锥盘形超声聚能器的耦合振动特性与优化设计

超声聚能器具有放大振幅、匹配声阻抗、提高声能量传输效率的作用,盘形聚能器与压电圆管组合能够扩大声能量的辐射范围。采用传统的一维理论对盘形聚能器振动的分析,往往忽略了高度对振动的影响。为了获得符合盘形聚能器实际振动的解析理论,以结构简单且易加工的锥盘形超声聚能器为研究对象,利用等效弹性法分析了高度与半径尺寸接近的聚能器的径、纵向耦合振动。通过引入机械耦合系数,推导得到了聚能器耦合振动的机电等效电路、共振频率方程组和径向位移放大倍数。进一步分析了聚能器机械耦合系数、共振频率和径向位移放大倍数与几何尺寸的依赖关系。利用有限元法对聚能器的耦合振动模态进行了仿真,理论计算与模拟结果一致,验证了理论推导的正确性。振动特性与优化结论的获得为盘形聚能器的工程应用提供了理论依据,为径向复合换能器的振动分析奠定了研究基础。

超磁致伸缩换能器磁路设计及振动性能测试

研制了一种超磁致伸缩换能器。为了改善磁路,提高换能器的振动性能,利用有限元法对换能器进行仿真计算,重点研究了导磁块和导磁筒对换能器性能的影响,又仿真计算了换能器工作时的温升;对研制的换能器阻抗和振幅进行了测量;结果表明:随着导磁筒厚度的增加,Terfenol-D棒的磁场强度先增大后减小,磁场均匀度先减小后不变,输出振幅先增大后略有减小;随着导磁块厚度的增大,Terfenol-D棒的磁场强度和磁场均匀度增大,输出振幅也增大;与无导磁筒的换能器相比,有导磁筒的换能器的机电转换系数和输出振幅均较大,但工作相同时间后的温度较高。该研究提供一种对超磁致伸缩换能器的磁路结构进行设计优化,并提高其振动性能的仿真计算方法。

血管网光声成像的机器学习抗散射仿真研究

乳腺癌已成为全球女性发病率最高的肿瘤疾病,微血管成像对乳腺癌的治疗方案和预后有重要意义。光声层析成像术(Photoacoustic Tomography,PAT)可有效对乳腺癌内微血管网进行成像,但肿瘤组织内部的异质微结构和钙化点的散射对成像质量影响较大。针对该问题,文章基于U-Net的卷积神经网络对不同颗粒散射条件下软组织中血管网图像散斑开展仿真研究。仿真结果表明,该神经网络可以学习光声散斑图像和成像目标之间的映射关系,提取出隐藏在噪声中的血管光声信号,并重建出轮廓清晰、背景清晰的高质量血管图像,表明U-Net网络可以从高度模糊的散射图像中提取出有效的光声信息,实现目标图像的高清重建,在乳腺癌的诊断成像中具有广阔的应用前景。

不同结构Terfenol-D棒的高频振动性能研究

为了高效应用Terfenol-D棒,研究了六种结构的棒。利用有限元软件对不同棒的磁芯损耗进行了仿真计算,并对其进行动力学仿真研究。加工了其中三种结构的棒,对棒的输出振幅进行了试验测试。结果表明:外径表面处,未处理棒的磁芯损耗最大;切片处理和切缝处理棒的磁芯损耗均减小,切片处理棒的磁芯损耗小于切缝处理。外径切缝棒整体的损耗最大;径向切割并粘接棒和切片处理棒整体的损耗小于未处理棒和外径切缝棒;两端切片棒整体的损耗大于切片并开槽棒和切片处理棒。未处理棒的谐振频率最高,机械品质因数最大,振幅最小;与未处理棒相比,切片处理棒或切缝处理棒的谐振频率和机械品质因数减小,振幅增大;切片处理棒的谐振频率和机械品质因数小于切缝处理棒,振幅远大于切缝处理棒。

基于光声差分衰减频谱的骨质评估仿真研究

光声层析成像术(Photoacoustic Tomography,PAT)在骨组织微结构的量化评估方面具有潜力,但在传统PAT工作模式下,松质骨的固液两相多孔结构导致骨小梁等分布式光吸收成分激发的光声信号混叠,增加了定量分析骨微结构特性的难度和复杂度。针对这一问题,文章将PAT系统改进为偏心激励-差分检测模式,获取差分衰减频谱(Differential Attenuation Spectrum,DAS);并通过数值仿真计算和验证了松质骨孔隙率与光声差分衰减频谱特征参数的相关性。研究结果表明:提取的光声差分衰减频谱特征参数与骨头孔隙率呈强线性相关,基于光声差分衰减频谱的分析方法可有效实现骨质定量评估和诊断。

激光激发超声波的新方法研究

介绍了激光激发超声波的原理,分别给出了热弹机制和烧蚀机制下的纵波和剪切波理论波形;基于排列因子作用,提出了一种新型激光激发超声波的方法———激光定相位排列激发超声波,激光源经过定相位排列后,在某一方向上产生的超声波幅度比传统单一源产生的超声波幅度要强很多,采用此种方法,可实现对超声信号方向和强度的有效激发控制,对下一步的超声无损检测有非常重要的意义;结合实际给出了该方法的实现方式·

温度对超声空化声场的影响

根据鲁米诺增强声致发光的原理,应用微光测量系统,对超声清洗槽内的空化声场进行了测量,分析了声致发光的强度与温度之间的关系.结果表明,在输入功率和超声波频率不变条件下,液体温度从6～85℃上升过程中,声致发光强度开始时逐渐增大,后来逐渐减小,55℃左右时光强达到最大值.

锁相环跟踪超声振动系统谐振频率的改进

锁相式频率跟踪超声发生器的频率跟踪范围较小且易出现死锁现象,通常要人为重新启动,系统才能恢复跟踪状态,在应用时会带来麻烦。根据超声振动系统的等效电路研究其阻抗特性,并通过实验绘制换能器特性曲线,分析应用CD4046跟踪串联谐振频率容易造成死锁的具体原因,提出带解锁的频率跟踪系统的方案。实验结果表明此方案有较大的跟踪调节范围与较强的适应负载变化的能力,对超声发生器的具体应用有一定的参考意义。

纵振激励频率对圆盘弯曲振动特性的影响

利用有限元方法,计算并分析了具有一定大小的激励面积、频率不同的纵向夹心式换能器激励圆盘中心时,产生一阶弯曲振动的规律。结果表明:随着激励源频率的逐渐提高,圆盘弯曲振动的基频在不断增大,节圆半径也在增大,圆盘圆心处的位移振幅先增大后减小。实验测试与有限元计算结果基本吻合。该研究为此类复合纵弯振动系统的设计和实际应用提供了一定的参考。

自由边界矩形薄板弯曲振动辐射声场指向性研究

应用有限元法,求出了声源表面振动位移.对瑞利积分公式进行离散,推导出了矩形薄板指向性的数值表达式,并以自由边界弯曲振动矩形薄板为例,计算了其二维及三维指向性.结果表明:对于自由边界弯曲振动矩形板的不同振动阶次,其在中心轴线上无指向性.随着矩形板振动阶次的增加,指向性趋向尖锐.

指数形负载超声变幅杆频率方程与放大系数的研究

求解了加负载时超声变幅杆的放大系数,得到了加负载时放大系数的统一算式.利用变幅杆纵向振动四端网络等效电路,计算了指数形变幅杆负载为纯阻与纯抗时纵向振动共振频率方程和放大系数.通过Matlab软件绘制了共振频率及放大系数随负载变化的曲线.结果表明,负载较小时,频率与放大系数有较快的改变;负载较大时,频率与放大系数变化较小,基本趋于稳定.

悬链线形超声变幅杆共振频率的瑞利修正

应用瑞利近似理论,对大尺寸悬链线形变幅杆的纵向振动的共振频率进行了修正,得到了修正频率表达式.利用有限元软件Ansys对一组大尺寸的悬链线形变幅杆进行模态分析.将修正结果与一维理论相比,发现修正后的值更接近于有限元模拟仿真值.

变幅杆位移节点和应变极大位置的关系

针对常见单一形状函数纵振变幅杆,采用解析方法研究了谐振长度、位移节点和应变极大点之间的关系.计算发现在谐振频率下,变幅杆位移节点与应变极大点位置之和约等于其一阶谐振长度.对新型的贝兹曲线变幅杆也做了相应计算,结果验证了该结论的正确性,此结论有助于变幅杆设计计算过程的简化.

复合管功率超声压电换能器的径向振动特性

在纵向复合压电超声换能器基础上,提出并研究带预应力外壳的径向复合管压电超声换能器的径向振动特性。换能器由径向极化薄壁压电陶瓷圆管与预应力金属圆管外壳径向复合而成。依据机电类比原理,建立起复合系统的径向振动等效电路,并给出其径向振动共振频率方程。结合数值计算例,探讨换能器的共振和反共振频率以及有效机电耦合系数与预应力圆管半径比之间的关系。设计制作4个径向复合管压电超声换能器样品,通过试验测量换能器径向振动共振和反共振频率。结果表明,换能器径向共振频率的理论值与测量结果符合较好,误差小于5%。

组合圆形活塞声源远场指向性理论研究

基于镜像原理,推导出组合声源在有限空间中的指向性公式,并运用Matlab软件进行模拟.结果表明,与无限大障板情况相比,基于镜像原理的组合声源远场指向性更能真实反映声化学反应器内声场的分布.

径扭复合模式盘形压电超声换能器

提出一种新型的斜缝式结构径扭复合模式振动盘形压电超声换能器,并对其径扭复合模式振动进行了理论和试验研究。通过对斜槽处应力的分解,引入两个机械转换系数,依据机电类比原理,建立起换能器的径扭复合模式振动耦合机电等效电路模型,从等效电路得到换能器的径扭复合振动频率方程,探讨狭缝的斜角对换能器共振频率的影响,数值计算表明换能器共振频率随斜角增大而降低。试验加工三个不同斜度狭缝的换能器,并对其共振频率进行了测试和有限元法模态仿真计算,结果表明,理论与仿真值及试验结果吻合较好。

改进的弯曲振动板辐射声场研究

从薄圆板振动特性出发,提出了一种改进的弯曲振动板.利用瑞利积分,求出板作一阶振动时辐射声压及指向性表达式,绘出自由边界条件下弯曲振动板轴对称弯曲振动辐射声压的远场指向性图,与薄圆板作一阶弯曲振动时的声场指向性图作了对比.结果表明,改进后的弯曲振动板轴向声压不为零,而且指向性比薄圆板更尖锐.这为此类板的理论设计及实际应用提供了一定的理论依据.

有限长圆柱壳水中辐射声场的解析法与有限元/边界元研究

在考虑结构损耗的情况下,基于圆柱壳的振动方程和声辐射阻抗,求解了简支在两个半无限长圆柱壳障板上的有限长圆柱壳水中声辐射的声场分布特征.基于有限元与边界元(Finite Element-the Boundary Element,FEM/BEM),计算了两端带平底板圆柱壳的辐射声场指向性,并与解析解结果作了对比分析.结果表明:结构损耗因子增大时辐射声功率减小而辐射效率在增大.当激励力频率较低时圆柱壳辐射声场指向性为"∞"的形状;随频率增高,轴向模态和周向模态综合效果导致辐射声场指向性趋于复杂.只有在端板声辐射很弱的激励情形下,才可以用带障板的简支圆柱壳声辐射解析解分析带平底圆柱壳的声辐射规律.计算简支圆柱壳的声辐射特征,必须要考虑结构的损耗.

n次幂变厚度环形超声聚能器径向振动特性

对剖面厚度按n次幂函数变化的环形超声聚能器的径向振动特性进行研究.基于机电类比原理,推导出环形聚能器的径向振动机电等效电路及其径向共振频率方程,给出了聚能器的位移振幅放大系数表达式,探讨了第1、2阶共振聚能器位移振幅放大系数及共振频率与其半径比的关系.计算表明,聚能器基频随半径比增大而降低,而第2阶共振频率随半径比变化存在1个极小值.此外,振幅放大系数随幂次n增高而增大,第2阶共振具有更高的振幅放大系数.有限元仿真结果与理论相吻合.

舰船声尾流自导鱼雷及其防御技术

从介绍尾流特性出发,简要分析了尾流自导的原理和方式,最后重点对声尾流自导鱼雷及其进入舰船尾流前后的防御技术进行了研讨。提出:目前任何一种防御尾流声自导鱼雷的技术或装备,均不能高效防御它对目标舰船的攻击的观点。所以应用多层次或组合设防的方法,才能达到最终的防御目的。