超声对两相液体中分散水滴作用的动力学

基于空化泡运动方程的推导方法,推导出超声激励下两相液体中分散水滴简化模型的动力学方程,并用MATLAB数值模拟,得出超声作用下不同参量对水滴半径变化的影响。发现对于声速、液体密度及粘滞系数不同的分散相液体,声速对水滴半径变化几乎没影响,液体密度和粘滞系数越小水滴半径增长幅度越大;静压越大水滴体积越不容易变化;水滴初始半径越小水滴半径变化幅度越大。对于确定的分散相液体,超声激励声压幅值越大或激励频率越低,水滴半径变化越大。通过对水滴半径变化的探索,为进一步研究超声对反相乳液作用机理提供理论依据。

超声空化场分布的动力学机理研究

超声技术在机械制造中获得了广泛的应用,其应用与声场分布有着密切的关系,精细准确地描述声场分布则是超声技术更广泛地投入实际应用中的关键。该文基于声波叠加原理和牛顿第二定律,分析了染色法生成声像图的物理原因。结果表明,在声场力的作用下,声场中的亚甲基蓝悬浮粒子总是背离声压波节(力的波腹)而向其波腹(力的波节)聚集。在声压波腹附近,超声空化效应导致原本光洁的铜版纸面变得粗糙,使得汇聚到声压波腹附近的悬浮粒子易于附着在纸面;而在声压波节附近,悬浮粒子几乎不会附着在纸面。因而铜版纸被染色的程度呈现出的"声像"形象地反映了声场强弱的分布。

低强度脉冲超声的骨骼肌修复效应及生物学机制研究进展

骨骼肌是保持人体姿态和运动机能的重要组织器官。大量研究采用低强度脉冲超声治疗骨折、骨不连、肌腱和韧带损伤等并取得了较好的效果。然而应用低强度脉冲超声进行肌肉相关疾病治疗的研究相对较少,详细的机制仍不确定。该文综合相关研究报道,介绍了应用低强度脉冲超声进行肌肉修复的生物效应和细胞、肌细胞因子和细胞内信号转导通路的超声作用机制的研究现状。对现有研究存在的问题做了分析,并对肌肉组织损伤的超声治疗和对抗的研究方向进行了展望。

超声对软物质液滴作用的动力学研究

用空化泡运动的研究方法推导出超声作用下软物质液滴在与之不相混溶液体中半径变化的运动方程,通过数值模拟探讨了超声频率、声压幅值、初始半径和界面张力系数对液滴半径变化的影响。结果发现:频率越低、声压幅值越大,液滴运动越剧烈;声压幅值小于静压时液滴只在初始半径附近做微小的稳定振动;液滴初始半径越小,液滴运动越剧烈,但初始半径大小不影响液滴最终所能达到的大小;界面张力系数的大小对超声场中液滴半径变化影响不大。

超声射频信号Nakagami参量与肌肉组织疲劳进程的相关性研究

肌肉疲劳、萎缩等肌肉功能状态的准确评估在人类健康、体育运动等领域非常重要。本课题研究肌肉组织超声射频信号所表征的肌肉微结构信息与肌肉疲劳进程之间的相关性,提出基于超声射频信号Nakagami参量的肌肉功能状态评价方法。通过有限元仿真软件进行肌肉组织模拟仿真,并对不同参量超声射频信号进行分析处理。发现Nakagami模型特征参数m值随着肌束半径的减小呈下降趋势,随着间质密度的增加呈上升趋势,随着肌束速度的增加呈下降趋势,Nakagami模型特征参数m值与肌束半径和间质密度呈正相关性,与肌束声速呈负相关性。树脂仿体与离体肌肉的实验结果表明,超声射频信号的统计特征随着树脂仿体半径增大而减小(从0.880单调下降至0.620),随着肌肉组织压缩距离的增大而增大(从0.540单调增加到1.220)。理论模拟、仿体实验和肌肉实验的结果都表明,超声射频信号的Nakagami模型特征参数m与肌肉组织不同参量间存在明显的相关性。该方法可为进一步评估肌肉功能状态提供理论参考与技术手段。

超声无损评价金属材料晶粒尺寸的研究

利用超声波来评价金属材料的晶粒尺寸,与传统的金相法相比较,超声无损评价其特点是直接性和非破坏性,因此实用性强。综述了超声波无损评价金属材料晶粒尺寸各方法的原理和研究现状,并结合超声无损检测(评价)技术的应用需求及研究现状中的不足,对超声波无损评价金属材料晶粒度方法的设计方案的优化作了展望。

基于高斯模型的多重超声回波信号重数估计

精确估计多层材料超声回波信号的重数在超声检测上有着要意义。将小波变换方法用于多层材料超声回波参数估计中,根据高斯模型以超声回波信号的小波变换为基础、利用智能人工蜂群算法,估计出多重超声回波信号的各个参数。采用Akaike Information Criterion(AIC)准则,对叠加的两重和三重超声回波信号的重数进行估计。仿真结果表明,本算法可以实现多重超声回波信号重数的有效估计。用实验测试获得的回波对算法的性能进行了验证,结果证明了该算法的可行性和实用性。

瓷套式电缆终端油位的超声检测

在对超声波在陶瓷/硅油界面、陶瓷/空气界面的声压反射率、声强透射率进行理论分析的基础上,实验研究了陶瓷/硅油界面、陶瓷/空气界面超声反射回波特征。研究发现,相同检测条件下,陶瓷/空气界面比陶瓷/硅油界面超声第一次界面回波高度高出约2d B,耦合状态易淹没这种差异。但是,两种界面的多次界面回波总体规律性却比较明显,超声波在陶瓷/硅油界面的衰减较陶瓷/空气界面大很多。在上述研究结果的基础上,文中提出了基于界面回波衰减规律确定界面性质进而确定液位高度的超声液位检测方法,并指出了该方法应用于实际生产需深入研究的内容。

基于人工蜂群算法的超声回波参数估计

将适用于求解组合优化问题和连续优化问题的人工蜂群算法运用于超声回波的非线性高斯模型,提出了一种基于人工蜂群算法的超声回波参数估计新方法,给出了算法的基本步骤,并在不同初始条件下对算法的性能进行了仿真。仿真结果表明,该算法的估计精度与初始值的选择无关,不仅能成功估计出超声回波模型的各个参数,而且可在全局范围内取得最优解,与超声回波参数估计的蚂蚁算法相比,该算法具有收敛速度快,运行时间短,鲁棒性好,可进行实时处理的优点。

功率超声换能振动系统的优化设计及其研究进展

分析了功率超声换能振动系统的工程设计问题,探讨了在不同负载条件下,影响功率超声换能器电声效率的关键因素,并给出了具有指导性的设计原则,为功率超声换能振动系统的优化设计和性能改善提供设计指南和指导措施.并对近期发展的功率超声振动系统进行了分析和综述,重点阐述了两种新型功率超声振动系统,即三维全方位超声辐射换能器以及径向夹心式压电陶瓷复合换能器,对其设计方法和性能优化进行了总结.

多自由度超声波电机及其转子支持机构研究

应用有限元方法,设计和制作了一种能实现机器关节的多自由度超声电机.给出了一种正交轴承法转子支持机构,用于实现转子在机器手指关节中的应用.该电机定子由一个压电多层纵振子和一个夹心式弯曲振动换能器组成.多层振子较低电压下可在竖直方向产生较大振动位移.夹心式弯曲振子由两个纵向振动压电片和四个铜电极组成.在夹心振子上施加具有一定相位差的电压信号,会产生两个相互正交的弯曲振动.通过激励定子3种不同振动模式,可驱动位于定子表面的转子产生多自由度转动.测试结果表明:以多自由度超声电机作为驱动源,采用正交轴承法转子支持机构,可以有效增加机器手指关节的运动自由度.

塑料和聚合物的超声焊接

从塑料和聚合物的特性、塑料焊接方法分类、焊接的基本步骤、焊接特点方面介绍了塑料和聚合物的超声焊接。一般认为,超声焊接的研究内容主要是研究与超声有关的焊接声参数方面的问题。其实,在国外更多地是从材料方面研究焊件在焊接过程中物理性能的变化,对此做了较详尽的介绍。超声波在热塑性粘弹性介质中传播相对于金属介质来说有较大耗损,文中也介绍了测定粘弹性介质复杨氏模量的基本方法。

一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器

基于传统夹心式压电陶瓷换能器,提出了一种新型级联式高强度功率超声换能器。该换能器由多个半波长夹心式压电陶瓷换能器通过电端并联及机械端串联而成。基于一维理论,得出了换能器的六端机电等效电路,分析了换能器的电阻抗频率特性,并给出换能器的共振频率方程。研究了不同振动模态下,换能器的共振频率、反共振频率以及有效机电耦合系数与压电陶瓷晶堆间距的依赖关系。实验制造2个级联式功率超声换能器,并对其共振频率和有效机电耦合系数进行了测试,实验结果与理论分析相吻合。此类级联式高强度功率超声换能器可望在超声波液体处理、超声波加工等大功率超声技术中获得应用。

声场与磁场作用下磁流体中气泡的动力学特性

以磁性液体为工作介质,利用无量纲化气泡的RP控制方程,模拟分析了无量纲化的磁场强度和无量纲化的声波频率、声压幅值的变化对气泡运动特性的影响。结果表明:磁场的存在影响声波作用下气泡的运动特性,低磁场强度有利于提高声空化处理效果;并且在气泡压缩阶段施加磁场时,磁场越强越有利于空化发生,本文结果对于提高和改进空化降解有机污染物的技术具有指导意义。

超声场中空化泡对悬浮粒子微流的影响

对无界黏性液体中刚性粒子和空化泡间的相互作用进行理论分析,得到了悬浮粒子周围的微流分布。数值结果表明:空化泡和刚性粒子间的相互作用可以影响声流速度的大小和方向,尤其是悬浮粒子周围声流速度的切线分量。当θ1(以悬浮粒子中心为原点建立的球坐标系中的分量)从0到π变化时,悬浮粒子微流切向速度大小在θ1=π/2时趋于0;悬浮粒子周围声流速度的大小和方向与其处在介质中的相对位置密切相关。空化泡半径增大时,悬浮粒子周围微流速度增大,但是当空化泡和悬浮粒子间距离增加时,悬浮粒子周围声流速度变小。

圆柱形切向极化复合压电超声换能器

设计了一种圆柱形切向极化复合压电超声换能器,这种复合换能器由金属薄壁圆管和切向极化压电陶瓷圆管组成.根据金属薄壁圆管径向振动的等效电路以及切向极化压电陶瓷圆管径向振动的等效电路,推导了该复合换能器的等效电路图,根据等效电路给出了换能器的谐振频率和反谐振频率的计算公式.并应用有限元数值分析方法,建立复合换能器的有限元模型,分析了复合换能器的振动模态和最优结构参数.并根据数值分析结果,设计和制作了圆柱形切向极化复合压电超声换能器,运用阻抗分析仪对换能器的阻抗特性进行了实验测试.分别由三种方法得到了圆柱形切向极化复合压电超声换能器的导纳与频率关系曲线,谐振频率及反谐振频率.经过比较三种方法的结果,等效电路方法得出的谐振频率和反谐振频率与有限元仿真结果和实验结果一致.

超声修复有记忆性铅蓄电池研究

应用超声空化原理对有记忆性铅蓄电池进行修复,采用对比法实验方法:在充电过程、放电过程以及静置三种状态下对有记忆性铅蓄电池进行超声处理,研究修复有记忆性铅蓄电池的较佳超声处理方式;在该方式下进行不同时间的超声处理,研究较佳超声处理时间。得出超声修复有记忆性铅蓄电池的较佳条件为静置状态下超声处理60 min。

超声在液体中的非线性传播及反常衰减

本文从广义的Navier-Stokes流体方程出发,考虑到流体介质的黏滞性和存在的热传导,导出了更接近实际流体的三维非线性声波动方程.鉴于声传播所涉及的空间和时间尺度的复杂性和多样性,文中针对一维情形下的非线性波动方程进行了求解和分析.由方程的二级近似解可以看出,声压振幅的衰减遵循几何级数规律,而且驱动声波的频率越高声压的衰减就越快.在满足条件ωb<<ρ0c02时,基波的衰减系数与驱动频率的平方及耗散系数的乘积成正比;二次谐波的衰减规律更加复杂,与频率的更高次幂相关.对声衰减系数及声压的分布进行数值计算发现,声压的分布还与初始的声压幅值及频率有关,初始的声压与频率越高衰减得越快.另外,当声压高于液体的空化阈值时,液体中就会出现大量的空化泡,文中模拟了单个空化泡的运动,发现随着声压的增大空化泡的振动越剧烈、空化泡所受的黏滞力变大,随着声波作用时间的增大黏滞力的幅值迅速增大并与驱动声压值同阶,因而空化泡的非线性径向运动引起的声衰减不容忽视.结果表明,驱动声压越高在空化区域附近引起的声衰减越快、输出的声压越低.

受力腓肠肌剪切波速度的超声检测

肌肉组织受力时的弹性特征变化,是其功能特性、健康状态的重要评估参量。该文利用在离体肌肉组织表面施加低频振动引起组织发生形变,在组织内部产生剪切波的方法,经过快速超声成像,通过剪切波图像估计剪切波的传播速度。研究结果表明顺肌纤维方向传播的剪切波速度快于垂直肌纤维方向传播的剪切波速度,剪切波的传播速度随受力的增加而变大,且顺肌纤维方向传播的剪切波速度与受力大小呈正相关。探讨肌纤维不同方向上的剪切波速度,为肌肉组织的病变及疲劳状态的检测和评估提供了参考。

不同激励方式对有界空间超声场分布的影响

根据波的叠加原理分析了矩形空间的超声场分布,并对不同激励方式下的声场分布进行了实验研究。结果发现:单频正弦信号激励时,声源频率越高,声场分布越均匀;多频合成信号激励时,由于声波间的不相干性,声场的空间均匀性比单频信号激励时有显著改善,且频率越高,改善效果越明显。研究表明:就改善声场均匀性而言,应结合超声系统的谐振特性合理选择合成信号的带宽。