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.

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.

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.

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.

三明治型声子晶体中Lamb波传播特性的研究(英文)

近年来,Lamb波在声子晶体板中的传播特性受到了研究者的广泛关注.在前人的研究基础上,本文利用传统的一维声子晶体板构建了三明治型声子晶体复合板模型,并运用有限元法研究了三明治型复合板的上下覆盖层对Lamb波禁带分布的影响.所谓三明治型声子晶体复合板即通过在传统一维声子晶体板的上下表面对称覆盖一定厚度的纯材料板得到.利用该模型,数值分析了不同三明治型复合板中Lamb波的传输谱,计算结果证明,当上下两覆盖层的材料为硬材料时,覆盖层对禁带分布的影响巨大,禁带随着覆盖层变厚迅速消失;另一方面,若上下两覆盖层为软材料构成时,可以发现一个新禁带的形成,并且随着覆盖层厚度增加逐渐趋于与原禁带合并.而对于覆盖层为中等硬度材料的情况,覆盖层对禁带分布的影响介于软材料和硬材料之间.研究结果表明:当声子晶体的结构保持不变时,该声子晶体的禁带分布可通过构建相应的三明治模型进行调节.

多孔弹性介质三层夹心板的隔声性能研究

应用Biot关于流体饱和多孔弹性介质的声传播理论,采用传递矩阵的分析方法,就复合多孔弹性材料夹心三层板在不同结构情况下的隔声性能进行了理论研究和实验分析,并与同等条件下双层夹心板的隔声性能进行了比较。数值计算和实验结果均表明,与双层夹心板相比,三层夹心板在中高频段隔声性能有明显优势,但低频段隔声性能有一定程度上的下降。研究还表明不同结构的复合三层夹心板在隔声效果上也各有特色。

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。

两种模态展开法预测结构辐射声功率时振动传感器数目的要求研究

在考虑模态幅度估计时采样点数目要求的基础上,比较了使用振动模态展开法和辐射模态展开法预测辐射声功率对速度传感器的数目要求。对于点力激励的小阻尼简支矩形板,发现激励频率低于第一阶本征频率时,使用辐射模态展开法所需的传感器数目较少;而激励频率在本征频率附近时,使用振动模态展开法所需的传感器数目较少。

穿孔板声阻抗模型研究

穿孔板广泛应用于噪声控制及扬声器扩声系统等领域.除了每个孔自身的声阻抗以外,各个孔之间的相互作用对整个穿孔板的声阻抗也有一定影响.前人的研究中对于穿孔板声阻抗的处理有3种方法:简化的解析方法、实验方法和数值方法.其中前两种方法有一定的限制条件;第三种方法虽然能较准确地模拟穿孔板的声阻抗,但在实用中还不够方便.针对上述问题提出了另一种简化解析模型来模拟穿孔板的声阻抗.把穿孔板上的每个孔看作一个声源,系统向外辐射的总声场为这些小孔分别向外辐射的声场的叠加.假定单个孔的辐射阻抗已知,以此为基础,计算其余孔与该孔的互辐射阻抗,这样可得到单个孔的总阻抗,从而求得整个穿孔板的总声阻抗.分别应用上述模型和以往模型来模拟两种不同穿孔情况的穿孔板的声阻抗,并进行比较.结果表明,频率升高,孔间的相互作用减小,两种模型模拟的声阻抗差异减小.孔间距增大,孔间的相互作用也减小.利用等效线路图法分别计算出采用这些穿孔板的实际扬声器系统的频响,并在消声室里进行测试.对于前盖板上穿一个孔的扬声器系统,两种模型模拟的结果与实验结果都很相似.对于前盖板上穿3个或7个孔的扬声器系统,上面提出的模型的模拟结果与实验结果更接近,以往模型的模拟结果与实验结果相差较大,尤其是中高频峰值频率的位置相差较多.这说明目前采用的模型更准确,当孔间距不是很大时孔间的相互作用对穿孔板的声阻抗有较大影响.

固体粘接界面的非线性共振特性研究

研究考虑粘接界面非线性的条件下,双层固体粘接薄板的振动特性。将双层板间的振动耦合看作一组非线性弹簧,理论上运用分离变量等数学方法,求解得到粘接层的应力应变关系为线性条件下的解析解,以及考虑非线性参量时系统共振的数值解。通过对双层铝板的环氧树脂粘接模型进行仿真研究分析,发现界面的共振频率随着界面粘接强度非线性参量的增加呈现先增大后减小的趋势,当界面强度弹性参量为300GN/m3时,共振频率的最大偏移量达到10%。在粘接强度退化早期,利用界面的非线性共振特性可以更好地检测粘接质量。

虚拟声屏障系统中虚拟传感器位置的优化研究

对于某一特定目标区域,虚拟声屏障系统的误差传感器阵列处于目标区域中某一最优位置,其降噪量最大.然而,误差传感器阵列处于目标区域中会妨碍人头的活动.使用虚拟传感器技术,将虚拟传感器布放于目标区域中,物理传感器布放于目标区域边界,可以解决此问题.前述最优位置即为虚拟传感器的理想最优位置.由于虚拟传感器处声压预测方法的限制,存在一个虚拟传感器的实际最优位置,虚拟传感器布放于实际最优位置时系统性能比布放于理想最优位置时好.控制声源与物理传感器距离较远时,即使虚拟传感器布放于实际最优位置,系统性能与误差传感器处于目标区域边界(不使用虚拟传感器)相比改进不大.然而,控制声源与物理传感器距离较小时,虚拟传感器布放于实际最优位置,与不使用虚拟传感器相比,系统性能提高明显,在550Hz以下低频,系统降噪效果有5dB以上的增加,取得10dB有效降噪静区的上限频率也大幅提高.

有源头靠系统中次级声源和控制电路的参数优化研究

在有源头靠系统中,针对次级声源和控制电路两部分对模拟反馈有源控制系统(ANC)参数进行优化。为了达到更好的噪声抑制效果,次级声源的有效辐射频带应和待控制噪声的主要频谱相近,在使用电动扬声器作为次级声源时,其谐振频率应在要控制噪声频谱的下端。在优化控制电路参数时,根据经典控制理论提出合适的目标函数,通过差分演化算法进行优化。在有源头靠系统中,可通过适当调整两通道间距离,或将两通道间耦合纳入参数优化算法中,以保证系统稳定性和抑制"水床效应"的影响。模拟和实验表明两种方法各有利弊。在实际应用中需根据不同需要采用不同的优化方法。

高斯叠代法研究相控阵栅瓣的优化

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)是一种新兴的治疗肿瘤的技术,将声波能量聚焦到人体组织内的靶区,产生热效应消融肿瘤组织,而不损伤正常组织.HIFU中的相控阵技术可以根据病灶区域的深度以及大小通过控制多阵元发射声束的相位与幅度,实现焦点的精确控制,并可实现多焦点聚焦及电子扫描.相控阵在聚焦超声治疗应用中不可避免地受到栅瓣的影响,本文结合高斯声束叠加与相控阵技术中的伪逆矩阵算法研究相控阵的声场,并对栅瓣进行优化研究.该方法利用预设焦点参数并应用伪逆矩阵算法得到阵元的激励参数;然后将阵元近似拟合成一组高斯声束的叠加,通过高斯声束叠代计算声场.数值计算中以9×9二维相控阵列为研究对象;线性条件下,高斯叠代法结果与菲涅耳积分结果的误差低于1%,验证了该方法的可行性;二维相控阵在单焦点模式下减小阵元间距可以有效抑制旁瓣,但不能完全抑制.进一步的实验研究将进一步优化理论模型.本文的结果将有效促进相控阵聚焦换能器在HIFU中的应用.

活塞聚焦换能器引起温度提升的研究

由于高强度聚焦超声的出现,活塞聚焦换能器引起的温度场日益受到重视。本研究基于生物热传导方程(Pennes方程)及高斯声束叠加法理论,给出了由活塞聚焦超声引起的温度提升理论模型,并计算温度场的横向分布。实验采用猪的肝脏组织和脂肪组织,采用活塞聚焦换能器加热的方法,用热电偶测量可组织内的温度提升,并将计算结果与实验结果进行了对比分析。结果表明:在弱聚焦且声源强度小于3.0 wW/cm2的情况下,此模型可准确预测生物组织的温度分布,生物组织温度的提升主要决定于线性声场,并且与换能器参数有关,温度的提升随着换能器的声功率、频率、半径的增加而增加,随焦距的增加而减小,随媒质的灌注长度的增加而增加。

基于有限元分析的超声弹性成像仿真研究

本文利用有限元法对生物软组织的超声弹性成像进行仿真研究.通过改变组织内部杨氏模量分布及数值大小,仿真计算出各种不同情形时的位移和应变分布,并对仿真结果进行分析.在考虑生物组织粘弹性的基础上,优化了组织模型,仿真更接近真实情况.仿真结果表明,利用微小应变压缩法可以实现对离体组织的弹性分布成像,考虑粘弹性的仿真结果显示组织内部的应力、应变及位移变化均为时间的函数.

基于有限元方法的多层生物组织温度场的研究(英文)

为了确保超声热疗与高强度聚焦超声的疗效,需要严格控制温度,因此在治疗的温度测量是必要的.热电偶通常用于临床热疗,虽然它是一个高准确的技术,但需要插入器官,这给病人带来痛苦,因此没有被广泛使用.已提出一些无损测量温度的方法,如电阻抗断层成像,X-CT,磁共振成像,超声,微波,热温度补偿方法和计算机模拟,其中的温度场的计算机模拟是Pennes生物热方程,考虑血流量,超声波源的强度和测量的皮肤外的温度.由于生物组织是多层结构,其形状是不规则的,因此必须采用数值方法来获得组织的温度场分布.在本文中,首先,采用Khokhlov-Zabolotaskaya-Kuznetsov(KZK)方程用于多层组织的声场分布,用有限元软件求解Pennes方程,获得多层组织在不同条件下的轴向温度分布.实验结果与理论对比表明实验和理论符合得很好.当样品厚度增加,部分能量被前部的组织吸收,因此焦点处将得到较少的能量,最高温度升高会降低,最高温度的位置也将向后移动.在增加换能器表面声压时,样品的最高温度的升高也将增加,但最高温度的位置保持不变,因此,换能器的表面声压对温度场有很大的影响.样品向后移动时,更少的能量将由前部的组织吸收,所以焦点将获得更多的能量,最高温度升高会增加,最高温度的位置也将向前移动.对于两层组织(脂肪-肝)和三层组织(脂肪-肌肉-肝脏),一部分能量被脂肪和肌肉所吸收,更少的能量在焦点被吸收,最高温度升高也将下降,最高温度的位置也将向后移动.研究表明,厚度和组织参数对热疗有非常重要的影响,在超声热疗中必须考虑在内.本研究结果将对超声热疗提供有用的信息.

流体中多孔球中的声散射研究

沙子是一种形状复杂多样的材料,在建筑材料、海底沉积物等中都是以聚集的形式存在,这样聚集的大量沙子的特性难以直观了解,为了了解这些特性,可以用声学的方法,利用沙子对声波的反射、散射信号从中了解到沙子的一些信息.本文主要从理论上研究沙子对声波的散射特性,研究流体多孔介质中的声传播,我们引入了经典的Biot理论,建立了球坐标系下的多孔球散射模型,通过多孔球界面的边界条件推导出了表示材料散射特性的散射系数矩阵,接着利用球坐标系下的散射形式函数推导出了流体多孔球的背向散射谱.理论上获得了流体多孔球的散射特性公式,用数值的方法进行对其进行了计算,采用流体多孔沙的参数值得到了背向散射谱,并讨论了不同孔隙率及沙粒半径下的背向散射情况.

PESQ测量语音增强算法性能不确定性的研究

对用感知语音质量评价标准(PESQ)测量语音增强算法性能的不确定性进行了研究,给出了不同测试条件下,语音增强算法所得PESQ值的不确定性。通过对结果的分析,比较了轿车噪声条件下几种语音增强算法的性能,并对结果进行了可靠性分析。

Lamb波时间反转椭圆定位和层析成像混合技术研究

采用椭圆定位技术和层析成像技术相结合的无损检测方法,并将其运用于板状材料的Lamb波损伤检测和成像中.与传统的单一层析成像技术相比,将椭圆定位技术和层析成像技术相结合,只需在椭圆定位技术确定的范围内选择有效的激励-传感路径进行层析成像,从而排除了多余的检测路径,可以减少数据计算和处理的数量,提高数据利用率和检测效率.此外,由于事先用椭圆定位技术确定了损伤的范围,避免了额外激励-传感路径交叉点处损伤概率值较大的情况,这有效地减少了损伤检测误判情况的发生.通过Abaqus有限元软件的仿真,选择合适的Lamb波激发频率和激发方式,然后布置恰当的传感器网络,结合椭圆定位技术和层析成像技术的概率损伤检测重构算法对损伤进行成像,这有效地提高了损伤的检测效率和成像质量,检测路径和成像计算时间节省率分别在47.6%和47.5%以上.