超声波干涉及可视化实验装置研制

为了丰富大学物理声学实验内容,研制了一种多功能超声波干涉实验装置。基于空气介质设计了双振子干涉声速测量实验和半波损失验证实验。分别采用干涉声场测量法和干涉条纹移动法进行声速测量实验,并利用示波器实现了干涉声场声压分布的可视化。分别以有机玻璃、橡胶和玻璃为反射面材料,利用干涉法验证掠入射条件下的半波损失现象,并估算出掠入射角的范围。该实验装置实验现象明显、可操作性强,获评北京市第十六届大学生物理实验竞赛一等奖。

基于传递矩阵法的超声穿颅系统透射增强分析

超声穿颅技术可以实现颅内成像、脑神经刺激、颅内肿瘤消融等,是脑疾病诊断和治疗的重要工具。然而,超声穿颅时,因换能器、水、颅骨之间的阻抗失配,使得入射声场的大部分能量都被颅骨反射,导致超声穿颅效率低、颅骨表面容易升温灼伤等问题,严重阻碍了超声穿颅技术的临床推广。为提升超声穿颅效率,该文利用传递矩阵法对一维穿颅系统的声场传播进行了详细研究,发现在不考虑颅骨衰减情况下,通过在颅骨外表面增加与颅骨相同声阻抗的材料并调控其厚度,在目标频率超声穿颅效率可达100%,并且改变颅骨与换能器之间水层的厚度对超声穿颅效率没有影响。该工作为超声穿颅系统的透射增强提供了物理基础和解决方案。

傅里叶变幅杆的外形函数与性能分析

为设计振幅放大系数和形状因数均优良的变幅杆,研究了以不同阶次的傅里叶级数为振动位移函数的傅里叶变幅杆模型。推导了不同阶次傅里叶级数时变幅杆的外形函数,计算了相应的形状因数和位移节点。利用有限元方法计算了变幅杆的谐振频率、位移幅值和位移节点,并比较了其与传统变幅杆的性能优劣。结果表明:当面积系数较大时(大于3.34),阶梯形变幅杆的振幅放大系数最大,其次是二阶傅里叶、悬链线形、指数形,最小为圆锥形;圆锥形变幅杆的形状因数最大,其次是指数形、悬链线形、二阶傅里叶,最小为阶梯形。谐振频率与面积系数相同的条件下,二阶傅里叶变幅杆的振幅放大系数远大于指数形、悬链线形和圆锥形变幅杆的相应值,其形状因数远大于阶梯形变幅杆。在同时考虑振幅放大系数和形状因数的条件下,相较于传统变幅杆,二阶傅里叶变幅杆综合性能更好。

单轴压缩下不同饱和度红砂岩横波特征研究

为了研究饱和度对岩石超声波横波传播规律影响,以红砂岩为研究对象,开展不同饱和度下入射频率分别为50、100、200 kHz的超声波横波传播实验,分析饱和度及入射频率对横波声学参数变化规律。结果表明:干燥至饱和状态,横波波速随饱和度增大呈非线性下降趋势,幅值衰减系数随饱和度增大呈非线性递增趋势,均满足三次函数关系,属于高度相关;整体分析发现横波波速受饱和度变化影响大于幅值衰减系数,幅值衰减系数拟合参数能较好反映岩样物理量的变化;基于敏感性及决定系数的综合考虑,建议今后采用100 kHz作为含水砂岩超声波横波测试优势频率。研究成果可为不同饱和度下岩石超声波测试技术发展提供参考。

单芯、多芯线线圈涡流损耗仿真计算及实验研究

交流电流流过RLC谐振电路中会出现涡流,线圈电阻也将随交流频率的增加而急剧上升。由于单芯线圈与多芯线圈产生趋肤与邻近效应的机理不同,故两者的交流电阻随交流频率的增加趋势有所不同。采用谐振法测量了单芯线及多芯线中电阻与交流频率的关系,仿真计算了单芯、多芯线圈在不同交流频率下的涡流损耗,表明在高频交流情况下,多芯线圈受涡流效应的影响要高于单芯线圈。同时,实验测试与计算结果相吻合。

新型柱孔式模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统

为了改善基于螺旋槽结构和斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统存在的结构复杂、扭转分量较小等问题,论文提出了基于新型柱孔式复合变幅杆的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统,并利用有限元法和数据分析对其进行了仿真分析。结果表明,引入新型柱孔式复合变幅杆的系统的输出端面的剪切应力、旋转角度得到了大幅提升,能够有效地提高纵-扭振动的转换效率。

水工隧洞钢管衬砌脱空超声检测方法研究

钢管衬砌是水利工程隧洞常见的支护方式,采用先进的技术开展钢管衬砌脱空检测对工程质量评价十分重要。计算了钢材与水、混凝土、空气3种分界面的纵波反射系数,分析了反射波的幅度和相位变化与入射角的关系;并通过理论分析,提出利用超声多次反射波的幅度比值检测脱空的数据处理和分析方法。制作钢板厚度为1.6、3.0 cm的衬砌模型,并利用两种规格的2.5 MHz探头对模型进行检测。结果表明,脱空区的反射波幅度比值相对较高。采用脉冲回波法进行对比检测,结果证明脉冲回波法有一定的检测效果。由于钢管(钢板)与混凝土胶结程度不同,因此建议建立基准值,并划分较大的检测单元进行大量检测,以提高脱空判别的准确率。

理想流体中多孔球形粒子的声辐射力的研究

主要根据Biot-Stoll多孔介质理论,推导了平面波入射到理想流体中多孔球形粒子的声散射系数以及所受声辐射力表达式,通过数值模拟分析了开孔和闭孔情况下多孔球形粒子在不同体孔隙率、不同面孔隙率以及不同药物材料下所受的声辐射力大小,并利用有限元仿真对理论结果进行了验证.从结果可以看出体孔隙率越大,多孔粒子所受的声辐射力越大,对于不同的药物粒子,由于各类性质不同,所以相对而言所受的声辐射力的波动较大.研究为流体中粒子的声操控提供了理论基础,有助于从药物材料、孔隙率等方面改善和发展用于医学相关领域的药物操控.

含缺陷一维声子晶体斜入射声波的透射特性研究

声波在声子晶体周期结构中的传播具有能带效应,含缺陷声子晶体可在原有禁带中形成新的缺陷模式。文中通过传递矩阵法分别计算声波斜入射含缺陷和无缺陷声子晶体的全向透射谱,经对比分析发现了由固体缺陷引起的缺陷模式。在此基础上,研究了缺陷层厚度、位置对缺陷态透射率的影响。通过水下声传输实验对固体缺陷引起的缺陷模式的存在及其随角度变化的特征进行验证。实验结果表明,在含缺陷结构的全向透射谱第一Bragg禁带中存在新的透射通带,且在一定范围内随入射角度的增大,该通带对应的频率向高频方向偏移。文中完善了含缺陷一维声子晶体中斜入射声波的传播特性,为缺陷态实际应用提供了理论和实验基础。

固-固界面退化特性的超声反射评价方法

提出了一种基于有限宽超声束反射的固-固界面退化特性评价方法,从理论和数值仿真角度进行了分析和计算。将两固体界面间的薄层简化为界面弹簧模型,以界面法向和切向劲度系数表征界面的退化程度。通过数值计算求得有限宽超声纵波束在不同入射角和界面不同退化程度下的反射横波、反射纵波的镜面反射系数。进一步地,通过建立二维有限元模型,仿真研究了有限宽超声纵波束在给定入射角及界面不同退化程度下镜面反射系数的变化规律。结果表明,反射纵波和反射横波的镜面反射系数随有限宽超声纵波束的入射角及界面劲度系数的改变而变化,且存在镜面反射系数随界面劲度系数单调且敏感变化的入射角,据此可准确评价界面的退化程度。

基于梯度流固超晶格的宽频透声结构设计

为了弱化周期性流固超晶格结构通带内的吉布斯振荡,文中将结构梯度引入流固超晶格结构设计中,设计了固体层占空比呈对称线性分布的梯度流固超晶格结构(Gradient Fluid-solid Superlattice,GFSL)。基于传递矩阵方法,对GFSL结构的声传输特性进行了计算与研究。在此基础上,讨论了不同梯度参量对GFSL结构透声特性的影响,以实现对通带性能的调控,并通过有限元方法从频域和时域两个角度验证了GFSL结构的声传输特性。研究结果表明,GFSL结构能够有效消除吉布斯振荡,形成平坦的宽频通带。所提出的GFSL结构在水下高强度的超声波能量集中、声阻抗匹配及滤波等方面具有潜在的应用价值。

可视化声学实验内容的设计

通过搭建反射式V型纹影光路,实现了40 kHz超声波的可视化。利用该纹影光路设计了一系列关于声学内容的教学实验。这些内容可以直观、方便地对声学行波场的反射、衍射、准直以及一维、二维声学驻波场的力学效应进行演示探究,也可以对声场及声学器件的相关参数进行定量测量。这些实验结合了光学、声学、力学等学科内容,同时融入学科前沿应用,丰富了目前大学物理实验中传统声学实验的内容。

曲线坐标系下孔隙介质圆柱纵向表面波的传播特性

为了研究孔隙介质圆柱纵向表面波的传播规律,分析其频散和衰减特性,在正交曲线坐标系下建立了表面波的频散方程,通过数值计算得到频散曲线,将纵向导波最低模态与表面波进行对比,并分析了曲率半径及孔隙参数对表面波频散和衰减的影响。结果表明,当频率足够大时,导波最低模态的频散曲线与表面波近似;在同一频率下,表面波的相速度随曲率半径的增大而增大,随孔隙度的增大而减小;表面波的衰减随孔隙度的增大而增大。研究结果为开展孔隙介质圆柱结构的超声无损评价提供了一定的理论参考。

泡群中气泡的非线性振动和谐波响应研究

声场中泡群的非线性振动和谐波响应研究是气泡空化动力学的基础问题,本文研究了球状泡群中气泡的非线性振动、气泡的谐波响应及其影响因素。研究结果表明,球状泡群中,气泡之间的相互作用会抑制气泡振动,改变气泡振动频率,不同位置处气泡的非线性振动存在一定相位差,气泡的非线性振动强弱取决于驱动声场的声压振幅、驱动频率、单个气泡的初始半径、气泡数量等因素。球状泡群中气泡的非线性振动会激发次谐波、高次谐波和超谐波等谐波信号,谐波的种类和强度取决于泡群中单个气泡的初始半径、泡群中的气泡数量和驱动声压振幅、驱动频率等因素。

超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能影响

基于变截面杆纵振动的波动方程,推导出安装简单工具双曲过渡形复合变幅杆频率方程和放大系数的一般公式,并讨论了超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能的影响.随着工具长度和直径的增加,变幅杆谐振频率下降,应根据工具尺寸相应调整复合变幅杆末端长度,才能保证更好的谐振.推导出的一般公式为超声变幅杆及其工具的设计和使用提供了理论依据.

HHT在Lamb波检测信号分析中的应用

将一种新的超声信号处理技术用于Lamb波波形中多个模式到达时间的提取。通过将希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,简称HHT)与快速傅里叶变换(fast Fourier transform,简称FFT)、小波变换(wavelettransform,简称WT)在时频分辨率方面的比较,表明HHT能够精确识别信号中两种频率分量突变的时刻,显示了HHT方法的优越性。将HHT方法的特性用于Lamb波模式到达时间的提取,从HHT的能量-时间图上可以看出,能量峰值时刻对应着各Lamb波模式的到达时间。试验结果与理论值具有较好的一致性。

超声导波在管材中的传播特性

文中简要地介绍了近年来超声导波在管中的研究现状 ,并对导波在管中的传播特性以及管材内径与壁厚之比变化时 ,对导波频散特性的影响进行了分析。结果表明 :管材的内径与壁厚比变化时将对管中导波的模式行为产生很大的影响。当内径与壁厚之比很大时 ,圆管中波的模式行为与同厚度板中波的模式行为基本相同 。

应用探地雷达数据提取填土路基含水量的方法

目的为了从地质雷达测量数据中定量提取土路基的含水量。方法根据电磁理论和现代信号处理原理,提出了应用小波反射系数估计和层速度估计定量提取土体相对介电常数的方法,应用该方法对陕西本地的土壤介电常数和含水率进行了详细地研究并与实验测试数据相比较。结果小波反射系数估计法和层速度估计法是定量提取填土路基含水率非常有效且实用的方法。结论利用地质雷达结合土体的物理特性,可以实现公路填土路基土体含水量的无损定量检测。

各向异性堆焊结构中超声传播模拟与缺陷回波预测

奥氏体不锈钢呈现出明显声学各向异性,如何检测与评价这类材料成为声学检测领域的研究难点和热点问题。应用多高斯声束模型来研究超声换能器向各向异性圆管堆焊结构中辐射声场的特征。给出声场模型中材料各向异性系数的具体求解方法;并应用该声场模型计算超声束在有机玻璃楔块、各向异性堆焊层和低合金钢基体三层介质中的传播特征,重点分析堆焊层各向异性和圆管曲率变化两种因素对纵波声束偏转和聚焦形态的影响。进一步,将多高斯声束模型与分离变量法缺陷散射模型相结合,建立适用于各向异性圆管堆焊结构的超声测量模型,用于预测各向异性堆焊层下的横通孔缺陷回波信号。试验测量结果与模型预测结果的比较表明,两者的信号幅度和相位都符合较好。

频散瑞利波纵向衰减规律研究

理论推导了有液体层时瑞利波能量沿纵向的衰减公式，利用在金属铝板中的方形人工槽进行了相应超声实验验证，理论计算值与实验值吻合较好，并实验证实了有液体层时与无液体层时瑞利波速的差别，讨论了瑞利波衰减规律在实际检测中的作用．