Bessel波入射下目标声散射特性及声辐射力（矩）研究

发布时间：2020-05-12 15:18

【摘要】：Bessel波具有无衍射特性和自重建性,在传播过程中能够携带轨道角动量。Bessel波因其特殊的波形结构和物理性质,在学术研究和工程应用中均具有重要的研究价值。特别在声学操控领域,如粒子捕捉,细胞筛选,芯片技术和表面化学等领域,Bessel波具有广阔的应用前景,引起了国内外学者的广泛关注。目前,声学Bessel波散射和操控的研究工作主要集中在简单目标的理论和实验模型,而对工程实践中广泛存在的复杂目标和模型的研究工作还很不足。因此,建立与发展复杂的声学Bessel波散射和操控模型显得十分必要和迫切。本文通过建立任意Bessel波入射下球形和非球形目标的散射模型,通过理论方法和数值模型研究Bessel波的散射特性和物理机理。文中推导了正入射时基于柱面波函数球谐展开的波形系数和任意入射时基于多极展开法的波形系数,得到了球形目标的散射理论解。同时,基于半解析半数值的T矩阵法,结合推导的入射波形系数,得到了求解任意目标声散射的数值模型。研究表明,特定波锥角的Bessel波正入射下,相应的弹性共振被抑制,但偏轴入射时不存在明显的共振抑制。此外,通过提出任意刚性目标的几何射线模型,准确地预报了Bessel波反向散射的物理机理;并引入亮点模型定性地解释了非球形表面在Bessel波入射下的散射强度的变化规律。结合理论推导,指出并验证了Bessel波正入射时回旋目标的散射场关于散射角和波锥角具有交换对称的特性。声场与目标之间通过声散射发生能量交换,具体体现为动量和角动量传递与转换。动量交换在宏观上表现为声场对目标施加一个辐射力,而角动量交换则为声场对目标施加一个辐射力矩,这在粒子动力学领域具有十分重要的地位。本文考虑的理想介质中不存在动量的吸收和增加,因此根据动量守恒定理,可将目标表面的近场散射积分等效到远场任意球表面上的积分,简化了理论推导和数值计算过程。基于辐射应力张量法,推导了任意波入射下笛卡尔坐标系下的三维声辐射力和力矩的理论公式,并用入射和散射波形系数给出了紧凑表达式。因此,基于分波序列法和T矩阵法计算得到的散射场,代入推导的辐射力和力矩公式,可以直接计算目标在Bessel声场中受到的力和力矩。不同于在普通平面波入射的情况,本文工作揭示了Bessel波入射下目标受到的辐射力和力矩可能存在反转现象,并揭示了相应的物理机理,这在粒子分离等领域具有重要作用。如性质相同尺寸不同的粒子,在Bessel波入射下,受声辐射力的影响部分尺寸的粒子靠近声源,而其余部分则远离声源,因此声场可将粒子按照不同尺寸分离出来。本文结合Bessel波入射下的散射模型,独立推导了一般位置入射下的声散射场和声辐射力(矩)的理论表达式,为研究Bessel波入射下声散射和相关辐射力(矩)特性研究提供了有效的手段,并通过数值计算和理论推导进一步揭示了相应的物理现象和机理。本文的研究工作表明声学Bessel波在粒子操控领域具有巨大的潜在应用,可用于设计通用的三维声学镊子数值工具箱。同时,对相关领域的理论与实验研究均具有指导和参考作用。
【图文】：

概要图,水下声,研究方法

中科技大学博士学位论文在水下传播时，，遇到不均匀的介质（如水下目标，或不同射现象。过去几十年，声散射的研究方法逐步发展和丰富ld-Waston 变换（SWT）[1]、分波序列法（也称简正级数法）包括 Kirchhoff 高频近似[4,5]，T 矩阵法[6,7]、（改进）有限元域有限差分法[13,14]等；根据声换能器和水听器的相对位置为收发分置和收发合置方法；根据信号时长分为脉冲信号法出了上述方法的分类概要图。不同的研究手段有其自身的型的声散射研究方法的部分总结, 一些文献从不同方面给出6]。

射线图

中科技大学博士学位论滞后，如 Airy 波，Lommel 波近年才开始有公开发表没找到相关的公开发表文献。X 形波和 Bessel 波的研究领域表现出潜在的应用[37,38,44]。但到目前未知，对无，比如近年来 Bessel 波的涡旋特性在粒子操纵[45]和大优势与潜力，仍需投入更多时间和精力去发展研究物理化学，微引力环境等领域成功地应用。el 波传播与散射的研究现状
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U666.7

【参考文献】