【摘要】：Bessel波具有無衍射特性和自重建性,在傳播過程中能夠攜帶軌道角動量。Bessel波因其特殊的波形結構和物理性質,在學術研究和工程應用中均具有重要的研究價值。特別在聲學操控領域,如粒子捕捉,細胞篩選,芯片技術和表面化學等領域,Bessel波具有廣闊的應用前景,引起了國內外學者的廣泛關注。目前,聲學Bessel波散射和操控的研究工作主要集中在簡單目標的理論和實驗模型,而對工程實踐中廣泛存在的復雜目標和模型的研究工作還很不足。因此,建立與發(fā)展復雜的聲學Bessel波散射和操控模型顯得十分必要和迫切。本文通過建立任意Bessel波入射下球形和非球形目標的散射模型,通過理論方法和數(shù)值模型研究Bessel波的散射特性和物理機理。文中推導了正入射時基于柱面波函數(shù)球諧展開的波形系數(shù)和任意入射時基于多極展開法的波形系數(shù),得到了球形目標的散射理論解。同時,基于半解析半數(shù)值的T矩陣法,結合推導的入射波形系數(shù),得到了求解任意目標聲散射的數(shù)值模型。研究表明,特定波錐角的Bessel波正入射下,相應的彈性共振被抑制,但偏軸入射時不存在明顯的共振抑制。此外,通過提出任意剛性目標的幾何射線模型,準確地預報了Bessel波反向散射的物理機理;并引入亮點模型定性地解釋了非球形表面在Bessel波入射下的散射強度的變化規(guī)律。結合理論推導,指出并驗證了Bessel波正入射時回旋目標的散射場關于散射角和波錐角具有交換對稱的特性。聲場與目標之間通過聲散射發(fā)生能量交換,具體體現(xiàn)為動量和角動量傳遞與轉換。動量交換在宏觀上表現(xiàn)為聲場對目標施加一個輻射力,而角動量交換則為聲場對目標施加一個輻射力矩,這在粒子動力學領域具有十分重要的地位。本文考慮的理想介質中不存在動量的吸收和增加,因此根據動量守恒定理,可將目標表面的近場散射積分等效到遠場任意球表面上的積分,簡化了理論推導和數(shù)值計算過程�；谳椛鋺埩糠�,推導了任意波入射下笛卡爾坐標系下的三維聲輻射力和力矩的理論公式,并用入射和散射波形系數(shù)給出了緊湊表達式。因此,基于分波序列法和T矩陣法計算得到的散射場,代入推導的輻射力和力矩公式,可以直接計算目標在Bessel聲場中受到的力和力矩。不同于在普通平面波入射的情況,本文工作揭示了Bessel波入射下目標受到的輻射力和力矩可能存在反轉現(xiàn)象,并揭示了相應的物理機理,這在粒子分離等領域具有重要作用。如性質相同尺寸不同的粒子,在Bessel波入射下,受聲輻射力的影響部分尺寸的粒子靠近聲源,而其余部分則遠離聲源,因此聲場可將粒子按照不同尺寸分離出來。本文結合Bessel波入射下的散射模型,獨立推導了一般位置入射下的聲散射場和聲輻射力(矩)的理論表達式,為研究Bessel波入射下聲散射和相關輻射力(矩)特性研究提供了有效的手段,并通過數(shù)值計算和理論推導進一步揭示了相應的物理現(xiàn)象和機理。本文的研究工作表明聲學Bessel波在粒子操控領域具有巨大的潛在應用,可用于設計通用的三維聲學鑷子數(shù)值工具箱。同時,對相關領域的理論與實驗研究均具有指導和參考作用。
【圖文】：

中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文在水下傳播時，，遇到不均勻的介質（如水下目標，或不同射現(xiàn)象。過去幾十年，聲散射的研究方法逐步發(fā)展和豐富ld-Waston 變換（SWT）[1]、分波序列法（也稱簡正級數(shù)法）包括 Kirchhoff 高頻近似[4,5]，T 矩陣法[6,7]、（改進）有限元域有限差分法[13,14]等；根據聲換能器和水聽器的相對位置為收發(fā)分置和收發(fā)合置方法；根據信號時長分為脈沖信號法出了上述方法的分類概要圖。不同的研究手段有其自身的型的聲散射研究方法的部分總結, 一些文獻從不同方面給出6]。

中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 滯后，如 Airy 波，Lommel 波近年才開始有公開發(fā)表沒找到相關的公開發(fā)表文獻。X 形波和 Bessel 波的研究領域表現(xiàn)出潛在的應用[37,38,44]。但到目前未知，對無，比如近年來 Bessel 波的渦旋特性在粒子操縱[45]和大優(yōu)勢與潛力，仍需投入更多時間和精力去發(fā)展研究物理化學，微引力環(huán)境等領域成功地應用。el 波傳播與散射的研究現(xiàn)狀
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U666.7

【參考文獻】

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本文編號：2660417