水声无源材料插入损失虚拟聚焦测量方法

提出了一种适合在有限尺寸水池中测量水声材料插入损失的方法,称为"虚拟聚焦法"。该方法利用一弧形发射阵以一定规则对样品进行扫描,通过对接收数据进行叠加处理,使得同频声干扰贡献随机化和无规则化,从而提取出反映材料声参数的透射波信号。在尺寸为5.5 m×3.5 m×3.5 m的非消声水池,测量频率为2~15 kHz,对1.1 m×1 m×8 mm标准铝板样品和1 m×1 m×35 mm聚氨酯材料样品进行了测量,结果表明测量值与理论值有较好的吻合,测量不确定度为2.0 dB(k=2)。      

非消声水池中低频换能器测量的空间域处理方法

提出了一种在非消声水池中低频换能器测量的空间域处理方法。该方法是在发射和接收换能器保持相对位置不变的情况下,通过多次无规则变换其在有限水域中的位置,让同频反射声的干扰贡献随机和无规则化,最终将上述所有位置接收的信号同步叠加而将同频反射声干扰消除,从而提取出了所需的直达波波形信号,克服了传统的脉冲测量技术受同频反射声干扰无法提取直达信号的问题。在5 m×7 m×6 m非消声水池,测量换能器样品,测量频率范围是400~2500 Hz,测量得到的结果与湖上测试结果相比,两者基本一致。该方法的实现,大大的提高了非消声水池的低频换能器测试能力,有效测量频率下限比一般脉冲测试方法降低一个数量级。      

水声无源材料回声降低测量时反聚焦方法

提出了利用时间反转(时反)聚焦技术的水声无源材料回声降低测量方法。首先实现有界水声环境下有、无试样接收信号的时反聚焦,然后利用聚焦信号测量试样反射系数,最后通过标准试样对反射系数进行修正,从而得到试样的回声降低测量值。在小型水池中进行了铝板试样和钢板试样回声降低的测量,铝板试样的尺寸为1.1m×1.0×0.005m,测量频率范围为3~20kHz,钢板试样尺寸与铝板试样相同,测量频率范围为0.5~20kHz,测量结果经修正后与平面波理论计算值基本一致,和理论计算值的相对误差小于10%,扩展不确定度小于1.5dB。本方法采用时反原理实现了接收信号的空时聚焦,提高了测量信混比,因此适用于非自由场环境下无源材料回声降低的测量试验,尤其适用于低频的回声降低测量。      

脉冲频谱法水声换能器低频校准

一、引言 由于建造一个测试水声换能器的消声水池费用昂贵,而且消声效果很难低于1kHz,因此目前国内外的一般未消声水池几乎都用脉冲法测量。但在水池脉冲法校准水声换能器时,由于要求换能器信号达到稳态后才能进行,所以校准的频率范围受水池尺寸的很大限制。如一个5×7.5×7.5m~3的水池一般在4kHz频率以上进行校准。因此,水声换能器的低频校准,特别是水声换能器的低频发射响应都是在开阔水域中进行校准,如水库、港湾、海上。为此,我们研究了脉冲信号在水声测量中的应用问题。     

水声材料性能的自由场宽带压缩脉冲叠加法测量

水声材料的许多声学特性一般可以通过对复反射系数和透射系数计算得到。本文提出一种新的自由场测量方法,即应用宽带脉冲压缩技术在消声水池中测量有限尺寸的大面积材料样品的性能参数,从而使这种标准测量的低频限被明显降低。除传统的回声降低和插入损失参数等外,两个新的参数——消声系数和去耦系数也在评价之列。文中对两块平板样品进行了实验测量,其尺寸约为１ｍ×１ｍ,测量频率范围为 ２～ ２０ｋＨｚ。     

水声材料透声性能测量技术的改进

本文对传统的水声无源材料透声性能测量技术提出了几点改进,以便在小型消声水池中测量有限尺寸的大面积材料的插入损失（透射系数）随频率的变化规律。材料样品的典型尺寸为 １×１ｍ２左右,测量频率范围为 ２－２０ ｋＨｚ．文中对标准样品进行了声学性能测量,测量结果和平面波理论模型计算值有较好的吻合。     

水声无源材料插入损失测量时反聚焦方法

提出了利用时间反转(时反)聚焦技术的水声无源材料插入损失测量方法。通过无试样及有试样情况下实现接收信号的时反聚焦,并对聚焦信号进行透射系数计算,获得试样的插入损失。由于时反原理可实现接收信号的空时聚焦,从而提高测量信混比,因此本方法适用于非自由场环境下材料声学参数的测量,尤其适用于低频条件下的声学参数测量。波导水池试验开展了对两块试样的测量,试样尺寸为1.1m×1.0m×5mm,测量频率范围为1—20kHz,通过测量值与理论值的对比验证了该方法的有效性。      

水声材料横波声速和衰减系数参量源法测量系统

提出了测量10-100 kHz频段水声材料平均横波声速和衰减系数的测量系统,系统具有低频、小尺寸、窄波束的特点。测量装置应用截断参量源作为声源,结合了精密的坐标系统。在对平板声压透射系数的平面波模型进行理论修正和实验研究的基础上,测量平板样品的透射系数(插入损失)的频谱和角谱,并采用曲线拟合方法来估计样品在测量频段的平均横波声速和衰减系数。在2 m×1 m×1.5 m消声水槽中,对一些典型样品(尺寸500 mm×600 mm)进行了测量实验,结果表明,水声材料样品在声波不同入射角时的声学性能有较大差异,不能用声波垂直入射时的声学性能数据代替;横波声速和衰减系数是评定水声材料声学性能的重要参数,尤其在声波斜入射情况下;在研究材料构件或复杂器件的声学性能时它们也是必不可少和不能不考虑的。实验还验证了测量方法和系统的可行性,也表明仅在这一频段的测量还远不能满足水声工程的实际需求, 有必要将测量方法应用扩展到更低或更高的频段。     

水声无源材料回声降低测量时反聚焦方法

提出了利用时间反转(时反)聚焦技术的水声无源材料回声降低测量方法。首先实现有界水声环境下有、无试样接收信号的时反聚焦,然后利用聚焦信号测量试样反射系数,最后通过标准试样对反射系数进行修正,从而得到试样的回声降低测量值。在小型水池中进行了铝板试样和钢板试样回声降低的测量,铝板试样的尺寸为1.1 m×1.0 m×0.005 m,测量频率范围为3~20kHz,钢板试样尺寸与铝板试样相同,测量频率范围为0.5~20 kHz,测量结果经修正后与平面波理论计算值基本一致,和理论计算值的相对误差小于10%,扩展不确定度小于1.5 dB。本方法采用时反原理实现了接收信号的空时聚焦,提高了测量信混比,因此适用于非自由场环境下无源材料回声降低的测量试验,尤其适用于低频的回声降低测量。     

水声材料构件声学特性自由场宽带测量装置

介绍一套新建的水声材料构件声学特性自由场宽带测量装置,在开放消声水池中测量水声材料构件大面积样品的复声压反射系数(回声降低)、复声压透射系数(插入损失)和吸声系数,为研究和评定声纳水下声系统、潜艇声隐身等项目所用的水声材料构件设备声学特性提供了标准测试/校准系统.装置应用了宽带压缩脉冲叠加法和宽带指向性声源,最低测量频...     

压力罐中水声材料声学特性的参量源测量法

设计了一种原波频率500 kHz、差频范围1~30 kHz的截断宽带参量阵,作为水声材料测量系统的声源。通过分析典型频率下的宽带参量源指向性理论计算和实际测量结果,发现两者结果的曲线基本吻合,证明计算模型是正确的。应用钟形短时脉冲实现水声材料声特性的宽带测量,有益于降低样品边缘衍射干扰。并建立了测量水声材料大面积板状样品声压反射系数、声压透射系数和吸声系数的压力罐测量系统,罐体内尺寸Φ4 m×12 m,最高静水压4.5 MPa,测量频率范围1~30 kHz。对标准样品(尺寸1m×1m)进行了测量实验,其测量结果和理论曲线有很好的吻合,参量源测量法得到了验证;之后,通过对一块橡胶板样品在不同静压力下的吸声性能进行了测量和有效评估,进一步确认了参量源测量法在压力罐这样有限水域中的潜在应用价值。      

声轨道角动量水下发射与数据传输实验

研究了声轨道角动量水下发射技术与多路复用的水下数据传输,基于点源理论推导了相控圆周阵列发射声轨道角动量的基本原理,分析了干扰项的阶数成分及干扰项对主项的影响,优化设计了基于Cymbal换能器的阵列样机,阵列样机直径为Φ180 mm,阵元数为10元,工作频率为25 kHz,通过对阵列阵元的相位调控实现了-3至3六阶声轨道角动量的发射,验证了基于相控原理实现不同拓扑荷数声轨道角动量发射的理论。通过利用各阶声轨道角动量的开关状态进行数据编码,进行了基于声轨道角动量多路复用的水下数据传输实验,实验结果表明,不同拓扑荷数的声轨道角动量具有良好的正交性质,可以利用基于声轨道角动量的多路复用技术实现水下数据传输功能。      

合成近场校准基阵的方法研究

本文利用单根的束控线阵来构造一个虚拟近场校准基阵,使换能器能在它的近场直接测量辐射声场特性。通过利用改进的矩阵稳定技术,解决了求解束控线阵的束控系数时最小二乘解的稳定性和实用性问题。借助计算机仿真,研究了特定线阵条件下,合成近场测量基阵（Ｓ－ＮＦＣＡ）的近场空间的平面波均匀性与线阵间的间距、线阵的工作频率之间的关系。并以小球源为阵元合成一虚拟平面ＮＦＣＡ,用它对一平面喇叭换能器的近场测量得到远场指向性,并与远场实测结果比较,得到了相当吻合的结果。     

Enhancing low frequency sound transmission measurements using a synthesis method

The characterization of low frequency sound transmission between two rooms via a flexible panel is investigated experimentally in this work. Previously, the individual effects of the transmission suite on the measured sound reduction index have been studied analytically, and the results have been compared with the ideal case of having free field radiation conditions on both sides of the panel. A new approach is proposed using a near-field array of loudspeakers driven by a set of optimized signals such that a diffuse pressure field is reproduced on the surface of the partition to be tested. The practical effectiveness of this method is assessed when using a set of 16 acoustic sources located in the source reverberant room in close proximity to an aluminium panel. The experimental results obtained confirm the dependence of the characterized sound reduction index on the particular test chamber considered in the low frequency range. They also validate the proposed synthesis method for providing an estimate that only depends on the properties of the partition itself.     

固体热容激光器与热稳态固体激光器温度场和应力场的比较研究

 建立了3维温度场及应力场模型，并采用有限元分析方法对Nd:YAG作为激活介质的固体热容激光器与热稳态固体激光器进行了对比研究。激光二极管阵列距离晶体3.5 mm，阵列功率2×4.2 kW，bar间隔0.4 mm，每bar发光面积为1 μm×5 mm，频率100 Hz，脉宽100 μs，Nd:YAG晶体初始温度20 ℃，冷却水温20 ℃。计算结果表明：热容模式激光介质的表面温度高于中心温度，稳态模式刚好相反, 稳态模式温差极值（19.8 ℃）是热容模式(6.4 ℃)的3.1倍,温度梯度极值(11.9 ℃/mm)是热容模式(2.46 ℃/mm)的4.8倍，热流密度极值(0.136 W/mm²)是热容模式(0.021 W/mm²))的6.4倍；稳态模式激光介质的表面出现张应力，中心出现压应力，热容模式则刚好相反，稳态模式压应力极值(18.27 MPa)是热容模式(12.1 MPa)的1.5倍，张应力极值(38.39 MPa)是热容模式(10.3 MPa)的3.9倍。由于晶体可以承受的压应力的破坏阈值远高于张应力，所以热容模式的固体激光器比稳态模式的固体激光器可以工作在更高的泵浦功率水平上。     

Ultrasound field estimation method using a secondary source-array numerically constructed from a limited number of pressure measurements

A new and faster method for the accurate estimation of acoustic fields of underwater ultrasonic transducers was developed, tested experimentally, and compared to previously reported methods. Using a limited number of pressure measurements close to the transducer's face, the method numerically constructs a virtual secondary source-array whose acoustic field is similar to the field generated by the actual transducer (primary source). The measured data are used to obtain the normal particle velocity on the surface of the virtual secondary source-array, which in turn permits the calculation of the forward propagating field using the Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral. The method is novel in that it constructs a virtual secondary source-array, thus eliminating the problems associated with obtaining the excitation source of a real transducer; and it is faster because it uses finite differences instead of a matrix inversion to obtain the excitation source. Results showed that predicted ultrasound fields agreed quantitatively and qualitatively with measured fields for three commonly used transducer types: two planar radiators (one circular, 0.5 MHz, 1.9-cm diam.; and one square, 1 MHz, 1.2 cm on a side), and a sharply focused radiator (1.5 MHz, 10-cm diam., 10-cm radius of curvature). The agreements suggest that the secondary source-array method (SSAM) is applicable to a wide range of radiator sizes, shapes, and operating frequencies. The SSAM was also compared to these authors' previous equivalent phased array methods (EPAM) [J. Acoust. Soc. Am. 102, 2734-2741 (1997); and Concentric ring equivalent phased array method (CREPAM), UFFC 46, 830-841 (1999)] which require matrix inversions. The SSAM proved to be much faster and equally or more nearly accurate than the previous methods.     

圆环形聚焦声场的构建与调控

提出了一种由径向振动模式的圆环形压电换能器晶片组成的圆柱形阵列换能器结构, 依据阵元激励信号的相位调控机理, 推导了圆环形聚焦声场的调控公式, 在三维空间中构建了圆环形聚焦声场, 实现了对其聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及轴向位置移动的调控. 理论分析和仿真研究表明, 所提出的圆柱形阵列换能器实现了对圆环形聚焦声场的调控. 为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种可实现的新型圆环形可调控聚焦声场.     

Acoustic impedance microscopy for biological tissue characterization

A new method for two-dimensional acoustic impedance imaging for biological tissue characterization with micro-scale resolution was proposed. A biological tissue was placed on a plastic substrate with a thickness of 0.5 mm. A focused acoustic pulse with a wide frequency band was irradiated from the “rear side” of the substrate. In order to generate the acoustic wave, an electric pulse with two nanoseconds in width was applied to a PVDF-TrFE type transducer. The component of echo intensity at an appropriate frequency was extracted from the signal received at the same transducer, by performing a time–frequency domain analysis. The spectrum intensity was interpreted into local acoustic impedance of the target tissue. The acoustic impedance of the substrate was carefully assessed prior to the measurement, since it strongly affects the echo intensity. In addition, a calibration was performed using a reference material of which acoustic impedance was known. The reference material was attached on the same substrate at different position in the field of view. An acoustic impedance microscopy with 200 × 200 pixels, its typical field of view being 2 × 2 mm, was obtained by scanning the transducer. The development of parallel fiber in cerebella cultures was clearly observed as the contrast in acoustic impedance, without staining the specimen. The technique is believed to be a powerful tool for biological tissue characterization, as no staining nor slicing is required.