适用于测量大气气溶胶吸收系数的光声光谱系统的研究

外部噪声和环境温湿度变化对光声池性能的影响是光声光谱技术在实际大气气溶胶吸收测量应用中遇到的主要问题。详细分析了环境温湿度变化引起的共振频率漂移对光声信号的影响,提出了抑制流动噪声和采样泵振动噪声的方法,研制完成了一套测量大气气溶胶吸收的光声光谱系统,探测极限为1.4×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。利用NO₂气体在532 nm的吸收对光声池进行了标定,并对实际大气气溶胶的吸收特性进行了测量,结果表明光声光谱测量系统可以满足自然悬浮状态下的气溶胶吸收系数的实时测量。     

具有环形限位夹持力的单轴式超声悬浮系统

基于超声悬浮原理,通过改变单轴式超声悬浮系统的反射和发射端的几何形状,利用凸状发射、反射面在悬浮区域周围产生环形声辐射力势阱作为限位夹持力,提高悬浮样品在驻波声场中的悬浮稳定性。基于时域有限差分法,研究不同谐振腔内的声辐射力分布,以及影响声辐射力大小的因素,优化环形限位夹持力和悬浮力。理论及实验研究结果表明,具有环形限位夹持力的超声悬浮系统可以提高普通单轴式超声悬浮装置对悬浮样品的稳定性。      

声悬浮研究新进展

建立了单轴式声悬浮的参数化模型和边界元算法，对单轴式声悬浮进行了优化设计，可以悬浮起密度高达18．9g/cm^3的金属钨。研究了声悬浮条件下非金属材料和低熔点金属的无容器处理。     

驻波声悬浮中对悬浮小物件的操控研究

基于单轴式声悬浮仪结构,对声悬浮装置进行改进并进行实验.基于声学理论,定量推出的驻波形成的条件,对影响装置悬浮能力的频率、电压、悬浮物大小和密度等多种变量进行研究,使得悬浮能力得以提升,并对单个悬浮小球运动和所有悬浮小球整体运动的操控程度进行研究,最后利用COMSOL软件模拟仿真,进行进一步验证.     

声-重力波在分层大气中传播频散的理论和测试结果

本文推导了计及重力效应运动媒质中的次声波动方程和用速度的散度表示的分层大气模型下的频散方程;并利用与实际大气较为接近的多层大气模型计算了声-重力波的频散特性。数值计算结果表明,相速度和群速度具有两个分支,即声分支和重力分支。声分支的频散受风的影响较大,通常顺风和逆风的情况下,在短周期部分群速度可差10％以上,而且频散较大。重力分支在某种大气模型下,可以出现几组,它们频散特性有较大的差别。这一新的结果符合实验得到大爆炸次声波传播的频散特性。     

声悬浮及声速测定实验仪的设计

《声速测定》是大学物理实验中比较普遍的一个综合性实验。在声速测定实验仪的基础上,改进了信号源,并制作了声悬浮配件,使其实现既可以用多种方式测量声速,又可演示声悬浮实验现象。声悬浮及声速测定实验仪悬浮稳定性强,声速测定准确,仪器造价低,使用方便,这样设计节省了实验室资源和空间。     

声悬浮高温小球轴向稳定性研究

针对驻波声悬浮高温小球的轴向稳定性,建立了声-热-流-重力场耦合的物理模型,采用有限元方法计算了高温小球周围空间的不均匀温度场和声场,分析了驻波声场中直径2 mm的氮化硅小球在300～2000 K温度区间的轴向悬浮稳定性,并通过常温下声悬浮实验验证了仿真模型的准确性。结果表明在初始悬浮间距满足谐振并保持不变的条件下,随着悬浮小球的温度升高,小球的平衡位置降低,并且存在能保持稳定悬浮状态的温度最大值。在小球升温的过程中,通过反馈调节发射端-反射端间距和发射端激励电压,可以在一定程度上保持高温小球的轴向悬浮稳定性。     

超声波声速测量实验的拓展

对传统的声速测量实验内容进行了拓展,利用发射换能器和接收换能器构成的超声谐振腔形成的稳定驻波,演示了声辐射力与物体自身重力平衡时的声悬浮现象;在此基础上,利用泡沫小球的动态声悬浮过程对超声驻波的波长进行了测量,计算得到的声速结果与参考值的百分误差为2.1%。上述实验内容的拓展,让学生对超声波驻波场的产生、分布、力学效应有了更直观的认识和理解,也让学生在传统实验的基础上了解了声悬浮这一技术,不仅增加了学生的实验兴趣,而且扩大了学生的知识面与实验技能。     

声悬浮过程的激光全息干涉研究

利用二次曝光全息干涉术实现了对单轴式声悬浮声压场的研究.分别拍摄了悬浮不同物体和 不同输出功率情况下声悬浮场的多幅全息图，并进行了对比分析.结果表明，实验中获得的 声压分布图样与由声波动方程获得的理论声压分布基本一致，其相应中轴线的强度分布也具 有很好的一致性.与以往的声场测量方法相比，二次曝光法非接触、无干扰及全场测量的优 势在声悬浮场测量中得以充分体现，该方法的引入不但简化了声悬浮场测量的实际操作，而 且可以更直观地获得全场信息，为优化声悬浮系统提供了实验依据. 关键词： 全息干涉术 二次曝光法 声悬浮 谐振     

驻波声场中悬浮临界密度及稳定性研究

本文以声场中物体为研究对象,理论上得到行波和驻波场中的声辐射压力方程.在驻波声场中引入临界悬浮密度概念,可作为物体能否在非线性声场中悬浮的判据,同时给出谐振腔移动速度的最大范围.更进一步,以实验参数作为数值计算的输入来指导实验,并结合实验结果讨论了驻波声场中样品密度和大小、发射面和反射面形状以及两者之间的距离、反射面的尺寸等因素对物体悬浮稳定性的影响,发现当物体尺寸和密度确定时,调控好谐振腔的长度,增加波腹处的声压是提升声悬浮稳定性的有效手段.     

高温超导体的垂直方向电阻及超导态的研究：层间电—声作用模型

本采用一个层间电－声作用模型来研究高温超导体的垂直方向电阻特性，同时也讨论了平面内电阻，所得结论和实验定性上致，此外还考查了该层间模型对超导转变温度的影响。     

环境因素对海-气界面低频异常声透射的影响研究

针对海中声源在海-气界面低频异常声透射问题, 根据两层媒质声传输模型, 分析了大气声速和密度与气压、气温、湿度及海水中声速和密度与海温、盐度间的关系, 研究了低频声透射和传输受温度、气压、盐度、湿度等因素的影响, 分析了各因素对声透射和传输的影响程度. 结果表明: 1) 声透射到大气中的声功率与气温、湿度负相关, 与海温、盐度、气压正相关; 2) 单极子与水平偶极子声源辐射到海中的声功率与海温、盐度负相关, 而垂直偶极子声源辐射到海中的声功率与海温、盐度正相关; 3) 声透射指向性与海温正相关, 与气温负相关; 4) 低频声透射受温度影响最大, 其次是盐度, 受气压和湿度影响较小, 垂直偶极子声源的声透射受温度影响大于水平偶极子和单极子声源.     

光吸收法测量颗粒物方法的校准研究

鉴于目前大气悬浮颗粒物的排放日益严重,对全球气候、环境产生重要影响,由于大气悬浮颗粒在特定波长下的吸收和散射,气溶胶颗粒的吸收系数相对较小,因此不能消除光吸收系数测量的散射,难以精确测量吸收系数。本文用大气悬浮颗粒物吸收系数来衡量光在大气传播过程中的强弱,并利用大气悬浮颗粒物吸收系数来估计大气悬浮颗粒物的辐射强度,对如何准确测量悬浮颗粒物吸收系数进行了研究。本研究使用自行研制的自动连续黑碳气溶胶测量系统COSMOS进行测量,精确测量吸收系数。研究结果表明本论文提出的系统和校准方法测量的黑碳气溶胶浓度具有精度高,成本低的优点,其测量结果跟商品化仪器测量结果大致一样。     

一维单轴式超声悬浮的实验研究

由声波发射端和反射端构成超声谐振系统,其发射端和反射端间形成超声驻波.在波节处声辐射压的合力可以悬浮微重力样品,称为单轴式超声悬浮;是一种有望成为具有应用价值的无容器处理技术.作者在参加物理第二课堂活动中,对此作了初步的实验研究,成功地悬浮起发泡材料等小物体以及蚂蚁等小动物,并观察研究了它们的悬浮姿态.     

气体物理性质对近场超声悬浮特性的影响研究

在利用近场超声悬浮技术搬运晶圆的过程中,为提高近场超声悬浮力,该文研究了气体物理性质与近场超声悬浮力之间的关系。利用声辐射压理论与流体力学理论对不同气体介质下的悬浮力进行建模与求解。搭建了可测量不同气体环境中悬浮力的实验平台。实验发现氩气环境下超声悬浮力平均值相对空气环境下提升24.8%。结合实验与理论计算分析了气体密度、比热容比、声速与动力黏度对悬浮力的影响,推断气体的比热容比为影响近场超声悬浮力的主要参数。该方法为晶圆搬运的环境适用性提供了参考价值。     

固-固接触热传导的声子传递系数

声子传递系数是影响低温接触界面热传导的重要因素,文中对中间低温(20K~200K)接触传导模型的声子传递系数进行了讨论,分析了接触界面温差、弹性镜面传递和散射传递下的声子传递系数;还讨论了热流方向对声子传递系数的影响;指出了声失配理论预测值与实验值间存在差别的可能原因。该讨论对分析接触热传导有一定意义。     

基于振荡气泡法测定声悬浮液滴的表面张力

通过调节阵列式声悬浮装置的悬浮声压,使悬浮液滴转变为气泡.利用振荡气泡法的原理,结合声悬浮气泡在声场中处于缓慢变形的非平衡状态特点,对原始气泡表面膨胀系数的公式进行了修正.实验过程中采用高速摄像机记录气泡形成及振荡过程的图像,并对图像进行处理,测定悬浮气泡的表面膨胀模量,得到液体的动态表面张力.以锅炉用油为样品,利用声悬浮气泡的膨胀模量,对液滴动态表面张力进行非接触式测量.     

热声驱动摩擦纳米发电机研究

热声发动机作为一种新型的外燃式热机,具有可靠性高、使用寿命长、环境友好等优点,在热声发电、热驱动制冷等领域具有重要应用前景。本文结合热声技术和摩擦纳米发电技术的特点,首次提出了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一热-声-电换能新流程。理论计算了驻波热声发动机和接触分离式摩擦纳米发电机采用末端耦合结构时的换能特性,并开展了系统实验研究。实验中,热声驱动摩擦纳米发电机获得了最高10 V的开路电压输出;在外接电阻为400 MΩ时,最高输出功率为0.008μW,验证了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一概念的可行性。     

基于亚波长管道增强的漩涡声场悬浮操控微粒和液滴的实验研究

声悬浮技术可以在无接触的情况下操控微粒和液滴,因此已被广泛应用于化学分析、液滴动力学和生物反应器等领域.目前声悬浮技术的主要工作是在开放环境中进行悬浮等操控.本文提出了亚波长管道增强型空气声镊的概念,利用亚波长声波导管进行声场操控及微粒和液滴悬浮.通过4个小型换能器激发有限长度亚波长圆波导管的单一低阶声学模态,可以在有限长度的波导管内产生漩涡声场.实验发现由于亚波长结构对声场的增强作用,亚波长管道增强的漩涡声场在径向和轴向悬浮力大小上均有较大提升,因此可对发泡聚苯乙烯颗粒和水滴实施悬浮和自转等操控.这项工作将亚波长声波导管的概念引入声场操控中,有望加深对声场和物质相互作用的物理理解,开发新型小型化悬浮微粒和液滴的声学操纵器件.     

铝与钢摩擦时声发射参数与正压强之间的关系

材料不同,声发射信号的特点不同。为了提高声发射技术在监测摩擦过程中的应用水平,研究不同材料的声发射信号的特点是必要的。本文研究了铝与45钢摩擦时产生的声发射信号的特点,实验研究结果表明:在铝与45钢的摩擦过程中,相对运动速度对于正压力与声发射信号之间的关系有较大的影响;低速下,正压力与声发射信号之间无规律可言;高速下,随着正压力的增加,声发射信号各参数是增加的。