度大于基体时,即使在填充率的很低的情况下依然能够出现能带结构。与前两者相比,杨氏模量的变化对二维固-固声子晶体能带结构的影响不是很明显,在散射体的密度和剪切模量与基体的非常接近时,即使让散射体与基体的杨氏模量之间相差三十个数量级,也不会出现声子晶体带隙。因此,得出了影响二维钨-硅声子晶体能带结构的主要因素是材料的密度和剪切模量,而杨氏模量对声子晶体的影响极小。
  结构函数和材料参数固然是决定二维声子晶体能带结构的主要因素,然而外界环境对声子晶体能带结构的影响也不可小觑。本论文通过分析温度变化对基体硅的相关参数的作用,进而推出温度对二维钨-硅声子晶体能带结构的影响。发现了随着温度的增加,声子晶体的能带结构具有向低频移动的倾向,并且能带宽度也变得越来越窄。
  最后,应用有限元方法分析了包覆层对二维钨-硅声子晶体能带结构的影响,研究发现,包覆层的声速对弹性波在二维钨-硅声子晶体表面传播的影响极大,当声子晶体包覆层的声速大于声子晶体基体声速时,施加在该声子晶体表面的激励耗散在包覆层中,该激励很难进入到声子晶体中;当声子晶体的包覆层声速小于构成该声子晶体基体的声速时,声波在声子晶体表面具有良好的传递性能.
[硕士论文] 刘杨
动力工程 哈尔滨工程大学 2016(学位年度)
摘要:弹性板结构广泛应用于船舶工业、航空航天、建筑工程等各个工程领域,在外部的激励作用下弹性板结构振动声辐射是一种重要的噪声来源,对于具有低频传播特性的结构声辐射,需要采用有源控制技术以达到满意的抑制效果。在很多场合下,弹性板与背腔存在明显耦合,针对此种情况下弹性板结构声辐射研究尚不充分,限制了此类声辐射有源控制系统的优化设计。本文以存在背腔情况下弹性板结构声辐射特性分析及有源控制建模开展了如下工作:
  首先对复杂边界条件下板结构的固有振动特性以及声辐射特性进行理论分析,通过二维改进傅里叶余弦级数来表达弹性约束边界条件下板的振动位移,再利用能量法以及Rayleigh–Ritz方程求解所有未知傅里叶系数。然后利用近场瑞利积分求解板结构辐射声功率以及辐射阻抗,并通过仿真分析,对模型特性进行分析和验证。
  针对含弹性壁面封闭空间的理论模型,引入背腔Lagrangian函数,并考虑声腔-弹性板耦合面声压的相互作用效应,利用MATLAB语言进程编程仿真。然后设计板-腔耦合系统动力学特性实验,对比仿真结果,证明本文方法的正确性以及程序编写的准确性。
  考虑有声腔耦合作用的板结构声辐射问题,求解板-腔耦合系统振动特征矩阵方程,利用板结构耦合系数向量,求解结构辐射声功率以及辐射效率。对比耦合声腔前后板结构模态辐射效率以及辐射声功率的变化,考虑声腔深度、边界弹簧约束刚度对耦合效应的影响。
  最后采用二次最优控制原理,以板结构辐射声功率为目标函数,求解最优次级控制力,建立有源噪声控制预报模型,分析弹性板边界约束条件,次级控制力的物理位置,声源激励位置以及声腔深度对有源系统控制效果的影响。
[硕士论文] 吴双
凝聚态物理 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:飞秒激光与物质相互作用的机理性的研究对认识物质各项弹性参数对激发出的超声波的影响有着非常重要的意义。人们还可以根据对超声表面波的检测表征材料表面的缺陷。在许多理论机制的研究中,学者们首先考虑激光使得材料表面具有一定的温度场,然后温度场产生热应力,最后热应力又引起形变。在温度场模型的选择上许多学者还是倾向于抛物线型的热传导方程,但是对于超短脉冲激光,双温模型才能比较好的描述温度场。
  针对超短脉冲激光与金属膜相互作用时间短的特点,基于电子及晶格的双温模型,构建了激光加热金属膜的热沉积模型,并给出了热场的时间演化数值解,得到了电子和晶格热平衡的时间。
  基于热弹效应,构建了应力场的时空演化方程,并给出了应力场的时空演化数值解,得到了激光驱动应力波在金属铜膜中的传播速度。
  基于应力与形变的转换关系,数值模拟了飞秒激光作用下铜膜中位移场的分布情况,分析了超声纵波在铜膜中的产生和传播情况。
  在实验部分本文设计并且搭建了泵浦探测超快摄影平台,利用应力波在材料中传播时会产生双折射效应,在铜膜样品前后加了一组消光的偏振片作为超快快门,以图像的形式研究了飞秒激光在铜膜表层激发出的超声波的传播过程,给出超声波在铜膜表层中传播的速度。
[硕士论文] 许立环
机械工程 哈尔滨工程大学 2016(学位年度)
摘要:声子晶体作为一种新型人工功能材料以其独特的弹性波带隙和负折射等特性引起了众多学者的广泛关注。人们在深刻揭示声子晶体的基本物理机制的同时,也在努力将其拓展到各类工程实际应用之中,特别是针对应用十分广泛的梁板类构件,从而为相关的振动和噪声控制提供了全新的解决方案。
  本文以带隙特性为研究重点,以声子晶体梁和声障板结构为研究模型,深入考察了粘弹性阻尼对声子晶体梁的影响以及声子晶体声障板的带隙隔声性能。论文主要内容包括:
  1.介绍了粘弹性阻尼的建模方法,将Boltzmann理论与Maxwell模型结合,给出了其松弛型本构方程,此外阐述了能够用于阻尼声子晶体分析的广义Bloch定理。
  2.基于梁的离散动力学模型研究了阻尼声子晶体梁的能带结构特性,考察了材料阻尼强度对带隙的影响,并进行了仿真验证。
  3.设计了一种声子晶体声障板结构,基于超元胞方法分析了该声障板的能带结构,揭示了带隙的形成机理,并进行了带隙特性优化。
  研究表明,粘弹性阻尼对声子晶体梁结构的带隙具有重要的调节作用,带隙特性将受到阻尼强度的显著影响。所构建的声子晶体声障板结构具有良好的低频带隙,带隙范围内的隔声量与传统声障板结构相比具有明显的优越性。
[硕士论文] 王静
应用数学 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:生物个体的生存环境是不断变化的,这种变化可以用有色噪声来描述。一些种群动力学中的模型需要考虑环境的变化情况,所以有色噪声在种群动力学中的应用很多。本文将以空间演化博弈模型为基础,把有色噪声引入到该模型中,探讨了不同的有色噪声在系统稳定时对合作比例的影响。
  第一章介绍了有色噪声的种类,并且总结了产生这些有色噪声时间序列的方法和有色噪声在种群动力学中的应用。第二章介绍了空间演化博弈模型和Monte Carlo模拟方法。对采用Von Neumann邻居的空间演化博弈模型做了分析。
  本文的创新部分在第三章,以空间演化博弈模型为基础,加入有色噪声,应用MonteCarlo模拟方法研究合作比例的变化情况。本章首先介绍了一个个体邻居个数变化的空间演化博弈模型,然后又介绍了一个人数受限的空间演化博弈模型,并且发现适当减少参与博弈的个体数目有利于合作比例的提高,最后在人数受限的空间演化博弈模型的基础上,介绍了具有有色噪声的空间演化博弈模型,结果表明,有色噪声对合作比例的影响会与博弈本身的参数有关,在背叛诱惑较低时,有色噪声的存在有利于提高合作比例;当背叛诱惑较高时,有色噪声的存在降低了合作比例,事实上,这些模型是有色噪声和空间演化博弈模型的结合。
[硕士论文] 廖海霞
应用数学 华中科技大学 2016(学位年度)
摘要:波动方程是用来描述声波、光波、电磁波等波的波动特性的一类偏微分方程.对波动方程的反向散射逆问题的数学理论的研究一直是数学界和物理界关注的重点,并且对于声速的唯一性问题的研究取得一定的成果.本文主要探讨在位势不变的情况下,波动方程的反向散射的逆问题,主要是通过散射核这一反向散射的反响来研究逆问题从而确定声速的唯一性.
  对唯一性问题的研究一直以来都是偏微分方程研究中的重要方面.本文主要利用Lax-Phillips的散射理论来研究波动方程的反向散射逆问题.在本文中,反向散射逆问题是通过测量波沿着反向散射的方向的反应来决定声速.首先介绍波动方程的散射理论并得到波算子以及散射算子的关系式,再由散射算子与改进的Radon变换的关系得到散射核与散射解、位势和声速的关系式.然后通过程函方程和传输方程进一步得到散射解的奇异性分解,并得到散射解表达式中系数的性质,进而将散射解的表达式代入散射核的关系式中.由于多了一部分含有位势的项,为方便估计,我们将上述表达式拆为两部分,再结合已知引理中算子的性质和散射解表达式中系数的估计式分别得到算子的估计式,从而得到散射核的估计式.最后由散射核与声速的关系式可得到声速的估计式,进一步在散射核相等的情况下,可得到声速的唯一性.
[硕士论文] 杨香梅
凝聚态物理 燕山大学 2016(学位年度)
摘要:层析成像方法能够利用在声波传播介质某处接收的特定参数,得到介质内部某些物理性质的结构图像,从而直观的反映物质结构属性,具有探测范围广和分辨率高的优势,在实际生产领域应用很普遍。但是传统的走时层析成像具有数据拾取困难和易产生射线多路径现象等缺点,本文中研究的立体层析成像方法针对上述层析成像方法的缺点进行逐步改善。主要有以下内容:
  首先,本文综述了层析成像方法的研究历史与现状发展,阐述了立体层析成像方法的课题研究意义。系统介绍了层析成像中涉及的基础知识,包括物理基础:声波在介质中的传播规律;以及立体层析成像方法基于的数学基础,同时介绍了层析成像方法的基本步骤及计算流程。
  其次,为了避免传统层析成像方法中两点射线追踪的不稳定,本文采用初值射线追踪来进行正演计算,并采用非线性最小二乘法进行反演计算。在反演计算中定义了新的数据空间,在走时数据基础上增加了声波到达接收处的局部传播方向数据,而且根据反演计算规律减小了反演的数据规模。以此为基础研究了立体层析成像方法的实现过程,同时用计算机程序实现该算法,反演得到了声波传播介质的结构分布。
  最后,通过不同结构的介质模型验证该方法的可行性,并检验其成像质量,同时对于立体层析成像方法中的各项参数,应用模型试验检测参数对于成像结果的影响。
[硕士论文] 赵志鹏
光学 燕山大学 2016(学位年度)
摘要:声波层析成像是一种广泛用于医学、工业检测、地质勘探等多个领域的无损检测方法,其成像精确直观,尺度大小可调,对成像物体无损伤,有很高的研究价值。阻尼最小二乘法是目前最常用的线性反演方法之一,较高的稳定性和准确性,以及高效的计算效率是其主要优点,反演结果受射线分布影响严重,对初值依赖性高是其主要缺点。本文旨在通过对模型特征向量的修正来改善上述缺陷,提高成像质量。具体工作如下:
  首先,本文介绍了声波层析成像的应用价值和提高其成像质量的意义,以及国内外对提高成像质量研究的进展和主要方法做综合性介绍。同时本文还介绍了层析成像的基本原理,主要应用数学、物理规律,以及层析成像的实现过程,即数据采集、数据处理、结果分析,并简单介绍了各部分的使用方法。
  其次,本文从层析问题线性化之后的大型稀疏方程组出发,通过分析系数矩阵的奇异值和条件数,判断方程组的病态程度。阻尼最小二乘法是一种常用反演方法,通过增加阻尼因子来降低法矩阵的条件数,解决线性方程组的病态问题。同时本文指出了阻尼最小二乘反演方法的缺陷,成像结果受射线分布影响严重,并通过对特征向量的分析,研究这种影响的原因。
  最后,本文基于第一模型特征向量对计算结果的影响作用,提出通过修正特征向量来提高阻尼最小二乘法的成像质量的方法。本文分别对均匀模型、层状模型、块状模型三种情况进行优化计算,同时与普通阻尼最小二乘法对比,来验证本文提出的特征向量修正方法是否能够有效的解决射线分布对阻尼最小二乘法的影响。
[硕士论文] 张爱娟
原子与分子物理 扬州大学 2016(学位年度)
摘要:随着微电子加工技术的进步,材料逐步走向纳米尺度,从三维块体材料到二维平面材料如石墨烯、石墨炔和黑磷等,再到一维材料碳纳米管,以及零维纳米晶材料量子点等。在研究这些材料的热传输时,发现了与宏观材料非常不一样的输运性质,如反常热导效应、弹道输运性质以及热整流效应。这些现象产生的原因目前尚未明确,是众多研究者关注的热点。同时这些特殊的性质也具有极其丰富的应用,如将高热导率的材料运用于微处理器中可以有效地解决其散热问题,促使微处理器集成度进一步提升。而耐热的低热导率材料可以制成有效地隔热材料,保护长期工作于高温高压环境中的机器部件,延长其使用寿命,或用于建筑材料,有效隔热。热电效应实现了热能与电能的相互转化,有效地利用了能源,可以解决困扰全球的能源危机和环保问题。同时也可以运用热整流效应生产热流方向可控的热器件,使量子计算机成为可能。
  所以希望通过对低维系统中的声子弛豫过程和热输运关系研究,对低维材料的结构与性质有进一步的了解。分子动力学方法是传统的热传导研究方法,而LAMMPS是成熟的分子动力学模拟工具。
  宏观材料中,热传导遵循Fourier定律,但在低维系统中,热导率与系统尺度有一定的关系,称这样的现象为反常热输运。由经验可知材料中主要为非对称相互作用,所以研究非对称相互作用对反常热导的影响是我们的第一部分工作。选用经典Fermi-Pasta-Ulam模型,通过调控系数来改变非对称相互作用强度,在Nose-Hoover Chains热库作用下达到平衡,来求得声子寿命随非对称相互作用强度的变化关系。结果表明非对称相互作用强度越强,声子寿命越短,且声子频率向低频方向偏移。
  除了非对称相互作用对热导率的影响之外,发现不同结构的石墨炔的热导率也存在差异。不同于石墨烯,石墨炔中键的种类更丰富,结构更多变,所以猜测炔键会影响系统的热导率。研究了五种不同结构的石墨炔与石墨烯的热导率,由结果可知随着炔键比例的增长,热导率出现衰减,这意味着可以通过调控炔键的比例来实现对热导率的调控,具有重要意义。为了解释这种现象形成的原因,紧接着又分析了碳的同素异形体的声子色散关系、群速度分布、振动态密度(VDOS)和通过晶格动力学方法得到的声子模式参与度,以及通过分子动力学计算从模式投影速度的分析中获得声子寿命,进一步分析了与结构有关的影响热传导现象的可能潜在机制。结果表明,随着炔键比例的增长,导致了声子模式局域化,由此提高了声子散射率并降低了声子群速度,因此声子寿命缩短,系统热导率降低。这个发现也为实验设计可调控的热电材料提供了一定的理论依据。
[硕士论文] 王瑜
信息与通信工程 燕山大学 2016(学位年度)
摘要:近年来,语音信号分离受到广泛关注,众多学者在计算听觉场景分析的基础上作了深入研究。目前语音分离主要有基音估计、盲信号分离和声源定位等方法,本文主要针对声源定位进行探讨,在原有双通道语音分离的技术上提出一种三通道的语音分离方法,具体内容如下。
  首先,本文对原双通道语音分离系统进行模拟和仿真,混合目标语音信息和其他干扰信息,模拟嘈杂的分离环境;将混合信号进行听觉外围处理,得到时频单元;计算耳间时间差和耳间强度差;将时间差、强度差和阈值进行比较,生成听觉掩蔽矩阵;根据掩蔽矩阵逆合成目标语音信号。实验表明,当声源位置接近时,系统的分离效果不明显,分离增益和相似度比较小。
  其次,在双通道语音分离的基础上增加一个阵元,构成三阵元的阵列,然后再进行听觉模型处理。经仿真实验结果证明,该方法抑制了噪声和次要语音信号,在分离增益和相似度上均有一定的提高,但是由于增加一路通道,从而增加了运算量。
  再次,由于环境噪声对语音信号的分离影响很大,在三通道语音分离的基础上引入一个降噪处理过程,即在混合语音进行听觉外围处理之前,将带噪的混合信号,先进行经验模态分解,然后再进行听觉外围处理。实验表明,该方法提高了噪声环境下语音信号的分离增益,但是对分离语音信号的相似度提高不明显。
  最后,本文对课题进行了总结和展望,并指出了本文存在的不足。
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