超高性能混凝土劈拉损伤破坏的声光联合表征

为研究超高性能混凝土(UHPC)的劈拉破坏特征,采用3种不同的加载速率(0.1、0.01、0.001 mm/s)进行劈拉加载,在加载过程中采用数字图像相关(DIC)方法非接触观测裂缝演化,同时结合声发射(AE)技术对UHPC的破坏全过程进行动态监测,并基于DIC应变云图、AE参量分析试件的破坏特征。结果表明,钢纤维的掺入改善了混凝土的脆性,UHPC峰后荷载-位移曲线下降更平缓,没有出现急剧下降的情况;加载速率越高,UHPC测出劈拉强度越高,符合混凝土速率效应规律,加载速率由0.001 mm/s提升到0.01 mm/s和由0.01 mm/s提升到0.1 mm/s,劈拉峰值荷载分别提高了27.9%和28.5%。采用DIC法进行UHPC劈拉试验的变形测量可获得连续的变形数据,能完整地捕捉裂缝的开展过程,证明DIC能很好地反映试件表面裂缝开展演化过程。基于RA-AF值分析可以快捷、有效地判断混凝土中裂缝的开展类型。根据分析结果,UHPC劈拉试验的裂缝类型绝大多数为拉伸裂缝,且随着加载速率的提高,拉伸裂缝占总裂缝的比例提高。

新型二维声子晶体带隙特性及调控方法研究

为拓宽声子晶体弹性波带隙,提出一种关于基体双侧对称的声子晶体结构模型.采用有限元法计算了该声子晶体的能带结构和本征模态,基于局域共振机理深入分析了其带隙的形成机理,通过改变几何参数及施加等轴预拉伸应变的方法对该声子晶体的带隙进行被动调控与主动调控.仿真结果表明:所提声子晶体结构基体中的长波行波与振子的谐振相互耦合作用产生一条局域共振带隙,通过优化几何参数可以获得起始频率更低的宽频带隙,对结构施加等轴预拉伸应变可以有效拓宽带隙且带隙宽度随着预拉伸应变的增大而变宽.研究结果为声子晶体的带隙主动调控提供了方案,为结构减振降噪提供了新思路.

经颅磁声电刺激强度对小鼠前额叶皮质网络可塑性的影响

背景:经颅磁声电刺激是一种新型无创的神经调控技术,利用超声波与静磁场耦合作用产生的感应电场调节神经系统的放电活动,但其影响大脑突触可塑性的作用机制研究尚浅。目的:探讨经颅磁声电刺激强度对小鼠前额叶皮质神经网络突触可塑性的影响。方法:①动物实验:将24只C57小鼠平均且随机分为4组,对照组(接受伪刺激)、刺激6.35 W/cm^(2)组(接受0.3 T、6.35 W/cm^(2)的耦合刺激)、刺激17.36 W/cm^(2)组(接受0.3 T、17.36 W/cm^(2)组的耦合刺激)和刺激56.25 W/cm^(2)组(接受0.3 T、56.25 W/cm2的耦合刺激),记录小鼠执行T迷宫过程中局部场电位信号和行为学正确率。②建模仿真实验:构建经颅磁声电刺激小鼠前额叶皮质神经网络模型,分别比较不同刺激强度下神经网络结构连接特性。结果与结论:①经颅磁声电刺激能够有效缩短小鼠行为学习时间,工作记忆能力得到改善(P<0.05),且习得行为后继续刺激小鼠前额叶,各组小鼠T迷宫行为学实验准确度没有明显差异(P>0.1)。分析小鼠前额叶局部场电位信号发现经颅磁声电刺激促进了β节律与γ节律能量增强;而随刺激强度升高,β节律与γ节律出现了非同步性下降;通过β-γ相位幅值耦合发现,刺激增强了神经网络适应新的信息和任务要求的能力变化。②建模仿真发现,刺激使得神经网络放电水平增强,长时程突触权重水平提高而短时程突触权重仅在刺激强度较高时降低。③研究结果表明,不同的刺激强度与神经网络功能结构的影响存在复杂的非线性关系;这种神经调控技术为治疗突触功能障碍和神经网络异常等相关神经疾病方面提供新的可能。

金属卤素钙钛矿CsPbBr3的电声耦合输运特性研究

金属卤素钙钛矿CsPbBr_(3)在发光方面(Light emitter)的优良表现吸引了许多人把它作为下一代发光、显示与量子信息的可选材料,但其关键的漂移迁移率会受到声子限制.本文将以第一性原理计算得到CsPbBr_(3)的包括极性光学声子(Polar optical phonon)在内的电声耦合特性,然后使用线性玻尔兹曼方程给出在电场下的解,从而得出漂移迁移率.在论文详述中会给出CsPbBr_(3)的各向异性载流子输运特性的研究,为金属卤素钙钛矿的应用提供一些必要信息.

基于声发射技术研究木材表面裂纹对应力波能量衰减特性的影响

木材中的裂纹对应力波的传播特性具有不可忽略的影响,探究应力波的能量变化规律对木材中裂纹深度的识别具有重要意义。以樟子松木材作为试验材料,在不同的试件上制作不同数量的裂纹,并且裂纹深度从0逐渐增加至90 mm,每次的增量为10 mm。首先,利用声发射(acoustic emission,AE)传感器采集铅芯折断在试件表面产生的应力波,并对其进行时频特征分析。然后,基于离散小波分析,建立应力波在不同频段中的能量衰减模型。研究结果表明,随着裂纹深度的增加,暂态波中频率成分为125~250 kHz的AE信号占比显著减小;随着裂纹数量的增加,小波重构后的AE信号能量衰减模型中表示衰减程度的系数由0.73增加至1.09;此外,随着裂纹深度的增加,频段为31.25~62.5 kHz的小波信号能量衰减明显缓慢;利用能量衰减模型确定的裂纹区域可以覆盖实际裂纹的所在位置。

基于声发射的木材裂缝数量辨识研究

针对木材裂缝缺陷,提出一种基于声发射的木材裂缝数量识别方法。首先,在试件上人为依次制作1 mm×9 mm(长×高)的4条裂缝,在裂缝的一侧通过折铅的方式产生声发射(acoustic emission,AE)信号,另一侧放置传感器,信号采样频率设置为2 MHz。然后,通过粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)确定变分模态分解(variational mode decoposition,VMD)的分解层数K和惩罚因子α,并将原始信号分解为具有不同频率的本征模态(intrinsic mode function,IMF)。接着,随机选择5组信号进行VMD分解,并对分解后的IMF构成的矩阵进行奇异值分解(singular value decomposition,SVD),得到相应的奇异值向量,再由5组奇异值向量组成标准矩阵。最后,由测得的AE信号,分别与标准矩阵计算马氏距离,并依据最小判别原则,判定裂缝数量。结果表明,PSO-VMD-SVD方法能够方便提取出AE信号特征,并通过计算马氏距离进行裂缝数量判别,判别正确率为92%。

六硝基六氮杂异伍兹烷微球的声流控制备工艺及性能表征

针对当前六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)微球制备中粒径较大且均匀性差的问题,提出了一种能够控制液滴生成模式的声流控技术。该技术将液滴微流控技术与声表面波技术相结合,提高了含能乙酸乙酯液滴的尺寸均匀性,利用溶剂-非溶剂重结晶法制备了微米级CL-20/NC含能微球。采用高速相机对液滴生成过程进行监测,结果显示,声表面波技术能有效控制液滴生成模式的转变,避免液滴生成过程中因材料析出和通道堵塞等原因引起的液滴生成模式的不可控转变,实现了液滴均匀连续的生成。使用场发射扫描电镜对具有不同CL-20含量、不同NC含量和不同粒径的微球形貌进行了表征,结果显示,通过降低CL-20含量、增加NC含量或增大微球粒径等方式,可以降低微球的表面粗糙度,减少表面缺陷,同时在声表面波技术辅助下,微球粒径变异系数从39.33%降至7.51%,极大地提高了微球的均匀性。通过X射线衍射仪和热质量分析仪对具有不同粒径的CL-20/NC微球的晶体结构和热力学性能进行了表征,结果显示,中位粒径为20μm的微球(分解峰温为229.04℃)的热稳定性优于中位粒径为7μm的微球(分解峰温为228.22℃)的热稳定性,而中位粒径为7μm的微球的反应剧烈程度与能量密度较大,其损失质量率(84.3%)和放热量(12.05 mW/mg)均高于中位粒径为20μm的微球的损失质量率(80.2%)和放热量(8.84 mW/mg)。声流控技术成功制备了粒径更小且均匀性显著提高的CL-20/NC含能微球,为高能量密度材料的优化设计与应用提供了重要参考。

碳纳米管混凝土三点弯曲梁的声发射及损伤演化特征

为研究碳纳米管掺量对混凝土梁损伤演化过程及裂纹扩展规律的影响,制备了质量分数分别为0、0.1%、0.3%、0.5%的碳纳米管混凝土三点弯曲梁试件。采用搭载声发射测试系统的YNS300电液伺服万能试验机开展三点弯曲试验,得到了声发射能量、振铃计数和幅值等声学信息,并基于声发射参数对裂纹类型、损伤演化过程进行分析。结果表明:碳纳米管混凝土三点弯曲梁破坏时产生的声发射能量明显高于素混凝土梁,但随着碳纳米管掺量的增加,其破坏时产生的声发射能量逐渐减小;碳纳米管的掺入可以提高混凝土三点弯曲梁的承载能力,但超过某一界限后,其承载能力随着碳纳米管掺量的增加而降低;碳纳米管的掺入使得混凝土三点弯曲梁第一次声发射幅值突变的时间提前,试样破坏前,振铃计数及累计振铃计数增长缓慢,近似直线,试样断裂瞬间,两者均急剧上升;声发射信号源隶属于拉伸裂纹,碳纳米管混凝土三点弯曲梁断裂属于Ⅰ型断裂,拉伸裂纹和剪切裂纹占比与碳纳米管掺量之间没有明显关系,但声发射平均频率、上升角度信号源数量与碳纳米管掺量之间具有显著的相关性。不同碳纳米管掺量下,混凝土三点弯曲梁试样的损伤演化规律基本保持一致,试验前期损伤曲线基本为水平直线,破坏阶段损伤变量首先处于快速增长阶段,而后呈陡增式增长。

老年人对高频率声源的感知与声景评价初步研究

鉴于中国日益增长的老龄化趋势和大量听力下降的老年人,研究主要关注老年群体对高频率声源的感知与声景评价。以武汉市解放公园为研究区域,老年和青年群体为研究对象,通过现场实验和问卷形式,收集相关数据并进行统计分析。结果表明,老年群体和青年群体对高频声源的感知存在显著差异;老年群体对高频声源感知明显不足,通过提高自然高频率声源如鸟鸣、蝉鸣的响度可改善老年群体对声景的感知和评价,且老年群体对鸟鸣声、蝉鸣声的响度需求相对较高。研究结果可为公园、养老院、住宅等外环境声景无障碍设计提供参考。

双模态成像仿生纳米粒对甲状腺髓样癌的声动力治疗

背景:声动力疗法作为一种新型抗肿瘤治疗手段具有非侵入性和时空可控性的特点,在甲状腺髓样癌无创性治疗中具有广阔的应用前景。目的:制备具有双模态成像能力的仿生癌细胞膜涂层脂质纳米粒,检测纳米粒的理化性质、靶向能力、成像效果、细胞毒性和抗迁移能力。方法:以二棕榈酰磷脂酰胆碱、二棕榈酰磷脂酰甘油、二硬脂酰磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000、胆固醇、血卟啉单甲醚、全氟己烷为原料,通过薄膜水合-超声振荡法制备脂质纳米粒HP@LNP,其中血卟啉单甲醚装载于脂质纳米结构的疏水层,全氟己烷装载于脂质纳米结构的亲水核心层内;将甲状腺髓样癌细胞膜包覆于脂质纳米粒HP@LNP表面,构建具有主动靶向甲状腺髓样癌细胞能力的仿生脂质纳米粒MHP@LNP。表征纳米粒MHP@LNP的理化性质、靶向能力、免疫逃逸能力、成像效果、细胞毒性和抗迁移能力。结果与结论:①脂质纳米粒MHP@LNP呈现典型的核壳结构,粒径为131.06 nm,平均电位为-30.59 mV,凝胶电泳结果显示脂质纳米粒MHP@LNP与癌细胞膜蛋白图谱相符合,荧光共定位结果显示脂质纳米粒MHP@LNP与癌细胞膜的荧光信号显著重合。脂质纳米粒MHP@LNP纳米粒内血卟啉单甲醚的包封率为87.8%,载药率为14.6%。在低强度聚焦超声刺激下,脂质纳米粒MHP@LNP可发生相变产生微泡,在4 min时超声信号强度达到最大值。在激光照射下,脂质纳米粒MHP@LNP的光声信号强度与其质量浓度呈现线性相关。脂质纳米粒MHP@LNP具有同源细胞靶向能力和免疫逃逸能力。未经低强度聚焦超声照射前的脂质纳米粒MHP@LNP具有良好的生物相容性,而经低强度聚焦超声照射后产生具有细胞毒性的活性氧,有效杀伤甲状腺髓样癌细胞,并抑制甲状腺髓样癌细胞的迁移能力。②结果表明,脂质纳米粒MHP@LNP能够在超声和光声双模态成像引导下实现声动力治疗,用于治疗甲状腺髓样癌。

理论探索二维X_(2)UO_(4)(X=K,Rb,Cs)的力学特征、电子结构和声子输运特征

本文用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三种建议的二维材料X_(2)UO_(4)(X=K,Rb,Cs)的稳定性、弹性、电子结构和声子振动特性.计算结果显示,三种材料同时具备较好的热力学、动力学和机械稳定性.电子结构表明,三种材料属于宽禁带间接半导体,其计算能隙分别是3.90、3.79和3.42 eV,并且在300 K时有着71.31-174.23 cm^(2)/Vs的电子迁移率.声子输运特性表明,三种材料的声子色散均没有虚频出现,声学模和低频光学模呈现强烈耦合,且有着低频率low-lying声子,这使得材料具备很强的声子非谐效应、低声子群速度和强声子散射率,从而表现出很低晶格热导率,在300 K温度下时仅为0.16-0.19 W/mK.这些特性表明,二维X_(2)UO_(4)(X=K,Rb,Cs)在纳米电子和热电器件领域具备应用潜力.

声发射技术在关节外科中的应用及价值

背景:声发射技术是无损检测中最可靠和完善的技术之一,被广泛用于机械、土木和水下声学等多个领域的损伤检测。近年来,声发射技术获得较大发展,在医学工程领域得到初步应用,特别是在人体关节的摩擦评估以及植入物监测方面具有优势。目的:总结声发射技术在关节外科中的应用现状、存在问题及未来的发展方向。方法:检索1989年1月至2024年3月PubMed数据库、Web of Science数据库、中国知网、万方数据库发表的相关文献,中文检索词为“声学,髋关节置换术,髋关节假体,假体失效,膝关节骨关节炎,膝关节,监测,人工关节”;英文检索词为“acoustics,hip replacement arthroplasties,hip prosthesis,prosthesis failure,knee osteoarthritides,knee joint,monitoring,artificial joint”。初检得到文章2991篇,根据纳排标准,最终纳入80篇文章进行综述分析。结果与结论:①在关节外科领域中,声发射技术主要用于关节疾病早期的发现与诊断,以及关节置换术中骨裂和术后假体下沉、植入物磨损、无菌性松动、骨裂等的检测;②声发射技术的优势可以弥补传统检测方法的不足,提早发现关节炎,降低术中的损伤风险,监测并减少术后并发症,提高手术安全性和临床效果。

声呐图像水下目标识别综述与展望

随着海洋资源开发和水下作业的增加,声呐图像水下目标识别已成为热门研究领域。该文全面回顾了该领域的现状和未来趋势。首先,强调了声呐图像水下目标识别的背景和重要性,指出水下环境复杂和样本稀缺增加了任务难度。其次,深入探讨了典型的成像声呐技术,包括前视声呐、侧扫声呐、合成孔径声呐、多波束测深仪、干涉合成孔径声呐和前视三维声呐等。接下来,系统地审视了二维和三维声呐图像水下目标识别方法,比较了不同算法的优劣,还讨论了声呐图像序列的关联识别方法。最后,总结了当前领域的主要挑战,展望了未来研究方向,旨在促进水下声呐目标识别领域的发展。

不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.

基于声发射的钢桥面板焊接气孔缺陷在线识别

为实现正交异性钢桥面板机器人智能化焊接过程中缺陷的在线监测,提出了一种基于快速傅里叶变换和支持向量机的气孔缺陷声发射识别方法.通过开展机器人焊接实验,揭示了钢桥面板焊接及缺陷产生过程的声发射特征.无损伤与气孔缺陷2种工况信号的幅值、振铃计数、峰值频率和中心频率等参数重叠交叉严重、相关性不显著,而气孔缺陷信号的傅里叶频谱存在更多高频能量分布,因此以频谱为输入建立2种工况的径向基核支持向量机模型.实验结果表明,与朴素贝叶斯、随机森林和线性核支持向量机模型相比,径向基核支持向量机模型拥有更高的正确率(95.4%)和召回率(94.3%),能够用于焊接过程气孔缺陷的在线识别,具有较强的鲁棒性和实用性.

选矿废水拌合尾砂胶结充填体强度演化规律及声发射特征

尾砂胶结充填体是充填采矿中的核心承载单元,其稳定性关乎矿山生产安全。近年来,一些地下矿山为减少环境污染等问题,选择二次利用选矿排放废水进行充填,因此,对于采用选矿废水进行充填的矿山,明确选矿废水对尾砂胶结充填体强度的影响至关重要。为此,以3种pH选矿废水(pH=7、8、9)和普通自来水(pH=7)为拌合水制备4种养护龄期(7、14、21、28 d)的尾砂胶结充填体试件。利用声发射(AE)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等试验手段,分析充填体试件的单轴抗压强度、微观结构及其破坏过程中AE振铃计数率、bi值、能量变化特征。研究表明:(1)在相同养护龄期下,选矿废水拌合的充填体强度低于普通自来水拌合的充填体强度,选矿废水拌合的充填体强度随pH的增大而减小,且CO_(3)^(2-)与充填体单轴抗压强度指标间的灰色关联性最好,而Ca^(2+)的关联性最差,阴离子的关联性整体好于阳离子;(2)在相同养护龄期下,选矿废水拌合的充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度及衍射峰强度低于普通自来水拌合的充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度与衍射峰强度,而选矿废水拌合的充填体中钙矾石的质量浓度及衍射峰强度高于普通自来水拌合的充填体中钙矾石的质量浓度和衍射峰强度;随着选矿废水pH的升高,充填体内部C—S—H凝胶的质量浓度减少、衍射峰强度降低,而钙矾石的质量浓度增多、衍射峰强度升高,从而导致充填体强度下降;(3)充填体破坏过程中AE振铃计数率及b^(i)值整体上分别呈现“升—降—突增—峰值”和“波动上升—剧烈下降—逐步上升”的变化规律;在相同养护龄期下,对于破坏过程中AE b^(i1)、b^(i2)、b^(i3)、峰值应力处每10 s累计振铃计数率及能量数值,选矿废水拌合的充填体均小于普通自来水拌合的充填体,且上述AE特征指标均随着选矿废水pH的增大逐渐减小。

基于卷积神经网络的移动机器人声源定位方法综述

听觉系统是机器人感知周围环境信息的重要途径之一,精准有效地进行声源定位,可极大提高移动机器人的感知与决策能力。将声源定位应用于危险环境救援与巡检具有重要工程意义。随着深度学习的广泛应用,引入卷积神经网络(convolutional neural networks, CNNs)的声源定位效果显著改善。将移动机器人声源定位研究从网络架构与改进、声音特征类型、数据仿真与增强,以及多模态信息融合四个角度进行综合对比及分析,并对技术的应用提出思考与展望。

基于声黑洞设计理论的径向夹心式径-弯复合换能器

基于弯曲波在声黑洞(acoustic black hole,ABH)结构中振幅不断增大的特性,提出了一种新型径向夹心式径-弯复合换能器,该换能器由径向夹心式圆环换能器与外围的环形ABH结构组成.ABH结构的存在实现了换能器径向振动与弯曲振动之间的转换,提高了换能器的声辐射性能.利用几何声学的方法建立了ABH结构弯曲振动的解析模型,给出了其弯曲振动的本征频率,并结合有限元方法讨论了换能器机电转换性能随尺寸变化的关系.通过有限元方法给出了该换能器在空气中的辐射声压场、辐射声强以及辐射指向性,仿真结果表明,ABH结构的存在能够改善换能器弯曲振动的机电转换性能,提高换能器的声辐射性能,使换能器呈现出一定的辐射指向性.最后通过实验对换能器样机的电阻抗特性以及振动模态进行测量,实验结果与仿真相符合.

矸石基混凝土轴心受压声发射特性与损伤本构模型

为研究不同水泥取代率、不同水胶比下矸石基混凝土轴心受压时的力学性能,及推广应用矸石基混凝土这一绿色建筑材料,通过轴心受压试验和声发射试验,研究了轴心受压时不同煤矸石粉掺量、不同水胶比下矸石基混凝土的应力-应变曲线、声发射振铃计数和声发射累积能量随煤矸石粉掺量和水胶比的变化规律,提出了矸石基混凝土轴心受压时的本构关系。结果表明:相比普通混凝土,矸石基混凝土的力学性能有一定程度的改善,主要表现为其峰值应力和峰值应变增加;矸石基混凝土轴心受压应力-应变全曲线与普通混凝土基本一致,煤矸石粉掺量为20%时峰值应力达到最大值;声发射振铃计数可以有效描述矸石基混凝土的损伤演化规律,随着煤矸石粉取代率的增大,振铃计数先减少后增加。考虑煤矸石粉和水胶比对矸石基混凝土轴心受压时的影响,提出了具有较高精度的矸石基混凝土轴心受压本构关系,这为矸石基混凝土力学性能的进一步研究提供了参考,也对推广应用的结构计算有一定参考价值。

金刚石砂轮与金刚石滚轮磨削接触的声发射监测

为了实现金刚石砂轮磨削加工金刚石滚轮过程的自动化,需要对磨削接触状态进行准确识别。由于磨削过程中材料去除率较小导致声发射信号幅值变化不显著,仅用有效值对磨削接触状态识别的准确性受噪声影响很大。针对此问题,通过模态分解和相关性分析相结合的方法对采集的声发射信号进行处理,再计算各分量的有效值和方差值完成特征提取,最后利用支持向量机对磨削接触状态进行识别。实际应用发现:该方法对滚轮的磨削接触状识别准确率达到了98.3%,准确实现了对磨削接触状态的识别。