声阻抗梯度变化介质声场特性研究

In recent years, the research on underwater nonlinear acoustics to which people have paid more attention, focused on how to make effective use of nonlinear effect. Appling this method to increase and to characterize nonlinear effect in underwater nonlinear acoustics, the principle of gradient acoustic impedance medium based on acoustic propagation in layered media will be presented. The numerical simulations and experiments to research nonlinear acoustic field of medium and to verify the relationship between the parameters and nonlinear effect will be conducted. The results show that this medium can increase nonlinear effect single-pass effect. The parameters of this medium can directly characterize nonlinear effect, resulting in establishing the relationship between medium and nonlinear phenomenon. This project provides a theoretical and practical foundation for underwater nonlinear acoustics, which plays an important role in defense, industrial and medical fields.

近年来水中非线性声学受到人们广泛关注，对非线性声学的研究都是围绕着如何有效利用非线性效应这一中心问题而展开的。本项目主要针对水中非线性声学领域中如何有效增强非线性效应以及如何利用介质参数对非线性效应进行表征这两个基本问题，基于分层介质中声传播理论和介质声阻抗变化对非线性效应的影响规律，建立一种声阻抗为梯度变化的介质模型，采用理论与实验研究相结合的方法，分别对该介质模型产生的非线性声场特性和介质参数与非线性效应之间的关系进行了研究，研究发现该介质模型能够有效增大水中非线性效应，实现声能流的单通效应，同时能够建立介质参数与非线性现象最直接的联系,利用介质参数能够形象直接的对非线性效应大小进行表征。本项目的研究内容为水中非线性声学的研究提供了理论和实践基础，为表征非线性效应开辟了一条新的途径，在国防、工业和医疗领域具有重要的应用价值。

阻抗梯度变化介质是通过选取具有不同特征阻抗的材料，从阻抗匹配的角度组成特性阻抗成梯度变化的介质，从而获得更好的声学性能。针对水中减振降噪中存在的问题，探讨了多层介质或复合介质中的声传播理论，研究了平面波垂直入射和斜入时单层和多层固体中的声学特性，推导了斜入射时水中多层介质的声吸收系数的计算公式，得到了介质的反射系数和吸声系数随频率入射角度和介质层的物理特性变化的基本规律。仿真发现，在设计时应尽量使表面层介质的阻抗与周围流体介质的阻抗接近，做到阻抗匹配，同时保证固体介质内部每层介质的阻抗相差不是很大，使得每层介质的阻抗能够渐进变化，从而减小声波反射。基于声波传播规律及阻抗匹配原理通过对优化设计，提出了具有阻抗连续梯度变化的的设计思路和方法，建立了阻抗梯度变化介质中的声传播模型，对其声学特性进行了研究，推导了阻抗梯度变化介质的反射、吸声系数的计算公式。通过仿真计算，将阻抗梯度变化介质与传统均匀介质的声学性能相对比，讨论各种参数的选取原则，分析了阻抗分布规律、阻抗梯度变化率、介质厚度和两侧媒质对介质声学特性的影响规律。在对周期性介质描述的基础上，对周期性介质的带隙特性进行了较为深入的研究，系统地讨论了周期性介质的材料参数和结构参数对带隙特性的影响，总结了定性的影响规律。提出了含有阻抗梯度变化介质的周期性介质，并系统的研究了其带隙特性和调控方法。研究发现含有阻抗梯度变化介质的周期性介质减小了原有的材料性质突变现象。提出利用阻抗梯度变化声学介质实现声波的单向传播，深入研究了阻抗梯度变化介质中声波的单向传输效应，从射线声学的角度分析了此种单通效应产生的机理。通过仿真研究验证了本文提出的这种单通结构具有很高的声整流比参数，显示出很好的声波非对称性传输效果。通过对介质模型中参数变化对其单通效果的影响规律研究，掌握了声波非对称传播的有效控制，结果表明该结构具有整流比高、宽带、结构简单、易于实现等特点。基于以上研究理论，进行了水下声学性能测量实验。对实验介质的制备方法和实验系统进行了介绍，制备了阻抗梯度变化介质制备了阻抗梯度变化介质、周期性介质和非对称单通结构，经过测试本文提出的制备方法是完全可行的。采用脉冲管法对介质样品的水下声学性能进行了测量，对理论算法和仿真结果进行了验证，结果表明本文的算法是完全正确的。