FDTD法计算刚性球形粒子离轴声辐射力

为了更精确、简便计算物体的声辐射力,应用时域有限差分算法对声波波动方程在时间和空间上进行差分离散化,通过设置有效的边界条件,完成声压场和速度场在时域上的迭代。将时域有限差分法与应力张量方程相结合,求出了二维情况下水中刚性球形粒子的声辐射力,研究了声辐射力随频率和粒子偏离高斯波束中心距离的变化关系。仿真结果表明,刚性球形粒子在高斯声场中的声辐射力随着粒子轴向偏离波束中心距离的增大而减小。当刚性球形粒子偏离波束轴时,轴向声辐射力与轴向、横向的偏移距离成反比。横向声辐射力随横向偏移距离的增加先增大后减小,在偏移波束中心两侧的距离相同时,辐射力的大小相等,方向相反。     

水中离轴球形粒子对高斯波束的声散射

将入射高斯波束用球函数展开,采用有限项级数展开的方法计算了高斯波束的波束因子,并根据声波散射理论,推导出球形粒子在偏离高斯声波轴线时散射波形函数的解析表达式,研究了高斯波束的波束宽度、离轴的距离等参数对声散射特性的影响.通过数值仿真,给出了刚性球形粒子在高斯波束作用下的散射声场的空间分布.仿真结果表明:随着波束宽度的增加,散射波形函数的幅度逐渐增大,当波束宽度为20倍的波长时,其散射波形函数曲线和平面波的完全吻合;随着粒子离轴距离和角度的增大,散射波形函数的幅度逐渐减小.该研究为利用聚焦波束实现粒子操控提供了理论依据.     

平面波斜入射时水中液体柱形粒子的声辐射力

利用声散射理论,推导了平面波斜入射时水中液体柱形粒子的声辐射力,研究了入射角变化对柱形粒子声辐射力的影响,并对水中不同液体柱形粒子的声辐射力进行了仿真。结果表明:在声波以小角度入射情况下,当ka值较小时,声辐射力几乎不随入射角变化;当ka2时,声辐射力随入射角的增加而减小。在入射角趋于纵波临界角情况下,不同材料粒子的声辐射力随ka的变化规律基本相同。     

阻抗界面附近水下刚性柱形粒子的声辐射力

利用声辐射力来操控微小粒子的技术称为声操控.声操控在材料科学、超声给药、生物物理等领域具有广泛的应用前景,是声学领域的研究热点之一.声操控的核心是对声辐射力的控制,因而对声辐射力产生机理的研究对声操控技术的发展具有重要意义.以声波理论为基础,建立了水中阻抗界面附近刚性柱形粒子声辐射力的理论计算模型,结合柱函数加性定理,推导了平面波垂直入射时,阻抗界面附近水中刚性柱形粒子声辐射力解析表达式,并对粒子位于不同位置时,阻抗边界对刚性柱形粒子声辐射力的影响进行了仿真.数值仿真结果表明,在ka值较小时,声辐射力函数受界面的影响较大,并出现负的声辐射力.在ka值较大时,声辐射力受边界的影响相对较小,随着界面反射系数的增大,声辐射力的值逐渐减小.柱形粒子距阻抗边界的距离对声辐射力有影响,随着距离的增加,辐射力出现振荡变化.改变粒子的半径,声辐射力函数出现峰值的位置也会发生改变.这项研究为界面附近粒子的声操控提供了理论基础并有助于声操控技术的改善和发展.     

阻抗边界对刚性圆柱形粒子声辐射力的影响

应用时域有限差分法建立了二维情况下水中刚性圆柱形粒子在调制高斯脉冲作用下声辐射力计算的仿真模型,研究了阻抗边界对水中刚性圆柱形粒子声辐射力的影响。仿真结果表明,低频时刚性圆柱形粒子在阻抗边界附近的声辐射力变化幅度较大,而高频时刚性圆柱形粒子的声辐射力受边界的影响较小。由于阻抗边界的影响,刚性圆柱形粒子所受的横向声辐射力随反射系数的增大而增加,轴向声辐射力随反射系数的增大而减小,声辐射力值范围处于软边界和硬边界声辐射力值之间。在刚性圆柱形粒子距离阻抗边界较近时,声辐射力受阻抗边界的影响变化幅度较大,但随着距离的增大声辐射力变化幅度减小,且最终趋于稳定。虽然不同反射系数对应的声辐射力大小不同,但受阻抗边界影响的变化趋势基本相同。     

充液柱形腔中球形粒子在高斯声场中的声辐射力

利用声学散射理论和Bessel函数在不同坐标系之间的变换关系式,推导了高斯波作用于充液柱形腔中球形粒子声辐射力的解析表达式;应用数值积分,计算了球形粒子在柱形腔中的声波散射系数,并对不同束腰半径的高斯波作用下球形粒子的声辐射力进行了仿真,得出了声辐射力随波数的变化曲线;最后通过改变球形粒子的半径,分析了柱形腔对不同尺寸粒子声辐射力的影响,并将其与无边界流体中球形粒子的声辐射力进行了对比.结果表明,当球形粒子位于充满流体的柱形腔中时,受柱形腔内壁声反射波的影响,刚性球的声辐射力出现明显的变化,在某些频率处,声辐射力的方向可以发生改变,在一些频率点出现了明显的共振峰值.研究结果对充液柱形腔中球形粒子的声操控具有一定的意义.     

基于周期性栅结构硬薄板的球体粒子声捕获

基于周期性栅结构修饰的声学硬薄板,研究了位于结构板上方的黄铜球体粒子所受到的声辐射力、粒子位置和粒子尺寸对声辐射力的影响.仿真结果表明,当外部声波入射到该非开口硬薄板体系,铜粒子与结构板的距离小于0.5d时,铜粒子将受到声拉力而被捕获,声辐射力密度随粒子尺寸的减小而增大.这种违反直觉的声拉力源于周期性结构硬薄板中无泄漏兰姆波模式所引起的集体激励.     

平面反射体的有效反射面计算

1 常见规则平面的反射声场如附图所示,设在一各向同性且材质均匀工件中,有一任意形状表面光滑平面反射体。将坐标原点取在该平面的几何中心,z轴沿其法线方向,x轴和y轴在平面内。设探头距反射体足够远且反射面的尺寸甚小于声束直径,移动探头使反射面的几何中心位于声束中心轴线上。则可认为入射到该反射面上的声波为平面波,此时,用势函数表示的反射声场为     

球体参数及柱腔对腔内胶囊球声辐射力的影响

利用声散射理论,推导了平面波作用下,无限长充液刚性柱形腔中球形胶囊声辐射力的解析表达式,分析了胶囊球的材料及柱腔的相对尺寸对胶囊粒子声辐射力的影响。仿真结果表明:由于柱形腔的影响,声辐射力的大小和方向都发生明显变化,随着相对半径的增大,声辐射力的正负起伏较显著。涂层材料对声辐射力的大小和共振模态都有影响,由于涂层材料的不同,声辐射力的曲线会出现不同的共振峰。而胶囊球的内核材料对声辐射力大小的影响较小,却对声辐射力的共振特性影响较大。随着涂层厚度变薄,声辐射力的峰值向右偏移,并出现明显的共振模态。     

基于波束级数展开的粒子椭圆高斯波束散射特性

基于矢量波函数之间的正交性等,得出了任意电磁波束的零阶场和x,y,z一阶场等粒子散射场的表达式,给出了各阶入射场展开系数与散射场展开系数的通用关系,以椭圆高斯波束为例,研究了椭圆高斯波束中粒子的散射特性,通过仿真分析了波束腰宽、照射距离等对散射特性的影响,验证了本文算法的有效性;研究表明:波束腰宽可以改善粒子的识别性能,波束中的粒子具有较强的前向后向散射特性.方法简单,为研究电磁波束的粒子散射特性探索了新的途径.     

理想流体中多孔球形粒子的声辐射力的研究

主要根据Biot-Stoll多孔介质理论,推导了平面波入射到理想流体中多孔球形粒子的声散射系数以及所受声辐射力表达式,通过数值模拟分析了开孔和闭孔情况下多孔球形粒子在不同体孔隙率、不同面孔隙率以及不同药物材料下所受的声辐射力大小,并利用有限元仿真对理论结果进行了验证.从结果可以看出体孔隙率越大,多孔粒子所受的声辐射力越大,对于不同的药物粒子,由于各类性质不同,所以相对而言所受的声辐射力的波动较大.研究为流体中粒子的声操控提供了理论基础,有助于从药物材料、孔隙率等方面改善和发展用于医学相关领域的药物操控.     

光格中二维强非局域孤子的振荡特性

利用有效粒子法，研究了折射率有纵向和横向调制的强非局域非线性介质中椭圆高斯光束的传输特性，得到了光束中心在不同调制情况下的演化规律．解析和数值结果表明：无纵向调制时，介质二相等（不相等）的横向调制频率（kx，ky，）将使初始偏离二坐标轴较小的光束中心演化具有相同（不相同）的振荡周期；当光束中心初始偏离某一坐标轴较远，若kx≠ky,光束中心将分别独立地做等幅周期振荡，但若kx=ky,光束中心周期振荡，且其振荡幅度将沿初始偏离坐标轴较小的方向逐渐指数增长而沿初始偏离坐标轴较大的方向指数衰减；当介质有纵向调制时，若纵向调制频率kz和kx，ky之间满足特定条件，则光束中心沿该横向振荡的幅度随传输距离的增加而指数增长，之后又指数减小；若不满足该频率条件，则光束中心将按不同的频率等幅周期振荡．     

液体中光击穿所激发声场的方向性

运用声学基础理论，对液体中光击穿时所激发声场进行了理论和实验研究。结果表明，当观测点与光击穿区的距离r远大于光击穿长度时，垂直于光传播方向，声脉冲信号的声压幅值最大。沿光播方向，声脉冲信号幅值最小。     

超声场中空化泡对悬浮粒子微流的影响

对无界黏性液体中刚性粒子和空化泡间的相互作用进行理论分析,得到了悬浮粒子周围的微流分布。数值结果表明:空化泡和刚性粒子间的相互作用可以影响声流速度的大小和方向,尤其是悬浮粒子周围声流速度的切线分量。当θ1(以悬浮粒子中心为原点建立的球坐标系中的分量)从0到π变化时,悬浮粒子微流切向速度大小在θ1=π/2时趋于0;悬浮粒子周围声流速度的大小和方向与其处在介质中的相对位置密切相关。空化泡半径增大时,悬浮粒子周围微流速度增大,但是当空化泡和悬浮粒子间距离增加时,悬浮粒子周围声流速度变小。     

聚合物超声塑化过程中声场模拟与实验研究

针对聚合物超声塑化过程中的超声声场分布问题,采用仿真与实验相结合的方法进行研究。基于多元高斯声束叠加理论,仿真研究聚合物超声塑化过程中的声场分布。通过自行设计制造的聚合物超声塑化检测装置,研究塑化过程中聚合物轴线处的声压分布规律。研究结果表明:实际超声声压在离工具头距离约1.5 mm处作用最强,约达1.8 MPa,其后随距离的增大而逐渐递减;在近场区,实际声压幅值不存在仿真中剧烈波动的情形,声压幅值相对稳定,在远场区,实际声压幅值接近仿真值;固态聚合物所受超声声压较大,聚合物熔融后,声压幅值降低,实际声压因受反射、透射以及衰减的影响小于仿真值。     

矩形平板和矩形阶梯板的辐射声场指向性

利用有限元方法,提取板中各微元振幅,迭代计算了平板和阶梯板所产生的辐射声场,并测试了所加工的平板和阶梯板的声场指向性。结果表明:在平板中沿x轴与平板垂直的平面,声场指向性在轴线方向存在主瓣,但是在其他方向同时存在副瓣,副瓣声能分布较多,声能分散。在阶梯板中沿x轴与阶梯板垂直的平面,声场指向性在轴线方向存在开角较小的主瓣,声能分布主要集中在轴线方向;在沿y轴与阶梯板垂直的平面,声场指向性在轴线方向也存在开角较小的主瓣,同时在轴线方向之外存在副瓣,但副瓣声能分布较少,故声能主要集中分布在轴线方向。因此,阶梯板的声场指向性优于平板指向性,实验测试与理论计算结果相吻合。     

强驻波声场中脉动速度特性

利用激光多普勒测速仪对管内空气强驻波声场中脉动速度特性进行了测量.实验结果表明:强声场对流场有很强的调制作用,使流场产生了与声波同频率的周期性脉动,且脉动幅度随着声场强度的增加而增大.管内声场强度不大时,实验值与理论值吻合较好;声场强度超过160dB后,出现了声湍流现象,实验测量值与理论计算值之间存在明显的偏差.当管内压力波幅处声场强度达到164 dB时,距离反射板130 mm位置处(sin kx=0.67)湍流脉动速度均方根值为3.50 m/s,达到了该位置处脉动速度幅值的45%,表明强驻波场声湍流脉动非常剧烈.     

侧面辐射声化学反应器的声场研究

目的 研究侧面辐射声化学反应器的声场分布.方法 从三维声波方程出发,根据声化学反应器的声学边界条件,推导其中的声压表达式.结果 声场中声压由多种简正声波和高次同相振动叠加而成.结论 声压幅值的横向分布取决于声源的振动方式,纵向分布取决于反应容器的几何尺寸、声源振动频率、液体中的声速以及液体的深度等.近场区以高次同相振动为主,声压幅值随着纵向距离的增大而迅速衰减;远场区则以简正声波为主,声压幅值随着纵向距离的增大而起伏变化.     

充液井孔内电脉冲仪声场的有限元模拟

利用有限元软件ANSYS对充液井孔内电脉冲仪声场的分布进行了数值模拟 ,计算出了井壁上不同位置以及孔眼内邻近地层处的声波波形 ,利用声波信号的幅度 (声压幅度 ) ,绘出了充液井孔内电脉冲仪的声场分布图 ,研究了电脉冲仪放电位置与射孔孔眼内邻近地层处的声波幅度间的关系。结果表明 ,沿井轴方向和井径方向上的声压幅度随着距离的增加而指数减小 ;当声源沿井轴上下移动时 ,离孔眼位置的垂直距离越大 ,孔眼内邻近地层处的声压幅度越小。这为提高电脉冲仪处理油井的效果提供了参考依据。     

充液井孔内电脉冲仪声场的有限元模拟

利用有限元软件ANSYS对充液井孔内电脉冲仪声场的分布进行了数值模拟，计算出了井壁上不同位置以及孔眼内邻近地层处的声波波形，利用声波信号的幅度(声压幅度)，绘出了充液井孔内电脉冲仪的声场分布图，研究了电脉冲仪放电位置与射孔孔眼内邻近地层处的声波幅度间的关系。结果表明，沿井轴方向和井径方向上的声压幅度随着距离的增加而指数减小；当声源沿井轴上下移动时，离孔眼位置的垂直距离越大，孔眼内邻近地层处的声压幅度越小。这为提高电脉冲仪处理油井的效果提供了参考依据。