周向超声导波对管道纵向缺陷检测的研究

在弹性动力学理论的基础上,研究了管道中周向超声导波的传播及其频散特性,并数值计算了周向导波的频散曲线。通过所建立的超声导波实验系统,在理论上与实验上研究了斜探头的入射角、频率及周向导波模态的关系,并在外径为88.8 mm、内径为80.8 mm的管道中激励出特定的单一模态周向导波;同时,利用单一模态周向导波对该管道表面上长25 mm、宽1 mm、深0.7 mm的人工缺陷进行了检测。结果表明,同在板中激励单一Lamb波模态类似,选用特定角度的斜探头与特定频率可在管道中激励出单一周向导波模态并有望应用于管道缺陷的检测。     

深海近距离声场频率-距离干涉结构反演海底声学参数

地声反演一般存在多解性的问题,不易有效分离沉积层声速与厚度,本文提出了一种当声源与接收水听器分别位于海面与海底附近时匹配声场干涉周期反演深海沉积层声速与厚度的方法。该声场周期结构由直达波与海底沉积层反射回波干涉形成,其干涉周期受沉积层声速和厚度影响,通过匹配实测与理论计算的声场干涉周期可有效反演沉积层声速和厚度。开展了深海实验验证,利用水听器接收到的近距离船舶噪声的声场干涉条纹,反演得到的实验海域海底沉积层声速与该海域海底表层采样平均值差小于20 m/s。数值仿真与实验结果表明该方法可以有效反演沉积层的声速与厚度。      

背衬参数对厚度模压电换能器特性的影响

系统研究了厚度模压电换能器的背衬厚度、声阻抗率及机械损耗因子对换能器振动性能影响,重点分析了在所关心频率附近的有效机电耦合系数和机械品质因数。计算结果表明,随着背衬厚度增大,换能器的有效机电耦合系数和机械品质因数均震荡减小;背衬声阻抗率与压电片声阻抗率差值增大,换能器有效机电耦合系数减小,机械品质因数增大;保持压电片厚度不变,增大背衬的机械损耗因子,换能器有效机电耦合系数单调减小,机械品质因数有极小值,在给定频率范围内电特性曲线趋于光滑。用有限元方法验证了等效电路计算方法的正确性,并对比了换能器的测试结果和计算结果。计算所得规律为厚度模压电换能器的设计和实验制作提供了理论依据。      

膨胀腔消声器声学仿真的一维修正方法

传统一维方法计算消声器声学性能随频率增加误差加大,本文应用管道末端修正系数改善一维方法的计算结果.应用二维轴对称解析方法计算管道末端修正系数,研究结构因素和频率对修正系数的影响规律,研究表明修正系数随截面半径比增加而降低,随频率增加而增加,超过截止频率后修正系数无效.根据计算结果给出修正系数拟合公式并修正传统一维方法,应用一维修正方法计算膨胀腔消声器的传递损失并和实验结果、三维有限元结果进行比较,证明一维修正方法结果精度有明显提高.     

利用多角度海底反向散射信号进行地声参数估计

针对现有海底地声参数估计方法的不足,提出了利用相控参量阵浅地层剖面仪接收的多角度海底反向散射信号进行地声参数估计的方法,首先利用正下方和斜入射方向上沉积层上、下表面的差频反向散射信号进行沉积层厚度和声速估计,然后利用正下方沉积层上、下表面两个不同频率的差频信号的反向散射信号估计沉积层衰减系数,最后利用正下方沉积层上表面原频反向散射信号估计沉积层阻抗,计算沉积层密度从而解决和声速的耦合性,通过水池试验验证了该方法的有效性。     

方板阶梯辐射体辐射声场的计算及测试

研究了一种同相弯曲振动方板阶梯辐射体。以边长50 mm的方形平板为例,材料为钢,厚度为6mm。其第四阶本征振型的频率为19332 Hz,用同频率的纵振换能器激励其中心,会出现节线与边长成45°夹角的响应(本征振型中无)。为了获得辐射体辐射声场的高指向性,在四个板角与四条节线围成的等腰直角三角形区域加阶梯,可将平板辐射体改进成阶梯辐射体。计算得到阶梯辐射体的指向性比平板辐射体的指向性尖锐,与方板活塞辐射体的指向性相似。实验测试辐射体指向性与计算结果基本一致。进一步计算发现,方板阶梯辐射体与线性尺寸相同的矩形、圆盘阶梯辐射体比较,其频率低,指向性同样尖锐,可望应用于超声测距、料位测试中。      

一种低声速沉积层海底参数声学反演方法

软泥底环境下沉积层参数的声学反演是国际水声领域的一个研究热点.浅海中,当高声速基底和海水之间存在一层低声速(小于海水声速)的沉积层时,小掠射角情况下不同频率声传播损失会出现周期性增大现象.基于此现象,提出一种适用于低声速沉积层的海底参数声学反演方法.首先,推导给出小掠射角情况下传播损失周期增大的频率间隔与沉积层声速、厚度及近海底海水声速之间的解析表达式;其次,利用一次黄海实验中软泥底环境下的宽带声传播信号,提取了小掠射角下传播损失增大的频率周期;再次,把该解析表达式作为约束条件,结合Hamilton密度与声速的经验公式,采用匹配场处理反演给出沉积层的声速、密度、厚度及基底的声速、密度;然后,利用声传播损失数据反演得到泥底环境下不同频率的声衰减系数,通过拟合发现泥底声衰减系数随频率近似呈线性关系;最后,给出了双层海底模型和半无限大海底模型等效性的讨论.反演结果为低声速沉积层海底声传播规律研究与应用提供了海底声学参数.     

等截面消声管道传递损失计算的简化方法

本文提出了等截面消声管道传递损失计算的简化方法,方法利用消声管道截面形式的特点,将三维声学计算问题简化为二维问题,消声管道的传递损失可以表示为与轴向波数有关的表达式,轴向波数可以通过计算截面的特征值得到。对于规则截面结构,使用传递矩阵法计算特征值;复杂非规则截面的特征值使用二维有限元方法得到,进而可以计算消声管道的传递损失。仿真结果与文献中的数值方法及实验值在较宽的频率范围内吻合较好,说明了方法的正确性,此外,该方法可以考虑均匀流对消声管道声学性能的影响。方法的计算效率高,对消声管道的前期优化设计具有实际意义。     

中央开耦合槽矩形双间隙谐振腔中的TM高次模

 用解析方法导出了中央开耦合槽矩形双间隙谐振腔中π-TM模式频率的本征方程和特性阻抗的计算公式,分析了耦合槽大小对几种π-TM模式频率和特性阻抗的影响。对TM₃₁₀模的具体计算结果显示,解析方法与模拟方法的计算结果符合得很好,可以用于计算谐振频率和特性阻抗。研究表明,耦合壁的厚度对π-TM模式频率的影响不大,耦合槽的大小和位置对谐振频率影响则较大。同时发现,在TM高次模双间隙腔中,出现了π₁模消失现象。     

消声管道声学性能计算的二维等几何有限元方法及应用

将等几何有限元方法应用于消声管道的声学性能计算,使用二维等几何有限元方法求解管道截面的声学特征值,考虑了存在穿孔边界和吸声材料边界的情况,进而使用特征值计算消声管道的传递损失。对包覆式消声管道进行传递损失的计算,结果与二维有限元方法吻合较好.对圆形截面的特征值计算结果表明,在计算量相同的情况下,等几何有限元方法取得了比传统有限元方法更好的计算精度.在不同结构参数条件下对消声管道的声学性能进行计算,结果与三维数值方法吻合良好。方法能够在宽频范围内较好地预测消声管道的传递损失。      

悬臂方薄板振动的辐射声场及竖裂纹对其频谱的影响

在将悬臂板挠度表示为正交多项式之和的基础上，利用瑞利-里兹方法求解了悬臂板的前几阶振动模态频率及挠度．进而利用瑞利积分求解了其自由振动辐射声场的分布规律。用分区技术的瑞利-里兹方法求解了竖裂纹对悬臂板低阶模态频率的影响，并将计算结果与有限元结果作了对照。实验上用小球撞击法测定了含竖裂纹悬臂板辐射声场的频谱，谱成分与有限元结果基本符合。     

矩形截面固体波导中弹性导波模式的板波叠加解

参照板中兰姆波模式的子波叠加解求解了矩形截面固体波导中弹性导波的模式。其中子波设定为横向满足自由边界反射条件、纵向波数分量相同的各板波模式。假设声场的完备性,利用子波模式的正交性,结合矩形截面的几何对称性可以得到4组独立导波特征方程用于频散曲线以及导波模式计算,其计算结果与有限元法计算结果相符。研究以解析模型表明:矩形截面固体波导中的导波是其内部以一定纵向波数分量斜向传播的板波模式在两个自由侧面上经过反复反射与模式转化后,横向耦合谐振而形成的。      

Guided waves in elastic rectangular bars:A solution using partial plate mode decomposition

Similar to Auld's solution for Lamb waves,the wave modes in elastic rectangular bar are solved by partial wave decomposition method.The partial waves are composed of plate modes with the same wavenumber component in waveguide longitudinal direction,thus free boundary conditions on one pair of opposite surfaces are automatically satisfied.Based on completeness assumption and orthogonality of the plate modes,four independent eigenequations are eventually derived for dispersion curve and mode shape investigation.Numerical evaluation shows the calculated results are in consistent with the FEM results.It is then verified that the plate modes which obliquely bounced back and forth between the two opposite surfaces compose the guided modes traveling in the rectangular waveguides with certain wave numbers in transversely resonant cases.     

Experimental Study on Liquid Free Surface in Buoyant-Thermocapillary Convection

We investigate the surface deformations of buoyant-thermocapillary convection in a rectangular cavity due to gravity and temperature gradient between the two sidewalls. The cavity is 52mm×42 mm in horizontal cross section, the thickness of liquid layer h is changed from 2.5 mm to 6.5 mm. Surface deformations of h = 3.5 mm and 6.0mm are discussed and compared. Temperature difference is increased gradually, and the flow in the liquid layer will change from stable convection to unstable convection. Two kinds of optical diagnostic system with image processor are developed for study of the kinetics of buoyant-thermocapillary convection, they give out the information of liquid free surface. The quantitative results are calculated by Fourier transform and correlation analysis, respectively. With the increasing temperature gradient, surface deformations calculated are more declining. It is interesting phenomenon that the inclining directions of the convections in thin and thick liquid layers are different. For a thin layer, the convection is mainly controlled by thermocapillary effect. However, for a thick layer, the convection is mainly controlled by buoyancy effect. The surface deformation theoretically analysed is consistent with our experimental results. The present experiment proves that surface deformation is related to temperature gradient and thickness of the liquid layer. In other words, surface deformation lies on capillary convection and buoyancy convection.     

半径渐变同轴波导模式耦合系数研究

 为了用耦合波理论研究一些同轴结构的高频特性，推导了半径渐变同轴波导内模式耦合系数的计算公式，发现半径渐变圆波导模式耦合系数只是同轴波导模式耦合系数的特例。对同轴波导中的模式及其本征方程根的特点进行了讨论，通过建立同轴波导模式和矩形波导模式之间的对应关系，给出了同轴波导模式本征方程根的快速计算方法。对所给模式耦合系数公式进行了验证，耦合波理论计算结果与有限元方法计算结果吻合良好。     

板厚对无障薄板声辐射特性影响的分析

分析无障薄板的声辐射特性时通常忽略板厚对格林函数的影响而采用双层势计算.本文考虑板厚引起的声辐射阻抗,采用混合势计算结构表面声压与振速,并分析板厚对声辐射参数的影响。根据交界相容性条件,采用边界积分方程分别表示平板上下表面的声压和振速,并合并同类项.进一步将结构的动力方程代入混合势形式的振速方程中,离散声压差值和板的位移为振动模态叠加的形式,获得二重积分形式的声辐射阻抗,从而求解振动模态系数,确定声辐射特性参数.以水下简支矩形板为例计算对比了声辐射参数,并讨论了其对板厚的敏感性。结果表明:板厚引起的声辐射阻抗对声辐射参数的大小影响较小,但随着频率的增加致使共振频率发生较大偏移;在相同阶数的共振频率范围内,板厚度越大,采用双层势计算的误差越大。      

磁控溅射方法制备直径120mm高均匀性Mo/Si多层膜

为满足极紫外、软X射线和X射线大口径多层膜反射镜的需求,采用基板扫掠过矩形靶材表面的镀膜方法,在直径120 mm的平面基板上镀制了Mo/Si周期多层膜。通过调整基板扫掠过矩形靶材表面的速率修正了薄膜的沉积速率,极大地提高了薄膜厚度的均匀性。采用X射线衍射仪对反射镜不同位置多层膜周期厚度进行了测量,结果表明,在直径120 mm范围内,Mo/Si多层膜周期厚度的均匀性达到了0.26%。同步辐射测量多层膜样品不同位置处的反射率,结果表明,在直径120 mm范围内,多层膜的膜层厚度均匀,在入射角10°时13.75 nm波长处平均反射率为66.82%。     

Acoustic attenuation, phase and group velocities in liquid-filled pipes II: simulation for Spallation Neutron Sources and planetary exploration

This paper uses a finite element method (FEM) to compare predictions of the attenuation and sound speeds of acoustic modes in a fluid-filled pipe with those of the analytical model presented in the first paper in this series. It explains why, when the predictions of the earlier paper were compared with experimental data from a water-filled PMMA pipe, the uncertainties and agreement for attenuation data were worse than those for sound speed data. Having validated the FEM approach in this way, the versatility of FEM is thereafter demonstrated by modeling two practical applications which are beyond the analysis of the earlier paper. These applications model propagation in the mercury-filled steel pipework of the Spallation Neutron Source at the Oak Ridge National Laboratory (Tennessee), and in a long-standing design for acoustic sensors for use on planetary probes. The results show that strong coupling between the fluid and the solid walls means that erroneous interpretations are made of the data if they assume that the sound speed and attenuation in the fluid in the pipe are the same as those that would be measured in an infinite volume of identical fluid, assumptions which are common when such data have previously been interpreted.     

Millimeter-wave mode conversions at dielectric waveguide steps

The conversion of guided modes (TE₀ and TE₁) at a rectangular step on a dielectric slab waveguide is investigated with mm microwaves. The power of the modes is measured from their interference patterns in the evanescent field outside the waveguide slab. The relative power of two modes changes periodically when the length of the step is varied. In the experiments a change of up to three orders of magnitude was measured. The step is considered as a sequence of three waveguide sections of different thickness. At the discontinuities the modal fields are assumed to illuminate the next section. The calculation based on this model agrees with the experimental results.     

含周期性空腔结构吸声机理的研究

为了研究水下含周期性空腔结构的吸声机理,建立并验证了含轴对称空腔周期性结构吸声特性计算的简化有限元仿真方法,用简化的有限元模型结合遗传算法对水下环境含周期性圆柱空腔结构的吸声性能进行了优化设计.从能量耗散、变形和模态的角度分析了含周期性空腔结构的吸声机理.空腔结构谐振包括表层的弯曲振动和空腔附近的径向变形,且径向运动也...