低維、相控陣及腔內(nèi)聚焦熱聲發(fā)射的理論研究.pdf

1、本論文分為三部分。
　　第一部分研究低維材料熱聲發(fā)射的特性與規(guī)律。
　　近年來(lái)，隨著納米材料與納米技術(shù)的發(fā)展，碳納米管、石墨烯等低維材料相繼被作為熱聲材料而引入了熱聲領(lǐng)域。它們超低的單位熱容所帶來(lái)的高聲壓以及熱聲的寬頻帶、低失真特性使古老的熱聲技術(shù)煥發(fā)了青春，形成了目前國(guó)際上稱為Nanothermophones的研究熱點(diǎn)。但研究工作大都集中在實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，理論研究相對(duì)滯后。為對(duì)熱聲發(fā)射的特性與規(guī)律有更全面、深入的了解，我們從最

2、基本的點(diǎn)源熱聲發(fā)射研究起，由點(diǎn)到線再到面地對(duì)低維材料熱聲發(fā)射進(jìn)行系統(tǒng)研究。具體的技術(shù)路線為，先建立均質(zhì)球熱聲發(fā)射的熱力耦合模型，在推導(dǎo)出均質(zhì)球熱聲發(fā)射分析解的基礎(chǔ)上，令球的半徑趨于零和進(jìn)一步簡(jiǎn)化，得到了點(diǎn)源熱聲發(fā)射公式，再通過(guò)點(diǎn)源疊加即線與面積分，得到了統(tǒng)一的遠(yuǎn)、近場(chǎng)均適用的線源與面源熱聲發(fā)射計(jì)算式，同時(shí)也將加熱膜、基底材料、粘性耗散、熱擴(kuò)散及對(duì)流換熱諸因素加以考慮。根據(jù)所得到的這些理論公式，對(duì)以碳納米管為主的低維材料點(diǎn)、線、面熱聲發(fā)射

3、的特性及主要影響因素進(jìn)行了深入細(xì)致的分析研究，給出了低維材料熱聲場(chǎng)的聲壓隨頻率、距離、角度等的變化規(guī)律，以及近、遠(yuǎn)場(chǎng)的主要特征，即隨頻率與距離的近場(chǎng)波動(dòng)，遠(yuǎn)場(chǎng)衰減。而近場(chǎng)隨頻率的波動(dòng)正是面源熱聲有平頻響的原因。研究發(fā)現(xiàn):1）在低頻下各類熱聲場(chǎng)的聲壓都隨對(duì)數(shù)頻率近乎線性增長(zhǎng)，高頻下都會(huì)出現(xiàn)劇烈衰減。對(duì)于點(diǎn)源，聲壓的頻率響應(yīng)只有線性上升與急劇下降兩段，而對(duì)于線與面熱源則還有中間緩慢波動(dòng)上升或下降過(guò)渡段。隨著距離的增大，因趨于點(diǎn)源，中間段逐漸

4、縮小，直至消失。2）點(diǎn)源最大頻響頻率與距離的1/2方成反比。根據(jù)這一規(guī)律得到了面源可視為點(diǎn)源的判斷準(zhǔn)則。3）熱聲發(fā)射器的尺度越大，聲場(chǎng)中某一位置出現(xiàn)衰減轉(zhuǎn)折的起始頻率越小，越呈近場(chǎng)特性。4)由于在遠(yuǎn)場(chǎng)呈點(diǎn)源特性，聲壓只與施加在發(fā)射器上的總熱流有關(guān)，而與尺度大小幾乎無(wú)關(guān)。5）對(duì)于線與面源，中垂線與非中垂線方向的熱聲場(chǎng)特性有很大不同。在與中垂線成某一角度的方向上，大于一定的距離后，無(wú)論是線還是面熱源，其頻響曲線都會(huì)在某一頻率之上出現(xiàn)不隨距離

5、改變的周期性波動(dòng)，且頻率周期不隨材料變化。6）無(wú)論是近場(chǎng)還是遠(yuǎn)場(chǎng)，發(fā)射器熱容對(duì)聲壓級(jí)的影響很大。聲壓隨熱容的增大從一開(kāi)始就急劇衰減，且頻率越高，衰減得越快。因而熱容小是熱聲發(fā)射器適用的關(guān)鍵。這也是熱聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)一百多年直到近期出現(xiàn)納米熱聲發(fā)射器才引起很大關(guān)注的原因。7）對(duì)于納米熱聲發(fā)射器而言，自然對(duì)流的影響主要在1kHz以下的低頻，而熱擴(kuò)散與粘性耗散對(duì)熱聲波的衰減作用主要在100kHz以上的高頻，其最佳的工作頻率區(qū)間因而給出。

6、　　第二部分研究相控陣熱聲發(fā)射的特性與規(guī)律。
　　相控陣發(fā)射為處于不同相位的多面元的組合發(fā)射，利用干涉效應(yīng)它能使發(fā)射具有方向性且可在不轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射面的情況下改變發(fā)射的方向，從而實(shí)現(xiàn)快速聚焦掃描。近二十年來(lái)，超聲相控陣技術(shù)得到了快速發(fā)展，已廣泛用于醫(yī)學(xué)的超聲成像及工業(yè)的無(wú)損檢測(cè)。因熱聲超聲具有電聲超聲所無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，熱聲相控陣發(fā)射開(kāi)始受到重視。本工作給出了熱聲相控陣發(fā)射的計(jì)算公式并藉此研究了其定向發(fā)射與電控掃描的可行性。通過(guò)對(duì)各面元一

7、字形、田字形排列的熱聲相控陣發(fā)射的模擬研究，探討了各面元尺寸、間距、頻率、相位差分布等對(duì)發(fā)射單向性與掃描特性的影響，初步的研究結(jié)果表明:1）通過(guò)對(duì)各要素的合理安排及相位的規(guī)律分布與有序變化，可以形成主瓣0到180度方向的理想掃描。2）提高頻率，則陣列熱聲發(fā)射的方向性增強(qiáng)，但旁瓣個(gè)數(shù)會(huì)增多。頻率不能過(guò)高與過(guò)低，過(guò)高會(huì)使掃描的角度變窄，過(guò)低會(huì)削弱其方向性。3）增加面元間距，會(huì)使主瓣的聲壓降低，旁瓣的提高，削弱方向性。面元間距過(guò)大，會(huì)形成多個(gè)

8、主瓣的角度分布，也影響其方向性。4）在頻率和間距不變的情況下，增加面元的面積，效果與增加頻率類似，陣列熱聲發(fā)射的方向性也增強(qiáng)，能量更集中，但掃描的范圍變窄，且旁瓣個(gè)數(shù)增加。5）增加面元的個(gè)數(shù)，也會(huì)使發(fā)射的方向性變好，但旁瓣增多。6)陣列各面元相位分布以反對(duì)稱為好，對(duì)稱的相位分布不能形成掃描。
　　第三部分研究腔內(nèi)聚焦熱聲發(fā)射的特性與規(guī)律。
　　目前，對(duì)熱聲的研究主要是其在開(kāi)放的空間的發(fā)射，封閉空間熱聲發(fā)射的研究較為少見(jiàn)。本工

9、作通過(guò)對(duì)封閉球腔內(nèi)壁熱聲聚焦發(fā)射的建模研究，掌握了腔內(nèi)熱聲聲場(chǎng)分布、頻率響應(yīng)的模式及其變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn):1）存在一種新的由腔內(nèi)聲波干涉引起的類駐波共振頻率響應(yīng)模式。2）由于腔內(nèi)發(fā)射波與反射波的干涉，導(dǎo)致腔內(nèi)聲壓隨頻率與位置劇烈波動(dòng)，寬帶平頻率響應(yīng)，這一技術(shù)上視為開(kāi)放空間熱聲發(fā)射的最重要特性，被嚴(yán)重破壞。3）球面聚焦與類駐波共振的雙重作用，腔內(nèi)發(fā)射可產(chǎn)生遠(yuǎn)高于腔外發(fā)射的聲壓。4）增加腔內(nèi)充氣氣壓可進(jìn)一步提高熱聲發(fā)射的聲壓。5）改變氣體的種類