利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

基于联合波叠加法的浅海信道下圆柱壳声辐射研究

针对浅海信道下弹性结构声辐射预报尚无高效可靠的研究方法,提出了一种浅海信道下弹性结构声辐射快速预报的联合波叠加法.该方法结合了浅海信道传输函数、多物理场耦合数值计算法和波叠加法理论,运用该方法可对浅海信道下弹性结构辐射声场进行快速预报.经数值法和解析解法验证后,从信道下辐射源、环境影响和辐射声场测量的角度研究分析了浅海信道下弹性圆柱壳的声辐射特性,阐释了进行浅海信道下结构声辐射研究的必要性.研究结果表明,仅在低频浅海信道下弹性结构可近似等效为点源,信道上下边界对声场产生显著的耦合影响,高频段的空间声场指向性分布尤为明显,垂直线列阵进行信道下结构辐射声功率测量时,测量结果受到信道环境边界和潜深的影响较大.     

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.     

声辐射问题中的模态分析,Ⅱ.实例

声辐射模态和声场分布模态分别描述了复杂振动表面的辐射模式和声场的分布模式。通过数值计算,揭示声辐射模态和声场分布模态的物理含义。针对球形声源、旋转体声源和立方体声源,给出了声辐射模态和声场分布模态的几何图案。第一阶模态表示单极子辐射行为,第二阶到第四阶模态表示偶极子辐射行为,第五阶到第九阶模态表示四极子辐射行为。声辐射模态和声场分布模态将多极子分解方法应用于复杂声源声辐射问题的讨论。     

铝板中Lamb波检测的实验研究

Lamb波在传播过程中具有频散及多模态特性,若相关参数选择不当,会导致在实际应用中信号相互叠加而无法识别。本文基于Lamb波的频散曲线是其频散方程实数解分布的特点,采用二分法绘制了铝板中Lamb波的频散曲线、波结构曲线和入射角曲线。根据曲线选择S0模态的Lamb波对1mm厚铝板中不同类型的缺陷进行检测。实验结果表明,S0模态的Lamb波对裂纹型缺陷和贯穿型缺陷十分敏感,但对于裂纹型缺陷,其幅值变化并不与缺陷大小成线性关系,并且S0模态Lamb波的声场指向性十分集中,在偏离声束轴线时无法检测到缺陷。     

利用源强密度声辐射模态重建声场

为了利用声场中少量测点声压数据精确重建复杂结构的辐射声场,提出了源强密度声辐射模态分析理论和声场重建公式.在结构表面定义的空间上,利用以源强密度分布函数为参量的结构辐射声功率泛函表达式定义了一个线性自伴正辐射算子,该算子的特征函数为结构的源强密度声辐射模态.然后通过对矩形平板和带有半球帽的圆柱体的源强密度声辐射模态的分析,证明了源强密度声辐射模态具有空间滤波特性,并利用该性质建立了声场重建公式.球体仿真和平板实验验证了所提出的声场重建方法的可行性和稳健性.基于源强密度声辐射模态的声场重建方法简单,利用较少测点数据就可以获得较高的声场重建精度,特别适合于复杂结构的低频声场重建.     

Bessel驻波对椭球形液滴的声辐射转矩

在实际的声操控中,由于声辐射力、表面张力和重力的共同作用,液滴往往呈现出椭球的形状,在螺旋声场中会受到力矩的作用而发生转动。从声波的散射理论出发,根据部分波展开法求解得到了椭球形液滴在Bessel驻波场中的声散射系数,并给出了其受到的声辐射转矩的解析式。在此基础上,对椭球形不可压缩液滴和椭球形可压缩液滴分别进行数值计算。仿真结果表明,不可压缩液滴的声辐射转矩与声束半锥角的关系更密切,而可压缩液滴则更依赖于特定的频率;提升Bessel驻波场的阶数有利于增强声辐射转矩的峰值,但在中低频处较难对可压缩液滴产生明显的力矩。该研究结果预期对利用螺旋声场进行液滴的操控具有理论指导作用。      

平面行波场中多个粒子受到的声辐射力*

从粒子在行波场中的声散射出发,研究当声场中存在稀疏分布的多个粒子时粒子受到的声辐射力,并且给出了适用于声场中任意位置的粒子声辐射力计算公式。由于声辐射力为非线性力,当声场中存在多个粒子时,直接计算粒子受到的声辐射力非常复杂。结果表明,当声场中存在多个稀疏分布的粒子时,这一多粒子系统可以视为多个单独的双粒子系统的叠加,只需要分别计算各个双粒子系统的声辐射力就可以通过叠加得到声场中任意粒子的声辐射力。这一结果有助于利用声辐射力对微小粒子进行精细操控。     

Gauss声束对离轴椭圆柱的声辐射力矩

利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数,推导了一般情况下的声辐射力矩表达式.在此基础上,通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响.结果表明:正向与负向声辐射力矩均可以在一定条件下存在;低频情况下刚性椭圆柱比非刚性椭圆柱更容易产生较强的声辐射力矩;特定频率的入射声场可以激发出非刚性椭圆柱不同阶的共振散射模式,因而非刚性椭圆柱的声辐射力矩峰值与频率的关系更密切;增加束腰半径有利于扩大散射截面,进而增加椭圆柱的声辐射力矩.该研究结果预期可以为利用声辐射力矩实现粒子的可控旋转和流体黏度的反演提供一定的理论指导.     

自聚焦换能器的声场研究

高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤是一项无创伤的新技术,有着很好的应用前景,因此对其声场的研究是有实际的价值的。对声场的研究不仅有利于换能器的设计,提高治疗的效果;而且有助声场测量方案的设计,提高对治疗超声剂量的安全保证。本文采用时域有限差分法研究了自聚焦换能器的声场,分别对简谐波,脉冲波进行了研究。比较清楚地看出在焦区的声场可以认为是平面波,这对光纤端面法声场测量提供了有力的支持。     

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。     

液体中激光等离子体声波特性研究

采用压电陶瓷水听器对液体中激光等离子体声波进行了实验研究.利用小波变换对不同激光能量、不同作用金属物质、不同激光波长下检测的声波信号进行了频谱特性分析.结果表明:液体中激光等离子体声波的频率分布范围为0~150 kHz,激光能量、金属物质与激光波长的改变对声波频率范围并没有太大的影响|小波分解后,低频a6级信号的能量占总能量的绝大部分,所占比例随着金属离化能的增加而减少|信号的主要频率成分为0~10 kHz,集中在a6级,峰值频率为5 kHz.     

声源分布和超声频率对清洗声场均匀性的优化*

驻波和换能器指向性等影响声场均匀性,造成清洗死角,影响清洗效果。采用COMSOL仿真软件建立了单个换能器位于底部的三维模型,通过染色法实验结果验证模型的有效性。研究了换能器同时位于底部和侧面、多排换能器位于底部时的声场,用声压幅值相对标准差来量化均匀性,发现该两种换能器分布方式能够有效优化声场均匀性。通过调节频率研究频率对声场的影响,进一步优化声场均匀性。对声源分布的确定、频率的选择以满足声场均匀化需求有指导意义。     

高频聚焦换能器声场的激光测量法

本文描述了一种使用激光测振技术测量高频聚焦换能器声场布的方法，并给出了使用该方法对一种高频聚换能器进行测量的结果，通过理论计算对结果的正确性进行了验证。     

A new type of high power composite ultrasonic transducer

A new type of high power composite ultrasonic transducer was proposed and studied. The composite transducer consists of a sandwich longitudinal piezoelectric transducer, an isotropic metal hollow cylinder with large radial dimension, and the front and back metal radiation mass. By means of its special structure and Poisson’s effect, the composite transducer can produce vibrations both in its longitudinal and radial directions, and therefore, it can radiate sound waves in three-dimensional space. The electro-mechanical equivalent circuit of the composite transducer was derived and the resonance frequency equation was obtained analytically. Numerical methods were used to simulate the vibration of the composite transducer, and the vibrational displacement distribution, the resonance frequency and the radiation sound field are given. Some composite transducers are designed and manufactured; their resonance frequencies and the radiation acoustic field are measured and compared with the analytical and numerical results. It can be seen that the measured frequencies and acoustic field contour are in good agreement with the analytical and numerical results. It is expected that this kind of composite ultrasonic transducer can be used in more and more power ultrasonic applications, such as ultrasonic cleaning, ultrasonic extraction, ultrasonic sonochemistry and other ultrasonic liquid processing, where high ultrasonic power and large ultrasonic processing space are needed increasingly.     

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

3-D Model of sound pressure field in a meridinal section plane of fruit

A theoretical model was suggested for qualitative evaluation of a sound pressure field in fruit tissue, as affected by ultrasonic probe dimensions and fruit properties. The classic directivity pattern of an ideal fluid model, expressed by Bessel function of the first kind, was extended to include energy dissipation of a real material. The directional characteristics of wave propagation, as influenced by transmitter frequency and diameter, and by fruit properties, were discussed. The model indicates how to select the parameters of the ultrasonic transducer (transducer diameter, frequency and excitation power) to control the magnitude and directivity of the ultrasonic waves in the fruit tissue. The suggested theoretical model represented fairly well the experimental sound wave distribution over the half-cut surface of potato and avocado (R² > 0.862 and 0.977, respectively); the same theoretical model could not represent the sound wave distribution over a half-cut melon. Results of the study were applied in a new probe design for ultrasonic testing of whole fruit.     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

Simulation of the acoustic field emitted from medical linear transducer in a heterogeneous tissue

A numerical model is developed to simulate the acoustic field in heterogeneous tissue from a medical linear transducer.The coupled full-wave equation for nonlinear ultrasound is solved using a staggered-grid finite difference time domain method.The distribution of acoustic pressure and power in human abdominal wall with heterogeneities in sound speed,density,and nonlinear parameter are obtained.Compared with homogeneous medium,when sound speed in tissue is uniform and density unchanged,the acoustic energy decreases only1.8 dB in the focal region;when density in tissue is uniform and sound speed unchanged,the energy decreases 3.8 dB in the focal region,which is almost the same as heterogeneous tissue.Thus,the primary factor of the aberration of focused beam is the heterogeneous distribution of the tissue sound speed.     

变厚度聚焦换能器对声焦域轴向长度影响的研究*

针对不同厚度的病变组织,改变声焦域轴向长度能提高高强度聚焦超声在临床治疗过程中的安全性和有效性。基于多频超声波叠加原理,该文提出了变厚度(多频)聚焦换能器,并设计了两种类型变厚度聚焦换能器。根据瑞利积分法推导了变厚度聚焦换能器声场,计算和分析了变厚度聚焦换能器的声焦域轴向长度,并与等厚度(单频)聚焦换能器声焦域轴向长度进行对比。结果显示,变厚度聚焦换能器中心到边缘的厚度变化趋势与声焦域轴向长度变化相关,中间薄两边厚换能器声焦域轴向长度缩短,中间厚两边薄换能器声焦域轴向长度变长,且实验验证了理论的正确性。研究结果可为变厚度聚焦换能器声场研究和高强度聚焦超声的临床治疗提供参考。