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人工结构介质中的声波非对称透射效应的研究

孙宏祥  
【摘要】:本论文主要从事声学人工结构中声波非对称透射及其性能调控的理论和实验研究。除第一章绪论和第六章总结和展望之外,主要工作分为四个部分:1、非对称板状结构引起声波非对称透射的基本理论;2、单层非对称板状结构中声波非对称透射的研究;3、多层非对称复合结构中声波非对称增强透射的研究;4、声波非对称透射性能调控的研究。 1、非对称板状结构引起声波非对称透射的基本理论 在第二章中,主要介绍浸没在流体中一维周期性栅格与固体平板组成非对称板状结构引起的声波非对称透射效应的基本理论。首先,利用声栅衍射的基本方程,计算得到声波通过浸没在流体中一维周期性栅格的衍射特性:然后,基于弹性波的波动方程,列出流固耦合运动方程及边界条件及其势函数形式,并对流固耦合运动方程及边界条件的势函数形式进行积分变换,从而推导得到浸没在流体中固体平板的兰姆波色散方程,并计算出兰姆波的色散曲线及泄漏角度曲线,为非对称板状结构引起声非对称透射效应的物理机理分析提供理论依据。 2、单层非对称板状结构中声波非对称透射的研究 在第三章中,研究浸没在水中单层非对称板状结构的声波非对称透射效应,并分析声波非对称透射效应产生的物理机制。研究表明:单层非对称板状结构的一侧表面为周期性矩形栅格,另一侧表面为光滑平板,当声波从栅格一侧垂直入射时,栅格引起声波衍射,衍射波激发非对称板状结构产生较强的非对称兰姆波;而当声波从光滑表面一侧垂直入射时,大部分能量发生反射,激发产生的非对称兰姆波极其微弱,因此非对称兰姆波的不对称激发是声波非对称透射产生的根本原因。数值计算的声透射谱显示,声波非对称透射频带中心区域的相对透射率均达到0.9以上,显示出很好的非对称透射效果。同时,在实验上对单层非对称板状结构中声波非对称透射性能进行测量,实验测量的声透射谱与数值模拟结果符合很好。 在此基础上,研究样品中不同的结构参数对声波非对称透射性能的影响。研究表明:当样品结构参数整体缩放相同倍数时,声波非对称透射频带发生平移,且对正向声透射率、带宽及透射谱形状基本没有影响,从而实现频带可调的声非对称透射效应。该结构实现的声非对称透射效应具有宽带,频带可调,且结构简单易实现等优点。 3、多层非对称复合结构中声波非对称增强透射的研究 在第四章中,设计周期性圆柱栅格与多层平板组成的多层非对称复合结构模型,研究复合结构的声非对称增强透射效应,并分析声波非对称增强透射产生的物理机制。与其他复合结构相比,该结构激发产生的声整流比更高,正向声透射能流更强,而且集中分布在两束。研究表明:正向声透射率及声整流比的最大值分别可达到0.7和103;随着多层平板数量的增加,声整流比明显增大,而对正向声透射能流的影响较小;正向声透射能流来自于零级与士1级衍射波共同激发浸没在水中的多层平板产生的泄漏A0模,声非对称增强透射效应是由泄漏A0模的不对称激发引起。 在此基础上,在复合结构的栅格左侧引入两个倾斜反射板,将周期性栅格产生的两束反射衍射波,再次发生反射,并透过多层平板,转化为正向声透射能流。优化的复合结构产生的声非对称透射效应进一步增强,声透射率及声整流比的最大值分别可达到0.97和104。同时,在实验中分别测量复合结构及优化的复合结构中的声透射谱,实验测量与数值模拟的结果吻合很好。多层非对称复合结构实现的声非对称增强透射效应具有频带宽、转化效率高及能量损耗低等优点。 4、声波非对称透射性能调控的研究 在第五章中,研究浸没在水中的周期性圆柱栅格与双层平板组成非对称复合结构中声波非对称透射性能的调控机制。基于调节几何结构的方法,逐个改变复合结构中的各个结构参数,研究不同的结构参数对声非对称透射性能的影响。研究表明:声非对称透射频带与复合结构的栅格常数及平板厚度相关,栅格常数增大,非对称透射频带向低频移动,且幅度很大;而平板厚度增大,非对称透射频带向高频移动,但幅度较小。 在此基础上,研究复合结构中的声非对称透射频带、正向声透射率及正向透射声能流传播方向等性能的调控机制。结果表明:栅格常数增加或减小到一定程度,正向声透射率会明显降低。因此通过组合调节栅格常数与其他结构参数,研究声非对称透射频带及正向声透射率的变化趋势。栅格常数与平板厚度的组合调节对向低频或高频方向移动的声透射率有增强作用,向高频方向移动的声透射率增强尤其明显;栅格常数与圆柱直径的组合调节对向低频方向移动的声透射率增强较大;栅格常数与栅格和平板的间隔的组合调节对向高频方向移动的声透射率增强较大;当复合结构所有的结构参数同时以相同倍数变化时,声透射谱的频带发生平移,且带宽、正向声透射率等性能基本保持不变。 正向声透射能流的传播角度与非对称透射频带中A0模的泄漏角度相同,而非对称透射频带与平板厚度及栅格常数密切相关,因此,当平板厚度或栅格常数变化时,A0模的泄漏角度曲线与士1级衍射波的传播角度曲线发生平移,从而引起正向声透射能流传播角度的改变,因此,调节平板厚度或栅格常数,可以获得不同频率值在不同方向的正向声透射能流。研究线性复合结构中声非对称透射频带、正向声透射率及正向声透射能流传播角度等性能的量化调控机制,为研制新型可调控的声单通器件奠定理论基础,具有重要的科学意义和应用价值。 最后,除了上述主要内容外,本论文在附录部分叙述了攻读博士期间完成的黏弹性材料中激光热弹激励超声波的传播特征及倾斜缺陷的超声检测的研究工作,主要研究黏弹性材料构成的单层薄板、单层厚板、薄膜/基底结构中的激光激发超声波的传播特征。同时,研究激光激发瑞利波检测表面倾斜缺陷的机制,检测得到表面倾斜缺陷的位置、长度及倾斜角度,并分析缺陷的宽度及材料的黏性对激光激发瑞利波检测表面倾斜缺陷的影响。本附录部分的研究工作为不同类型的黏弹性结构中力学性能的评价及材料缺陷的无损检测提供一定的理论依据。


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