【摘要】：聲波在水下傳輸方面具有十分重要的作用,因此在水下目標(biāo)物的探測(cè)、信息傳輸、甚至軍艦和潛艇水下作戰(zhàn)方面等具有十分重要的作用。通常,所應(yīng)用的水下聲波是以平面波為主,但是平面波在水下傳播時(shí)容易產(chǎn)生產(chǎn)生衍射現(xiàn)象以致于聲場(chǎng)強(qiáng)度減弱,導(dǎo)致平面波傳輸距離有限。因此,人們尋找其它具有更加優(yōu)良特性的其他波束,以彌補(bǔ)平面波的缺陷。近年來(lái),Bessel波束以其優(yōu)良的物理特性得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,因此Bessel波束由電磁領(lǐng)域逐漸應(yīng)用到水下聲學(xué)的范圍。Bessel波束具有無(wú)衍射特性和自愈特點(diǎn),并且Bessel波束相對(duì)于平面波能夠在水下傳播較遠(yuǎn)的距離。在工程領(lǐng)域,粒子或者細(xì)胞等微小物質(zhì)的操控具有十分廣闊的應(yīng)用前景,并得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。因此,討論Bessel波束在水下的聲散射和聲輻射力特性是十分必要的,本文中具體的研究工作主要體現(xiàn)為:第一,根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究,整理并總結(jié)了零階Bessel波束軸向入射下,剛性球、液體球和彈性球殼的水下聲目標(biāo)物推導(dǎo)過(guò)程。通過(guò)對(duì)比不同波錐角作用下的零階Bessel波束可發(fā)現(xiàn),剛性球的反向形態(tài)函數(shù)呈現(xiàn)明顯的波浪變化,并且其遠(yuǎn)場(chǎng)形態(tài)函數(shù)的三維指向性圖沿著軸向方向呈現(xiàn)回旋對(duì)稱的特征;在較高的入射頻率頻范圍內(nèi),剛性球的遠(yuǎn)場(chǎng)散射形態(tài)函數(shù)的指向性特征也將更加明顯。除此之外,根據(jù)共振散射理論,本文給出了彈性球的共振散射形態(tài)函數(shù),從中可發(fā)現(xiàn),零階Bessel波束以其特殊的物理特征能夠很好地抑制彈性球的共振散射。第二,由于Bessel波束的軸向入射只是Bessel波束入射情況的一種特殊情況,因此本文中給出了任意階Bessel波束在球坐標(biāo)系下任意入射位置的多極展開表達(dá)式。根據(jù)該多極展開表達(dá)式,本文推到并給出了剛性球、液體球和彈性球等在任意波束入射下聲場(chǎng)散射的統(tǒng)一表達(dá)式。通過(guò)對(duì)比剛性球前向散射和背向散射的目標(biāo)強(qiáng)度可發(fā)現(xiàn),剛性球在偏軸零階Bessel波束作用下將會(huì)出現(xiàn)明顯的低目標(biāo)強(qiáng)度條紋帶。另外,Bessel波束偏軸入射還將破壞剛性球遠(yuǎn)場(chǎng)散射形態(tài)函數(shù)的回旋對(duì)稱特征。即使是處于共振頻率的彈性球,其回旋對(duì)稱的特性仍將消失,并且其指向特征也將不非常明顯。第三,當(dāng)聲波照射到水下目標(biāo)物時(shí),入射聲波和水下目標(biāo)粒子會(huì)產(chǎn)生能量交換,以至于目標(biāo)粒子呈現(xiàn)受到外部力的作用的現(xiàn)象。根據(jù)高斯散度定理,將目標(biāo)物聲輻射應(yīng)力張量的計(jì)算由近場(chǎng)散射積分轉(zhuǎn)換到遠(yuǎn)場(chǎng)散射積分,這一個(gè)數(shù)學(xué)物理方法大大地簡(jiǎn)化了聲輻射力的推導(dǎo)和計(jì)算過(guò)程,因此本文中不僅計(jì)算了球形粒子的三維聲輻射力的特征,并且還采用分波序列的方法推導(dǎo)并計(jì)算橢球粒子在Bessel波束入射下的聲輻射力特點(diǎn)。負(fù)軸向聲輻射力的產(chǎn)生與粒子的背向散射受到極大的抑制有緊密的關(guān)系,并且產(chǎn)生聲輻射力的幅值與目標(biāo)粒子的介質(zhì)和外形尺寸比例有很大的關(guān)系。在阻抗匹配的情況下,較大的阻抗差異有助于增加負(fù)聲輻射力的幅值。除此之外,Bessel波束的種類和入射位置對(duì)于粒子三維聲輻射力的物理特征有很大的影響。本文基于分波序列方法,推導(dǎo)并計(jì)算了不同介質(zhì)的目標(biāo)物在Bessel波束照射下的聲散射和聲輻射力計(jì)算公式,為進(jìn)一步探究Bessel波束的物理特征提供了理論支持,同時(shí)也為未來(lái)聲波粒子操控等相關(guān)領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供了依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U661.44
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文一階的 Bessel 波束，因此本文中將主要研究零階和一階 Bessel 波束入射的情況。由圖 1.1 可以看出，零階 Bessel 波束的聲場(chǎng)強(qiáng)度在中心處最大，但是一階 Bessel 波的聲場(chǎng)強(qiáng)度是中空的。而且，無(wú)論是低階 Bessel 波束還是高階 Bessel 波束，其強(qiáng)度分布是沿著徑向?qū)ΨQ分布的。但是，需要注意，零階 Bessel 波束的相位分布具有徑向?qū)ΨQ的特征；一階 Bessel 波束沿著徑向方向是存在相位梯度，即稱為螺旋錯(cuò)位的。

圖1.2 Gaussian 波對(duì)粒子的橫向操控最初，Marston 將 Bessel 波束引入到聲學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)了 Bessel 波束作用于水下目標(biāo)物的獨(dú)特特性，因此也逐漸研究 Bessel 波束對(duì)粒子的軸向聲輻射力的作用。液體球在較大波錐角的零階 Bessel 波束作用下容易產(chǎn)生負(fù)方向的聲輻射力，Marston 將此歸因于粒子的背向散射受到極大的抑制[41]。之后，Marston 也計(jì)算了零階 Bessel 波束作用下彈性球粒子的軸向聲輻射力[42]。Zhang 和 Marston 從數(shù)值角度進(jìn)一步負(fù)聲輻射力的產(chǎn)生機(jī)理，當(dāng) cos 時(shí)將會(huì)有負(fù)聲輻射力產(chǎn)生[43]。同時(shí)，Mitri 也計(jì)算并分析 Bessel 駐波波束對(duì)不同的粒子軸向聲輻射力的作用[44-46]。之后，巴西學(xué)者 Silva 推導(dǎo)出任意波束作用下球形粒子的三維聲輻射力的計(jì)算表達(dá)式[47,48]。國(guó)內(nèi)學(xué)者，南京大學(xué)吳融融等人采用聲線法進(jìn)一步推導(dǎo)了雙層球殼粒子在高斯波作用下，不同粒子材料對(duì)產(chǎn)生的負(fù)聲輻射力的影響，認(rèn)為負(fù)軸向聲輻射力的產(chǎn)生與聲梯度力有很大的關(guān)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 李威;李駿;龔志雄;;水下任意剛性散射體對(duì)Bessel波的散射特性分析[J];物理學(xué)報(bào);2015年15期

2 孫陽(yáng);安俊英;徐海亭;;近似聲斗篷的多層介質(zhì)覆蓋水中彈性球殼的聲散射[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);2013年06期

3 李威;渠鴻飛;宋志偉;;水下彈性球體對(duì)Bessel波束散射的計(jì)算及分析[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

4 張玉玲;陶猛;范軍;;敷設(shè)吸聲材料復(fù)雜目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2009年08期

5 高華;徐海亭;;邊界積分方程法求解目標(biāo)的聲散射T矩陣[J];聲學(xué)學(xué)報(bào)(中文版);2008年05期

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1 渠鴻飛;水下彈性球體在Bessel波束下的共振散射研究[D];華中科技大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2730975