基于等效媒质法的含气泡水介质中非线性声传播特性研究

论文摘要

含气泡水介质广泛的存在于自然界中。由于空气与水的密度、声阻抗及压缩率等特性有很大的差异,往往会导致混合介质的声学特性发生显著变化,对声波的传播产生很大影响;随着水下大功率和强声源设备的应用越来越广泛,迫使对非线性声学理论的研究更加深入。本文利用等效媒质法,建立了含气泡水介质等效媒质模型。从气泡的动力学方程出发,研究气泡的动力学特性并推导了二阶和三阶近似下的气泡体积形式的振动方程;从气泡的散射截面和吸收截面、声速和衰减的频散特性以及含气泡水介质的等效非线性参数等方面研究了含气泡水介质的声学特性;利用等效密度这一等效参数,推导了含气泡水介质的非线性波动方程。为了研究声波在含气泡水介质传播过程中的非线性声场和气泡非线性振动的相互作用,提出一种有限差分数值方法综合研究气泡振动方程和非线性波动方程;通过将数值方法与贝塞尔—富比尼解、westervelt方程和解析解进行对比,证明了该数值算法的正确性。利用有限差分数值算法研究了单频声波、双波互作用、脉冲互作用、线性调频互作用以及单频与宽带互作用下的声波在含气泡水介质中的非线性传播规律。最后,为了进一步验证该数值算法的正确性,进行了声波在含气泡水介质中的声传播实验,通过将实验测量的双波激励下的和差频与仿真的结果进行对比,证明了该数值算法的正确性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 论文研究背景及意义
•   1.2 海水介质中气泡分布规律
•   1.3 含气泡水介质声传播模型研究现状
•   1.4 含气泡水介质中非线性声传播研究现状
•   1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 含气泡水介质等效媒质模型
•   2.1 引言
•   2.2 气泡非线性动力学研究
•     2.2.1 气泡振动方程
•     2.2.2 气泡体积二阶非线性振动方程
•     2.2.3 气泡体积三阶非线性振动方程
•   2.3 含气泡水介质的声学特性
•     2.3.1 气泡的散射截面和吸收截面
•     2.3.2 含气泡水介质中的有效波数理论
•     2.3.3 含气泡水介质中的声速频散
•     2.3.4 含气泡水介质中的声衰减
•     2.3.5 含气泡水介质的等效非线性参数
•   2.4 含气泡水介质的等效媒质模型
•     2.4.1 Westervelt方程
•     2.4.2 含气泡水介质的非线性方程
•   2.5 本章小结
• 第3章 有限差分数值计算方法
•   3.1 引言
•   3.2 有限差分数值计算方法
•   3.3 有限差分数值模型验证
•     3.3.1 贝塞尔-富比尼与westervelt对比
•     3.3.2 有限差分数值计算与westevelt对比
•     3.3.3 有限差分数值计算与朱解析解对比
•     3.3.4 含气泡水介质等效非线性参数验证
•     3.3.5 二阶与三阶近似下气泡振动与波动方程有限差分算法对比
•   3.4 本章小结
• 第4章 含气泡水介质中的非线性声传播规律
•   4.1 单频波激励声场规律
•   4.2 双波互作用规律
•   4.3 脉冲信号互作用规律
•   4.4 线性调频信号互作用规律
•   4.5 单频波与宽带信号互作用规律
•     4.5.1 单频波频率高于噪声频带
•     4.5.2 单频波频率在噪声频带内
•     4.5.3 有限振幅噪声与单频波的互作用
•   4.6 本章小结
• 第5章 含气泡水介质中声传播实验
•   5.1 实验概况
•     5.1.1 实验装置
•     5.1.2 实验过程
•     5.1.3 实验结果及分析
•   5.2 误差分析
•   5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨昊澎

导师: 时洁

关键词: 含气泡水介质,等效媒质法,非线性声学,有限差分,数值算法

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: O422

总页数: 95

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