数据驱动下的声学器件音质优化

音质是声学器件声音表现的重要衡量标准.但音质的优化过程需要对大量频点的响应进行协同优化,造成优化问题的可求解性较差.该文提出了一种数据驱动下的声学通道拓扑优化设计方法,可实现声-结构系统中的声频响快速预测,进而借助显式拓扑优化技术实现声学器件的音质优化.通过人工神经网络对结构几何参数、激励频率与声频响之间的非线性关系进行建模,以可移动变形组件(moving morphable components,MMC)法中的结构几何参数、激励频率为输入变量,以声压频响作为输出变量,通过训练多层前馈网络建立了声频响的人工神经网络模型.所得结果可以有效地将目标频带内的声压级范围差从44.89 dB缩小至6.49 dB,相较于传统优化方法,求解速度约为之前的16.3倍,表明了当前方法对音质优化问题的快速求解具有明显效果.

沁水盆地柿庄北深部煤层煤体结构发育特征

煤层结构疏松，易于垮塌，对煤层气的开采影响较大。针对沁水盆地柿庄地区的深部煤层，选择人工伽马、声波时差、自然伽马和井径等测井曲线，并结合煤层顶底板的破碎程度，判识了柿庄北3号和15号煤层的煤体结构。结果显示：3号煤的粉煤平均厚1 m，所占比例平均为17.85%，发育在煤层顶部或底部；15号煤的粉煤厚度平均为0.89 m，所占比例平均为20.81%，粉煤分层较多，粉煤相对较发育，且多位于煤层的顶底和夹层附近。本区断层对煤层煤体结构影响并不大，粉煤发育可能主要受褶皱的影响。粉煤厚度随埋深加大呈现先减小后增大的趋势，拐点在1200-1300 m。由此可见，柿庄北区块煤体结构复杂，在开采煤层气过程中，应注意粉煤的发育分布。

单向声传播结构研究

受到电子二极管整流效应的启发,对单向声传播结构展开了一系列的理论与实验研究:将超晶格结构与非线性声学材料组合构成了可实现声整流效应的声二极管结构;通过将反对称弹性结构引入到复合结构板来产生Lamb波的不对称模式转化,设计了可实现Lamb波单向传播的线性声学结构;基于声子晶体的部分禁带特性,在有限尺度声学系统中设计并实现了单向声学波导结构;设计并实现了由纯板与声栅构成的声单向传播结构,具有小尺寸与高效率的特点,且声波出射角度可调;基于声学梯度材料设计了可在极宽频带内实现不对称声传播的声学结构。

基于声异常透射效应的高强度聚焦超声换能器

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)作为一种新型无创的外科技术已在临床上应用于各种良恶性实体肿瘤治疗。为了实现安全高效的肿瘤治疗,HIFU换能器的聚焦效率仍然有待提高。本文综述了声异常透射效应的基本原理,以及近期利用声异常透射效应的HIFU聚焦超声换能器的研究。主要涉及两个方面的工作:(1)将声人工结构引入凹面型声透镜的设计,设计并制作了声超常透镜,对声透镜式聚焦换能器进行改进,达到了降低旁瓣的效果,从而提高了HIFU治疗的安全性;(2)基于球弧周期槽阵列设计并制作了超构聚焦换能器,以增强HIFU换能器聚焦效率。从理论及实验两方面研究了超构聚焦换能器与传统凹面换能器的声压分布和在组织中产生的温升。本文研究结果可进一步促进HIFU在临床治疗的广泛应用。

声学超构材料在降噪领域的研究进展

声学超构材料具有独特的可调节人工结构和出色的声波调控能力,在噪声控制领域得到了快速的发展。以噪声的来源为出发点,简述了声学超构材料的主要作用机理,展开叙述了不同形式声学超构材料的主要设计内容,对各种声学超构材料的现状进行简单分析,最后总结了声学超构材料领域遇到的问题和发展前景。

基于人工结构板的声贝塞尔束的相位调控(特邀)

理论及数值模拟了人工结构板对声贝塞尔束相位拓扑阶数的灵活调控。基于惠更斯原理推导了平面波及贝塞尔束入射到刻有镂空阿基米德螺旋栅的金属板后出射波的声场分布。结果表明,当平面波从结构板的正反两向入射时,可分别得到带相反拓扑阶数的贝塞尔束;当贝塞尔束从结构板的正反两向入射时,可获得升阶或降阶的出射贝塞尔束。数值模拟声场分布对理论分析进行验证,进一步发现,升高工作频率至人工结构板对应基频的倍数,会得到对入射波高倍数相位阶数的调控。本文提出的贝塞尔束声场调控方法有望推动轨道角动量在信息传递及编解码中的应用。

深亚波长尺度的三维超薄声准直器件

文章提出了一个以空气为背景介质、具有强指向性的三维超薄人工结构。该结构包含一个中心螺旋结构,结构上下两侧刻有呈米字型排列的亥姆霍兹共振腔(Helmholtz Resonator, HR)凹槽阵列。中心螺旋结构降低了结构厚度,使整体结构厚度仅为入射波长的1/10,同时延长了声波的传播距离,实现了低频处的法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)共振。两侧HR凹槽阵列将散射声波转换为束缚在结构表面的声表面波,通过声表面波和F-P共振产生的透射声波的耦合实现了声波的准直发射。仿真结果证明该准直低频声束在透射端自由声场的传播距离大于15个入射波长。该三维器件在深亚波长尺度实现了高指向性声辐射,有望广泛应用于噪声控制及电声设计等领域。

基于阻尼材料拓扑分布的结构-声辐射优化

基于拓扑优化思想,提出一种人工材料假设,建立了阻尼材料铺设的拓扑优化数学模型。在阻尼材料用量一定的情况下实现阻尼材料最优分布,达到减振降噪之目的。采用遗传算法进行求解,进行了阻尼材料和人工材料的转换,实现了阻尼材料的拓扑优化。数值算例表明:所提方法在减振降噪设计中具有可行性和有效性,有较好的工程应用价值,可为阻尼材料的敷设提供一种可行有效的思路。

声人工结构的声场调控研究进展

声场调控是声学研究的核心问题之一,对医学、通信、军事以及工业检测等各个领域都有重要意义.受限于声波的物理属性及天然材料固有的声学性质,精准而简便的声波调控难以实现,导致声学学科中存在若干难题.人工构建的特殊结构可提供天然材料不具备的特殊声学性质,为突破局限、实现各种新奇的声场调控提供了可能性.本文从声子晶体、声学超构材料及超构表面等人工结构的基本概念出发,系统综述了声场操控方面的主要研究进展,包括基于声学人工结构的声单向传播、声角动量产生/检测、声隐身及其与机器学习的融合等,并介绍了声人工结构在高容量/高速声通信、声扩散体以及低频声波吸收/隔离等方面的应用实例.最后,讨论并展望了声场人工调控技术的发展前景.