应用角谱方法研究聚焦声束在层状生物组织中的非线性声传播

应用角谱方法理论研究了聚焦声束在层状生物组织中的非线性传播特性，将声波分解为角谱，可计算垂直于声轴的任意平面的非线性声场。在圆形平面活塞聚焦换能器的焦区中插入多种生物组织样品，数值计算了样品内部及外部的二次谐波声场，并通过实验测量验证了理论方法的有效性。基于快速傅氏变换的角谱方法可直观地描述非线性声传播，对非线性声成像有指导作用。     

参量阵扬声器在管道噪声控制中的研究*

为了解决管道有源噪声控制中声反馈造成的系统复杂度和计算量的增加,文中引入参量阵扬声器作为次级声源,利用其强指向性减小控制系统的声反馈。为了验证该方法可行性,本文分别在直管和L管中,对600 Hz单频噪声和频率范围为500 Hz~1000 Hz的窄带噪声进行了管道有源噪声控制,同时测量了参量阵扬声器的管内声场和降噪范围。结果表明,参量阵扬声器声反馈小,在没有声反馈补偿的条件下对单频噪声的降噪效果基本达到了声反馈补偿条件下普通扬声器的降噪效果,对窄带噪声的降噪效果稍差。此外,通过测量管道声场和降噪量,确定了参量阵扬声器的降噪区域为误差传感器下游整个管道,降噪面积为管道整个截面。这说明参量阵扬声器作为次级声源降低了系统的复杂度和算法的计算量,并取得了较好的降噪效果。     

传递矩阵法预报时空随机激励下任意薄壳腔体内部噪声

利用结构有限元结合声有限元及边界元方法,建立了任意薄壳腔体弹性壳板振动与内外声场的耦合模型,并计算了激励力与壳板振动和内部声场之间的传递矩阵;湍流边界层脉动压力具有时空随机面激励特性,引入整体形状函数矩阵,进一步推导弹性壳板广义节点力功率谱密度函数矩阵与随机面分布激励力功率谱密度函数的关系,再利用声振耦合传递矩阵,得到弹性壳板振动和内部声场功率谱密度函数与广义节点力功率谱密度函数矩阵的关系,形成随机分布激励下任意薄壳腔体结构振动及内部声场的计算方法。以典型的内外均有声介质且一面为弹性矩形板的矩形腔声振耦合模型为例,计算了弹性壳板振动和内部声场功率谱密度函数,并与解析方法进行了比较,两者基本吻合,偏差分别为1 dB和2 dB左右。传递矩阵法不受腔体结构及其内部区域形状的制约,具有良好的适用性。      

直线电机驱动回热器性能研究

本文提出并搭建了一种采用直线电机驱动的回热器热声转换实验台,通过调节负载阻抗改变回热器处声场条件,研究回热器在不同声场下热声转换特性。文中首先对实验系统进行了数值模拟,结果表明,回热器存在最优的工作声场,但由于有限水力半径因素,最优声场会偏离行波相位。计算中系统获得了最大1300 W净输出声功,热声效率达到35%。之后进行的实验实现了回热器处声场的调节,验证了回热器的声功放大作用,并获得了与数值计算相同的趋势。     

用基于声类比的边界元计算管道风扇的管道声传播和辐射

本文介绍了用基于声类比的边界元计算管道风扇声场的新方法,将已被成功地应用于物体对外声场的散射计算方法推广应用到管道风扇的管内声传播和管口声辐射问题。数值结果表明了模型和方法的正确性及其可以作为管道声处理降噪敏果预测的工具。     

各向异性焊缝中超声相控阵瞬态声场仿真及缺陷定位方法

针对多层各向异性奥氏体不锈钢焊缝中超声相控阵瞬态声场的仿真问题,提出应用高斯声束等效点源模型计算宽带离散化的多个单频稳态声场,通过傅里叶变换将其拓展为瞬态声场,并分析了声场转换过程的主要影响参数。该方法可快速计算焊缝内部超声相控阵聚焦声场的瞬态能量分布和任意一点的时域波形信号。在此基础上针对多层奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声相控阵成像检测问题,提出利用上述时域高斯声束法对多通道缺陷散射信号进行时间反转计算,并根据时域声场焦点确定缺陷位置。最后通过实验,验证使用此方法检测实际奥氏体不锈钢焊缝试块内部缺陷的效果。结果表明,提出的方法能够确定缺陷位置,且计算速度快、运算量小,适合作为多层介质内部缺陷实时成像的声场仿真模型。      

基于脉冲声分离的刚性球散射声控制

提出了一种基于脉冲声的三维空间中刚性球散射声分离方法,并利用前馈、固定系数控制方式对分离出的散射声进行有源控制,抑制散射声强度,实现了刚性球散射体在观测点处“声学不可见”。该方法利用脉冲信号作为初级噪声,通过有无刚性球时传声器采集脉冲信号的差值确定散射声大小,实现散射声与声源直达声的分离。对分离出的散射声进行多通道有源控制以验证该文所提分离方法及控制系统的有效性。实验结果表明,700~1000 Hz范围内,有源控制开启后,双通道散射声的平均降噪量大于5 dB,多通道散射声的平均降噪量大于8 dB,且误差传声器处采集的残余声场与无刚性球时采集的初级声场信号波形基本一致,实现了刚性球散射体在误差传声器处“声学不可见”。此外,参考传声器布放位置的选取问题也在该文做了详细讨论。     

时均流诱导声振荡的数值计算研究

时均流诱导的声振荡可以为热声制冷提供驱动源或驱动发电机和换能器发电,为风能利用提供了新思路,是热声领域的最新研究方向之一。本文基于计算流体动力学(CFD)方法,建立了正十字型时均流激声发动机的三维数学模型,采用大涡模拟湍流模型计算。计算结果验证了时均流诱导声振荡效应,揭示出谐振管内声场分布和谐振管内部压力与开口处涡的关系,为后续的实验研究奠定了理论基础。     

水中阻尼复合箱体结构的振动声辐射特性研究

基于结构有限元法和声学边界元法,建立弹性层-粘弹性层-外部声场耦合声振数值计算模型,对敷设阻尼材料的壳体结构在水中的振动声辐射性能作了系统的研究。研究结果表明:敷设粘弹性阻尼层使结构振动响应和声辐射水平明显降低, 其减振降噪的效果与阻尼层的几何尺寸、物理参数和外激励频率有关;同未敷设阻尼层的弹性结构相比,敷设粘弹性材料的方箱结构在水中的振动响应,受流体可压缩性的影响不大,同时,不同流体边界条件(自由液面和刚性壁面)的影响也相对减弱。     

基于声粒子分布积分的无网格声场计算方法

小尺度封闭空间内部声场的数值计算是声学设计、噪声控制等领域的关键技术。由于波动声学及几何声学方法计算频率上的限制,中频段声场计算问题一直是个难点。本文以声学无网格法为基础,提出了一种基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法。文中利用声线跟踪理论计算声场中的声粒子分布,并以某个时间点上的声粒子作为蒙特卡罗法中的积分点,将其应用于无网格法中,从而获得声场中的节点声压。利用该方法对一个矩形封闭空间的中低频声场进行了计算,并与模态叠加法、商用声场计算软件、经典无网格法的结果进行了对比,证明基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法在中低频段相较于传统基于网格的方法具有更高的精度。     

几种仿生翼型气动性能及噪声特性研究

依据翼型理论分别提取四种鸟类翅膀沿展向40%截面处的翼型,采用大涡模拟结合声类比的FW-H方程的方法对不同仿生翼型进行流场及声场的模拟。非定常流场的计算结果表明,在逆压梯度作用下,气流在叶片吸力面前缘开始分离;在叶片下游处产生了明显的涡结构,脱离叶片尾缘后涡结构发生破碎。在四种仿生翼型中,海鸥翼型的升阻比最大,鹗翼的升阻比最小,但鹗翼具有优良的降噪特性。声压级的方向性分布揭示了仿生翼型声源具有偶极子声源特性。     

复杂形状封闭薄壳内部存在散射体时的内部散射声场计算

基于覆盖域的思想和方法，本文给出了复杂形状封闭薄壳在内部存在散射体时的内部散射声场计算表达式．研究结果表明，该内部散射声场可表示为封闭薄壳的内部散射声场和这些散射体的外部散射声场之和的形式．最后用数值分析验证了该结论的正确性．     

流形学习在运动声源声特征提取方面的研究*

运动声源因声信号时变性、叠加性和空时耦合性强,声数据呈现高维、非线性等特点,使得关键声特征提取困难,声特征提取方法复杂度高、数值计算量大、有效性差。因此,如何有效提取声特征并降低提取方法复杂度成为目前多源声场声源精准识别需迫切解决的关键科学问题。由此,该文提出短时傅里叶变换(STFT)和局部线性嵌入算法(LLE)联合的STFT-LLE流形学习声特征提取方法,并将此方法应用于运动声特征提取,且通过仿真实验测试对其进行了验证。该方法为运动声目标的分类识别提供了技术支撑。     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

光声信号的声透镜层析成像研究

提出了一种用声透镜实现光声层析成像的新模式。从理论上计算出了声透镜的响应，测出了已知声场中标准物像面处的声场分布。考虑到圆形活塞振源的指向性，对代表物成像进行了理论修正，并与实验结果做了对比分析。研究表明，利用声透镜可以实现光声层析成像，并经图像重构得到了生物组织中异物的光声图像，横向、纵向分辨力较高。     

流动管道内反声降噪数值研究

本文用流体力学方法建立了流动管道内反声降噪数值方法，其中，严格推导了反声源的数学模型．本文还给出了产逆流和声顺流传播时管内声场反声影响的数值算例，并讨论了流动速度、反声源强度和相位的影响．算例表明：反声降噪具有很好的工程应用前景．     

三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法

利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点,提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法.该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型,计算局域波导下结构声振信息,并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值;然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场.重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后,对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析.研究得出,当圆柱壳靠近海面(海底)时,其耦合频率比自由场下的要高(低),当潜深达到一定范围时,与自由场耦合频率基本趋于一致;在低频远场,结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性,且等效距离随着频率增加而增加;由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响,结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.     

瞬态波位移场计算方法在相控阵声场模拟中的实验验证

通过实验研究了声束偏转不同角度和声场半径变化时线性相控阵的声场特性,并与基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法得到的理论结果进行了对比。首先研究了基于半圆圆弧离面瞬态位移的声场计算方法,并进行了数值计算可靠性的优化。然后建立了一套相控阵瞬态波位移场的测量系统,以半圆形钢板为试件,纵波传感器为接收传感器,测量了偏转角度为-10°,-30°,-50°,-70°,及声场半径为50 mm,75 mm,100 mm和125 mm时线性超声相控阵的声束指向性;同时以基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法,计算了相同条件下该相控阵的声束指向性。最后将实验结果与理论结果进行了对比,取得了较好的一致。说明基于瞬态波位移的相控阵声场计算方法可以较好地计算线阵的声场,对于声束偏转较大角度和声场半径变化时也同样有效。      

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

基于蜗舌改型的空调用离心风机流动分析及降噪研究

本文采用计算流体动力学和声类比相结合的混合方法对空调用离心风机进行流场以及声场的计算,同时进行风机风量和噪声的实验测量,验证所采用的数值计算模型和计算方法的有效性.针对原型非常规蜗壳,提取蜗壳中间截面型线进行直蜗舌的蜗壳设计,在此基础上设计了三种倾斜蜗舌的蜗壳.根据数值计算结果,对最优倾斜蜗舌进行了实验验证。经实验测试,风机在各个工况点风量均有提升,在最大风量点风量提升6.0%,噪声降低1.4 dB(A).数值分析风机内部流动特征及噪声特性,发现在蜗舌附近流动区域内湍流强度和涡量明显减小,在叶片通过频率处声功率谱密度以及噪声峰值明显下降,这也表明风机的旋转噪声得到了有效控制。