基于分波序列方法水下目标物的声散射及声辐射力特性研究

发布时间：2020-06-26 22:24

【摘要】：声波在水下传输方面具有十分重要的作用,因此在水下目标物的探测、信息传输、甚至军舰和潜艇水下作战方面等具有十分重要的作用。通常,所应用的水下声波是以平面波为主,但是平面波在水下传播时容易产生产生衍射现象以致于声场强度减弱,导致平面波传输距离有限。因此,人们寻找其它具有更加优良特性的其他波束,以弥补平面波的缺陷。近年来,Bessel波束以其优良的物理特性得到了国内外学者的广泛关注,因此Bessel波束由电磁领域逐渐应用到水下声学的范围。Bessel波束具有无衍射特性和自愈特点,并且Bessel波束相对于平面波能够在水下传播较远的距离。在工程领域,粒子或者细胞等微小物质的操控具有十分广阔的应用前景,并得到了国内外学者的广泛关注。因此,讨论Bessel波束在水下的声散射和声辐射力特性是十分必要的,本文中具体的研究工作主要体现为:第一,根据国内外学者的研究,整理并总结了零阶Bessel波束轴向入射下,刚性球、液体球和弹性球壳的水下声目标物推导过程。通过对比不同波锥角作用下的零阶Bessel波束可发现,刚性球的反向形态函数呈现明显的波浪变化,并且其远场形态函数的三维指向性图沿着轴向方向呈现回旋对称的特征;在较高的入射频率频范围内,刚性球的远场散射形态函数的指向性特征也将更加明显。除此之外,根据共振散射理论,本文给出了弹性球的共振散射形态函数,从中可发现,零阶Bessel波束以其特殊的物理特征能够很好地抑制弹性球的共振散射。第二,由于Bessel波束的轴向入射只是Bessel波束入射情况的一种特殊情况,因此本文中给出了任意阶Bessel波束在球坐标系下任意入射位置的多极展开表达式。根据该多极展开表达式,本文推到并给出了刚性球、液体球和弹性球等在任意波束入射下声场散射的统一表达式。通过对比刚性球前向散射和背向散射的目标强度可发现,刚性球在偏轴零阶Bessel波束作用下将会出现明显的低目标强度条纹带。另外,Bessel波束偏轴入射还将破坏刚性球远场散射形态函数的回旋对称特征。即使是处于共振频率的弹性球,其回旋对称的特性仍将消失,并且其指向特征也将不非常明显。第三,当声波照射到水下目标物时,入射声波和水下目标粒子会产生能量交换,以至于目标粒子呈现受到外部力的作用的现象。根据高斯散度定理,将目标物声辐射应力张量的计算由近场散射积分转换到远场散射积分,这一个数学物理方法大大地简化了声辐射力的推导和计算过程,因此本文中不仅计算了球形粒子的三维声辐射力的特征,并且还采用分波序列的方法推导并计算椭球粒子在Bessel波束入射下的声辐射力特点。负轴向声辐射力的产生与粒子的背向散射受到极大的抑制有紧密的关系,并且产生声辐射力的幅值与目标粒子的介质和外形尺寸比例有很大的关系。在阻抗匹配的情况下,较大的阻抗差异有助于增加负声辐射力的幅值。除此之外,Bessel波束的种类和入射位置对于粒子三维声辐射力的物理特征有很大的影响。本文基于分波序列方法,推导并计算了不同介质的目标物在Bessel波束照射下的声散射和声辐射力计算公式,为进一步探究Bessel波束的物理特征提供了理论支持,同时也为未来声波粒子操控等相关领域的工程应用提供了依据。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661.44
【图文】：

波束,强度分布,零阶

华中科技大学硕士学位论文一阶的 Bessel 波束，因此本文中将主要研究零阶和一阶 Bessel 波束入射的情况。由图 1.1 可以看出，零阶 Bessel 波束的声场强度在中心处最大，但是一阶 Bessel 波的声场强度是中空的。而且，无论是低阶 Bessel 波束还是高阶 Bessel 波束，其强度分布是沿着径向对称分布的。但是，需要注意，零阶 Bessel 波束的相位分布具有径向对称的特征；一阶 Bessel 波束沿着径向方向是存在相位梯度，即称为螺旋错位的。

Bessel波束,声辐射,粒子,水下目标

图1.2 Gaussian 波对粒子的横向操控最初，Marston 将 Bessel 波束引入到声学领域，发现了 Bessel 波束作用于水下目标物的独特特性，因此也逐渐研究 Bessel 波束对粒子的轴向声辐射力的作用。液体球在较大波锥角的零阶 Bessel 波束作用下容易产生负方向的声辐射力，Marston 将此归因于粒子的背向散射受到极大的抑制[41]。之后，Marston 也计算了零阶 Bessel 波束作用下弹性球粒子的轴向声辐射力[42]。Zhang 和 Marston 从数值角度进一步负声辐射力的产生机理，当 cos 时将会有负声辐射力产生[43]。同时，Mitri 也计算并分析 Bessel 驻波波束对不同的粒子轴向声辐射力的作用[44-46]。之后，巴西学者 Silva 推导出任意波束作用下球形粒子的三维声辐射力的计算表达式[47,48]。国内学者，南京大学吴融融等人采用声线法进一步推导了双层球壳粒子在高斯波作用下，不同粒子材料对产生的负声辐射力的影响，认为负轴向声辐射力的产生与声梯度力有很大的关

【参考文献】