高温声学检测技术的发展、应用与挑战

以我国航空航天、钢铁冶金、特种设备等领域的高温声学无损检测技术研究与应用为主线,分析了高温声学检测技术在促进先进高温材料制备与研发、钢铁冶金行业绿色低碳生产和产业升级、高温压力管道安全运行与维护等方面的巨大需求。介绍了国内外在高温声学检测的技术方法和仪器研制等方面取得的进展,分析了压电超声、电磁超声、激光超声、激光电磁超声等技术在高温无损检测应用方面存在的优缺点和应用场景,总结了高温声学检测技术面临的机遇与挑战。

基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场计算

准确计算户内变电站大型、复杂的噪声场分布,进而评价可采用降噪措施的减噪效果,是解决户内变电站噪声污染的关键问题。为此,综合声学有限元法(finite element method,FEM)求解复杂声场收敛性好及精度高的优点,及声学边界元法(boundary element method,BEM)降维求解大型声场的优势,提出了一种基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场求解算法。首先,建立变电站内部声源声固耦合模型,采用声学FEM求解混响噪声作用下的声固耦合响应;然后,基于声学FEM-BEM耦合理论,求解内、外耦合边界处结构单元受声固耦合激励产生的位移及应力载荷;最后,根据声压及应力载荷激发的外场声波扩散模型,基于常规Gauss数值积分法,建立外部空间声域2维BEM声学积分方程,求解外部声场。该算法在湖南某110 kV户内变电站噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值的相对误差为3.61%~4.87%。

基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化

在水下目标定位中,布站构型的共面约束会导致目标单点定位的几何精度因子(GDOP)理论最小值不能达到。为改善水下布站的观测矩阵,将单圆锥扩展为组合圆锥构型布站模式。然而,传统的优化算法易陷入局部最优且存在收敛效率低等问题。针对以上问题,提出了一种改进的自适应粒子群算法。首先提出了一种有共面约束的水下声学定位系统组合圆锥构型,并证明了所提出的组合圆锥构型具有可叠加性、可旋转性以及GDOP旋转不变性;其次,针对布站优化指标单一的问题,构建了一种基于水下目标全局GDOP的布站优化准则;在此基础上提出了一种基于自适应粒子群的优化算法,并应用于组合圆锥构型下的水下声学定位系统布站优化。所提出的自适应粒子群算法能增强布站的全局最优性,提高算法收敛效率和水下目标的定位精度。

VTI介质改进声学近似qP波交错网格正演模拟

Alkhalifah提出的声学假设近似令沿TI介质对称轴的qSV波速度近似为0,建立了相应的qP波波动方程并进行了数值模拟,但存在两个不足:一是方程中存在退化的qSV波解,不是纯qP波波动方程;二是方程不适用于ε<δ(ε和δ为Thomsen参数)的介质。为此,在Liang等的工作基础上,将改进声学近似方法的思想引入qP波频散关系和一阶波动方程推导。令qSV波的精确频散关系中的圆频率为0,同时结合椭圆分解,推导了VTI介质纯qP波解耦频散关系,利用改进标量算子的空间域渐近近似建立了VTI介质改进声学近似qP波一阶速度—应力波动方程,采用交错网格有限差分算法实现了基于改进声学近似的VTI介质纯qP波正演模拟。频散关系分析和数值示例表明,基于改进声学近似的qP波一阶波动方程不包含退化qSV波,是纯qP波方程,与弹性波波动方程模拟结果吻合较好,具有较高精度,并且该方程在ε≥δ和ε<δ的VTI介质中均是稳定的,同时也适用于复杂VTI介质。

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。

麻纤维增强改性环氧树脂复合材料声学性能研究

为验证麻纤维增强改性环氧树脂复合材料的声学性能,探讨植物纤维改性材料制备某类乐器的可行性,以亚麻、黄麻、苎麻等麻纤维材料为例,制备了几种不同麻纤维增强改性环氧树脂材料,以增强改性环氧树脂材料代替木材制作打击乐器,采用自由振动方法对打击乐器的声学性能进行测试。结果表明:黄麻、苎麻增强改性后的环氧树脂基复合材料声学性能各占优势,与一般的枫木相比力学性能更好,但综合声学性能尚无法达到天然枫木的水平。

VTI介质修正声学近似qP波波动方程与模拟

各向异性介质中纵横波通常耦合在一起传播,纵横波解耦是地震波传播理论研究的重要内容。经典的声学近似通过设置垂向qSV波速度V_(S0)为0来解耦qP波场,但是存在退化qSV波等问题。本研究将垂向qSV波速度V_(S0)考虑成波数k_(x)、k_(z)和各向异性参数ε、δ的函数,对声学近似进行修正,推导了VTI介质修正声学近似qP波频散关系和波动方程。VTI介质修正声学近似qP波波动方程包含椭圆项和非椭圆项两部分,因此采用混合有限差分/伪谱算法进行求解,即采用有限差分法求解椭圆项、伪谱法求解非椭圆项。频散关系分析和数值示例表明,基于修正声学近似的qP波波动方程不包含退化qSV波,是纯qP波方程,与弹性波方程模拟结果吻合较好,且具有较高精度;该方程在ε≥δ和ε<δ的VTI介质中均是稳定的,并且精度高于声学近似模拟结果。

木质材料对室内声学调控的研究进展

木材为多孔性材料,在室内空间中,使用木质材料除了具有饰面作用外,还可以有效吸收声能,控制室内混响时间,改善音质,提高语言清晰度。本文概述了木质材料的吸声和隔声性能两方面的研究现状,并对未来的研究提出了建议。在此基础之上,总结了前人在大型建筑空间、小型办公空间、家居室内空间中声环境调控的不足之处。主要有以下3点:1)研究者多选取某一特定的室内空间类型进行声环境改善,尚缺乏对不同使用功能的室内空间声环境的规律性研究,以形成较为系统的室内声环境调控体系。2)成片的家具几何结构改变室内声环境的程度有待进一步研究验证。3)对于改变空间的形状、比例、布局的方法有待进一步研究其内在规律,为设计师、建筑师和科研人员提供参考依据。未来研究重点包括:1)通过使用木质材料对空间进行合理化布局与设计;2)处理好不均匀的声频或室内声场驻波的简并现象,需合理选择吸声构件。3)建立智能化声学仿真模型。

基于跨语种声学分析的帕金森病检测方法

基于语音的帕金森病检测具有非介入式、成本较低和无创等优点。当前公开的帕金森病语音数据集大多来源于单一语种,存在数据容量不够大、受试者母语发音特点差异小等特点。单一语种数据集上训练的帕金森病检测模型在面对跨语种语音数据时,将出现性能下降。为避免语种差异带来的影响,提升模型在跨语种场景下的检测性能,该文引入对抗迁移学习和特征解耦的思想,提出一种帕金森病跨语种声学分析模型(CLSAM)。首先,将基于多头自注意力机制的Transformer编码块和多层神经网络级联,组成特征提取器模块,用于将从源域和目标域语音中提取的原始Fbank语音特征初步解耦为两个向量,即域不变病理信息表征向量和域信息表征向量;设计了目标任务不一致的双重对抗训练模块,显式地分离域不变病理信息和域信息;最终,提取跨语种语音数据中的域不变病理信息用于帕金森病检测。该文在公开的MaxLittle帕金森病语音数据集以及自采的帕金森病语音数据集上,采用十折交叉验证的方法验证了所提方法的有效性。实验结果表明:与传统机器学习方法以及现有的迁移学习算法相比,所提模型在跨语种场景中的检测准确率、敏感度和F1分数等性能均有明显提升。

带消声功能的潜艇换热器声学性能仿真

针对潜艇消声问题,提出一种带消声功能的换热器,开展环状橡胶气囊结构消声性能研究。建立仿真模型和进行传递损失计算,证明有囊式消声器的消声效果。利用控制变量法定量改变设计参数,分别研究气腔长度、穿孔直径和穿孔率对气囊消声效果的影响规律,为潜艇换热器的流动噪声控制提供有力支撑。

电动汽车座舱内部噪声的非线性心理声学烦恼度建模

拟研究电动汽车座舱内部噪声特性对声学舒适性的影响。通过道路试验获取4种典型路面工况下某型电动汽车在不同车速下的舱内噪声,计算分析其心理声学参数,开展烦恼度主观评价实验,并基于非线性Zwicker心理声学烦恼度及其修正模型进行建模研究。结果显示,随着车速和路面粗糙程度变大,响度逐渐提高,尖锐度也随车速增大而变大;Zwicker心理声学烦恼度模型更适用于电动汽车座舱内部噪声。

声学双曲构型超材料的负折射特性研究

声学双曲超材料是具有双曲色散特性的人工材料,具有极强的各向异性,其负折射特性是研究实现高分辨率聚焦型超透镜的理论依据。针对远场噪声源识别受制于0.5倍波长声波瑞利衍射识别分辨率问题,结合声学超材料对声波的优异调控效果,引进可以实现亚波长超分辨率成像的双曲超材料,利用其负折射特性设计了一种用于工作频率为2 271.5 Hz的声学双曲结构。分析了该构型的双曲结构色散特性及负折射特性,结果表明声波在该双曲超材料中传播的群速度方向垂直于波矢,并沿着色散曲线的法线方向。本文的研究为实现对声波和弹性波的任意调控,以及噪声源的聚焦定位、识别放大等提供了一定的设计参考。

声学四极子拓扑绝缘体中的反常手征边界态

基于量子系统的物理概念在经典的声波体系中构造拓扑态是声学研究最前沿的方向之一。然而对于四极子拓扑绝缘体这一物理模型,已有的研究结果往往只关注能量局域在角上的角模式,而忽略了沿边界传输的边界态。该研究利用超材料单元在声波体系中实现了四极子拓扑绝缘体,通过分析构造的声人工周期单元的拓扑性质,沿特定的路径切割声学超材料晶体实现了反常手征边界态,并进一步构建了一系列支持边界态传输的声学器件。利用有限元仿真软件计算的结果表明该手征边界态在空间上有较好的局域性,对于尖锐的转角和几何缺陷亦具有免疫性。该研究提出的反常手征边界态及相关的输运器件有望应用于空间声场操纵、声学通信、减振降噪等领域。

二维声学黑洞应用于压电振动能量收集

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应可以产生强烈的能量集中,能够将高频率低振幅的低品质振动能量转化为高振幅的高品质振动能量,从而便于利用。提出并研究了一种环形二维声学黑洞压电能量收集装置。有限元分析结果表明,环形二维ABH结构能在宽频域内显著提高能量收集效率。搭建了环形二维声学黑洞压电能量收集器试验测试平台,通过试验验证了仿真结果的正确性。与经典二维ABH结构相比,环形二维ABH结构具有更好的能量收集效率和结构强度。分析了压电片几何尺寸等因素对装置能量收集效率的影响,得到了能获得较高输出功率的几何尺寸范围,并进行了正交试验设计,研究了截断厚度、压电片尺寸、中央平台直径、幂指数等多因素的综合影响。

约束阻尼夹层结构透声窗声学性能研究

针对高透声、低噪声的透声窗结构设计问题,文章采用五层约束阻尼夹层结构的透声窗设计;基于传递矩阵法,推导了五层约束阻尼夹层结构的透声率的理论计算公式,同时开展了五层约束阻尼夹层结构透声窗透声性能试验,从而验证了理论公式的可靠性;基于理论公式系统地研究了不同设计参数对透声窗透声性能的影响规律。研究结果表明:五层约束阻尼夹层结构透声窗的透声率随着频率的增加呈周期性变化,且整体呈下降趋势;约束阻尼层厚度的增加会改变透声性能的周期性变化规律;在中间层不变的情况下,透声性能的铺层顺序具有对称性。

基于表面阻抗测量的声学覆盖层吸声系数测试及修正

[目的]鉴于采用传统的水声管试验方法测量潜艇声学覆盖层的表面阻抗要求较高,提出一种可简化试验的基于阻抗测量的吸声系数测试方法,并解决阻抗测量中非平面波反射的修正问题。[方法]首先,将覆盖层简化为阻抗率矩阵边界和结合流体边界条件,推导出覆盖层表面不同半径处的速度;然后,通过汉克尔积分变换建立非平面反射波压力与轴向速度的关系,得到修正非平面波反射的吸声系数公式;最后,对模型样品进行数值计算和表面阻抗测量,分别与理论计算和传统的水声管测试方法所得结果相互比较,以验证所提方法的有效性。[结果]数值计算结果表明:实心覆盖层得到的结果与理论结果一致;圆柱空腔结果与理论结果有明显差异。阻抗测量的结果经平面波处理后与水声管试验结果有较大误差,经修正后与水声管试验结果较为吻合。[结论]覆盖层空腔易引起非平面波反射,在阻抗测量中需要予以修正;经修正后的阻抗测量方法得到的吸声系数与传统的水声管试验方法在所关注的频段内一致,且简化了试验,具有一定实践价值。

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.

压电复合材料梯度分布声学特性研究

目前,压电复合材料在吸声降噪领域应用广泛,但其低频吸声性能并不理想。为解决此问题,以0-3型压电复合材料为研究对象,提出使压电陶瓷体积含量呈梯度分布以提高其低频吸声系数的方法。首先,基于声电类比法和传递矩阵法,推导多梯度分布的理论公式,并通过文献构型对其进行验证;其次,将均匀分布与梯度分布的吸声系数进行比较,发现梯度分布会改变材料的声阻抗,从而改变吸声系数。最后,进行梯度分布压电复合材料数值分析,结果表明,同等条件下,当压电陶瓷体积含量呈梯度递减,且梯度差和第一梯度的厚度增加时,可明显提高低频吸声系数。

恒频声学二极管的设计及特性研究

声学二极管能控制声波仅在一个方向有效传输在反方向无法传播,在通信技术中具有广泛的应用,然而目前大多数的声学二极管设计是基于非线性效应使系统只通过新的高次频率并阻止原频率的传输.本文利用不对称结构与弱非线性声子晶体的组合,提出了一种一维声二极管模型,实现弹性波的不对称传输,并保持频率不变.该模型由左端的变幅杆和右端的非线性弹簧质量链组成,理论分析表明,该声学二极管具有与电子二极管相同的正向和反向特性,并通过有限元仿真验证了该模型的有效性.

协力登攀,开启新征程——贺《声学学报》创刊60周年

60年前,我国现代声学研究尚处于起步阶段,声学界的先辈们承载着声学工作者的期待,以对科学的崇高使命感和责任感创办了《声学学报》。与中国科学院声学研究所同龄的《声学学报》,不仅见证了我国声学领域的一次次突破,更是国内外学术交流的重要窗口。作为一个传承与创新并重的平台,它既传递了前辈科学家的研究成果和精神财富,也为年轻学者提供了展示才华的舞台。