宽体液腔Janus-Helmholtz换能器

本文使用有限元方法对宽体液腔Janus-Helmholtz(JH)换能器进行了仿真分析,得出了壳体宽度拓展增量对JH换能器工作性能的影响规律。使用三维建模的方式,分析了连接部分对换能器性能的影响及宽体壳体的的模态,证明了三维建模的必要性。依据仿真优化结构设计了一款宽体液腔JH换能器并进行了湖上测试。最终测试结果与仿真结果有很好的一致性,相较直筒JH换能器其谐振频率降低300Hz,发射电压响应最高可达144dB。     

一类分数阶Langevin方程block-by-block算法的数值分析

分数阶Langevin方程有重要的科学意义和工程应用价值，基于经典block-by-block算法，求解了一类含有Caputo导数的分数阶Langevin方程的数值解.Block-by-block算法通过引入二次Lagrange基函数插值，构造出逐块收敛的非线性方程组，通过在每一块耦合求得分数阶Langevin方程的数值解.在0<α<1条件下，应用随机Taylor展开证明block-by-block算法是3+α阶收敛的，数值试验表明在不同α和时间步长h取值下，block-by-block算法具有稳定性和收敛性，克服了现有方法求解分数阶Langevin方程速度慢精度低的缺点，表明block-by-block算法求解分数阶Langevin方程是高效的.     

空气耦合电容式微超声换能器设计

建立了空气耦合电容式微超声换能器(CMUT)的理论方法,分析CMUT各个结构参数对其性能参数的影响。根据理论分析结果结合无损检测应用背景设计了一个由16个阵元构成的CMUT阵列,并采用SOI晶圆键合工艺制作。该阵列每个阵元包含16个圆形CMUT敏感单元,敏感单元的半径400μm,中心频率230 kHz。建立CMUT发射和接收瞬态仿真模型分别得到CMUT发射声压和接收灵敏度与激励电压的关系,并通过实验测试验证该仿真模型的准确性。最后通过实验对CMUT与商用压电空耦超声换能器的性能进行对比,实验结果表明CMUT的发射声压和接收灵敏度与商用换能器达到相同数量级,并且能够成功激发和接收铝合金板中A_0模态Lamb波。      

应用于微电容超声换能器的信号处理电路设计*

针对微电容超声换能器的输出信号特征及检测要求,文中设计了换能器的微弱信号处理电路,包括基于跨阻的微弱电流信号检测和多重反馈带通滤波电路。通过搭建水下测试平台,对电路性能及功能进行实际测试,并进行水下测距实验。实验结果表明,该电路可对微电容超声换能器输出的400 k Hz信号进行检测放大与滤波;电路的线性度为0.18%,滤波电路中心频率为396 k Hz,带宽为55 k Hz。该电路可用于CMUT的接收信号处理并应用于超声测距及成像的前端信号处理。     

Ejection dynamics of semiflexible polymers out of a nanochannel

Using theoretical analysis and three-dimensional Langevin dynamics simulations, we investigate the influence of chain rigidity on the ejection dynamics of polymers from a nanochannel. We find that there exist two distinct dynamical regimes divided by a critical chain length for both flexible and semiflexible chains. At the short chain regime, semiflexible chains eject faster than flexible chains of the same chain length due to the longer occupying length. In contrast, at the long chain regime, semiflexible chains eject slower than flexible ones as the effective entropic driving force decreases. Based on these results, we propose that the nanochannels could be used to separate flexible and semiflexible chains effectively.     

格子玻尔兹曼方法对不同张角聚焦声束的建模

高强度聚焦超声(HIFU)是一种新型的无创治疗肿瘤新技术,其中换能器声场数值计算能够为HIFU治疗提供重要的依据。传统非线性KZK和SBE模型广泛应用于换能器声场数值计算,但依然存在某些不足。我们采用一种介观尺度的新型流体力学方法,即格子Boltzmann方法(LBM),基于2维9离散速度(D2Q9)格子构建了轴对称多弛豫参数LBM模型,并通过调节弛豫参数分析其对模型的影响;利用该模型对两个具有不同张角的球面聚焦换能器的声场进行数值模拟,并与KZK和SBE模型的计算结果进行比较。结果表明LBM模型能够很好地描述超声波的激发和传播机制,从流体力学的角度描述聚焦声场的分布,具有清晰的物理意义,且计算过程不受换能器张角的限制,在换能器声场的理论分析和模拟计算及其在HIFU治疗中的应用有着积极的意义。      

基于超声波换能器的钢筋机械损伤与锈蚀损伤检测及其对比研究

超声导波检测技术有检测耗时少、覆盖范围大等优点.为检测钢筋混凝土结构中钢筋损伤,采用超声波换能器研究不同深度和位置的机械损伤对超声导波传播的影响,建立损伤程度与导波特征关系.通过反射系数C定量分析损伤程度,并结合损伤反射回波判断损伤位置.在钢筋点锈蚀以及均匀锈蚀损伤检测中,锈蚀程度达到最大时,L波实际波速分别为4 738.1 m·s^-1和5 069.7 m·s^-1,以此区分锈蚀损伤与机械损伤,最后基于小波变换的时频分析判断损伤状况.研究成果可为钢筋损伤检测研究提供参考.     

含时滞反馈与涨落质量的记忆阻尼系统的随机共振

针对具有记忆效应的欠阻尼系统, 存在时滞反馈与涨落质量, 本文主要研究了其输出稳态响应振幅的随机共振效应. 首先通过引入新变量和运用小时滞近似展开理论, 将具有非马尔科夫特性的原系统转化为等价的两维马尔科夫线性系统, 再利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换获得了系统响应的一阶稳态矩和稳态响应振幅的解析表达式. 结果表明: 当系统参数满足Routh-Hurwitz稳定条件时, 稳态响应振幅随质量涨落噪声强度、周期驱动信号频率以及时滞的变化均存在随机共振现象, 其中随机多共振现象也被观察到. 在适当范围内, 通过控制时滞反馈, 系统的随机共振效应随着时滞的增大而增强, 而较长的记忆时间及增大阻尼参数均对共振行为呈现抑制作用.有效调控时滞反馈与记忆效应的变化关系将有助于增强系统对周期驱动信号的响应强度. 最后, 通过数值模拟计算验证了理论结果的有效性.      

基于声表面波技术实现数字微流体多基片间输运

建立了声表面波实现多基片间输运微流体的新方法.由3个128(0)YX-LiNbO3压电基片组成,一个基片为接口基片,另两个为工作基片,每个基片光刻一个中心频率为27.5 MHz叉指换能器和一个反射栅.采用微量进样器将待输运的数字微流体进样到工作基片2,调节接口基片使得其与工作基片2位于同一高度,并使其间隙尽可能小,在工...     

Piezoelectric transducer parameter selection for exciting a single mode from multiple modes of Lamb waves

Excitation and propagation of Lamb waves by using rectangular and circular piezoelectric transducers surface-bonded to an isotropic plate are investigated in this work. Analytical stain wave solutions are derived for the two transducer shapes, giving the responses of these transducers in Lamb wave fields. The analytical study is supported by a numerical simulation using the finite element method. Symmetric and antisymmetric components in the wave propagation responses are inspected in detail with respect to test parameters such as the transducer geometry, the length and the excitation frequency. By placing only one piezoelectric transducer on the top or the bottom surface of the plate and weakening the strength of one mode while enhancing the strength of the other modes to find the centre frequency, with which the peak wave amplitude ratio between the S0 and A0 modes is maximum, a single mode excitation from the multiple modes of the Lamb waves can be achieved approximately. Experimental data are presented to show the validity of the analyses. The results are used to optimize the Lamb wave detection system.