水下声学超表面异常折射方向调控研究

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折射现象,揭示了频率以及声波入射角对声学超表面异常折射现象的影响规律,制备了声学超表面实物在水箱中对理论结果进行验证。结果表明:在入射波频率为基频的整数倍时,超表面模型可以实现折射角相同的异常折射现象,并且入射角在一定范围内可以实现负折射现象。实验测量了水中钢板和超表面的折射情况,相较于均匀介质,在不同入射角度下设计的超表面均可以实现异常折射,并且测量值与理论值吻合较好。

利用声强比衰减原理探究角位移法声源定位系统

设计了一种利用声强衰减规律进行三维声源定位的实验方法,声源定位主要通过测量声源相对探源中心的距离、方向和高度实现。利用声强比呈对数衰减的原理,推导了声波强度在空气中的衰减规律与声源距离的关系式;设计了一种角位移法测量声源方向,并给出了角位移大小与声强比到达峰值时的时间之间的关系式;通过电控升降平台,测定了声源到参考平台水平面的高度。并制作了在1立方米范围内的三维声源定位实验装置,实验结果表明,本实验装置在二维平面内,声源距离测量的最大相对误差为2.3%,方位角测量的最大误差为1.6°;在三维空间内,声源距离测量的最大相对误差为2.9%,高度测量的最大相对误差为4.9%,方位角测量的最大误差为0.8°,通过实验证明了本实验系统定位效果较好。

车内单座椅局部区域有源噪声控制研究

目前,汽车局部区域降噪主要通过有源降噪头枕来降低人耳处的噪声,但乘客的移动会影响降噪效果.结合人头跟踪系统可解决这一问题,代价是增加系统的复杂性和成本.以车门扬声器为次级声源,在副驾驶位置乘客头部周围较大的区域进行局部降噪,并优化误差传感策略提升其降噪性能.首先,建立轻度阻尼边界的闭空间声场有限元模型;然后,基于该模型研究了某一局部区域内取得3 dB降噪效果的频率上限、误差点数量和位置对降噪效果的影响以及误差点布放的优化问题;最后,在典型城市道路上进行不同车速下的有源噪声控制实验.结果表明,车速为50,60和80 km·h^(-1)时,副驾驶头部区域内(0.4 m×0.4 m×0.2 m)3 dB降噪的频率上限约为370 Hz,误差点位置对降噪效果有较大影响.采用遗传算法优化误差点选择可提高降噪性能,使用12个优选误差点即可达到使用75个均匀布放误差点的降噪效果.

高声强双层穿孔结构的吸声计算

对高声强下不同的穿孔结构非线性声阻抗模型进行比较,分析入射声压对穿孔吸声结构声阻抗的影响,并提出双层穿孔结构的改进传递矩阵法。不同声阻抗模型的实验和计算结果表明,入射声压级小于140 dB时,Park模型和Maa模型的计算结果与实验数据吻合良好;入射声压级为140~150 dB时,Laly模型的计算结果更接近实验结果。对于高声强下的双层及多层穿孔结构,在所提出的改进传递矩阵法中,根据传递矩阵计算得到各层板表面声压级,每层穿孔的声阻抗根据声压级和穿孔参数进行计算,进而得到总声阻抗。结果表明,入射声压级为120~150 dB时,双层穿孔结构的改进传递矩阵法计算结果与实验数据吻合良好。

声波导单模光纤中后向受激布里渊散射的声模分析

本文推导了单模光纤中的声波亥姆霍兹方程,利用分离变量法求解并获得正规声波导导模的特征方程,定义了声模的归一化频率,结合贝塞尔函数的宗量近似分析了声波模式的特征值范围、截止频率和远离截止,探讨了声模的色散和布里渊增益谱的多峰成因.研究结果表明单模光纤中纵向声波基模L01模无截止,主要被限制在纤芯中,与光基模耦合形成布里渊增益谱的主峰;高阶声模都存在低频截止,在包层分布比基模多,与LP_(01)模耦合形成布里渊增益谱的次峰.只有纵向L_(0n)声模对后向布里渊增益谱有贡献,纤芯掺锗浓度增大能使布里渊增益谱发生红移,声模数量增多,L_(01)模的增益峰值逐渐变大而高阶模的贡献减小.泵浦波长为1.55μm,纤芯掺锗浓度3.65%、纤芯半径4.2μm的单模光纤存在4个L_(0n)和16个L_(mn)(m>0)声模,声模L_(01),L_(03),L_(04)与光模LP_(01)声光耦合产生布里渊增益谱的1个主峰和2个弱峰;纤芯掺锗浓度15%,纤芯半径1.3μm的单模光纤存在3个L_(0n)模和7个L_(mn)(m>0)模,L_(01),L_(02),L_(03)模与LP_(01)模声光耦合使得布里渊增益谱呈现3个主峰.这些结论可以完全解释相应的实验现象,也为光纤SBS声波导研究及应用提供理论参考.

直角凸壁面附近非对称位置的空泡动力学行为实验研究

空化破坏现象在核电厂中广泛存在。为了更深入地揭示空化破坏的机理,本文借助高速摄影实验系统,研究了直角凸壁面附近非对称位置空泡的动力学行为。具体分析了空泡的轮廓变形,形心的移动距离和方向,以及空泡射流的方向随着空泡与壁面相对位置d、h的变化规律。本文主要结论如下:(1)空泡的变形与空泡和固体壁面的相对位置d、h有关。随着空泡与右壁面的距离d的增大,空泡的非对称性越来越弱。随着空泡与上壁面的距离h的增大,在整个空泡的动力学过程中空泡的非球形特征逐渐减弱。(2)在空泡的溃灭和再生长过程中,空泡形心会持续地向左下方移动,且形心向左移动的距离随着d和h的增大而明显减小。(3)当空泡与上壁面的距离h适当时,会产生明显的斜向左下方的射流现象,且射流方向角θ随着d的增大而增大。

杜功焕教授去世

我国著名物理声学家、非线性声学家、声教育学家、南京大学物理学院教授杜功焕同志于2023年12月10日因病医治无效,在南京逝世,享年90岁。杜功焕教授1934年2月出生于浙江宁波。1957年毕业于南京大学物理系并留校工作。1984年加入中国民主同盟。在南京大学物理系、电子科学与工程系长期从事声学专业的教学和科研工作。曾任中国声学学会理事、全国声学标准化技术委员会委员。

内孔式旋转空化器参数对空化效果的影响

通过控制变量法使用Fluent软件对内孔式旋转空化器进行数值模拟,得到结构参数(盲孔的孔径、孔深,单排盲孔个数)和操作参数(转速、入口压力)对空化效果的影响规律:转子盲孔孔径、孔深、单排盲孔个数增加,转速(2000~3000 r/min)增加,则盲孔中气体体积增加;入口压力(1 MPa~4 MPa)增加,则盲孔中气体体积减小。实验中以纯水水样空化过程中温升和电导率的变化为空化效果检验标准,在3000~9000 r/min随着转速的增加,温升和电导率显著增加,间接验证数值模拟的结果。本文为内孔式旋转空化器的结构参数优化提供参考。

红外照相机的热浮法湍射流流态转捩机理探究

为了探究湍射流3种流动状态的转捩机理,设计并搭建了可控式湍射流实验仪,利用热浮法红外拍摄了3种流态,实现了湍射流的可视化及精确测量。通过实验观察和分析了包络态中流体转捩速度与雷诺数的关系,确定了转捩临界雷诺数大小范围,并推导和验证了涡环态中推进力与流体流速的半经验公式;同时通过颜色仿真展示了喷口截面处的压强分布图像;利用网格剖分的方式分析了涡环转捩机理,完善了流体运动过程的精细测量,为实验室测量雷诺数提供了一种可行方法。

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。

柱形空泡动力学研究综述

空化现象是核工程领域的重要研究内容,而柱形空泡动力学是其前沿方向。本文从理论和实验两个方面对柱形空泡的研究进展进行了综述。首先,本文从流体力学基本方程出发,对三种典型形式的柱形空泡动力学方程进行了详细的推导和系统的整理。然后,对这三种柱形泡动力学方程进行了比较,指出了它们在方程的形式和适用范围上的差别。此外,文章分析了方程中一些重要参数对方程预测结果的影响。实验研究方面,本文展示了柱形空泡典型的高速摄影图片以及空泡半径随时间的变化。通过将实验结果与理论结果进行对比,发现二者具有良好的一致性。

基于OAM复用信号高效调制解调的声学超表面

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)复用是提高声学通信系统数据容量的一种潜在解决方案,提出一种利用声学超表面对OAM复用信号进行调制和解调的方法,利用该方法对独立声轨道角动量(Acoustic Orbital Angular Momentum,AOAM)信号的幅度和相位进行分析,并通过仿真实现对AOAM信号的调制和解调.AOAM信号的相位和幅度提供正交自由度,通过设计合适的声学超表面并将其与二进制差分相位编码技术相结合,证明其可以实现AOAM复用信号的有效调制和解调.正交声学螺旋模态可防止模式耦合和串扰,从而增强声学多路复用.基于谐振的结构提供信号频率选择性,提高了交互效率,简化了终端设备,便于实现大容量声学通信系统的创建.

耦合边界元法和等效源法的稳健CHIEF法

针对声学边界元法中解的非唯一性和奇异积分问题,基于组合亥姆霍兹积分方程公式(combined helmholtz integral equation formulation,CHIEF)法思想,将常规边界元方程和等效源方程进行联立,并利用两者方程系数矩阵间的耦合等价关系,间接替换计算常规边界元法中的奇异系数矩阵,进而提出一种具有全频域唯一解、高计算精度和高稳定性的耦合CHIEF法。该方法将等效源方程作为补充方程,不仅解决了传统CHIEF法内点补充方程失效的问题,而且矩阵的间接替换计算避免了直接计算奇异积分,显著提高了计算效率和精度。通过声辐射和声散射的典型算例对比了所提方法、常规边界元法、常规Burton-Miller法和等效源法的计算效果。结果表明,所提方法不仅在全波数域内均能获得唯一解,且其计算精度和效率均优于常规边界元法和常规Burton-Miller方法,其系数矩阵条件数远低于等效源法。

环状气囊水消声器声学性能的预测与分析

水消声器作为一种有效的噪声控制装置被广泛应用于水管路系统。分别使用模态匹配法和有限元法对环状气囊水消声器的声学性能进行仿真计算,分析气囊水消声器声学特性的原理,并研究气囊水消声器不同媒介间的特性声阻抗大小关系对消声性能的影响规律。计算结果表明:由于阻抗失配关系,在气囊水消声器中气体对声波的传递起主要反射作用。随着橡胶的特性阻抗增大,橡胶会对从水中传递过来的声波起到一定的阻碍作用。当气体体积被压缩时,气体对声波的反射衰减效果会逐渐减弱,从而使得气囊水消声器的传递损失曲线整体幅值下降,消声性能减弱。

基于SVMD-EWT的超声组织谐波成像算法研究

针对超声组织谐波成像中宽带射频回波信号的谐波分离问题,提出了一种基于逐次变分模态分解(SVMD)和经验小波变换(EWT)的信号滤波算法,简称SVMD-EWT。其对信号进行逐次变分模态分解,收集窄带模态的中心频率。结合经验小波变换中自适应频谱曲线局部极小值寻找方法对模态进行分类。将判定为基波成分与谐波成分相互混叠的模态的能量作为优化经验小波变换模态边界的参数,设计经验小波滤波器对超声射频回波信号做滤波处理。仿真和实验表明相比传统的人为给定截止频率的带通滤波器和将发射反相位信号得到的回波信号相加滤波的脉冲反转法,本文提出的方法具有更好的滤波性能和稳定性。带通滤波器和本文方法滤波后生成的乳腺肿瘤谐波B超图对比度分别为15.77 dB和20.78 dB。

强声激励对煤粉燃烧的强化作用的数值研究

声波激励在火力发电厂等的工程应用中有良好的前景,可以有效提高煤粉燃烧效率。文章采用声波激励强化煤粉燃烧模型,并通过建立二维煤粉燃烧数值计算模型,在该模型下求解Arrhenius动力反应速率,反应模型采用有限速率/涡耗散模型,分析燃烧区域温度场在不同进风速度与进煤速度配比(U_0/U_1)、不同声压级(135~165 dB)和不同声波频率(50~5 000 Hz)下的燃烧区域温度场的变化规律。结果表明:该方法可以有效地表征声波对燃烧的强化作用,当进风速度与进煤速度之比U_0/U_1为1.39,煤粉受到声压级为165 dB、声波频率为50 Hz的低频高强声作用时,声波对流场的扰动效果最好,燃烧区域的温度最高,强化燃烧效果最佳。

变截面消声管道耦合Helmholtz腔结构的声学性能

基于局域共振理论与管道消声理论,设计了一种变截面消声管道耦合Helmholtz谐振腔的声学超材料结构,并运用COMSOL软件进行仿真研究.在此基础上,探讨了变截面声学超材料结构的几何参数对吸声系数峰值的影响,运用声学试验测试了该声学超材料结构的声学性能.结果表明:该变截面声学超材料结构在低频范围(200~600 Hz)内可实现良好的吸声效果;通过改变管道小孔的截面半径,可以实现声学超材料结构固有频率的定向调节;与普通Helmholtz腔相比,该声学超材料结构的吸声系数峰可在一定低频范围内移动,提高了结构在低频范围内的吸声效果,拓宽了吸声系数峰值对应频率的范围;声学超材料结构的几何参数得到了优化,具有良好的吸声效果.

“苏州·中国声谷”:着力打造声学产业创新集群高地

2020年11月,由中国声学学会、南京大学、苏州市政府共同发起的“苏州·中国声谷”正式落户常熟经济技术开发区。成立以来,常熟市大力实施创新链、产业链、人才链、资金链“四链融合”,着力推动声学产业创新集群发展。2023年,常熟市声学产业规上产值达459亿元,产学研合作平台达11个,声通信产业集群成为全省中小企业特色产业集群,走出了一条因地制宜发展新质生产力的特色之路。

非单频声场中耦合双泡振动特性研究

利用Keller-Miksis方程,计算了初始半径分别为2、5μm的耦合气泡在非单频声场中气泡半径、次Bjerknes力的变化规律.计算结果表明,非单频驱动声场中耦合双泡的半径、次Bjerknes力与驱动声压幅值、声压幅值之比、驱动频率有关.当声压幅值比、驱动频率一定时,驱动声压越大,最大膨胀半径越大、次Bjerknes力越大;驱动声压、驱动频率一定时,声压幅值比越大,最大膨胀半径越大、次Bjerknes力越大;当驱动声压的振幅、声压幅值比一定时,驱动频率越大,最大膨胀半径越小、次Bjerknes力越小.

从能带结构到声波的零/负折射——声学基础教学设计

针对传统声折射定律在声学人工材料研究领域的不足,引入能带结构理论,阐明声波在不同声学介质界面的传输特性。以二维声子晶体为例,通过理论计算声子晶体的能带结构及对应的等频率曲线,并根据等频率曲线的分布情况分析声波从均匀介质入射到声子晶体中的传输行为。采用有限元方法仿真实验验证声波在常规介质中的正常折射,二维声子晶体中的负折射和零折射现象。