考虑声振耦合的散射声场优化研究

针对表面铺设柔性层的声振耦合结构散射声压最小化问题,发展一种无限/半无限空间中散射声压优化算法。考虑声介质与弹性结构的耦合作用,推导耦合系统散射声压方程;随后采用直接微分法推导出散射声压对阻尼层单元的灵敏度公式;最后以指定参考点在单一频率或频率带内的散射声压幅值最小化为目标函数,考察无阻尼/有阻尼柔性层在不同激振频率下的材料分布。结果表明:优化算法可实现柔性层材料的合理分布,有效降低激励频率处的散射声压。

探针操控下的声悬浮动力学特性

以单轴式声悬浮和圆柱形探针为模型,研究了探针沿水平方向进入和退出声场过程中球形悬浮样品的运动学特征和动力学机制。实验发现,在一定距离范围内,探针的靠近使悬浮样品振幅增大,振动频率减小,并对悬浮样品产生吸附效应。探针退出声场时的临界脱附距离大于其进入声场时的临界吸附距离,表现出滞后效应。临界吸附距离和临界脱附距离均与探针直径成正比。有限元计算结果表明,探针对悬浮样品产生吸附作用的机理是探针引起了声场的非轴对称分布,产生了指向探针方向的声辐射力分量。计算结果还揭示了探针位置和直径对样品最大偏离距离和水平振动频率的影响规律,与实验结果吻合。

薄膜型声学超材料的发展与展望

声学超材料以可引导和控制声波反射、透射和吸收能力,在声学领域受到广泛关注。薄膜型声学超材料是声学超材料的一个重要分支。薄膜型声学超材料因其轻质、成本低、易加工并且能够在低频段产生理想的降噪效果,成为了当前声学超材料的主要研究方向之一。该文综述了薄膜型声学超材料在隔声等方面的研究进展,从薄膜理论模型建立和薄膜参数化分析出发,论述了薄膜型声学超材料基础理论及性能研究,重点介绍了不同薄膜结构的设计及其与不同隔声技术的结合,并对薄膜型声学超材料进行了总结与展望。

结构声源浅海辐射声场计算及特性研究

针对浅海环境影响噪声测量准确性的问题,本文开展水下航行器类结构声源在浅海环境下辐射声场计算及特性研究。基于联合有限元等效源法与声传播模型相结合的方法建立结构声源在浅海环境下辐射声场计算模型,对该模型进行改进以提升计算效率,并对其有效性进行验证。分析声源频率、海水深度、潜深及声速剖面等因素对结构声源与点源辐射声场的影响。结果表明:在近距离处,结构声源的辐射声场与点源相比更为复杂,但随着距离的增加,二者有一定的相似性。声源在高频段的辐射声场相较低频段更为复杂。随着声源与界面距离的增加,在近距离处的声场分布接近于自由场中的声场分布。声速剖面在近距离处对声场影响较小,但随着距离的增加,影响逐渐增大。

声信号下基于双通道特征融合网络的电抗器故障诊断方法

目前,干式电抗器故障诊断方法主要围绕在基于振动信号的机械故障展开,故障类型单一,并且存在传感器安装困难等问题。为此,搭建了基于声信号下的干式电抗器故障试验平台,设置了多种故障类型。为了提升小样本下故障识别的准确率,提出一种基于双通道特征融合网络的干式电抗器故障诊断方法。首先,采用格拉姆角场(Gramian angle field,GAF)进行编码,将一维时序转化为二维图像。其次,采用双通道并行的CNN-ResNet网络结构,引入高效通道注意力机制(efficient channel attention,ECA)来获取二维关键信息,将二维图像特征与一维时序特征进行深度提取与融合。最后,基于有限元仿真来获取源域数据,采用迁移学习方法来获取目标域最优网络参数。试验对比表明:所提方法相比其他方法有着较强的特征提取能力,能够将故障特征显著分离,在小样本下的故障识别准确率最高可达99.5%,同时具有良好的泛化性和收敛速度。

声黑洞功率超声振动系统的研究

声黑洞结构具备独特的声波捕获和聚焦能力,已在许多声学领域展现出显著的应用优势和发展潜力。目前,声黑洞结构主要被应用于减振降噪,而其在开发更强大超声振动器件方面的研究还相对有限。基于此,开发了几种新型声黑洞功率超声振动系统,包括声黑洞超声手术刀和声黑洞浸入式化学反应器。通过在超声手术刀头设计中嵌入一维声黑洞轮廓,显著提升了刀头的振动位移和声能辐射,实现了更高效的手术切割和止血。此外,在浸入式声化学反应器的辐射头上引入声黑洞设计,扩大了声空化区域并增强了辐射强度,极大地提高了声处理效率。总的来说,声黑洞设计可以为高性能、高效率功率超声振动系统的开发提供创新方案,同时在功率超声器件小型化方面具有独特的应用前景。

基于被动水声信号的加州鲈摄食强度识别

为解决高密度养殖加州鲈摄食强度识别难的问题,实现加州鲈的精准投喂,提出了一种基于被动水声信号的加州鲈鱼群摄食强度识别方法。该方法以高密度养殖条件下的加州鲈为研究对象,采用摄食声信号采集装置获取加州鲈鱼群的摄食声信号,经预处理后提取摄食声信号的多种特征,通过随机森林、皮尔逊(Pearson)相关性分析及主成分分析筛选出较为重要的特征,基于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和多层感知机(multi-layer perceptron,MLP)建立PSO-MLP鱼群摄食强度识别模型。结果表明:基于PCA特征选择的PSO-MLP识别模型的分类识别效果更好,其准确率达到97.88%,识别时长为6.24 s,与基于随机森林和基于皮尔逊相关性分析的模型相比,识别准确率分别提高2.61%和1.02%,识别时长缩短1.04 s和1.09 s。说明基于被动水声信号的加州鲈鱼群摄食强度识别方法有效提高了鱼群摄食强度识别的准确率和效率,可为智能投喂系统的开发提供技术支持。

页岩水力压裂物理模拟实验及声发射特征研究

本文开展了页岩真三轴水力压裂物理模拟实验研究,基于声发射定位和声发射特征参数,研究了页岩水力压裂裂缝扩展过程,结果表明:(1)根据声发射(Acoustic Emission,AE)特征,页岩水力压裂过程可以分为三个阶段:初始阶段、主破裂阶段以及体积破裂阶段.(2)初始阶段,压力处于上升期,声发射数量较少,b值较大,主要是混合型裂缝,声发射频率较低,表明在岩石内部形成均匀的微小裂隙,并初步形成优势方位的主裂缝.(3)主破裂阶段,随着压力的上升,直至达到储层破裂压力,声发射率急剧增加,产生了大量的高能量声发射事件,b值降低,声发射频率较高,在井筒附近形成了拉伸型的主裂缝.(4)体积破裂阶段,压力虽然大幅降低,但岩心内部依然产生了大量的微破裂,裂缝主要沿主裂缝呈弥散式扩展并形成复杂的体积裂缝网络,这一阶段声发射b值较大,声发射数目较多,主要为剪切型裂缝.(5)实验室中的水力压裂裂缝扩展特征,与现场水力压裂微震监测结果一致,现场水力压裂后在闷井阶段也会产生大量的微震事件.本文研究的结果对于现场水力压裂具有重要的指导意义.

中国小型鲸类保护声学研究历程和新思考

保护声学(Conservation acoustics)是基于物种及生态环境保护需求而发展出的声学分支,重点研究与保护相关的声学理论、技术及应用,涉及保护生物学、生物声学和生态声学等关联学科。研究小型鲸类发声和受声及栖息地声学特征,有助于了解种群生存状况,制订和实施基于声学的保护对策,促进物种和生态环境保护。我国小型鲸类保护声学源起于20世纪80年代白鱀豚(Lipotes vexillifer)的保护需求, 1990年代后期和2000年代中后期逐渐转向到长江江豚(Neophocena asiaeorientalis a.)和中华白海豚(Sousa chinensis),近10多年来覆盖了从南海到黄渤海水域多种小型鲸类,在国际上占有较高的地位。40多年来,随着声学技术和仪器的发展,以及淡水和海洋小型鲸类保护的迫切需求,保护声学研究从人工环境中的个体转向到野外群体,声信号的记录方式从单一水听器转向全自动水听器阵列,研究内容从声信号和听觉特征扩展到广域长时被动声学监测,以及水下声景和水下噪声影响及防范,初步实现了基础研究和技术研发为小型鲸类保护提供支撑。可以预期,在未来10多年我国小型鲸类保护声学理论、技术研发及保护应用,将会随着大数据科学、人工智能技术和声学的发展与融合而呈现较明显的提升。

二维随机裂缝介质横波散射衰减数值研究

声波衰减对裂缝识别更为敏感,因此在非常规油气勘探和压裂监测等领域有着广泛的应用前景.裂缝型油气储层非均质性强,散射效应显著,但长波长假设下的等效介质理论无法准确描述散射导致的声波衰减.本研究利用交错网格有限差分方法,在二维随机裂缝介质上模拟了标量横波(SH波)的传播,并研究了裂缝尺度、密度以及交叉对横波散射衰减的影响.研究发现,裂缝长度l_(c)、裂缝密度γ和背景介质波数k_(0)可定量表征散射衰减.裂缝长度l_(c)小于背景介质波长λ_(0)的1/30时,可以忽略散射衰减;当k_(0)l_(c)/2<1时,衰减随着k_(0)l_(c)/2的增大而增大,反之,衰减随着k_(0)l_(c)/2的增大而减小;当l_(c)≈λ_(0)/3时,衰减最强.裂缝交叉会加强k_(0)l_(c)/2<1时的散射衰减,而减弱k_(0)l_(c)/2>1时的衰减.这种定量关系有助于理解多尺度裂缝的横波散射衰减特征,对声波测井和勘探地震中的裂缝识别问题具有实用价值.

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。

钢筋混凝土梁中不同频率声发射信号的传播特征

目前利用声发射技术监测钢筋混凝土结构时,并没有考虑不同频率声发射信号传播特征的差异,容易出现较大的偏差。为此,考虑混凝土强度等级和配筋情况两个因素,利用任意波形发生器激发不同频率的声发射脉冲信号,研究不同频率声发射信号幅值和波速的变化情况。结果表明:C40素混凝土声发射幅值和波速分别比C30提高约10.47%和15.50%。钢筋混凝土波速比素混凝土提高了9.62%~26.61%,钢筋的存在显著提高了波速。纵筋的数量对波速影响不明显。100~150 k Hz属于声发射信号优势频率,300~450 mm为优势传播距离。总体来看,声发射传感器的布置不宜大于450 mm,否则高频声发射信号会剧烈衰减、失真,难以反映声发射源的真实状态。

无轴泵喷推进器内流致噪声仿真计算

基于Lighthill声比拟理论,采用混合数值模拟方法分析了流量变化对无轴泵喷推进器内流致噪声的声压级频域特性和总声压级等的影响及其与内流场的关系.研究结果表明:声压级主频均为轴频,并可见2倍轴频的谐频.小流量和设计流量下,主频处声压级幅值沿流向先下降后上升再下降,沿径向先上升后下降,并存在叶频及其倍频的谐频;大流量下,其沿流向下降,沿径向先下降后上升,未见叶频或其倍频的谐频分布.出口段靠近叶轮区域的主频处声压级幅值随流量增加上升,而远离该区域则先上升后下降;轴线附近区域的噪声逐渐增强.总声压级随流量增加而上升;流向上,总声压级逐渐降低,且在大流量下噪声衰减速度更为缓慢;径向上,总声压级最高值随着径向区域所在的流向距离增加而逐渐靠近轴线.影响不同流量下无轴泵喷推进器噪声分布的主要因素是出口段靠近叶轮区域的速度梯度和2个旋涡的大小和位置.

基于主成分方法研究钢纤维增强混凝土劈裂破坏的损伤机制

研究钢纤维混凝土劈裂破坏的细观损伤机制,对在役钢纤维混凝土结构的健康检测具有重要意义。通过多通道声发射系统,采集混凝土和钢纤维混凝土试件(钢纤维含量分别为15和45 kg/m 3)劈裂破坏过程中的声发射信号,并结合主成分分析法和k-means聚类算法,对混凝土和钢纤维混凝土的损伤特征进行分析。结果表明,钢纤维的加入抑制了混凝土中裂纹扩展,有效地改善了混凝土的峰后韧性;声发射计数和能量参数变化特征反映了钢纤维混凝土试件宏观变形、破坏的细观损伤演化过程。最后,识别出了钢纤维混凝土中砂浆基体开裂和钢纤维拉拔的两种损伤机制。与砂浆基体开裂相比,钢纤维拉拔产生的声发射信号具有计数高、幅值高、能量强和持续时间长的特征。

三维有限长倾斜式声屏障的优化设计

变电站的噪声污染问题日益严重,声屏障具有经济、实用、降噪效果好的优点,因此设置声屏障成为变电站噪声治理的主要措施。但在实际应用中,声屏障的种类、位置、高度、长度等通常根据以往经验用试凑法确定,可能因结构参数选取不当造成经济损失。以三维空间中倾斜式声屏障的衰减算法为基础,以建筑界限和接收点声压要求等为约束,建立声屏障结构参数的优化模型。将工程中声屏障的最小建造成本作为目标函数,使用MATLAB软件求其最优解。使用该方法对江苏某变电站内变压器的声屏障进行优化设计,并使用Noise System噪声预测软件进行对比验证。结果表明,优化后的声屏障不仅能满足接收点的声压级要求,而且可降低声屏障的安装成本,由此证明了该优化方法的准确性和可行性。

农用车辆导航系统语音控制功能的实现——基于汉语言声学特征

随着先进技术的应用,农用车辆在农业生产中发挥着重要作用。为此,将汉语言声学特征的语音控制应用在农用车辆导航系统中,通过集成讯飞语音云实现安静和嘈杂两种环境下对导航系统的实时控制。实验结果表明:语音识别正确率很高,平均达到了93.17%,具有较高的实用价值和推广价值。

水耦合作用下高压空气冲击煤岩破裂规律与声发射响应试验研究

为探寻煤岩体高效致裂新技术,提出了水耦合作用下高压空气冲击致裂煤岩的思路,利用自主研发的高压空气冲击致裂煤岩体真三轴试验系统,设计了五种钻孔不耦合系数(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0),开展了水耦合作用下高压空气冲击致裂煤岩试验,借助动态气压监测与声发射检测手段,研究了煤岩体裂缝形态、气压曲线及能量释放规律。结果表明:水耦合作用显著提高了高压空气的能量利用率,使试块产生的水平及竖直裂缝长度明显大于空气耦合时;水耦合时试块的破裂面无碎屑出现,而空气耦合时试块破裂面出现了较多碎屑;随着钻孔不耦合系数的增大,试块裂缝长度呈现先增大后减小的趋势,当钻孔不耦合系数为2.0时,裂缝长度达到峰值,此时试块产生的裂缝网络最为丰富;致裂过程的气压曲线呈现起裂、扩展和贯通三个阶段,水耦合作用时的气压峰值均大于空气耦合作用时的气压峰值;声发射信号主要集中在扩展阶段,水耦合作用时声发射信号响应更为剧烈,且以多簇形式出现,而空气耦合作用时则以单簇形式出现;当钻孔不耦合系数为2.0时,声发射累积能量和累积事件数均达到峰值。

岩石各向异性波速三维全方位表征方法与声发射定位优化

为了探究岩石波速各向异性特征及其对声发射定位精度的影响,开展了大理岩与粉砂岩单轴压缩试验.单轴压缩过程中,大理岩几乎完全处于弹性阶段,平均波速保持基本不变,水平波速始终大于斜纵向波速,说明初始状态下纵向裂隙较少.粉砂岩在压密阶段,水平、斜纵向及平均波速均呈现增加趋势;在弹性阶段,水平波速及平均波速缓慢下降,说明该阶段岩石在纵向上已出现微小裂隙;在损伤阶段,水平、斜纵向与平均波速的快速减小表明裂隙已贯通.根据岩石不同方向波速演化特征提出了基于罗德里格矩阵的岩石各向异性波速三维椭球体表征方法,通过统计椭球体长轴与真实裂纹分布方位角,大理岩和粉砂岩波速椭球体77%以上的长轴方位角与裂纹方位角分布一致,说明该方法可应用于裂纹扩展预测.同时提出了结合各项异性波速演化特征的声发射定位方法,通过断铅试验确定该方法平均误差在大理岩中为1.89 mm,在粉砂岩中为2.76 mm.粉砂岩的定位误差大于大理岩,主要因为粉砂岩孔隙率较大、波速变化不稳定性强以及波速的各向异性更为严重.在两种岩石中本文方法相较于传统单纯形法和Geiger方法定位精度均提高了58%以上,验证了该定位方法的准确性.

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。

基于IWOA-LSTM算法的预应力钢筋混凝土梁损伤识别

为准确识别桥梁结构的损伤程度,制作了桥梁的关键构件——预应力钢筋混凝土梁,进行三点弯曲加载试验.收集了损伤破坏全过程的声发射(AE)信号,通过AE信号参数分析,将梁的损伤破坏过程划分为4个典型阶段.构建了长短时记忆神经网络(LSTM)模型,根据经验设置LSTM模型的超参数容易导致网络陷入局部最优而影响了分类结果,提出采用Sine混沌映射和自适应权重来改进鲸鱼优化算法(WOA),对LSTM进行超参数寻优.设计了IWOA-LSTM算法模型,训练识别试验梁各损伤阶段的AE信号特征参数.定型网络结构,并识别同种工况下其他梁的AE信号.结果表明:IWOA-LSTM算法模型识别准确率均超过或接近92%,相较于普通LSTM模型,IWOA-LSTM模型识别准确率提高了约7%.