有限元/边界元耦合方法在海洋生物目标强度特性研究的应用*

目标强度特性是海洋生物声学识别与资源量评估的重要依据,其中,基于近似几何体和声阻抗特性的理论模型法是研究海洋生物目标强度的重要手段。由于对几何形态近似处理以及数值求解方法的限制,传统理论模型对声波频率、入射方位以及目标声阻抗、形态尺寸等均有各自不同的适用范围,单一模型难以满足不同种类或同一种类但不同尺寸海洋生物的目标强度求解。本文尝试将逐渐见诸应用的有限元/边界元耦合方法用于海洋生物目标强度特性研究,分别以球形生物、纺锤形鱼类尾明角灯鱼(Ceratoscopelus warmingii)和细长形浮游动物南极大磷虾(Euphausia superba)为例进行仿真计算,并与相适应的经典理论模型进行对比分析。结果表明,对于球形生物,有限元/边界元耦合方法与解析模型的目标强度频响曲线完全吻合;对于纺锤形鱼类,有限元/边界元耦合方法可有效弥补基于模态级数解的形变圆柱体模型在中低频和两端入射时的准确性问题;对于细长形浮游动物,有限元/边界元耦合方法与畸变波玻恩近似模型高度吻合。综上,有限元/边界元耦合方法对多种海洋生物目标强度求解均具有较好的适用性,未来有待进一步结合实验测定进行验证。     

新型液氦温区热声驱动制冷系统研究

提出一种采用气液耦合谐振子的新型热声驱动制冷系统,理论上首次实现液氦温区制冷。模拟结果显示,系统最低无负荷制冷温度达到5.9 K,为目前热声制冷系统的最低记录。本文首先基于数值模拟优化了新型热声制冷系统结构参数;然后,分别揭示了系统内部关键参数的沿程分布以及热力学性能的影响规律。本研究填补了热声制冷技术应用于液氦温区的空白,有望为航天、低温电子器件及氢能源利用等领域中的新型热驱动制冷机奠定理论基础。     

余热驱动热耦合多级自由活塞斯特林热电联供系统研究

我国工业余热资源丰富,尤其是中低温余热具有巨大的回收利用潜力。本文提出采用热耦合多级自由活塞斯特林发电机来构建余热回收利用系统,可有效拓宽余热利用温度范围,减小余热热源传热损失。首先基于热声理论,从声阻抗角度计算考察了单级自由活塞斯特林热电联供系统在变温和变充气压力等工况下的性能;然后对一台三级自由活塞斯特林热电联供系统进行解耦计算,分别考察了供水温度、单级加热量、工作压力等因素对系统性能的影响;最后开展了实验研究,在420/350/300℃热端温度及22/22/18 kW加热量下获得自由活塞斯特林热电联产系统净输出电功10.09 kW,供热量45.29 kW,对应总热电效率为16.27%,综合热利用率为89.32%,各级相对卡诺效率分别为30.90%、32.10%、36.08%,展现出重要的应用前景。     

一种基于大角度倾斜光纤光栅包层模的低频声传感方案

利用倾斜光纤光栅在发生弯曲时其存在的多种纤芯-包层模式耦合方式容易发生改变,进而使其光谱特征发生明显变化的特点,提出并验证了一种基于大角度倾斜光纤光栅包层模的低频声传感方案.将倾斜光纤光栅与设计的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)换能膜片及腔体结构相结合,得到了一种有效的低频声传感系统.该换能膜片在被测声波信号作用下产生振动,使固定在膜片表面的倾斜光纤光栅发生周期性动态弯曲,引起倾斜光纤光栅的包层模式光谱发生周期性漂移,最后采用边缘滤波法进行解调,实现低频被测声波的有效探测.实验结果显示,该传感方案可以在45—220 Hz范围内实现高灵敏度声波探测,在传感系统固有频率附近54 Hz处获得最大声灵敏度115.88 m V/Pa,且最小探测声压为539.2μPa/Hz^1/2.该传感方案具有灵敏度高、重复性好、结构简单、容易加工等优势,在低频声探测等相关应用领域具有较大的发展前景.     

二元氧化物Yb3TaO7的非晶状热传导机理

具有非晶状热导率的固体材料在热能转换和热管理应用中备受青睐.因此,揭示晶体材料的非晶状热传导机理对于开发和设计低热导率材料至关重要.本文运用原子模拟方法揭示了萤石结构二元简单晶体Yb₃TaO₇的非晶状低热导率的物理机理.研究发现,萤石Yb₃TaO₇的低热导率主要是由O-Yb和O-Ta之间的原子间结合力相差较大引起的.这种相差较大的原子键可以极大地软化声子模式,从而抑制声子输运.振动模式分解显示,萤石Yb₃TaO₇中的大多数声子模式位于Ioffe-Regel极限以下,表现出强烈的扩散特征.萤石Yb₃TaO₇中绝大部分(> 90%)的热流是通过扩散模式而不是传播模式传输.因此,萤石Yb₃TaO₇中的热传导表现出独特的类非晶特性.同时发现,萤石Yb₃TaO₇中的光学声子模式在热传导中发挥着重要的作用.本文对于原子间结合力与低热...     

管柱型近周期声子晶体点缺陷结构的大尺寸压电超声换能器

大尺寸压电超声换能器的耦合振动会导致其辐射面纵向位移振幅的平均值较小,振幅分布不均匀,严重影响系统的性能和可靠性.为了改善大尺寸超声振动系统性能,可利用二维孔/槽型近周期声子晶体结构对横向振动进行抑制,但在对横向振动抑制的同时,该结构会对换能器机械强度和工作带宽等性能参数造成不利的影响.针对这一问题,本文提出利用管柱型近周期声子晶体点缺陷结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行优化的新思路.该方法不仅可以利用构造的固/气二维近周期声子晶体结构的点缺陷模式,获得极低的能量损耗,有效提高系统辐射面的纵向位移振幅和振幅分布均匀度;也可以利用管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射,使得换能器在管柱柱高较低的条件下产生禁带,在有效抑制横向振动的同时,大幅拓宽换能器系统的工作带宽,增强系统的稳定性和机械强度,降低加工成本.仿真结果证明了优化的有效性.     

砼受压全过程发射b值与分形维数的研究

声发射ｂ值反映了材料内部微裂缝发展，本文在ＭＴＳ试验系统进行了砼受压全过程实验同时，检测了砼声发射的幅值和事件数变化，并根据实验结果对ｂ值进行了研究。研究表明：在应力－应变全曲线峰值处ｂ值最小。此外，还根据分形理论对砼受压全过程分形维数进行了研究。     

弱正交异性材料残余应力测量的声弹性方法

为了适应工程材料的残余应力无损测量的要求,本文将横波和纵波声弹性相结合,建立适用於弱正交异性材料的平面声弹性残余应力测量方法,并应用该方法及自行研制的横波换能器对焊接试件的二维残余应力进行了测试。     

VIBRATION AND ACOUSTIC RADIATION FROM SUBMERGED STIFFENED SPHERICAL SHELL WITH DECK-TYPE INTERNAL PLATE

Based on the motion differential equations of vibration and acoustic coupling system for thin elastic spherical shell with an elastic plate attached to its internal surface, in which Dirac-δ functions are employed to introduce the moments and forces applied by the attachment on the surface of shell, by means of expanding field quantities as Legendre series, a semi-analytic solution is derived for the vibration and acoustic radiation from a submerged stiffened spherical shell with a deck-type internal plate, which has a satisfactory computational effectiveness and precision for an arbitrary frequency range. It is easy to analyze the effect of the internal plate on the acoustic radiation field by using the formulas obtained by the method proposed. It is concluded that the internal plate can significantly change the mechanical and acoustic characteristics of shell, and give the coupling system a very rich resonance frequency spectrum. Moreover, the method can be used to study the acoustic radiation mechanism in similar structures as the one studied here.     

超声波无触点支承陀螺仪技术的理论分析及实现

提出了一种超声无触点支承方案，详细介绍了超声无触点支承原理。通过对声辐射理论的研究，获得超声无触点支承的理论依据。实验证明实现这种超声波无触点支承是可行的。根据这一理论，对三轴无触点支承结构进行了选择设计。