多孔硅熱致超聲發(fā)射的建模研究.pdf

1、自1999年日本科學(xué)家H.Shinoda與N.Koshida等在Nature上報告發(fā)現(xiàn)了多孔硅的熱致超聲發(fā)射現(xiàn)象以來，作為一種新型的超聲產(chǎn)生方式，各國研究者對其進行大量的研究開發(fā)工作。相比于傳統(tǒng)的電-聲超聲，熱-聲超聲具有無可比擬的優(yōu)勢:較大的頻帶寬度和聲壓，較小的混響和失真，較高的探測精度和空間分辨率，可靠的脈沖信號響應(yīng)和相控陣操作等，這主要歸功于其獨特的性質(zhì)——超寬頻帶的平頻率響應(yīng)。但到目前為止，大多數(shù)科學(xué)家的工作都集中在熱聲發(fā)射特

2、性與應(yīng)用的實驗研究上，而理論研究顯得較為欠缺，只有H.Shinoda等人借鑒F.A.McDonald與G.C.Westsel，Jr的光聲效應(yīng)模型給出了一個多孔硅熱致超聲平頻率響應(yīng)聲壓計算式，及R.R.Boullosa和A.O.Santillan利用氣體熱活塞模型推導(dǎo)出熱聲換能器超聲輻射平頻響表達式。雖然這些公式抓住了熱-聲超聲發(fā)射的主要特征，但也存在著很多不足，不便于分析，因而對熱聲發(fā)射特性和規(guī)律的認(rèn)識至今仍不完全清楚。本文通過建立較為

3、嚴(yán)格的固體熱聲發(fā)射熱力耦合模型，對多孔硅熱致超聲發(fā)射現(xiàn)象進行了系統(tǒng)的研究，發(fā)展出可精確分析該超聲波產(chǎn)生新機制及特性的理論，為全面掌握其原理、特性規(guī)律和計算方法，徹底弄清諸多因素在多孔硅熱致超聲發(fā)射中的作用做了一定的努力。
　　為了適應(yīng)各種情況的需要，我們由簡單到復(fù)雜先后建立了三個熱聲發(fā)射模型，因而本論文主要分為三部分:
　　首先，為突出熱聲發(fā)射的本質(zhì)，快速掌握熱聲發(fā)射的特性與規(guī)律，我們建立了一般固體熱聲發(fā)射的基本熱力耦合模型

4、。該模型忽略了固體層的熱膨脹和表面加熱膜的熱容，只考慮流體介質(zhì)的熱力耦合，避免了繁瑣的矩陣運算。通過解的化簡得到了清晰簡潔實用的固體熱聲發(fā)射基本公式以及其最主要的特征——聲壓平頻率響應(yīng)公式及其存在的頻率區(qū)間與條件。在該模型基礎(chǔ)上，以空氣和水為代表的流體介質(zhì)對固體熱聲發(fā)射的平頻率響應(yīng)模式、頻率響應(yīng)隨距發(fā)射面距離、樣品厚度的變化、熱聲材料及其基底的性能表征與選取原則以及不同頻率下熱聲波隨距離衰減特性等基礎(chǔ)問題進行了系統(tǒng)研究。
　　其次

5、，為全面掌握各層固體材料的物性變化對熱聲發(fā)射的影響，我們建立了一固體熱聲發(fā)射多層熱力耦合模型。該模型綜合考慮材料各層的熱學(xué)、力學(xué)和幾何性質(zhì)，以及各層之間的接觸熱阻的影響，并適用于任意多層結(jié)構(gòu)固體材料在任意流體介質(zhì)中的熱聲發(fā)射研究。基于該模型，系統(tǒng)研究了加熱膜熱容、各固體層剛性、熱膨脹性對熱聲信號的影響，及固體熱振動對熱聲信號的貢獻。
　　最后，針對基本熱力耦合模型與多層熱力耦合模型的若干不足，我們更進一步，建立了一粘性流體中固體熱

6、聲發(fā)射的雙多層熱力耦合模型，使模型可應(yīng)用于非開放空間復(fù)雜流體環(huán)境下的熱聲計算。利用該模型，我們進行了海洋熱聲探測特性的初步探索。通過海水溫度、鹽度、壓力垂直方向分布的擬合公式和與這三個參數(shù)相關(guān)的海水其它熱物性參數(shù)的經(jīng)驗公式，對海洋按深度進行細(xì)致的層數(shù)劃分，解決了海洋鉛直方向上海水熱物性不斷變化對聲音傳播造成的影響問題，藉此研究了海洋熱聲發(fā)射中的海域溫度、鹽度以及深度對熱聲信號的影響、熱聲正、反向傳播及海底反射等問題。在海水中平頻響的保持