声阻抗梯度变化材料中声传播特性研究

摘要

作为一种典型的非均匀介质材料，梯度渐变特性声学介质越来越受到人们的关注。梯度渐变特性声学介质主要是通过特殊的材料制备技术，使其内部组成、物理性质或结构呈连续梯度变化，从而使介质的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。为了挖掘梯度渐变特性声学介质在减振降噪、水声探测、声学材料设计等方面的潜力，有必要对其进行深入研究，弄清声波在其中的传播规律及其声场特性，加深对介质物理性质的了解，发现一些新现象和新规律，最终基于这些规律积极开展减振降噪方面的原理性探索研究。
　　本文基于分层介质理论，提出了声阻抗梯度变化介质、周期性复合介质和声波非对称性传播介质模型，对其声学特性进行了详细研究，并通过制备相关介质试样进行了实验研究。
　　首先，对多层复合介质的声场特性进行了研究。主要基于分层介质理论，采用传递矩阵法探讨多层复合介质中的声传播问题。并在此基础上主要讨论平面波斜入时单层和多层固体介质的声学特性，重点研究每层介质阻抗不等且满足一定分布规律时介质声学特性的变化，建立起介质阻抗变化与其声学性能之间的基本关系。
　　其次，在对多层复合介质研究的基础上，对阻抗梯度变化介质及周期性介质中的声场特性进行了研究。设计了阻抗连续梯度变化的不均匀介质，建立介质中的声传播模型，在满足介质阻抗连续变化的基础上，推导了介质的阻抗变化率与声学参量之间的关系，进而对阻抗服从任意分布时阻抗梯度变化介质中声传播特性进行了研究，并对介质模型的可行性进行了仿真验证。对周期性介质声学性能的研究主要依赖于对其带隙特性的理论计算，并采用仿真计算验证算法的有效性，进一步通过改变介质的几何参数和材料参数来研究参数变化对周期性介质带隙特性的影响规律。基于以上研究内容，在周期性介质中引入阻抗梯度变化介质，提出基于阻抗梯度变化介质构建的周期性复合介质，并对其带隙特性进行了研究。又针对现有的声波单向导通结构中存在的问题，提出了利用阻抗梯度变化介质来实现声波的非对称性传播，深入研究声波非对称性传播效应的形成机理，并通过计算声整流比参数对声波非对称传播效应进行了有效评价。
　　最后，为验证本文理论与仿真研究内容的正确性开展了相应的实验研究。设计制作了阻抗梯度变化介质、周期性复合介质及声波非对称性传播结构试样，针对多种介质试样进行了水中声学特性测量研究，并对实验数据进行处理分析，获得的实验结果与理论计算结果具有较好的一致性，为声阻抗梯度变化材料在工程中的实际应用提供了理论与实验研究基础。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2多层复合介质中声传播问题研究现状

1.3梯度渐变特性声学介质的研究现状

1.4声学介质中非对称性传播研究现状

1.5周期性介质的声学特性研究

1.6目前存在的问题

1.7本文主要研究内容

第2章 多层复合介质中声场特性研究

2.1声波垂直入射时介质声场特性研究

2.2声波斜入射时介质声场特性研究

2.3仿真研究

2.4本章小结

第3章 阻抗梯度变化介质中声传播特性研究

3.1理想流体介质的基本方程

3.2阻抗梯度变化介质的设计

3.3阻抗梯度变化介质中声传播特性研究

3.4仿真研究

3.5本章小结

第4章 周期性介质的声学特性研究

4.1周期性介质基础理论研究

4.2一维周期性介质声学性能计算

4.3仿真研究

4.4基于阻抗梯度变化介质的周期性复合介质

4.5 本章小结

第5章 声波非对称性传播结构的声学特性研究

5.1现有的声波非对称性传播机理

5.2射线声学理论

5.3基于阻抗梯度变化介质的声波非对称性传播模型

5.4 本章小结

第6章 多种介质水下声学特性的实验研究

6.1实验目的

6.2实验介质的制备

6.3采用脉冲管法的水下声学性能实验研究

6.4水中声波的非对称性传播实验研究

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢