换能器组阵对声场指向性的影响

根据点声源的声场指向性函数,推导出了考虑换能器振动面积时单个超声波换能器的指向性函数和由其组成的矩形阵列的指向性函数,研究了单个超声波换能器和其组成阵列的指向性。计算分析了阵元面积、阵元间距及阵元数目对超声波换能器阵列指向性的影响,为高指向性噪声的控制和声武器对抗提供帮助。

埋入混凝土中PZT声场指向性和声能研究

将PZT作为声源埋入混凝土中构成的混凝土压电机敏模块具有超声检测功能。对埋入该模块中的PZT圆片模态分析发现,在各阶振动模态下PZT声辐射面存在分布不同的振幅极大值区域。基于混凝土压电机敏模块的声场指向性和声能实验表明:将PZT声辐射面等效为振幅相等的单一点声源的叠加,忽略振动模态对声场指向性影响,使得PZT圆片的声场指向性随频率变化规律偏离实际较大,而且在相同频率下声场指向性理论结果比实验结果发散;在各阶固有频率激励下,PZT圆片的声场指向性集中,但在一阶固有频率下声能最高,更适用于超声检测。

曲面超声换能器近声场指向性研究

通过结合物理声学原理推导出曲面结构及其等效动态相控阵列超声换能器所形成的近声场分布,并利用数学软件对超声近场声压进行近似数值仿真。通过分析比较各声场指向性的仿真结果表明,在给定的工作频率和介质条件下,对比于平面结构,二维半圆球壳的曲面压电晶片或等效相控阵元阵列结构的超声换能器在近声场可实现高强度聚焦,同时近声场焦点处的横向/纵向分辨率都达到最佳,旁瓣/栅瓣抑制也达到最大。最后给出了在曲面阵列优化设计方面一些有价值的规律。

厚圆盘弯曲振动辐射声场指向性研究

厚盘辐射体机械强度高,横向尺寸小,在高频大功率声辐射条件被广泛应用。基于Mindin理论对厚圆盘的弯曲振动辐射声场特性进行了研究,推导出三种边界条件下厚圆盘辐射声场指向性的数值表达式,编制程序并研究其声辐射特性。结果表明,不同边界条件下的相同尺寸厚圆盘各阶指向性的尖锐程度不同,其中固定边界条件下辐射主声束角宽度最窄即指向性最尖锐,自由边界条件下主声束角宽度最宽,即指向性最不尖锐,简支边界条件次之;并且随着振动阶数和厚度的增加,各边界条件下厚圆盘的辐射声场主瓣指向性越来越尖锐,旁瓣逐渐增加,指向性变得越来越复杂。对同一频率、不同材料的厚盘,材料对其指向性的影响较小,但对同一尺寸、不同频率的厚盘,材料对其指向性的影响较大,研究结果对厚盘弯曲振动辐射体的应用提供了参考。

斜入射激光支持燃烧波时纵波声场的指向性

利用理论推导及实验验证的方法研究了激光倾斜入射支持燃烧波时纵波声场的指向性。根据激光超声的产生机理,在喷溅物质垂直作用于工件表面的前提条件下,推导了椭圆形声源作用时远场质点的法向位移。获得了纵波声场的指向性函数,分析了影响纵波声场指向性的因素,并进行了实验验证。利用功率密度低于爆轰波点燃阈值的激光烧蚀工件,使用峰值频率为5 MHz压电探头接收纵波,进而获得纵波声场的指向性实验数据,结果表明,实验数据与理论数据能够较好地进行吻合。在光斑短轴长度恒定时,与激光垂直入射相比,各倾斜入射角度下纵波声场的声束轴线指向均保持不变,并且指向性图形随倾斜角度的增加而变得细窄,纵波声场的能量也更加集中。

超声爬波探头声场指向特性的试验研究

爬波检测是常规超声波检测的有力补充。由于爬波探头激发的声场具有多波型的特征,即在产生爬波的同时还会产生横波和头波,为全面了解爬波探头的声场特性,选用和制作了不同缺陷的对比试块进行测试。试验测得双晶片并列式爬波探头的声场指向特性图,获知该探头产生的爬波最大幅值方向与表面约呈15°,在33°左右激发的横波声压(4 mm横孔)比爬波主瓣高6dB,且该横波声压(大平底反射)比在30°左右激发的头波声压高9.5 dB。

射流噪声场特性的试验研究

对不同喷口直径的单股亚音速射流及非设计状态超音速射流噪声场进行了试验研究,获得了射流噪声的总声压场分布特性.结合射流流场结构,速度场和湍流场实验研究结果,讨论了噪声源和声场分布特性,以及喷口直径、唇部厚度、压缩性和封闭空间对噪声场特性的影响.

椭圆模型模拟声带振动的远场指向性

针对声带振动产生的声场的空间分布问题,根据声带的生理结构、振动特性及声学基本理论知识,提出用椭圆振动模型来模拟声带的振动,采用点源组合的方法计算了正常声带模型振动时产生的远声场的指向性。运用Matlab对声带模型的声场指向性进行了模拟仿真与分析,讨论了声带振动频率对声带模型产生的指向性的影响以及振动的点源数对声压幅值的影响;并模拟出当声带发生病变时,会影响声带模型的声压幅值,进一步又探讨了声带模型空隙尺寸发生变化时声场指向性的变化规律。结果表明,与正常声带模型相比,病变声带模型已不再有原来的规律,从而为声带的进一步研究及临床治疗提供了理论基础。

横波直探头的辐射声场

分析了采用2/2型压电复合材料制作的一种水平面内偏振的横波直探头的辐射声场特性,推导了两种表面力源辐射声场的严格解析解,通过数值计算给出了相应声场分布和指向性图,得到了横波垂直辐射指向性,并与实验结果进行了对比。实验所得声场指向性与理论计算结果符合较好,为该换能器的工程应用提供了理论依据。

回折线圈导线长度对表面波EMAT性能及缺陷检测的影响

为了改善表面波电磁声传感器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)的激励及接收性能,并提高缺陷定量检测的准确性,试验研究了EMAT中回折线圈导线长度对传感器频率特性、所激励表面波声场指向性、衰减特性的影响.采用不同长度回折线圈对人工裂纹进行检测,得到了对应的反射和透射系数,分析了导线长度和裂纹长度相互关系对缺陷定量检测的影响.试验结果表明,表面波EMAT的频率特性与回折线圈导线长度无关,但其所激励表面波的声场指向性及衰减速率与导线长度密切相关,回折线圈导线长度越大,声束辐射半张角越小,表面波衰减越慢;作为接收传感器,回折线圈导线长度越大,EMAT检测时空间分辨率越低,但接收信号信噪比越高.导线长度小于裂纹长度时,才能得到准确的反射和透射系数.

考虑结构损耗时水中圆柱壳的振动声辐射特性研究

基于圆柱壳的振动方程以及壳与流体边界上振速连续条件,推导了简支在刚性圆管上的有限长圆柱壳的低频声辐射的自辐射阻抗和互辐射阻抗计算公式,在考虑结构损耗情况下求解了圆柱壳的机械阻抗、表面振速、辐射声功率、辐射效率以及辐射声场的分布特征。结果表明:低阶模态自辐射阻抗大于互辐射阻抗,且自辐射阻随模态阶次增大迅速减小;当p、m同为偶数或奇数时模态辐射阻系数rpmqq大于零,反之小于零。模态辐射抗系数xpmqq在零值附近波动并当ka趋于无穷大时xpmqq都趋向零;p与m相差越大,rpmqq和xpmqq越小。当激励力频率较低时圆柱壳辐射声场指向性为"∞"和"8"叠加的形状;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。计算简支圆柱壳的声辐射特征,必须要考虑结构的损耗。

高速乏油全陶瓷角接触球轴承振动与噪声实验研究

设计高速乏油运转实验,研究高速乏油全陶瓷球轴承在不同高转速、轴向载荷及径向载荷作用下服役时的振动与辐射噪声特性。利用改进的轴承振动测试机测试全陶瓷角接触球轴承在乏油运转状态下的振动速度与辐射噪声声压级,探究高转速、轴向载荷与径向载荷对其振动和辐射噪声的影响规律。提出以声场指向方位角与指向水平参量来表征声场指向性。实验结果表明,转速的提升、轴向载荷的增加以及径向载荷的变大,均使高速乏油全陶瓷角接触球轴承的振动速度与噪声声压级增大,且噪声在圆周方向呈非均匀分布。随转速或径向载荷增加,辐射噪声在圆周方向非线性、不均匀增加,使声压级变化量逐渐增大,导致声场指向性变得更加明显。随轴向载荷增加,圆周方向声压级变化量先增大后减小,使声场指向水平发生相应变化。研究表明振动速度与辐射噪声呈正相关关系,明确了声场随转速、轴向载荷、径向载荷的变化规律,可为高速乏油运转条件下全陶瓷球轴承设计、噪声控制提供相关依据。

基于FEM/IBEM的金刚石圆锯片振动噪声及其频谱分析

采用有限元和边界元联合分析,构建金刚石圆锯片的声辐射模型。以2200mm金刚石圆锯片为例,建立金刚石圆锯片的二维有限元模型,采用Lanczos法得到金刚石圆锯片的固有频率振型,再通过模态叠加计算金刚石圆锯片在轴向激励下的振动响应。将金刚石圆锯片的速度作为声学边界元模型的边界条件,计算金刚石圆锯片的辐射噪声。结果表明:金刚石圆锯片轴向模态比较容易激发,具有较强的声辐射能力,某些频率下声辐射功率达到110d B以上;节圆数极大影响金刚石圆锯片的声辐射功率;金刚石圆锯片结构具有轴对称性,其辐射声场分布也呈现对称性;主轴线上声压级相对于其他方向(不考虑-10°-10°,170°-190°范围)声压级低。数值仿真计算为金刚石圆锯片的降噪措施的制定提供了一定的参考。。

在线超声检测系统中螺旋线圈换能器的应用

针对在线车轮超声检测系统的工程应用,研究了圆形螺旋线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。给出了涡流、等效表面力源和辐射声场的计算方法,分析了圆形螺旋线圈换能器在钢试块上的辐射指向性。结果表明,辐射的圆周径向偏振横波为两边瓣中空指向性,对理解圆形螺旋线圈换能器的辐射声场和在重载货车车轮轮辋在线辋裂缺陷检测中的工程应用具有一定的指导意义。

跑道线圈换能器在铁路重载货车探伤中的应用

针对在线车轮超声探伤系统的工程应用,研究了跑道线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。根据外磁场和线圈配置,将表面力源近似为非均匀的水平剪切力源,数值计算得到了此力源的辐射声场指向性图,并与实验结果进行比对,结果表明辐射的水平偏振横波具有中间强两侧弱的指向性,对理解跑道形电磁线圈超声换能器的辐射声场和在重载货车车轮辋裂缺陷探伤中的工程应用具有一定的指导意义。

基于修正大质量法的船体振动及水下声辐射预报

[目的]大质量法(LMM)可将设备机脚的激励加速度转化为力载荷,是结构振动响应与声辐射仿真分析的常用方法。为提高LMM在船体声振响应计算方面的应用精度,提出对LMM的修正。[方法]首先,分析LMM的适用原理,得出合理的大质量倍数区间;然后,基于船舶的阻尼分析,引入瑞利阻尼质量比例系数对LMM加以修正;最后,将修正前、后的LMM计算结果分别与某油船测试的数据进行对比,并基于修正大质量法(M-LMM)计算所得船体谐响应结果,进一步计算船舶水下辐射声功率与垂直声场指向。[结果]结果显示,在20~200 Hz分析频段内,应用2种LMM计算所得的振动响应频谱曲线趋势相近,但M-LMM的计算结果更接近于实测值,平均误差仅2.70%。[结论]M-LMM可提高船体响应仿真精度,能为船舶前期设计阶段提供更准确的设计依据。

多参量超声相控阵技术的研究进展

超声相控阵结构健康监测在大部分结构较为复杂的缺陷检测中是一个极具应用前景的检测技术,它通过计算激励信号的时间延迟而改变波束偏转角,实现对结构的多方位扫描,并通过扫查图像获得检测结果。研究表明,该方法产生的超声波在工件损伤处的聚焦效果尤为明显,缺陷信号能量显著增强,可有效提高信噪比。主要就超声相控阵技术使用过程中,换能器指向性的影响因素和阵元数与聚焦深度之间的关系进行综述;在此基础上,针对复杂结构存在的缺陷检测问题进行常规无损检测与相控阵检测对比分析,详细阐述了相控阵的优势与不足,为更好地辨识由相关因素造成的不良缺陷提供理论基础,并为后续研究指明方向。