多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真分析

为了探究超声搅拌磁流变抛光液的制备及优化工艺,利用多物理场数值计算方法,建立了超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真模型,并进行了频域分析。研究了不同液位深度、超声变幅杆探入深度,不同功率下磁流变抛光液的声场分布。通过测量磁流变抛光液的声场强度对声场仿真进行了验证。结果表明：随着距变幅杆距离的增加,声强逐渐减弱,高声强区域主要分布在换能器轴线附近。声强在距变幅杆20mm范围内急剧衰减,变幅杆最佳探入深度为10mm,增大功率有助于空化区域的扩大。声场仿真结果与实验测量结果基本一致,对磁流变抛光液的制备提供了数值计算基础。     

小直径棒材超声横波检测仿真分析

采用超声水浸聚焦斜入射方式进行小棒材表面、近表缺陷检测时,声波在水/棒和棒/缺陷界面会发生反射、折射、散射、衍射及波形转换等一系列物理变换。此时缺陷可检性对声波入射条件十分敏感,常出现由于检测条件设置不当而导致缺陷漏检、误检的情况。为解决这一问题,本文针对小棒材超声斜入射检测中的主要参数——入射角和水距,开展声场及缺陷声响应仿真,研究检测参数对不同部位缺陷检测能力的影响,并对仿真结果进行试验验证。通过研究得到了检测水距、入射角度对缺陷检测能力的影响,并得到最优检测条件。试验验证结果表明研究制定的检测方案可有效检测出表面、近表面裂纹缺陷。     

结合并行策略与距离减缩法的搜索算法及其在CAA中的应用

为提高流场与声场信息传递效率，建立了一种耦合MPI并行策略与改进距离减缩法的搜索算法。在完成点搜索后，采用一种适合于结构和非结构网格的形函数插值算法进行流场插值，实现了流场信息从流场网格到声场网格的快速传递。针对网格点搜索算法效率的验证，选用二维30P30N三段翼为研究对象，在不同的子进程数下进行对比分析。结果表明，相对于传统的距离减缩算法，本文提出的改进算法能有效提高CAA网格点的搜索效率，并且效率随着子进程数的增加而提高。在此基础上，将建立的流场与声场信息传递技术模块应用于CAA方法中，并对二维NACA0012翼型的后缘噪声问题进行计算分析，计算结果反映基于流场与声场信息快速传递算法的CAA方法能有效模拟宽频气动噪声问题。     

驻波声场中单分散细颗粒的相互作用特性

利用外加声场促进悬浮在气相中的细颗粒发生相互作用,进而引起颗粒的碰撞和凝并,使得颗粒平均粒径增大、数目浓度降低,是控制细颗粒排放的重要技术途径.为探究驻波声场中单分散细颗粒的相互作用,建立包含曳力、重力、声尾流效应的颗粒相互作用模型,采用四阶经典龙格-库塔算法和二阶隐式亚当斯插值算法对模型进行求解.将数值模拟得到的颗粒声波夹带速度和相互作用过程与相应的解析解和实验结果进行对比,验证模型的准确性.进而研究颗粒初始条件和直径对相互作用特性的影响.结果表明,初始时刻颗粒中心连线越接近声波波动方向、颗粒位置越接近波腹点,颗粒间的声尾流效应就越强,颗粒发生碰撞所需要的时间就越短.研究还发现,颗粒直径对颗粒相互作用的影响取决于初始时刻颗粒中心连线偏离声波波动方向的程度.当偏离较小时,颗粒直径越大,颗粒发生碰撞所需要的时间越短;当偏离很大时,直径较小的颗粒能够发生碰撞,而直径较大的颗粒则无法发生碰撞.     

非均匀流体介质内部散射声场重建的逐层计算方法*

入射声波激励下非均匀流体介质内部散射声场的重建方法对超声层析成像具有重要意义。以往采用矩量法求解,但该方法全域离散形成的复数满秩矩阵规模随着分辨率与计算精度的提高而急剧增大,对算力具有很高的要求,一定程度上限制了其在实际中的应用。为克服上述缺陷,本文以逐层离散、逐层计算为核心思想,以声散射基本公式与近场声全息理论为基础,推导出逐层计算非均匀流体介质内部散射声场的理论公式并给出对应的几何离散模型。为验证该方法的可行性,以矩量法为参照,对同样的介质模型进行介质内部声场重构仿真。结果表明,逐层算法不仅可以有效地重建非均匀流体介质内部散射声场,且大幅度减小了求解规模。     

驻波声场中圆柱形管道周围颗粒的运动特性

针对圆柱形管道外部的流体与颗粒介质运动问题,提出了结合圆柱周围声辐射力和声流Stokes力的研究方法。从柱体外部声流方程出发,得到影响涡流结构的无量纲参数Rem≥325.27时,外涡最大流速大于内涡最大流速。在此基础上,采用Nyborg的边界滑移速度理论,获得管道外部声流的极限滑移速度,推导得出圆柱附近的声辐射力公式。基于此公式,在理论上推导出颗粒速度为0、声辐射力和声流Stokes力平衡时,颗粒临界直径的表达式。通过对圆柱位于不同位置时,圆柱外部的颗粒运动进行仿真模拟,得到与理论公式相一致的结论:颗粒的临界直径的大小与声波频率有关,当颗粒直径小于临界直径时,声流Stokes力为主导,颗粒随声流运动,颗粒直径大于等于临界直径时,声辐射力为主导,颗粒在声辐射力作用下逐渐向声辐射力的节点聚集。理论与仿真结果表明该方法可用于分析管道外颗粒的分布状态,其研究结果有助于解决电站中换热器的管道结垢、热交换率降低等问题。     

概率盒框架下混合认知不确定声场的响应预测

针对含概率盒-证据混合认知不确定参数声场的响应预测问题,提出了一种概率盒框架下的改进区间蒙特卡洛方法。该方法首先将混合认知不确定参数转换为纯概率盒形式,然后结合有限元方法推导出混合认知不确定声场的盖根鲍尔多项式代理模型,再采用蒙特卡洛方法求解代理模型得到声压响应。以含概率盒-证据混合认知不确定参数的二维管道声场模型和卡车乘客舱声腔模型为例,计算结果表明混合认知不确定参数影响下的声压响应为概率盒形式,其包括声压响应极值和相应的概率信息,并且所提方法较常规混合离散方法效率更优,较基于一阶摄动法的区间蒙特卡洛方法准确性更高。研究结果表明:所提方法可以有效预测混合认知不确定声场的声压响应,并可进行声学性能的风险和保守估计。      

气泡在超声场中绕圈运动的高速摄影及其图像分析

借助高速摄影和图像分析技术对首次发现的附壁气泡的绕圈现象进行了实验研究,重点研究游移气泡的运动轨迹、附壁气泡的布阵过程、气泡的来源以及气泡的振动细节.研究发现游移绕圈气泡的运动轨迹呈现出不稳定、不规则、不光滑的特点.阵列气泡源于游移气泡,而游移气泡变成阵列气泡的方式主要是通过合并增大体积,从而减小所受的Bjerknes力,降低活性的方式实现的.游移气泡源于ALF(acoustic lichtenberg figure)空化云中大量空泡的合并,使以径向振动为主的空泡逐渐过渡到以表面波动为主的气泡.阵列气泡在Bjerknes力的作用下呈现出规则的表面波动,而体积更小受力更大的游移空泡的表面完全失稳,呈现极不规则的形貌,并对附近阵列气泡的表面波动产生影响.阵列气泡呈现出十分规则的排布,相邻阵列气泡之间的振动相位是相反的,表现为相互排斥.     

基于声场复现的有源噪声控制支撑技术*

有源噪声控制是一种有广泛用途的低频噪声控制技术,目前已在部分场合取得商业化应用,然而该技术的大规模应用仍然面临诸多困难,声场复现技术为解决其中的关键问题提供了有效手段。该文论述了声场复现的两种实现方式(声场重构和声场再现)的基本原理、国内外现状及其在有源控制技术开发中的应用,尤其是基于声压匹配法的初级声场重构、基于球阵的声场再现以及电声器件布放优化设计。