无衍射波束在声学领域的可行性研究

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本文研究了无衍射波束在声学领域的可行性。首先从理论上探讨了无衍射波束的可行性。基于Bessel权重函数的一般化理论模型,对以某种基带信号及其对应的相位调制信号为权重函数的无衍射声场的时空特性进行了研究,给出了平面声源条件下为产生声学定向能脉冲序列(ADEPT)所需的声源振幅分布及其辐射声场的解析表达式,计算得出了理想状况下的瞬时Bessel脉冲的声场,对理想状况下的无衍射声束进行了可行性分析。理论分析表明,理想介质条件下,满足一定形式的声源分布,激励声场具备类似光学中的无衍射特性,而对于高振幅的非线性吸收和可能伴随的冲击波形成则破坏了这样一种效果。由于这种理论的出发点为理想介质的标量波动方程,且理论分析一般只针对无限大孔径声源进行研究,距实际应用有一定的距离。为了研究真实介质中有限孔径平面声源的无衍射声场特性,需要借助一定的数值模拟手段。接下来,本文又对考虑介质热粘性吸收效果,衍射效果,非线性效果条件下的数值模拟方法进行了初步探讨,给出了非线性声学条件下无衍射声束可行性分析。采用了Hamilton M.F.等人于上世纪90年代开发的基于增强KZK方程的时域非线性声学计算模型(该模型使用目前非线性计算声学领域流行的算子分解思想),对无衍射声场进行了数值模拟。由于模型可用于模拟实际介质中任意振幅和相位分布的平面活塞和聚焦活塞声源的辐射声场,本文在计算中计入了非线性、衍射、频散和热粘性吸收作用。无衍射声束对应的声源分布是较为复杂的,模拟中须仔细根据声源参数和介质参数估计模拟计算的规模设定一定的时空步长,使用此类数值模拟方法研究无衍射声束较理论方法而言扩大了研究范围。最后,可以看出,无衍射声波在声学领域是可行的。
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