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科学通报
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夏建白

旬刊

0023-074X

csb@scichina.org

010-64036120

100717

北京东城区东黄城根北街16号

科学通报/Journal Chinese Science BulletinCSCD北大核心CSTPCDEISCI
查看更多>>《科学通报》创刊于1950年，是中国科学院主办、中国科学杂志社承办的自然科学综合性学术刊物，报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性和和高水平的、具有重要意义的最新研究成果，要求文章的可读性强，能在一个比较宽范的学术领域产生深刻的影响。我们的目标是：成为国内外读者了解中国乃至世界范围的自然科学各研究领域最新成果的主要窗口之一。《科学通报》进入了国际上主要检索系统，如CA，EI，日本《科技速报》和美国科学信息研究所（ISI）的以下系统：Science Citation Index(SCI-CDE)，SCISearch，Current Contents(PC&E)和Research Alert。
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    非厄米拓扑声学中新奇物态的研究进展

    顾仲明郭佳敏祝捷
    3428-3436页
    查看更多>>摘要：声波作为信息和能量的载体,在国民经济发展和国家安全建设中有着重要的作用.近些年来,声学与其他学科进行深度交叉,产生了许多新兴的研究热点.其中,非厄米拓扑声学的研究是一个快速发展的前沿领域,得到了科研人员的广泛关注.非厄米拓扑声学利用声学结构探索和发现非厄米拓扑物理的内涵,一方面,可以利用宏观经典平台较为便利地构建和表征新奇的物态;另一方面,可以加深认识并丰富声波调控的手段,以期反哺声学器件设计.本文综述了近期该领域取得的研究进展,重点介绍了非厄米性调制的声拓扑态、非厄米性单独引起的声拓扑态和声学非厄米趋肤效应三个方面的工作.最后,我们对非厄米拓扑声学研究面临的挑战作了简单讨论,并展望了未来可能的研究方向.

    非厄米声学拓扑声学声学超构材料声子晶体

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    光声骨检测研究进展

    封婷解维娅徐文逸高雅...
    3437-3454页
    查看更多>>摘要：光声成像及检测技术兼具生物组织对光的选择吸收特性及超声波的穿透深度优势,可提供生物组织的宏观生理结构和微观分子层面的影像信息,在医学检测中有着巨大的应用潜力.其中,光声骨成像及检测技术是光声成像临床应用领域的重要分支.然而,骨组织是固液两相复杂介质(固相为矿化的骨小梁网络,液相为嵌入的骨髓),这种各向异性的非均匀结构使得基于光声技术的骨组织表征方法面临很大挑战.本文系统讨论了面向复杂骨组织的光声检测及成像机制,包括光声在骨组织中的产生及传播理论、光声谱分析方法、光声骨成像方法及临床应用研究.针对现有的技术研究现状,分析了光声骨成像及检测领域当前所面临的挑战,展望了未来的发展趋势.

    光声成像复杂介质骨代谢功能骨微结构

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    Kekulé调制声子晶体中的赝表面狄拉克涡旋拓扑态

    刘翊贤张志旺程营刘晓峻...
    3455-3463页
    查看更多>>摘要：近年来,拓扑学的概念被引入到声学系统,声学超材料以及声子晶体中的拓扑效应被广泛研究.其中,声学拓扑边界传输模式具有低损耗、背向散射抑制的特性和良好的鲁棒性,在声信号探测、噪声控制等方面拥有较大的应用潜力.近期,高度局域在狄拉克涡旋处的零维拓扑束缚态在多种物理系统中被发现,成为相关领域的研究热点.但是现有研究中的声学结构大多受限于二维空间,自由空间中亚波长尺度的狄拉克涡旋拓扑态亟待探索.本文基于声赝表面波实现了自由空间中的类马约拉纳束缚态,即通过在硬质基板上排布蜂窝晶格阵列的空气圆柱孔,并在系统中施加一个与格点位置相关的Kekulé调制,产生了局域在结构表面和涡旋中心的声学拓扑束缚态;证明了这种拓扑束缚态的频率固定在狄拉克频率处,且不受Kekulé调制幅度的影响.此外,进一步分别引入粒子空穴对称性保护和破缺的缺陷,验证了这种特殊的拓扑束缚态在粒子空穴对称性保护时对缺陷具有较好的鲁棒性.本研究在基于声能局域和捕获的新型声学功能器件的设计方面具有潜在的应用前景.

    声学超材料声子晶体Kekulé调制零维拓扑束缚态

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    基于遗传算法设计超薄超声平面透镜

    林梓彬祝少博彭玉桂祝雪丰...
    3464-3471页
    查看更多>>摘要：本文从目标超声声场分布出发,基于遗传算法和有限元模拟对超声平面透镜进行结构优化设计.通过迭代二进制编码后的声学人工结构单胞参数,得到所需超声平面透镜的结构模型,数值模拟了透射聚焦声场旁瓣抑制效果.利用波束聚焦过程中产生的多点聚焦和旁瓣分布控制,进一步优化设计出一种超声声瓶束.本文提出的逆向优化设计方法可用于实现基于声学人工结构的水下透射声场精准调控.该方法有望简化定制用途的超声平面透镜设计流程,为基于声学人工结构的超声成像、声辐射力操控器件提供了一种简洁、高效的设计思路和方法.

    声学人工结构超声平面透镜遗传算法波束聚焦

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    基于螺旋形超材料的宽带心肺音听诊器件

    陈政吉刘京京梁彬杨京...
    3472-3481页
    查看更多>>摘要：圆柱管听诊器具有结构简单、价格低廉、适用范围广等优势,但其尺寸通常较大,且工作频带难以覆盖心肺音频率范围.本文基于螺旋形超材料提出了一种圆柱形的心肺音听诊器件的设计理论,其尺寸可满足便携性要求(长度约1/5波长),且工作频带能有效覆盖典型心肺音频率范围(20～1000Hz).所设计器件的基本工作原理是利用内置的螺旋形超材料增加声波的传播路径长度,使不同频率下的等效声折射率均得到显著提升,从而在有效缩减结构尺寸的同时保持极宽的工作频带.基于等效媒质理论,对该结构中的声传播过程进行了理论分析,研究了其等效声学参数及灵敏度增益在不同频率下的变化特性,并通过有限元方法进行了验证.理论和仿真结果能够很好吻合,证明所设计的心肺音听诊器在20～1000Hz的宽频带内产生了平均10dB的灵敏度提升.基于此,进一步分析了热黏滞损耗和结构参数变化对该器件的灵敏度和工作带宽的影响规律.最后,制备了心肺音听诊器样品并对其声学性能进行了实验测量,结果表明心肺音听诊器相比于圆柱管听诊器在20～1000Hz全频带具有更高的灵敏度,在330～820Hz频段的平均增益能够达到10dB.本研究所设计的心肺音听诊器件具有灵敏度高、工作带宽大、设计简单、结构强度高、材质选择自由、鲁棒性等特性,为心肺音听诊器件的设计提供了新的思路,在医学临床诊断和声学传感等领域具有广泛的应用前景.

    螺旋形超材料宽带传感心肺音听诊高灵敏度

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    基于内嵌管和不同腔深构型的蜂窝型声衬

    邱昇丁华陆彤玮刘珊珊...
    3482-3490页
    查看更多>>摘要：具有良好吸声和机械性能的蜂窝吸声结构在航空工程领域应用广泛.微穿孔板与蜂窝型背腔相结合的复合结构是目前实现吸声降噪声衬设计的主要形式.本文所设计的声衬结构引入了内嵌管及不同腔深设计的蜂窝腔体,以亚波长的厚度实现了低频宽带的高效吸声.在理论上建立了含有内嵌管的不同深度蜂窝腔体声衬的理论模型,揭示了该构型的并联耦合吸声机制,设计了厚度为35、45和51mm的3个吸声结构,分别在400～600、400～800、600-1600Hz频带内实现了平均吸声系数超过0.9的高效宽频吸声.理论、仿真与实验结果吻合较好.内嵌管和腔深各异的构型为声衬设计提供了更高的自由度.该声衬轻薄简单的结构具有良好的工程应用前景.

    宽带吸声内嵌管不同深度蜂窝腔亚波长厚度

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    本征各向异性对地震波频散、衰减与频变各向异性的影响

    郭俊鑫曹呈浩陈晓非廖建平...
    3491-3505页
    查看更多>>摘要：层间波致流体流动是饱和流体孔隙层状介质中地震波频散、衰减与频变各向异性的重要机制,目前已提出较多模型对其进行定量表征.然而,现有模型忽略了层状介质中各层本身可具有的各向异性特征(即本征各向异性).对此,本文基于Biot孔弹性理论推导了由横向各向同性饱和流体孔隙地层组成的层状介质中地震波频散、衰减与频变各向异性的近似理论模型.同时,为验证理论模型,开展了数值模拟与理论模型的对比,两者吻合良好.利用理论模型,分析了4种情况(流体性质不同、骨架性质不同及两者之间的两种不同组合)下本征各向异性的影响.结果表明,对于气层与水层交互形成的层状介质,含水层的本征各向异性对地震波的频散、衰减与频变各向异性影响最大,而对于含高孔薄层的层状介质,背景基质本征各向异性与流体分布起主要影响.本文构建的模型简洁易用,在页岩或致密砂岩等具有明显层理特征的储层中应用前景广阔.

    本征各向异性波致流体流动孔隙层状介质地震频散与衰减地震频变各向异性

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    致密砂岩层系多尺度波耗散规律及双重分形结构模型

    马汝鹏巴晶符力耘
    3506-3517页
    查看更多>>摘要：了解地层岩石的多尺度非均质性特征对不同频率弹性波响应的影响,对基于地震资料解释与反演地下介质属性至关重要.本文联合采用超声波实验(550kHz)、声波测井(约10kHz)和地震勘探(约30Hz)手段,对鄂尔多斯盆地延长组致密岩石开展观测,估算了不同频率下致密砂岩中的纵波传播速度和衰减.超声波观测结果显示,随着围压增大,孔隙度对衰减的影响有变小的趋势,而黏土含量的影响随围压增大而增大.不同频率范围内,波速和衰减随孔隙度或黏土含量的变化趋势基本一致.测量结果中值及分布特征显示,从超声波到地震频段,纵波速度趋于下降,而衰减却有增大趋势.从超声波到声波频段,速度减小更为显著,中值减小了362m/s;而测井速度与地震观测结果较为接近.衰减在声波和地震频率之间的差异更为明显.为解释多尺度观测数据,提出了描述孔隙介质中裂隙和黏土尺寸具有自相似分布特征的双重分形结构模型.模型预测与实验结果对比揭示了相关储层黏土包体和裂隙的分形特征.本研究可为进一步解释复杂岩石宽频带波频散和非弹性现象提供理论模型.

    致密砂岩纵波速度和衰减多尺度分形孔隙-裂隙结构非均质性

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    基于Biot熵流的孔隙介质热弛豫效应

    邓武兵李念琪符力耘
    3518-3528页
    查看更多>>摘要：固体岩石中的热弛豫效应被广泛接受,并可通过热弹和热孔弹模型来描述.同样,在微裂缝、孔隙流体、干酪根、沥青和其他有机质等软物质中也可以观察到热弛豫现象.与固体岩石相比,软物质对温度更敏感.目前已有大量文献表明软物质物理性质具有很强的温度依赖性,对介质的相速度和衰减具有明显影响,但相关理论研究稍显不足.本文利用Biot熵流参数替代温度扰动来重构现有的热弹和热孔弹模型.Biot的熵流和矩阵表示法揭示了热弹与孔弹之间的物理差异和数学相似性.这种相似性有助于多孔介质与热弹介质研究结果的相互转换.利用矩阵方程和Biot熵流,并结合喷射流动机理,本文建立了热-孔弹喷射流模型(thermoporo-squirt-flow model,TPSF).通过求解线性特征值问题,本文对TPSF模型进行了平面波分析,得到了TPSF速度频散和衰减特征与温度之间的依赖关系.与热弹及热孔弹模型相比,TPSF模型在相对较低的频率下有更显著的衰减和频散现象.数值分析表明,对温度较为敏感的软物质是影响TPSF模型波速频散和衰减的主要因素.饱和盐水致密砂岩实验数据解释证实了多孔介质TPSF模型具有一定的实用价值.多孔介质热弛豫效应研究与高温、高压地震岩石物理研究领域密切相关,可以为地热勘探、稠油热采等领域提供理论支撑.

    Biot熵流热弛豫喷射流孔弹热弹

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    含随机指向狭缝流体饱和岩石中的弹性波

    宋永佳胡恒山
    3529-3542页
    查看更多>>摘要：波致扩散被认为是引起地震波频散和衰减的主要原因之一,它也可以看作是弹性波遇夹杂通过模式转换产生的散射慢纵波.本文将流体饱和孔隙介质中狭缝对弹性波的散射问题归结为位错密度的积分方程,结合散射问题的严格数学解和Foldy-Lax均匀化格式,建立了含随机指向狭缝流体饱和岩石的等效黏弹性模型.为消除求解积分方程耗时较长、不便于反演应用的缺点,本文基于散射远场的低、高频渐近解,利用分支函数近似法建立了背景岩石弹性和渗透率、孔隙流体性质、狭缝参数以及频率与等效黏弹性模量的简单显式函数关系.研究表明,在波致扩散主导的频段内,横波具有与纵波同量级的速度频散和衰减.横波衰减随流体体积模量增加而单调增加,而纵波先增加、后降低.此外,低频纵波速度对流体体积模量敏感,而横波速度对流体模量变化不敏感,说明含裂缝孔隙介质中同样满足流体替代方程.流度主要影响纵横波的峰频,这与定向狭缝的情况相同.本文模型克服了双孔模型不能预测横波速度频散和衰减的局限性,所得结论为联合利用纵、横波特性提取岩石裂缝参数和流体性质提供了理论基础.

    狭缝孔隙岩石双孔结构频散衰减

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