复合频率超声波清洗声场均匀性研究

采用计算机摸拟技术,设计加工了一种复合频率超声波清洗槽,在同一个声波发射面(槽底)上,粘接3组不同频率的超声波换能器振子。在大功率实用状态下,研究测试了清洗槽内各单一频率及复合频率时声场电压的相对分布情况,并在染料水溶液中用铜版纸真实记录了单一频率及复合频率的声场分布情况。结果表明,复合频率的超声波清洗比传统的单频超声波清洗效果更好,充分发挥了不同频率的声波特性,消除了驻波场,使声场更加均匀。     

格子玻尔兹曼方法对不同张角聚焦声束的建模

高强度聚焦超声(HIFU)是一种新型的无创治疗肿瘤新技术,其中换能器声场数值计算能够为HIFU治疗提供重要的依据。传统非线性KZK和SBE模型广泛应用于换能器声场数值计算,但依然存在某些不足。我们采用一种介观尺度的新型流体力学方法,即格子Boltzmann方法(LBM),基于2维9离散速度(D2Q9)格子构建了轴对称多弛豫参数LBM模型,并通过调节弛豫参数分析其对模型的影响;利用该模型对两个具有不同张角的球面聚焦换能器的声场进行数值模拟,并与KZK和SBE模型的计算结果进行比较。结果表明LBM模型能够很好地描述超声波的激发和传播机制,从流体力学的角度描述聚焦声场的分布,具有清晰的物理意义,且计算过程不受换能器张角的限制,在换能器声场的理论分析和模拟计算及其在HIFU治疗中的应用有着积极的意义。      

1-3型二维柱形凹面线聚焦换能器声场特性

设计并研制了柱面结构的1-3型复合材料凹面线聚焦换能器,在提高换能器带宽的同时,可以实现声场的线聚焦。将换能器内部PZT柱作为独立声源,应用瑞利积分和叠加原理,推导出了柱形凹面换能器总声场的理论表达式。通过仿真计算分析了换能器在聚焦线上的声场特点以及相关参数对聚焦性能的影响。对换能器参数做出合理设计,使换能器在实现线聚焦的同时,声场在聚焦线上的起伏较小,从而设计并制作出聚焦性能良好的线聚焦凹面换能器探头。实验测试结果表明采用本文方法计算得到的换能器声场与实测的声场分布基本符合,柱形凹面换能器在其几何焦点附近范围内均可实现聚焦,并在侧向上形成清晰的聚焦线,其聚焦线长度为换能器的侧向结构长度,在聚焦线上声场分布起伏较小。      

超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真分析

为了探究超声搅拌磁流变抛光液的制备及优化工艺,利用多物理场数值计算方法,建立了超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真模型,并进行了频域分析。研究了不同液位深度、超声变幅杆探入深度,不同功率下磁流变抛光液的声场分布。通过测量磁流变抛光液的声场强度对声场仿真进行了验证。结果表明：随着距变幅杆距离的增加,声强逐渐减弱,高声强区域主要分布在换能器轴线附近。声强在距变幅杆20mm范围内急剧衰减,变幅杆最佳探入深度为10mm,增大功率有助于空化区域的扩大。声场仿真结果与实验测量结果基本一致,对磁流变抛光液的制备提供了数值计算基础。     

两端开口圆柱形液腔低频谐振辐射特性

为研究两端开口圆柱形液腔的低频谐振辐射特性,建立了其在低频近似条件下的分布参数模型,由电-力-声类比得到了等效振动模型,给出了无声负载下的谐振频率表达式。随后利用“长度等效方法”建立了液腔在辐射条件下的自辐射等效模型和声场辐射等效模型,给出了液腔的修正长度、谐振频率及指向性函数,并讨论了弹性壁条件下的情况。结合有限元法研究了刚性(弹性)壁条件下,圆管结构特征参量对液腔一阶谐振频率的影响规律,给出了自辐射等效模型满足求解精度的条件,并利用压电效应激励液腔一阶谐振,讨论了其声场辐射特性。对比结果表明:液腔一阶谐振频率的等效模型计算值与有限元仿真值符合较好,误差低于5%;液腔的修正长度为4a/π,液腔在一阶谐振下近似呈“∞”型指向性。此模型将两端开口圆柱形液腔类比为“液体圆棒”,即可将液腔视作液腔类水声换能器结构的一部分,提供了从分布参数模型角度分析此类换能器工作机理与辐射特性的理论支撑。     

高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究

为探究临床常用的7 MHz高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规律问题,基于Westervelt方程和Pennes传热方程,使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异,然后在非线性模型下探究换能器的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示：在7 MHz频率下,当换能器输出声功率超过5 W时,声波传播的非线性效应不可忽视(p <0.05);当声功率从5 W增大到15 W时,非线性模型与线性模型预测的温度偏差从20%增加到34.703%;高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著,基频能量向高次谐波转移的程度增大,声功率为10 W和15 W时4次谐波与基波之比分别达到7.33%和12.12%;高频换能器参数的改变对组织中声场和温度场分布的影响较大,换能器焦距从12 mm减小到11.2 mm,焦点处最高温度增加了77%。结果表明,7 MHz聚焦超声的非线性声传播需要考虑到4次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。     

宽频带夹芯式压电换能器

目前国内外在超声清洗设备上,已经广泛地采用夹芯式压电换能器。由于单个换能器的功率容量不大,同时也考虑到清洗槽中声场分布的问题,所以在制造大功率超声清洗设备时,往往采用多个(几十到几百个)换能器组成。但目前工业上采用的夹芯式压电换能器频带比较窄,换能器的材料及工艺又很难做到一致,所以目前在生产上,只能在大量的换能器中挑选频率和阻抗相互比较接近的一些换能器来组成。这样给生产大功率超声     

矩形板高阶模式超声振动辐射器的研究

在耦合振动理论以及矩形截面细棒弯曲振动的基础上,本文对矩形薄板的弯曲振动进行了研究,推出了自由边界矩形薄板的弯曲振动频率方程,研究了薄板的振动模式及其与共振频率的关系.实验表明,矩形薄板弯曲振动共振频率的测量值与计算值符合很好.用共振式矩形薄板作为超声清洗等液体中超声应用技术的声波辐射器具有声场分布均匀,换能器频率调节容易,声波辐射面大等优点,是一种很有前途的新型超声源.     

次级源近场和管壁弹性对充液管路有源消声性能的影响EI北大核心CSCD

建立了含次级源结构的充液直管有源消声系统数值模型,重点分析了声激励下次级源近场和管壁弹性对有源消声性能的影响。结果表明:次级源近场为非均匀声场,误差点位于该区域时部分频点控制效果较差甚至放大,而处于声场均匀区域时可使降噪量提高10 dB以上,增加误差点数量可使绝大多数频点的降噪量提高5 dB以上;管壁弹性使次级源与管壁间的耦合较强,非对称分布的次级源容易激起管壁振动,导致降噪谷值的出现,采用对称分布的次级源可显著提升控制效果;增加次级源数量能够提高系统的有源无源复合控制效果,但使得管内声场变得复杂,多次级源模型的有源消声效果随频率升高而有所降低。     

利用k-Wave计算超声在腹壁组织的声辐射力*

随着科学技术的发展,声辐射力在生物医学领域得到了更为广泛的应用,尤其是在弹性成像领域。为了使弹性成像技术更加精准,对声辐射力的预测至关重要。该文基于腹壁组织图像,利用k-Wave对超声波在腹壁组织区域传播时的声场进行数值模拟,获得了其声场分布,进而求得了组织中声辐射力分布情况,同时对面阵换能器的阵元宽度、间距、阵元个数以及工作频率等参量对声辐射力的影响进行了计算与分析。结果表明,腹壁组织的声场分布受其非均匀性的影响,声辐射力的分布情况依赖于换能器参量的选择。该研究为声辐射力在弹性成像技术中的应用奠定了基础,为其技术的改进提供了重要依据。     

Sound image method and sound energy vortex in rectangular room

1.TntroductionMostprob1emsofsolvingsoundficlds,suchassoundpressuredistributionsinroomsareclassiia1.lllIn10wfrequencyrange,wavemotionmethodisapplied.Inthemethod,thenorma1modesofroomaresolvedandthensummeduptocvaluatetheirunknownamplitudesbymatchingsoundsource.Inhighfrequencyrange,thenumberofnormalmodesneedcdisnumer0usandtogetfina1solutionwouldbeimpossiblebecauseofthetimeconsumptionincomputation.Hence,ther0omacousticsbasedongeometri-calacousticsandthestatisticswasdevcloped.Thewavemotionmethodcan…     

Ultrasound pressure distributions generated by high frequency transducers in large reactors

The performance of an ultrasound reactor chamber relies on the sound pressure level achieved throughout the system. The active volume of a high frequency ultrasound chamber can be determined by the sound pressure penetration and distribution provided by the transducers. This work evaluated the sound pressure levels and uniformity achieved in water by selected commercial scale high frequency plate transducers without and with reflector plates. Sound pressure produced by ultrasonic plate transducers vertically operating at frequencies of 400 kHz (120 W) and 2 MHz (128 W) was characterized with hydrophones in a 2 m long chamber and their effective operating distance across the chamber’s vertical cross section was determined. The 2 MHz transducer produced the highest pressure amplitude near the transducer surface, with a sharp decline of approximately 40% of the sound pressure occurring in the range between 55 and 155 mm from the transducer. The placement of a reflector plate 500 mm from the surface of the transducer was shown to improve the sound pressure uniformity of 2 MHz ultrasound. Ultrasound at 400 kHz was found to penetrate the fluid up to 2 m without significant losses. Furthermore, 400 kHz ultrasound generated a more uniform sound pressure distribution regardless of the presence or absence of a reflector plate. The choice of the transducer distance to the opposite reactor wall therefore depends on the transducer plate frequency selected. Based on pressure measurements in water, large scale 400 kHz reactor designs can consider larger transducer distance to opposite wall and larger active cross-section, and therefore can reach higher volumes than when using 2 MHz transducer plates.     

Sound field of a baffled sound source covered by an anisotropic rigid-porous material

A theoretical approach for the sound field of a piston sound source covered by a finite thickness layer of anisotropic rigid-porous material is presented. The formulation is an extension of the method worked out by Amedin et al. [Sound field of a baffled piston source covered by a porous medium layer. J Acoust Soc Am 1995;98(3):1757]. First, in the present study the sound field of a point source is described by cylindrical waves. Then, with the proper boundary conditions, the sound pressure radiated from a piston source covered by a layer of anisotropic porous material can be calculated. The effects of frequency and bulk density of material on the sound propagation in an anisotropic porous material are studied. Finally, the effect of anisotropy is discussed.     

磁致伸缩换能器辐射板形状对声场分布的影响

磁致伸缩换能器可作为热声制冷机的声源装置,辐射板的形状直接影响声压输出效率,从而影响制冷效果。为提高换能器工作效率、减小换能器体积,辐射板需在Terfenol-D棒的激励下产生大振幅、高频率的活塞振型。针对这一问题,应用ATILA软件分析了磁致伸缩换能器辐射板形状对谐振腔振动幅频特性的影响以及对谐振腔内声场分布的影响。结果表明:相同激励条件下,凹球面辐射板出现活塞振型时振幅最大,对应谐振腔中声压幅值最高;谐振腔端面形状为凹球面时,具有聚焦声压幅值的作用;端面形状为凹发射端-凸反射端组合的谐振腔内声压幅值最高。以上结论为合理设计辐射板、谐振腔两端面组合形状提供了参考。     

脉冲超声换能器声场测试系统的设计*

脉冲超声换能器是超声检测的关键部件,为了获取其声场特性参数,文中基于小球反射法原理,采用虚拟仪器技术和单片机技术设计了声场测试系统。系统的程控交互界面采用了美国国家仪器公司研制开发的图形化编程软件LabVIEW来设计,在程控交互界面程序中通过调用动态链接库DLL来对系统核心硬件超声发射接收卡进行数据通信及对卡功能进行设置,同时系统上位机通过RS232串口与下位机单片机通讯,实现对三轴扫查平台的多种扫查方式控制。该系统可实时显示脉冲换能器声压分布图像,并可通过对声压分布数据实现对换能器近场长度及扩散角等参数的测量。     

一种强指向性基阵的设计及声场计算

提出了一种新的基阵:将90个小圆环分布于半径不同的5个同心圆周上,对每个小圆环采用了抛物型的振速加权。通过改变阵元尺寸、间距等参数研究了声场特征的变化。计算结果表明,该基阵模型具有非常高的指向性和抑制旁瓣的能力。通过优化阵元组合方式和参数,可获得最佳的声压分布效果。     

空调压缩机噪声测试及其声品质客观参量分析*

针对空调压缩机辐射声场的不同场点噪声声品质的差异,采用心理学声品质参量即响度、尖锐度、总感觉噪度,对压缩机辐射声场的不同场点噪声进行声品质客观参量分析,研究压缩机场点噪声声品质客观参量值变化规律。通过特征响度研究各场点噪声响度在频域的分布,并得出压缩机各场点噪声特征响度峰值所在噪声频带。实验结果表明,对于处在压缩机不同方向上的场点,其噪声声品质客观参量值存在明显差异,但其噪声特征响度峰值却处在相同的噪声频带。研究工作为压缩机全方向降噪提供参考依据也为研究压缩机的噪声声品质探索了一种新思路。     

阵列式双水听器平面扫描声强分布测量和声功率计算实验研究

根据双水听器法测量声强的基本原理，本文提出了基阵在湖中的布放及测量声强分布的实施步骤。通过对试验数据的处理与分析，给出了声强分布的三维力和等值曲线图，并利用扫描平面上的声强分布。计算出声源辐射的声功率。实验表明，本文提出的用列阵式双水听器声强测量系统，作平面扫描测量声强分布的方案是合理的；利用所测得的双平面近场声强分布来计算源的辐射也是可行的。