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.     

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。     

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。     

水中刚性柱在高斯声场中的声辐射力特性

以声波理论为基础,在圆柱的中心点将高斯声波用柱函数展开,计算入射高斯声波的展开系数,求解在高斯声场中柱形粒子所受声辐射力的表达式.通过数值仿真研究了频率、波束宽度、柱形粒子偏离高斯波束中心的距离等参数对声辐射力的影响.仿真结果表明:在ka1的情况下,当柱形粒子沿x轴的正方向偏离波束中心时,所受的声辐射力为负值,当柱形粒子沿x轴的负方向偏离波束中心时,所受的声辐射力为正值;ka1时,粒子所受的声辐射力随着粒子位置偏离波束中心距离的增大逐渐减小,且辐射力的方向均沿x轴的正方向;随着波束宽度的增大,声辐射力的值增大,当波束宽度相对波长较大(W0=10λ)时,高斯波束声辐射力的大小接近于平面波声场的声辐射力.     

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.     

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.     

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。     

声吸收边界附近圆柱壳自振特性分析

结合波传播法和虚源法,提出了分析声吸收边界附近圆柱壳的固有振动特性的解析方法,并考虑了声吸收边界的影响.通过与有限元仿真方法进行对比分析,验证了方法的有效性.数值计算表明:与无限域中圆柱壳固有振动特性相比较,当圆柱壳靠近声吸收边界时,圆柱壳模态频率将明显减小;声吸收边界对圆柱壳模态频率特性的影响随着壳体与边界之间距离的增大而逐渐减小,当壳体与边界之间间距大于5倍半径时,声吸收边界的影响可以忽略.此外,当圆柱壳靠近声吸收边界时,边界的声反射系数对耦合系统模态频率特性有显著影响.     

油田开发中声波阻抗界面反射系数的变化规律

利用公式推导和模型模拟方法,对油层界面的反射系数与油层声波阻抗之间的函数关系进行研究,得出油层声波阻抗变化决定的时移地震的差异振幅和差异波形特征.结果表明:油层的声波阻抗增大,该界面对应的地震反射系数增大,反之,地震反射系数减小;油层声波阻抗变化趋势(增大或减小)决定差异波形振幅幅度变化的快慢,油层声波阻抗减小比同等数值声波阻抗增大导致差异波形振幅幅度大.实际资料的处理结果验证了上述结论的可靠性.     

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.     

量子阱中不同支声子模对杂质态能量的影响

在量子阱材料中，同时考虑体声子和界面声子模对受主杂质态能级的影响，给出了受主杂质态基态结合能和不同支声子模对能量的贡献随阱宽变化的数值结果。结果表明，阱宽较大时，体声子模的作用比界面声子模的作用大，阱宽较小时，界面声子模的作用比体声子模的作用大，而整个电子－声子相互作用随阱宽的增大而减小。     

考虑坡度影响的车辆行驶动力学建模与仿真

考虑横向坡度、纵向坡度与合成坡度道路特征参数对车辆动力学与轮胎垂直载荷变化的影响,基于15自由度车辆动力学模型,建立横向坡度、纵向坡度与合成坡度车辆动力学与轮胎垂直载荷变化模型,联立转向系、制动系、动力传动系、车轮与悬架模型,构建整车行驶动力学仿真模型,并在不同横向、纵向、合成坡度以及车速下进行仿真分析比较。结果表明：横摆角速度受纵向坡度的变化影响很小,但随横向与合成坡度的增大而逐渐减小,且在相同坡度下,随着车速的增大,波动幅度增大,峰值增大;前轮侧偏角受纵向与合成坡度的变化影响很小,但随横向坡度的增大而增大;侧倾角速度随横向与合成坡度的增大而先减小后增大,且在相同纵向坡度下,随车速的增大,波动幅度增大,峰值增大。     

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。     

架空输电线路地线多点取能的功率分布特性

架空输电线路地线多点取能可以为线路的全面监测提供电源保证,同时还可以有效避免传统供电方式的弊端。地线取能可行与否的关键之一在于取能功率是否足够,有必要分析各取能点的功率分布情况。文中针对典型架空输电线路,结合理论分析与EMTP-ATP程序的仿真计算对地线多点取能时各取能点的功率分布特性进行了分析计算。结果表明,距离单点接地处最远的取能负载的功率随与前面负载的距离的增加而增加,但增幅逐渐降低并趋于稳定;而前面的负载则随该距离的增加而减小,但降幅逐渐降低并趋于稳定。同时,取能负载阻抗减小时,最后一个负载电流的变化幅度增大,而前面负载的变化幅度则减小。此外,距离单点接地处较远的取能负载功率大于较近处的负载功率。但是,取能负载位于单点接地处两侧时彼此互不影响。     

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.     

量子阱中弱耦合磁极化子的性质

采用线性组合算符及幺正变换方法,研究了无限深量子阱中弱耦合磁极化子的振动频率、基态能量和电子-LO声子相互作用能．对不同材料的量子阱进行了数值计算,结果表明：磁极化子的振动频率随回旋共振频率的增加而增大;电子-LO声子相互作用能随阱宽度的增加而单调增加,且在阱宽很小时变化显著,在阱宽较大时变化缓慢,最终趋于体材料的值;磁极化子的基态能量随阱宽和电子-声子耦合常数的增加而减小,随回旋共振频率的增加而增大．     

颗粒粒径和吸附水膜对细粒土渗透性的影响

细粒土的渗透性因受诸多因素影响而难以通过计算准确得到。对此,将其简化为单一粒径球形颗粒的堆积体,建立基于最密实状态下四方堆积方式的土颗粒堆积模型,并采用基本单元对堆积模型的几何特征进行分析。研究发现:只要堆积体和颗粒间的尺寸比超过10 000,细粒土的孔隙率就与粒径无关;但随吸附水膜的增加而减小,渗透系数随粒径减小而急剧减小,随水膜厚度增大而大体呈减小趋势,但不同粒径减小幅度不同,较大颗粒(粒径大于0.05 mm)减小幅度很小,且基本呈线性趋势,极细颗粒(粒径小于0.001 mm)减小幅度很大,且呈非线性趋势。已有渗透试验测试值验证了不同粒径和水膜厚度下渗透系数计算值的变化趋势,且黏粒渗透系数的计算值与实测值吻合很好。     

三层一维非金属薄膜材料热传导效应的研究

从声子散射模型出发,用拉普拉斯变换法得到三层一维非金属薄膜在简谐温度边界条件下温度响应的解。通过算例分析,讨论了在微尺度条件下非金属薄膜的热响应特征。计算表明,热响应温度和热传播速度随特征参数E的变化而变化。在薄膜中不同位置处,当E<0.1时,波动特性明显,最高响应温度在波的传播方向上先减小后增大;当E>0.1时,最高响应温度持续减小。当E取较大值时,热传播速度也较大,达到最大响应温度的热响应时间几乎相同。而在薄膜后表面,热传播速度随E的增大而增大。另外,当E<0.25,最大热扰动响应温度随E的增大而减小;当E>0.25时,最大热扰动响应温度随E的增大而增大。     

磁性液体密封结构中漏磁的研究

为了研究磁性液体密封结构几何参数的变化对漏磁场的影响规律,选取不同的密封间隙、极齿宽度、齿槽宽度、齿槽深度及密封级数建立物理模型,用有限元方法计算各模型的漏磁场.结果表明在密封结构的轴向和径向距离上存在某一临界值,在临界值的两侧,漏磁场磁感应强度随密封结构几种几何参数的变化趋势不同:在轴向距离大于临界值时,轴向漏磁场磁感应强度随间隙的增大而增大,随级数的增加而减小,随齿宽的增大而减小,随槽宽和槽深的增大而增大;在径向距离小于临界值时,径向漏磁场磁感应强度随间隙的增大而减小,随级数的增加而增大,随齿宽的增大而增大,随槽宽的增大而增大,随槽深的增大而减小;径向距离大于临界值时的情况与小于临界值时的情况刚好相反.     

深孔钻进中绳索取心钻杆应力的有限元分析及优化电算

钻杆折断是绳索取心钻进过程中经常发生的事故。利用ANSYS软件对深孔减压钻进时绳索取心钻杆进行了静力分析和屈曲分析,并采用VC++6.0软件开发工具编写了可视化的"绳索取心钻杆应力仿真电算"程序。结果表明:钻杆柱应力分布受钻杆规格和扭矩影响较大,受钻压影响较小。钻杆柱最大应力分布在顶部,随着钻杆长度的增加逐渐减小,至中合点后又逐渐增大;随着屈曲阶数的升高,钻杆柱的屈曲纵向变形越来越剧烈,而横向变形幅度却呈现波动状态。在距离孔口40 m内,各阶应力由大变小并逐渐稳定;在距离孔口40-1 250 m时,钻杆柱各阶应力相似;在距离孔口大于1 250 m时,钻杆柱应力变化随屈曲阶数增大越来越剧烈。仿真电算结果与有限元结果相符,验证电算程序可行。