不同声学边界长空间内声场传播的相干模型

由于长空间的特殊空间尺寸,基于传统室内声学理论所假设的扩散声场分布规律和混响规律在长空间不完全适用.基于几何声学的虚源法可以对长空间的声场的传播进行研究.然而,虚源法建模忽略了长空间中声线在边界多次反射产生的干涉效应.在虚源法的基础上,通过对虚源之间的相干求和,考虑了多次反射形成的无限个虚源之间的干涉效应,并且将各不相同的边界阻抗率加入到模型中,实现了一种预测矩形长空间中声场的传播的复虚源模型.实验所用长空间的墙壁分别是密度板和吸声材料,以模拟不同的阻抗边界.实验采用衰减系数逾量描述数值模拟和实际测量的结果.实验证明了所提理论模型的有效性,所提理论模型的预测结果可以较好地模拟出不同边界长空间声场的衰减趋势,反映出不同频率的声波在长空间中的传播趋势,比基于声线法的软件ODEON的结果更接近实验结果.

声学宽带多焦点聚焦

针对声学宽带多焦点聚焦的问题,设计出结构简洁的声学人工结构。通过控制细槽深度,对反射声波的波前进行任意操控。数值仿真结果验证了所设计的声人工结构的聚焦效果。这种人工结构还允许对焦点的相对位置及数目进行精确而自由的调控,当尺寸大于波长的障碍物存在时仍可通过合理设计来产生聚焦效果。该方案具有设计简洁及焦点可控等优点,有望在生物医学及无损检测等场合产生广泛应用。

缅怀声学泰斗魏荣爵先生——纪念魏荣爵先生诞辰一百周年

2016年9月4日是我国声学泰斗魏荣爵先生诞辰一百周年，《声学学报》特发专辑以纪念和表彰魏荣爵先生为发展我国声学教育和科研事业所作出的杰出贡献，这表达了我们广大声学工作者共同的心声。作为魏先生的学生，积极响应为专刊撰写论文，介绍先生生前感兴趣领域最近所取得的进展和动态，告慰先生在天之灵。同时，撰写此文，简要介绍魏先生的生平、年鉴、以及其领导南京大学声学学科发展概况，展示一位科学家一生追求真理的奋斗历程及取得的重要成就。

密度为零的零折射率声学超材料研究

以普通波导管内部嵌入弹性薄膜为基本单元结构,构造了零折射率声学超材料.研究表明,在频率为fm=453.64Hz时能实现等效质量密度为零的零折射率超材料.在零折射率超材料两端接上截面积较大的普通波导管构造了复合零折射率超材料,利用声传输线理论和声阻抗匹配理论,分析了该复合超材料中能量传输和轴向声压分布情况.理论和仿真结果表明:尽管在零折射率超材料与普通波导管之间存在极大的几何不匹配,系统在输入声波频率为fm和Fabry-Pérot(FP)共振频率时能实现声波完全传输,且在频率fm处具有相位超耦合和传输增强等特性.除此之外,当改变复合超材料中零折射率超材料的长度D和弯曲角度θ时,发现其在频率为fm时所具有的特性不变,而FP共振频率的大小会随零折射率超材料长度的变化而改变.

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.

经导管注射微泡介导的体外超声溶栓实验

目的探讨经导管血栓内注射微泡对体外超声溶栓的增强作用。方法取新鲜人血血栓40份分为4组,每组10份,实验1组:血栓内注射尿激酶和微泡+超声,对照1组:血栓内注射尿激酶和微泡+超声假照;实验2组:经外周循环注射尿激酶和微泡+超声;对照2组:经外周循环注射尿激酶和微泡+超声假照,比较4组的溶栓率。超声频率1.0MHz,声压512kPa。另用超声激励MBDiO释放,观察治疗后血栓内荧光分布与强度。结果实验1组的溶栓率(37.70%±3.17%)显著高于实验2组(11.67%±1.13%)、对照1组(14.37%±2.22%)及对照2组(7.90%±0.68%,P<0.05)。血栓内注射微泡后,内可见大片强回声后伴声影,治疗后强回声区在血栓内有扩散。激光共聚焦显微镜观察实验1组治疗后血栓内可见大量明亮荧光信号分布,而实验2组治疗后的血栓内部基本无荧光信号。结论血栓内注射微泡和尿激酶介导的超声溶栓率显著高于经静脉给药方法。

基于CNN-BiLSTM及ResNet网络的板中损伤TFM定位与检测研究

针对全聚焦(Total Focusing Method,TFM)成像技术因其耗时长,在工业应用中受限的问题,提出一种基于CNN-BiLSTM(Convolutional Neural Network-Bi-directional Long Short-Term Memory)网络的快速TFM成像方法,首先利用卷积神经网络从全矩阵数据中提取关键特征,接着结合双向长短期记忆网络来预测金属板上损伤的区域位置,再使用TFM技术在损伤区域进行精确成像.为了进一步提升损伤检测的准确性,引入基于ResNet网络的损伤尺寸检测方法以实现对损伤大小的精确检测.为了验证方法的有效性,利用有限元分析软件ABAQUS建立三维铝板仿真模型,并通过模型变换构建神经网络数据集.实验结果表明,与传统全聚焦成像方法相比,CNN-BiLSTM网络展现出较高的区域定位精度,定位准确率达到95.26%,并具有显著的效率优势,平均定位速度提升了46.4%;同时,损伤尺寸大小的检测结果验证了基于ResNet网络的方法在损伤尺寸评估方面的有效性和准确性,在测试集上达到了99.26%的准确率.

声流中力学特性的实验研究

声镊子能够操控和筛选细胞等粒子,使之在参数设定的轨道上排列.不管粒子的形状、尺寸、电性如何,声镊子都可以对其进行有效的筛选和操控.由于声镊子输出能量密度远小于光镊子,在对细胞操控过程中,不会对活体细胞造成伤害,具有构造简单、体积小、制作成本低、多功能等特性,并且非接触式的操作使声镊子具有很好的生物相容性,这些优点使得声镊子在材料、生物、医疗等领域具有重要的研究意义.采用20 MHz的叉指换能器,对水溶性硅油液滴和荧光聚苯乙烯粒子进行操控,分别研究了行波场和驻波场声表面波对水溶硅油液滴和聚苯乙烯粒子的作用,成功地使聚苯乙烯粒子在设定的波节位置排列成行.观察到了四象限的声流图案,验证了瑞利声流的存在.进而,用扭称实验测出压电晶片铌酸锂表面产生的声流对平板材料的作用力大小,得到了声流作用力与声强大小的关系.

理想流体中多孔球形粒子的声辐射力的研究

主要根据Biot-Stoll多孔介质理论,推导了平面波入射到理想流体中多孔球形粒子的声散射系数以及所受声辐射力表达式,通过数值模拟分析了开孔和闭孔情况下多孔球形粒子在不同体孔隙率、不同面孔隙率以及不同药物材料下所受的声辐射力大小,并利用有限元仿真对理论结果进行了验证.从结果可以看出体孔隙率越大,多孔粒子所受的声辐射力越大,对于不同的药物粒子,由于各类性质不同,所以相对而言所受的声辐射力的波动较大.研究为流体中粒子的声操控提供了理论基础,有助于从药物材料、孔隙率等方面改善和发展用于医学相关领域的药物操控.

基于圆柱形非均匀迷宫结构的动态可调定向声辐射

构造了一种圆柱形四通道非均匀迷宫结构,利用该结构设计的圆环型超构材料能够实现动态可调的定向声辐射.所构造的圆柱形非均匀迷宫结构具有偶极子共振特性,在偶极子共振频率附近,声波能够从两个占比较大的扇形通道开口向外辐射,此时的圆柱形非均匀迷宫结构可近似地看作一个偶极子源.当圆柱形非均匀迷宫结构围绕圆心进行旋转时,所形成的偶极子源的位置和向外辐射声波的方向也随之发生改变.将点声源放置在由18个非均匀迷宫结构组成的圆环型超构材料的中心,调节圆柱形非均匀迷宫结构的旋转角度,使各微结构处于导通或截止状态,从而控制点声源在各个方向上的传播特性,实现具有动态可调特性的定向声辐射.此外,研究了圆柱形非均匀迷宫结构旋转角度对透射声波的影响,探究了微结构的开关效应,为构造简易的声定向辐射设备提供了新思路.

附加薄膜-质量块谐振器的Herschel-Quincke管及基于该结构的隔声帘的研究

声学超材料在声音和振动的消除领域具有很好的应用前景.由于薄膜材料具有轻质且可以实现低频隔声的特点,薄膜型声学超材料受到广泛的关注.提出一种附加薄膜-质量块谐振器的Herschel-Quincke(HQ)管,通过理论分析及有限元仿真和实验的方法验证了该结构在HQ管道和薄膜-质量块谐振器耦合作用下可以实现低频多带的消声性能.此外,还设计了一种前、后附加薄膜-质量块谐振器的方形盒子单元结构,并基于该结构提出了一种隔声帘结构.隔声帘结构为多个单元组成的二维阵列结构,每个单元由前、后附加薄膜-质量块谐振器的长方体盒子构成.通过有限元模拟验证了该结构具有较好的低频宽带的自由场隔声性能.

超声波和紫外光协同降解酸性橙Ⅱ水溶液的机理研究

以含有多个苯环的典型偶氮染料-酸性橙Ⅱ为研究对象,研究了超声波和紫外光分别辐照及共同辐照下的降解现象。酸性橙Ⅱ水溶液在超声波及紫外光分别辐照下均发生显著降解,反应过程符合准一级反应动力学规律。在超声波和紫外光共同辐照下,反应过程也符合准一级反应动力学规律,同时酸性橙Ⅱ水溶液降解呈现显著的声光协同效应,即同一辐照时间内超声波和紫外光共同辐照下酸性橙Ⅱ的降解率大于超声波和紫外光单独辐照下各自降解率之和。动力学分析结果表明,该协同效应可归因于紫外光对超声空化过程中产生的过氧化氢的裂解作用。

存在声反馈的前馈有源噪声控制系统性能分析

在一些应用场合,前馈有源噪声控制系统中次级源产生的声信号会反馈至参考传声器,影响参考信号质量和系统稳定,导致控制性能下降。引入了等效次级路径的概念,并通过等效次级路径与实际路径的相位偏差分析存在声反馈时的收敛性能。若某些频率的相位偏差大于90°,则这些频率附近将较难收敛,降噪性能下降,甚至导致系统不稳定。通过仿真和实验对单指向传声器声学方法、自适应滤波u型最小均方差(FuLMS)算法、反馈中和算法和在线建模算法共4种解决声反馈问题的方法的性能进行了比较。结果表明,4种方法都能提高存在声反馈时的前馈有源噪声控制系统的性能,有效解决声反馈引起的问题,但各有优缺点。单指向传声器方法最为方便,但低频指向性较差。FuLMS算法运算量较低,但不能保证收敛。反馈中和算法性能最好,但当系统时变时鲁棒性较差。在线建模算法不需要额外滤波器,但由于参数调节复杂,降噪性能稍差。

环形稀疏声源阵列声涡旋的优化与操控

提出和优化了环形稀疏声源阵列涡旋声场的形成方法,进行了涡旋声压,相位和振动速度的理论推导和特性分析。通过改变声源数、声源频率和观测距离等参数,对声涡旋场的模拟结果证明,声涡旋半径主要由信号波长决定,声源频率越高,声涡旋半径越小,能量越集中;涡旋声压随着声源数的增加而线性提高,随着传播距离的增加而减小;声涡旋环形相位分布的线性度随着声源数、声源波长和传播距离的增加而提高。建立了3/4/6/8声源实验系统,径向声压和相位分布以及环形相位分布的测量结果和模拟结果具有较好的一致性,同时悬吊泡沫盘的旋转证明了声涡旋角动量的传输。本研究中声涡旋场的特性分析和参数优化为粒子操控及其在生物医学中的应用提供了依据。

钢材料中声速与声衰减系数的测量

测量钢的声速和声衰减是一件基础但十分有意义的工作．因为钢在工业上有着非常广泛的应用。超声波在钢中传播后声速和声衰减会发生变化，通过这种变化便可以了解钢材料的部分特性。从而对钢的无损检测提供理论指导。例如钢在受到辐射后其声速和声衰减都会发生变化，声速会降低而声衰减则会增大．核工业上可以利用这种变化来判断钢的辐射脆变情况甚至预测其使用寿命,透过钢材料声波的声速和声衰减同钢的颗粒大小有紧密的关系，这可以作为一种无损检测的方法来得到钢中颗粒的大小，而颗粒的大小影响了钢材料的很多机械特性。

声光协同作用下金纳米颗粒表面空化泡的动力学研究

在激光和超声的协同作用下,金纳米颗粒表面会产生空化气泡。本文通过观察各种参数条件下空化泡的振荡变化,研究了激光光热、超声空化及其协同效应。研究发现,光热作用和激励声压的改变可以调节气泡的动力学过程,光热效应的增强有利于气泡的膨胀,激励声压的增加可以提高气泡运动的剧烈程度。两者的协同作用可以使气泡稳定存在并经历不同的振荡过程。此外,激光与超声协同方式的变化对气泡的运动过程有一定影响。

超声波降解有机物溶液的气泡动力学研究

在超声波降解有机物溶液过程中,超声空化产生的高温高压以及空化泡振荡产生的激波在有机物溶液的降解中发挥重要作用.本文通过对超声波作用下气泡动力学的研究,讨论了超声波声压、频率、气泡初始半径等参量对有机物溶液降解效率的影响.研究发现,存在使降解效率极大的声压和频率。在空化稳定的情况下,存在一个使降解效率极大的气泡初始半径,降解效率随着黏滞系数的增大而减小。研究还发现,双频超声作用的空化效果比单频超声作用时强,与双频超声作用下有机物溶液降解率较大这一实验结果一致。

耦合空间中不同衰变类型声场的边界研究

在耦合空间中,除了传统的指数衰变形式,通常还存在其它两种不同类型的声衰变方式,一种开始时衰变很快后来衰变速度降低,另一种相反,每一种衰变的形式在耦合空间中都占据一定的区域。目前的一般观点是:系统的物理边界,如两子空间之间的隔墙和耦合口,是空间中两类不同声场的边界。通过数值模拟和实验验证,发现这种物理边界划分并不能准确区分具有不同特性的声场。本文中给出了这两种不同特性声场之间的边界,发现这边界并不处在通常人们认为的隔墙之类的物理边界上,而是越过物理分隔进入相对更为活跃的子空间中。这种侵入的程度取决于两子空间自身混响之间的差异,差异愈大侵入得愈多。

ZnO纳米薄膜及其声表面波传感器的制备与特性研究

结合RF磁控溅射和水热合成法制备ZnO纳米结构薄膜,利用XRD及SEM分析ZnO薄膜的晶体结构和形貌、XPS分析薄膜的化学组分。结果表明,在适当的条件下,所制备的ZnO薄膜为具有良好c轴取向的纳米棒状结构,且ZnO纳米棒薄膜表面吸附的氧原子及晶格的氧空位缺陷增多。利用所制备ZnO纳米棒薄膜的上述特性,将其作为气体敏感材料。分别沉积于128°YX-LiNbO_3和36°YX-LiTaO_3基片,研制多层结构的声表面波(Rayleigh波和Love波)氢气传感器,并进行室温条件下氢气的实时传感检测,结果显示所研制的Love波传感器具有更高的灵敏度,性能更优化。

超声空化增强川芎嗪对脑缺血再灌注损伤保护作用机制的研究

川芎的生物活性成分(川芎嗪)已广泛应用于治疗心脑血管疾病。基于谷氨酸诱导PC12细胞损伤建立脑缺血再灌注损伤的细胞模型,探讨超声增强川芎嗪对谷氨酸损伤PC12细胞的保护作用机制。研究结果表明,超声能进一步加强川芎嗪对细胞的保护,其主要作用机制为:(1)抑制氧化应激和细胞凋亡相关的Bcl-2蛋白和Bax蛋白的变化从而达到抗凋亡的效果;(2)降低炎症因子(TNF-α和IL-8)的表达,减轻炎症反应损伤;(3)适当的声压可以增强川芎嗪对谷氨酸损伤PC12细胞的保护作用,但过高的声压会引起细胞损伤,导致细胞凋亡。本文的工作表明超声能够增强川芎嗪对脑缺血再灌注损伤的保护作用,为临床脑缺血再灌注损伤的治疗提供了新治疗策略。