多孔硅热致超声发射的理论研究

本工作拟对近年来发现的多孔硅表面热致超声波发射现象进行热力耦合研究，以掌握其原理、特性、规律和计算方法，发展出可全面精确分析该超声波产生新机制的理论，来弥补目前该新兴领域实验研究及应用探索缺乏深入系统的理论指导的缺憾。鉴于热致超声具有诸多传统压电超声所无法比拟的优点，其对于新型高强度宽频带超声波发生器和以其为非接触执行器集成的纳/微电子机械系统（NEMs/ MEMs）、宽频带高保真数字超声扬声器，以及微细相控阵超声波操纵技术、高空间分辨率物体三维形貌超声成像技术、新型数字信息传送技术、动物语言仿真技术等的研发具有重要意义。

本工作对以多孔硅为代表的固体热致超声发射的基础问题进行了较为系统完整的研究。由简单到复杂先后建立了两种通用固体热声发射模型，阐明了固体热声发射的机理，在理论上证明了热声发射现象并非多孔硅所独有而是固体的一个共性，其存在一主要在超声区的超宽频带的平频率响应，并给出平频响及其上、下频率限公式，以及热声的平面发射、球面与柱面发射、点源和包括相控阵在内的任意源发射的声压信号计算式，分析了热声发射的特性与规律，提出了有效热波穿透深度的概念、热声材料及其基底的性能表征方法及选取原则，研究了发射表面加热膜热容、固体材料的热膨胀及刚性对热声信号的影响，并对热声水中发射特性也进行了探索，得到了一些令人鼓舞的结果。本工作主要的创新之处与贡献可归纳为：弄清了热声发射的机理和特性，将热声发射的材料由多孔硅拓展至任意固体；热声发射的介质由气体拓展至液体；热声发射的计算由一维拓展至多维；并通过探究多孔硅热声发射随加热频率、材料厚度及空间距离的变化，发现并确定了其从技术的观点看最为重要的特性——平频响存在的频率区间与空间范围（大气与水中）；在国际上仅给出一多孔硅热致超声发射的平频响公式且还杂乱有误的情况下，构建了一较为全面的固体热声发射理论体系。热-声超声具有频带宽、声压上限高、混响小、失真小、物体形貌探测的空间分辨率高、测距精度高、易于精密阵列化操控发射、便于微系统集成、可准确复现数字化记录的动物发声等诸多常规的电-声超声所无可比拟的优点，本工作则为对其进一步的实验研究与应用探索及一些新概念仪器的研制奠定了坚实的理论基础。