ANALYSIS ON ACOUSTICAL SCATTERING BY A CRACKED ELASTIC STRUCTURE

The acoustical scattering by a cracked elastic structure is studied. The mixed method of boundary element and fractal finite element is adopted to solve the cracked structure-acoustic coupling problem. The fractal two-level finite element method is employed for the cracked structure, which can reduce the degree of freedoms (DOFs) greatly, and the boundary element method is used for the exterior acoustic field which can automatically satisfy Sommerfeld‘s radiation condition. Numerical examples show that the resonance frequency is lower with the crack‘s depth increase, and that the effect on the acoustical field by the crack is particularly pronounced in the vicinity of the crack tip. This mixed method of boundary element and finite element is effective in solving the scattering problem by a cracked structure.     

A variational solution of 2-D sound-structure interaction problems

Based on the fluid-structure coupling theory, a localized variational principle for analyzing the sound radiation from elastic structure submerged in water due to harmonic excitations is presented. It will be a powerful tool to formulate various numerical methods for steady response of structural-acoustic systems. By means of this variational principle a hybrid element method, in which an analytical solution valid in most of the surrounding water is incorporated with finite elements distributed in the structure and its neighboring water, is devised. Computational examples are then given to demonstrate its high accuracy and time saving. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172038) and the Doctoral Program Foundation of Institution of Higher Education of China (20040487013). The English text was polished by Yunming Chen.     

频率不变波束形成器抽头稀疏化设计的交替方向乘子法

针对具有空间响应变化函数约束的频率不变波束形成器设计问题,提出了采用交替方向乘子法实现抽头稀疏设计的优化算法。该算法利用交替方向乘子法能够将原始优化问题进行分裂处理的特点,通过引入替代变量和指示函数,使得表征波束形成器抽头稀疏度量的非凸L₀范数与阵列响应约束分离,进而将问题分裂到元素层级并给出近邻算子的解。对于指示函数的近邻算子求解,在分裂到元素层级后则退化为简单的双边约束问题,因而降低了优化求解的计算复杂度。仿真分析表明,提出的方法比现有的L₁范数方法在宽频带条件下的抽头稀疏度能够提升6%~13%,通带最大波动误差减小了约2 dB,并且优化消耗时间更短。实验结果进一步验证了所提方法在实现高抽头稀疏度波束形成的同时,对声信号造成的失真更小。因此,所提出的方法在降低传声器阵列波束形成器的实现复杂度以及保持阵列响应的频率不变性能方面更具有优势。      

锥形剖面径向复合超声换能器的机电等效电路

研究了一种锥形剖面径向复合超声换能器。该换能器由一个等截面内金属圆环、一个轴向极化的压电陶瓷圆环和一个锥形剖面外金属圆环沿径向复合而成,且换能器的径向尺寸远大于高度。锥形剖面外金属圆环满足关系式h=h₀r,h₀为厚度变化常数。基于平面应力径向振动理论,推导了换能器的机电等效电路,得到了共振频率方程和反共振频率方程,进而研究了换能器的振动特性。并将理论计算的第1阶、第2阶径向共振频率和反共振频率与数值仿真结果相比较,二者结果一致。研究表明:锥形剖面换能器第1阶、第2阶径向共振频率、反共振频率、有效机电耦合系数不仅与换能器各部分的材料、径向几何尺寸有关,还与h₀有关。h₀越大,第1阶径向共振频率、反共振频率越大,有效机电耦合系数先增大后减小。与等截面相比,锥形剖面换能器沿径向向外辐射声波,辐射面积更大,辐射声功率更高,指向性更好。      

用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

介质密度对谐振腔声压的影响

基于热声效应的磁致伸缩换能器热声制冷机,其内部的介质密度对于制冷效率的提高有重要作用。选用改变基础声压来控制谐振腔内介质密度的大小,选取了基础声压0.2—1.0 MPa之间,每0.2 MPa作为间隔,对五种基础声压下1 000—8 000 Hz不同激励下用有限元仿真软件ATILA进行仿真分析,得到趋势是呈现增大的,而且最大值在基础声压和激励频率最大值处,达到了359.97 Pa;在基础压力为0.6 MPa、激励频率为2 000 Hz的条件下谐振腔同时满足驻波形态和高声压。并对整机的模型进行激励频率-辐射板位移输出分析,得到在激励频率为9 000 Hz时,辐射板输出位移最大。随着介质密度的增加,热声制冷机内谐振腔内的驻波形态并没有因此而增加,存在一个同时满足驻波状态和高声压的状态。     

自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩力-声特性试验研究

以松辽盆地露天花岗岩为研究对象，对自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩进行单轴压、拉和声波测定试验。研究不同方式冷却后花岗岩温度（100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃，以下简称100℃-800℃）与表观形态、纵、横波波速、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度间关系，并将纵、横波波速与抗压强度、弹性模量建立联系。同时考虑遇水冷却后静置过程对花岗岩力-声性质影响。研究表明：（1）静置0h-2h是质量损失、纵波波速下降主要时段，静置6h后变化率可以忽略；自由水损失量与力-声特性损失量存在一定线性关系；（2）温度升高，自然冷却后花岗岩纵、横波波速、弹性模量、抗压强度、抗拉强度呈线型下降，遇水冷却后呈凹线型下降；高于300℃，自然冷却后花岗岩力-声参数均大于遇水冷却，泊松比变化率与其相反，600℃时冷却方式不同对花岗岩纵、横波波速、弹性模量、抗压强度影响达到最大，遇水冷却比自然冷却分别低33.33%、31.88%、53.33%、31.74%，700℃-800℃时冷却方式对花岗岩力声特性影响减小；（3）温度变化，花岗岩纵、横波波速与抗压强度、弹性模量呈良好相关性。所得结论可以提高花岗岩力-声特性测量准确性，为力学特性预测提供一个可行方法，并为岩体工程安全稳定性评估提供依据。     

实时三维超声联合右心声学造影评价肺源性心脏病患者右心室收缩功能的价值

目的应用实时三维超声心动图探讨肺源性心脏病患者右心室收缩功能的价值，比较右心造影对测值的影响。方法选择肺源性心脏病代偿组、失代偿组、正常对照组各20例分别进行造影前、后实时三维超声的采集成像，计算右心室舒张末容积（RVEDV）、右心室每博输出量（RVSV）和右心室射血分数（RVEF），并根据心内膜是否清晰可辨分为心内膜边界清晰者、心内膜边界欠清晰者，比较两者三维超声参数的组间差异。结果代偿组、失代偿组RVEDV较对照组均明显增加，RVEF值减低（均P＜0.01），代偿组与对照组RVSV差异无统计学意义（P＞0.05），但失代偿组RVSV与代偿组、对照组差异有统计学意义（P＜0.05）；失代偿组RVEDV较代偿组明显增大，RVEF明显减低（均P＜0.01）。心内膜边界欠清晰者造影后较造影前RVEDV、RVEF差异均有统计学意义（均P＜0.05）。结论实时三维超声能够客观地反映肺源性心脏病代偿期与失代偿期右心室收缩功能的变化，右心声学造影改善了心内膜边界的可识别性，提高了右心室收缩功能测值的可靠性。     

利用起伏界面改善非消声水池中的声功率测量

针对非消声水池的声学测量应用,提出了一种在界面起伏的非消声水池中测量水下声源辐射声功率的方法。基于数值方法分析了在非消声水池中利用起伏界面改善低频声源辐射声功率测量的可行性,进一步在一个尺寸为1.2 m×1.0 m×0.8 m的非消声水池中开展实验研究,测量了水声换能器的辐射声功率。实验表明,相对于界面静止的水池,利用造波装置生成随机起伏界面后,声场扩散性明显改善:(1)水池的Schroeder频率从10015 Hz降低到8370 Hz,辐射声功率的测量范围向低频扩展;(2)结合空间平均技术测得的频响曲线起伏程度减小,与自由场值更接近,辐射声功率的测量结果更为准确。所提方法有助于提高非消声水池中水下目标声学特性的测量能力。     

声学超表面的非对称声分束特性研究

非对称声分束超表面是由人工微单元结构按照特定序列构建的二维平面结构,可将垂直入射的声波分成两束传播方向和分束比自由调控的透射波,在声功能器件设计及声通信领域具有广泛的应用前景。本文系统研究了一种实现非对称声分束的设计理论和实现方法,基于局域声功率守恒条件研究了声分束器的设计理论、阻抗矩阵分布、法向声强分布、声压场分布等。利用遗传算法对四串联共振腔结构进行参数优化实现了声分束器所需的阻抗矩阵分布,声压场分布表明声波入射到声分束器后在入射侧激发出两列传播方向相反且幅值和衰减系数均相同的表面波,实现了入射侧与透射侧的局域声功率相互匹配。声波经过声分束器后被分为两束透射波,两束透射波的折射角和透射系数与理论值十分吻合,证明了设计理论及实现方法的正确性和可行性。本文的研究工作可以为新型非对称声分束结构设计提供理论参考、设计方法和技术支持,并促进其在工程领域的实际应用。