降低热声发动机(制冷机)共振频率的新方法探索

文中通过分析热声系统边界条件,以及热声系统中工质的声速对整个系统共振频率的影响,提出了两套降低系统共振频率,减小系统尺寸的方案,就理论上解决了这一热声领域的难题,为热声机的小型化,实用化提供了坚实的理论基础。     

共振光声光谱系统中椭球形光声池的理论分析

实时在线气体检测在石油化工、现代工业、环境、医学诊断、智能电网中变压器在线监测等领域具有非常重要的意义。光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的气体检测技术,由于其具有检测灵敏度高、选择性强、分辨率高、检测范围宽、可实时在线监测等优点,已被广泛用于痕量气体检测。在光声光谱系统中,光声池是最重要的组成部分,其性能的好坏对于系统检测灵敏度和分辨率有着直接的影响。近些年来,光声光谱气体检测系统主要采用标准圆柱形共振光声池,系统的检测灵敏度和分辨率主要由微音器决定。为了进一步提高光声光谱法对于痕量气体检测的灵敏度和分辨率,对光声池进行深入研究分析,提出一种高灵敏度的椭球形共振光声池。结合气体热动力学和声学理论,利用COMSOL软件中的热声学模块分别对椭球形光声池和传统的圆柱形光声池进行了有限元方法分析,建立了其声学特征模型,并且对光声池的共振频率,光声池谐振腔内的声压分布情况以及声压级大小等声学特性进行了仿真研究。模拟了椭球形光声池的共振频率和声压信号大小与光声池谐振腔长度和中心半径之间的关系,从而优化了光声池的尺寸结构,选取了长度为100 mm,中心半径为5 mm的椭球形光声池最优结构,与相同外部尺寸下的传统圆柱形光声池进行了对比分析。结果表明,椭球形光声池的共振频率为1 340 Hz,处于共振状态时产生的声压信号达到了5.01×10~(-5) Pa,声压级为11 dB,品质因数为70;圆柱形光声池共振频率为1 650 Hz,共振状态下产生的声压信号大小为5.7×10~(-6)Pa,声压级为-13.9 dB,品质因数为66。对比可知,椭球形光声池的共振频率明显小于圆柱形光声池,且最大声压信号是同尺寸圆柱形共振光声池的8.78倍,声压级提高了24.9 dB。由此可知,设计的椭球形共振光声池体积小,声压信号大,检测灵敏度高,光声池的性能有了明显提升,对于光声光谱法用于微痕量气体检测的灵敏度提高有着重要意义。     

穿孔管消声器声学长度修正的理论公式

推导出穿孔管消声器声学长度修正以及共振频率的理论公式。证明了在均匀分布情况下,多小孔向膨胀腔声辐射与单个小孔向膨胀腔声辐射的声学长度修正系数是一致的。对于小孔向主管道的声辐射,根据理论公式研究了穿孔率、周向均布数以及亥姆赫兹数对声学长度修正的影响,有限元计算得出在直径比小于0.4的情况下声学长度修正系数理论公式与仿真计算结果吻合良好。并利用理论公式的性质以及仿真结果获得了实用的拟合公式,提升了穿孔管消声器在高频时共振频率的计算精度。      

液体粘滞系数对声低通滤波光纤水听器声学特性的影响

理论和实验研究了液体粘滞系数对声低通滤波光纤水听器声压灵敏度频响特性的影响.为了更好地描述声低通滤波光纤水听器的声学特性,在已建立的低频集中参量模型中,引入了一个用于描述系统机械损耗的参量,即机械声阻,从而得到了改进后的声压传递函数表达式.仿真结果表明,粘滞系数主要影响共振频率附近的响应,随着粘滞系数的增加,共振频率基本不变,共振峰值迅速下降.利用蓖麻油粘滞系数随温度变化较大的特性,在充油驻波罐中测试了不同温度下声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响,结果与仿真曲线基本吻合,较好地验证了理论分析的正确性.     

腔壁弹性对水下小型圆柱形亥姆霍兹共振器共振频率的影响

理论和实验研究了腔壁弹性对水下小型圆柱形亥姆霍兹共振器共振频率的影响.基于电-声类比理论,建立了小型共振器的简化模型,利用电路分析方法得到了便于计算的共振频率一般表达式.分别仿真分析了共振器壁面厚度和材料对共振频率的影响,得到了不同尺寸的小型共振器的近似刚性条件.在充水驻波罐中对不同壁厚、不同材料的小型圆柱形亥姆霍兹共振器的共振频率进行了测量,实验结果较好地验证了理论分析和近似刚性条件的正确性.所得结果对小型圆柱形亥姆霍兹共振器的设计和水下应用具有较好的参考价值. 关键词： 亥姆霍兹共振器 共振频率 传递函数 辐射阻抗     

二阶声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响特性

信号混叠是基于光纤水听器的现代声纳系统走向应用必须解决的一个关键问题.初步的实验结果已经表明,声低通滤波光纤水听器是解决信号混叠问题的一种简单且行之有效的方案.基于电一声类比理论,建立了声低屯瞬ü庀怂鞯牡推导胁瘟磕Ｐ?利用电路分析的方法对其频响特性进行了研究.结果表明,这种光纤水听器系统与典型的二阶低通滤波电路具有相似的频响特性.为了验证理论分析的正确性,设计制作了一个简单的声低通滤波光纤水听器,并在驻波罐中对其声压灵敏度频响特性进行了测试,实验结果与数值计算的结果基本吻合.该光纤水听器低频响应非常平坦,声压灵敏度约为-141 dB,测量共振频率为985 Hz,与理论值1270 Hz基本一致.共振频率处的声压灵敏度为-126.8 dB,衰减速率约为20 dB/倍频程,3000 Hz以后的灵敏度衰减幅度大于20 dB.     

水中矩形板的共振声辐射

研究共振声辐射理论(Resonance Radiation Theory:RRT)在水中矩形板的应用。导出了矩形板的共振声辐射公式、并数值验证了其适用性。深入分析了有流体负荷矩形板的复共振频率的物理意义及其与导纳留数、模态辐射率的关系,复共振频率的实部表示实际共振频率,虚部反映模态辐射能力。根据复共振频率容易找到辐射能力相对较强的模态,为有针对性控制声辐射提供了新的思路。鉴于复平面搜根求解模态复共振频率的困难,针对矩形板的特点提出了一种求解复共振频率及留数的快速方法。结合该方法及RRT,提出了一种快速计算辐射声功率的方法,数值验证表明该方法精度高、速度快。      

非线性热声理论的研究进展

主要总结了热声系统中的非线性热声现象,指出了线性热声理论的不足,回顾了近十年来国内外热声工作者为解释这些非线性现象所做的理论探索,对其发展方向进行了展望.     

气流扬声器振动系统的设计原理

本文用等效电路方法分析了电动气流扬声器振动系统的特性,求得了气流扬声器的输入阻抗和位移振幅的频率特性,并把结果用于典型扬声器,说明用等效电路分析指导气流扬声器设计的作用。气流扬声器振动系统所需的电功率与其机械共振频率的四次方成正比,其声辐射主要限于共振频率以下,因而高频特性较差。求得了在共振频率以下,频率响应平直的最佳条件,实验表明,在最佳条件下,气流扬声器的高频特性随着磁隙中的磁感应强度的增加仍稍有提高。实验结果符合理论分析,测得气流扬声器喇叭喉部的声压级在不同情况下达181分贝或184.8分贝(零分贝等于2×10^-5牛顿/米²)。     

水中气泡之间的声相互作用

单个气泡的声衰减的实验结果可以用热传导粘滞和辐射损失来解释,但对于气泡层中(这里有许多气泡)的实验来说,上述机理却不能解释。因为根据这些机理算得的理论值比实验值小很多,这一问题三十多年来尚未解决。本文考虑气泡之间的声相互作用,算得的相互作用场和原始入射场有90°的相位差,这等效于在每个气泡上附加了一项阻力,从而使其阻尼增大很多。应用本文理论与上述实验结果比较,两者符合得很好。本文理论也指出,声相互作用并不改变气泡的共振频率,只是使其共振曲线展宽。当声波频率低于共振频率时,气泡的伴振质量增大,劲度减小。当频率高于共振频率时,情况则相反。 关键词：     

基于简单碰撞理论煤粉燃烧动力学模型的研究--PART Ⅱ:颗粒表面的氧气浓度分布模型

为了较准确地预报炉内煤粉燃烧速率,正确区分TGA中滞止煤粉表面与炉内载流煤粉表面氧气浓度的变化规律是非常关键的。从TGA中非稳态条件下坩埚内颗粒表面氧气浓度分布的数理解知,煤样的氧化过程是同时进行的,只是上部的氧化速率大一些,底部的氧化速率小一些;同一样品,同一升温速率,试样的堆积厚度的差异,会影响实验结果的重复性。分析表明,在初始和反应结束时,坩埚内颗粒表面氧气浓度等于环境浓度;反应速率达到最大值时,颗粒表面氧气浓度达到最小值。颗粒在炉内流动燃烧过程中,环境中氧气浓度值是单调减少的,煤焦表面氧的浓度是非线性变化的。     

液体对微振动的放大效应

根据表面波声光效应的原理,实验上建立了固体表面微振动的激光衍射测量系统.当激光斜入射到微振动引起的液体表面波上,观察到了清晰、反衬度非常高的衍射图样.利用MATLAB软件对拍摄的衍射图样进行扫描,得到了衍射光斑的光强分布图,并根据衍射图样宽度与表面波振幅的解析关系式,求出了液体表面波的振幅,其大小在微米量级.改变样品池中液体的深度,测得不同深度下液体表面波的振幅,给出了表面波振幅与液体深度之间的解析关系,并发现了液体对微振动的放大效应.利用液体对微振动的放大效应,求出了固体表面微振动的振幅,实现了固体表面微振动的探测.     

液体对微振动的放大效应

根据表面波声光效应的原理,实验上建立了固体表面微振动的激光衍射测量系统.当激光斜入射到微振动引起的液体表面波上,观察到了清晰、反衬度非常高的衍射图样.利用MATLAB软件对拍摄的衍射图样进行扫描,得到了衍射光斑的光强分布图,并根据衍射图样宽度与表面波振幅的解析关系式,求出了液体表面波的振幅,其大小在微米量级.改变样品池中液体的深度,测得不同深度下液体表面波的振幅,给出了表面波振幅与液体深度之间的解析关系,并发现了液体对微振动的放大效应.利用液体对微振动的放大效应,求出了固体表面微振动的振幅,实现了固体表面微振动的探测.     

Locally ordered regions in the phase transition in the systems with a finite-range correlated quenched disorder

The locally ordered regions (LOR) in the phase transition in disordered systems are studied. There are two parts in this paper. One part is to report our numerical results on the one-dimensional saddle point equation of the Ginzburg-Landau Hamiltonian with random temperature in the presence of an ordering field. The disordered system is modelled as a lattice, on which each cell has a local reduced temperature. The random part of the local reduced temperature is distributed in the Gaussian form. The one-dimensional saddle point equation is solved numerically. The average, the fluctuation and the correlation length of the solution are calculated. The scaling relations for these quantities with the temperature, the ordering field and the disorder strength are derived. The numerical data are fitted with the scaling relations well. Another part is to discuss qualitatively the phase diagram of the finite-range correlated disordered systems. There are two proposed classes for the phase transition in connection with the LOR. One class is described by the percolative scenario, in which the phase transition is inhomogeneous. In the percolative scenario the percolation of the LOR dominates the phase transition. In another class, the phase transition is homogeneous, and can be described by the renormalization group (RG) with replica symmetry breaking (RSB). In the RG with RSB, there is nothing to do with the percolation of LOR. We shall show that these two theories, which seem contradictory, may describe two parts of the whole phase diagram. Whether the phase transition is homogeneous or inhomogeneous depends on the interaction between the LOR. If the interaction between the LOR is strong enough, the phase transition is percolative and inhomogeneous. If the interaction between the LOR is weak, the phase transition is homogeneous. The interaction between the LOR is discussed with the numerical solution on the saddle point equation.     

Detecting the long-distance structure of the X(3872)

Several investigations show that in a very small length scale there exist corrections to the entropy of black hole horizon. Due to fluctuations of the background metric and the external fields the action incorporates corrections. In the low energy regime, the one-loop effective action in four dimensions leads to trace anomaly. We start from the Noether current corresponding to the Einstein–Hilbert plus the one-loop effective action to calculate the charge for the diffeomorphisms which preserve the Killing horizon structure. Then a bracket for the charges is calculated. We show that the Fourier modes of the bracket are exactly similar to the Virasoro algebra. Then using the Cardy formula the entropy is evaluated. Finally, the explicit terms of the entropy expression is calculated for a classical background. It turns out that the usual expression for the entropy; i.e. the Bekenstein–Hawking form, is not modified.     

On the relations between Markovian master equations and stochastic differential equations

We have investigated the relationship between Markovian master equations (m.e.) and the corresponding stochastic differential equations (s.d.e.) for closed systems, i.e., systems not subjected to external pumping. We show that the form of the fluctuations in the s.d.e., i.e., additive or multiplicative, depends upon the properties of the kernel of the m.e. and the range of the state space of the stochastic variable(s), i.e., bounded or unbounded. The knowledge of these two properties of the m.e. permits the determination of the way in which the fluctuations enter into the s.d.e. (i.e., additive or multiplicative) and the calculation of their statistics. Several examples are presented to illustrate the general theory.     

Computational analysis for dynamic response of a rotating shaft on flexible support structure with clearances

A finite element-based formulation for modelling the dynamic behavior of a rotating flexible shaft supported by a flexible support structure is presented. The coupling effect between the rigid-body rotation and the flexible deformation of the shaft is considered and represented by non-linear coupling terms in the mass matrix and forcing vectors in the global system of equations. The rigid-body rotation is treated as one of the degrees of freedom (d.o.f.) of the entire system. The interaction between the rotating shaft and the flexible support is modelled by either linear or non-linear springs distributed around the circumference of the shaft. The coupling between the flexibility of the shaft and the flexibility of the support structure are considered. The flexible d.o.f. of both the shaft and the support structure are represented as a set of retained and internal d.o.f. of a Craig-Bampton formulation. An additional transformation is performed when the rigid-body d.o.f. is coupled with the internal and the retained d.o.f. in a Craig-Bampton basis. The equations of motion are solved in the time domain using a modified Newmark method for time integration, in which the Newton-Raphson method is used for handling the non-linear behavior within each time step. Analyses are performed to validate the new development for different combinations of load condition, spring type, and rigid-body rotation.     

基于背景特征参数的激光雷达目标检测

激光雷达的弱小目标检测是激光雷达的关键技术, 其主要研究难点之一是在低信噪比下, 可用于区分目标与背景噪声的特征少。研究的对象是激光雷达的远距离目标回波, 主要指空中飞机目标。根据试验得到的数据, 发现目标点在背景中往往是一些孤立的点, 与背景的相关性较小。而背景中的任一点与前后背景点相关性较强, 可以用周围的点进行线形或非线性表示。为解决低信噪比下激光雷达的目标检测问题, 提出了基于背景特征参数的目标检测算法。运用高阶统计量作为背景特征值对杂波数据进行处理。在一个小区域内, 背景的高阶统计量不会有很大的起伏, 而目标在它所在的区域内具有相对突出的变化。信噪比得以提高, 然后通过恒虚警检测和多帧相关检测, 获取真正的目标。试验结果表明该方法非常有效, 实时性强, 具有较高的实用价值。     

横场中非束缚类准周期伊辛链的赝临界点

本文系统地研究了有限尺寸下非束缚类准周期量子伊辛链在横场中的赝临界点的行为. 首先, 通过计算平均磁矩和协作参量, 发现这两个量的导数随着横场的变化都会出现两个清晰的峰. 这与束缚类伊辛链和无序伊辛链的结果明显不同. 其次, 研究了横场中赝临界点的概率分布情况, 发现概率分布并不是高斯型的. 这也与无序的结果不同. 最后, 分析了赝临界点产生的原因, 发现赝临界点是由非束缚类准周期伊辛链中的集团结构造成的.     

基于Abel逆变换的激光诱导等离子体辐射特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新型的物质成分测量方法已经在越来越多的领域得到广泛应用，但是与传统的分析方法相比，LIBS技术的分析性能还需进一步提高。LIBS技术的理论基础是激光诱导等离子体，从物理机理上研究等离子体特性，对LIBS系统实验参数的优化具有指导作用，也为提高LIBS技术的检测能力奠定理论基础。激光诱导等离子体是一个与空间相关的非稳态辐射源，空间分辨光谱测量是探究等离子体物理特性的重要手段之一。为研究激光诱导等离子体的辐射特性，采用1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器烧蚀合金钢样品产生等离子体，利用空间分辨装置测量二维空间的等离子体辐射光谱信号，通过分析可知实验采集的光谱信号是信号探测器测量路径上的积分光谱强度，由此计算得到的等离子体参数也是观测路径上的平均值。为了深入研究等离子体由内层到外层的辐射规律，首先测量得到等离子体路径积分光谱强度的横向空间分布，然后以等离子体为光学薄和圆柱对称的前提条件，采用三次样条函数算法对路径积分光谱强度进行Abel逆变换，反演得到等离子体由内层到外层谱线辐射率的径向空间分布。选取等离子体辐射光谱中的原子谱线Fe Ⅰ: 374.55 nm和Mn Ⅰ: 403.08 nm为研究对象，分析等离子体辐射光谱的空间分布特征，研究结果表明，等离子体辐射路径积分光谱强度的横向分布呈现出中心位置强度大边缘位置强度小的特征，这是由于等离子体膨胀扩张的结果引起的；通过Abel逆变换得到等离子体光谱辐射率的径向分布，结果表明等离子体从内层到外层谱线的辐射率经过了先增加后减小的变化规律，等离子体中心处出现辐射率的极小值，造成这种现象的主要原因是由于等离子体辐射源中心区域具有较低的电子密度；选取等离子体辐射光谱中Fe元素的11条原子谱线，采用Boltzman法分别由谱线相应的积分光谱强度和辐射率计算等离子体温度，得到等离子体温度的横向空间和径向空间的二维分布，两者具有类似的变化规律；由等离子体温度的横向空间分布可以看出，随着离样品表面距离的增加，等离子体温度呈现单调减小的趋势，等离子体中心到边缘区域等离子体温度逐渐降低，这是由等离子体膨胀扩张以及与环境气体相互作用共同的结果；由等离子体温度的径向空间分布可以看出等离子体由内层到外层等离子体温度逐渐降低，这是由于等离子体膨胀扩张冷却引起的。由此可见，采用Abel逆变换能够实现等离子体由内层到外层的辐射特性分析，为深入理解等离子体产生和演变的物理机理提供实验依据，从而为提高激光诱导击穿光谱技术的分析性能奠定理论基础。