基于正交超声驻波场的粒子运动建模和控制

为了获得具有均匀的倒金字塔表面微结构的多晶硅,提出了一种新腐蚀加工方法。通过建立一个相互正交的超声驻波场,来协助硅的化学侵蚀并改善其对光的吸收能力。首先对硅片表面结构进行一些比较,在二维上建立网格状的数学模型。然后建立网格中粒子运动的控制理论模型,并进行仿真验证。最后设计实验用于检验超声驻波对粒子的运动控制效果。多晶硅侵蚀结果说明将超声驻波应用在网格化微加工上是可行、可靠的。     

基于正交超声驻波场的粒子运动建模和控制

为了获得具有均匀的倒金字塔表面微结构的多晶硅,提出了一种新腐蚀加工方法。通过建立一个相互正交的超声驻波场,来协助硅的化学侵蚀并改善其对光的吸收能力。首先对硅片表面结构进行一些比较,在二维上建立网格状的数学模型。然后建立网格中粒子运动的控制理论模型,并进行仿真验证。最后设计实验用于检验超声驻波对粒子的运动控制效果。多晶硅侵蚀结果说明将超声驻波应用在网格化微加工上是可行、可靠的。     

基于正交超声驻波场的粒子运动建模和控制（英文）

为了获得具有均匀的倒金字塔表面微结构的多晶硅,提出了一种新腐蚀加工方法。通过建立一个相互正交的超声驻波场,来协助硅的化学侵蚀并改善其对光的吸收能力。首先对硅片表面结构进行一些比较,在二维上建立网格状的数学模型。然后建立网格中粒子运动的控制理论模型,并进行仿真验证。最后设计实验用于检验超声驻波对粒子的运动控制效果。多晶硅侵蚀结果说明将超声驻波应用在网格化微加工上是可行、可靠的。     

超声空化及其声流结构实验研究*

超声空化及其声流效应在医学、化工和能源等领域得到广泛应用。本文采用高速摄像和粒子图像测速系统分别研究了超声场下的空化形态和声流场结构的时空演化规律。实验研究了50W,100W,200W和250W等四种不同输入功率对18kHz的超声变幅杆附近空化及其声流场的影响。研究结果表明：（1）在变幅杆下端面处观察到由大量空化气泡均匀分布组成的倒置锥形空泡结构,并且锥形空泡结构为稳态流动结构。（2）在超声变幅杆附近产生了两种不同的声流形式,第一种是变幅杆底端的射流型声流,第二种是变幅杆两侧的回旋流。此外,通过研究空泡与声流场中最大速度点之间的空间对应关系,发现声流是因为空泡流动带动而产生的。（3）空间位置和输入功率能显著影响射流型声流的流场结构,但是对回旋流的影响十分微弱。     

超声反射成像测井的有限元分析*

利用有限元方法研究了有限长换能器激发的超声波在套管井多层介质中的传播规律。数值模拟了换能器长度及套管曲率对反射回波的影响。随着换能器长度增加,反射回波频谱谱陷个数由单一向多个变化;套管共振透射窗的反射波相对能量先逐渐减小后振荡变化,较小长度的换能器对套管与水泥环界面的声阻抗区分能力优于较大长度的换能器。随着套管曲率的增大,套管共振透射窗的反射波由单一模式的厚度振动纵波向其他模式波变化。数值模拟结果对超声脉冲反射声波测井仪器的换能器结构优化设计起到了良好的指导作用。     

三维超声驻波场的数字全息测量与重建研究

利用数字全息干涉术研究了超声驻波场的三维分布特征,由所记录的不同角度的超声驻波场的数字全息图,经数值再现,得到了超声驻波场的强度和相位差分布图,进而由迭代重建算法重建出超声驻波场的三维分布曲线。结果表明,数字全息干涉术与迭代重建算法相结合是测量与重建三维超声驻波场的一种方便有效方法。     

超声相控阵系统中基于FPGA的PCIe总线数据传输研究*

针对超声相控阵系统的高速传输需求,本文提出了一种基于FPGA的PCIe总线传输方案。实现了基于PCIe总线的相控阵数据DMA(直接存储器读写)上传、控制命令下传、发送数据缓存及驱动和上位机测试程序设计。通过实验测试了PCIe总线的DMA传输速率,可达6.5Gbit/s,并成功将该方案应用于64通道超声相控阵检测系统中,实现了超声相控阵系统的PCIe总线数据传输。     

基于超声的单螺杆挤出机聚合物混合状态表征方法研究*

超声检测单螺杆挤出机中聚合物共混状态时,螺杆结构对回波信号幅值的衰减有很大影响,从而难以判别共混状态。本文分析了螺杆结构对超声回波信号的影响,以超声传播时间为依据,建立螺杆结构模型,根据螺棱位置的回波幅度,计算出低密度聚乙烯（LDPE）的衰减系数和不同螺杆位置的反射系数比,通过拟合建立反射系数比与螺杆结构关系模型;将上述模型应用到混合物中,计算不同位置的传感器采集信号的衰减系数方差并以此表征聚合物混合状态的均匀性。实验结果利用样本的电镜扫描图验证：上述建立模型及混合状态的表征方法可以较好地判别聚合物的共混状态。     

弱酸试纸法测量功率超声珩磨空化声场的研究*

为了简便、直观地测量功率超声珩磨磨削区的空化声场强度及分布情况,提出了利用弱酸PH试纸测量磨削区空化声场的方法。利用超声空化效应产生的弱酸空化泡在PH试纸表面溃灭后,形成深浅和分布不同的变色区域,间接地表征油石表面空化声场的强弱和分布规律。通过对比不同超声频率、测试距离和时间,得出了最佳测试距离和时间。结果表明,当超声频率为18.6 kHz,距离为10 mm时,测得油石表面的空化声场强度和分布最佳。该方法可形象地评价功率超声珩磨磨削区空化声场的强度和分布情况,具有一定的实际应用价值。     

超声清洗过程环境压力对声空化效应的影响*

在不同深度条件下的水下构建物超声清洗中,声空化是重要的源动力之一。为探明水下环境压力对声空化的影响,本文基于数值计算的方法,通过对超声波作用下气泡动力学的研究,讨论了环境压力对空化泡溃灭时的气泡最大半径、释放能量以及溃灭功率等因素的影响。结果表明：空化泡最大半径与环境压力在一定范围内呈近似线性关系;随着环境压力增大,空化泡释放能量和溃灭功率均显著减小,且两者在变化趋势和变化幅度上几乎一致;当环境压力大于声压幅值时,空化泡的最大半径、内部压强、内部温度与释放能量均远低于空化发生在环境压力小于声压幅值时的情形。     

Particle separation in microfluidics using different modal ultrasonic standing waves

Microfluidic technology has great advantages in the precise manipulation of micro and nano particles, and the separation of micro and nano particles based on ultrasonic standing waves has attracted much attention for its high efficiency and simplicity of structure. This paper proposes a device that uses three modes of ultrasonic standing waves to continuously separate particles with positive acoustic contrast factor in microfluidics. Three modes of acoustic standing waves are used simultaneously in different parts of the microchannel. According to the different acoustic radiation force received by the particles, the particles are finally separated to the pressure node lines on both sides and the center of the microchannel. In this separation method, initial hydrodynamic focusing and satisfying various equilibrium constraints during the separation process are the key. Through numerical simulation, the resonance frequency of the interdigital transducer, the distribution of sound pressure in the liquid, and the relationship between the interdigital electrode voltage and the output sound pressure are obtained. Finally, the entire separation process in the microchannel was simulated, and the separation of the two particles was successfully achieved. This work has laid a certain theoretical foundation for the rapid diagnosis of diseases in practical applications.     

固体板中超声驻波场的高阶光弹条纹

利用动态光弹法观测了超声波在固体板内多次反射形成的驻波。通过相干叠加增大声波应力,使得动态光弹实验中偏振光的相位变化大于一个周期,从而观测到固体内超声波由行波转化为驻波的过程,并对高阶干涉条纹反映的驻波场特性进行了讨论。通过对声波应力进行定量测量,评估了固体板中超声驻波的激发效率。本文的工作为利用动态光弹法研究透明固体中的高强度声波提供了一种可行的方法。     

Toward efficient interactions of bubbles and coal particles induced by stable cavitation bubbles under 600 kHz ultrasonic standing waves

The interactions of bubbles and coal particles in 600 kHz ultrasonic standing waves (USW) field has been investigated. A high-speed camera was employed to record the phenomena occurred under the USW treatment. The formation and behaviors of cavitation bubbles were analyzed. Under the driving of these cavitation bubbles, whose size is from several microns to dozens of microns, coal particles were aggregated and then attracted by large bubbles due to the acoustic radiation forces. The results of USW-assisted flotation show a significant improvement in recoveries at 600 kHz, which indicates that the interactions of bubbles and particles in the USW field are more efficient than that in the conventional gravitational field. Furthermore, the sound pressure distribution of the USW was measured and predicted by a hydrophone. The analysis of gravity and buoyancy, primary and secondary Bjerknes forces shows that bubble-laden particles can be attracted by the rising bubbles under large acoustic forces. This study highlights the potential for USW technology to achieve efficient bubble-particle interactions in flotation.     

Motion and acceleration of electrons in high-intensity laser standing waves

The motion and the energy of electrons driven by the ponderomotive force in linearly polarized high-intensity laser standing wave fields are considered. The results show that there exists a threshold laser intensity, above which the motion of electrons incident parallel to the electric field of the laser standing waves undergoes a transition from regulation to chaos. We propose that the huge energy exchange between the electrons and the strong laser standing waves is triggered by inelastic scattering, which is related to the chaos patterns. It is shown that an electron's energy gain of tens of MeV can be realized for a laser intensity of 10²⁰ W/cm².     

激光驻波场中电子运动与能量分析

采用相对论Lorentz方程,数值计算了高能电子在线极化激光驻波场中的运动过程。计算结果表明,电子能量存在一个临界值,能量超过临界值的入射电子在驻波场中振荡运动的稳定平衡位置由波节变成波腹。在波腹处平行于电场入射的高能电子在强电场作用下速度和能量快速振荡,其振幅包络近似为余弦函数。而在波节处垂直于磁场入射的电子仅在Lorentz力作用下快速振荡,在穿过驻波中心前获得能量,穿过中心后失去能量,电子出射后能量均保持不变。     

激光驻波场中电子运动与能量分析

采用相对论Lorentz方程,数值计算了高能电子在线极化激光驻波场中的运动过程。计算结果表明,电子能量存在一个临界值,能量超过临界值的入射电子在驻波场中振荡运动的稳定平衡位置由波节变成波腹。在波腹处平行于电场入射的高能电子在强电场作用下速度和能量快速振荡,其振幅包络近似为余弦函数。而在波节处垂直于磁场入射的电子仅在Lorentz力作用下快速振荡,在穿过驻波中心前获得能量,穿过中心后失去能量,电子出射后能量均保持不变。     

An experimental study on the coalescence process of binary droplets in oil under ultrasonic standing waves

The coalescence process of binary droplets in oil under ultrasonic standing waves was investigated with high-speed photography. Three motion models of binary droplets in coalescence process were illustrated: (1) slight translational oscillation; (2) sinusoidal translational oscillation; (3) migration along with acoustic streaming. To reveal the droplets coalescence mechanisms, the influence of main factors (such as acoustic intensity, droplet size, viscosity and interfacial tension, etc) on the motion and coalescence of binary droplets was studied under ultrasonic standing waves. Results indicate that the shortest coalescence time is achieved when binary droplets show sinusoidal translational oscillation. The corresponding acoustic intensity in this case is the optimum acoustic intensity. Under the optimum acoustic intensity, drop size decrease will bring about coalescence time decrease by enhancing the binary droplets oscillation. Moreover, there is an optimum interfacial tension to achieve the shortest coalescence time.     

驻波声场中悬浮临界密度及稳定性研究

本文以声场中物体为研究对象,理论上得到行波和驻波场中的声辐射压力方程.在驻波声场中引入临界悬浮密度概念,可作为物体能否在非线性声场中悬浮的判据,同时给出谐振腔移动速度的最大范围.更进一步,以实验参数作为数值计算的输入来指导实验,并结合实验结果讨论了驻波声场中样品密度和大小、发射面和反射面形状以及两者之间的距离、反射面的尺寸等因素对物体悬浮稳定性的影响,发现当物体尺寸和密度确定时,调控好谐振腔的长度,增加波腹处的声压是提升声悬浮稳定性的有效手段.     

基于弹性模量检测骨疲劳的超声导波方法研究

研究早期诊断骨疲劳的方法是当前骨质评价方面的研究热点之一. 本文对不同弹性模量下长骨中超声导波的传播特性进行了理论分析和仿真研究.首先, 通过数值计算得到导波在管状长骨中的理论解析解.然后对管状长骨进行了时域有限差分(FDTD) 仿真, 并验证了它与理论解析解的一致性, 同时得到长骨中不同模式导波群速度、 中心频率和衰减与弹性模量的关系.研究结果表明各个导波模式的群速度和中心频率均随弹性模量的增加而增加, 而衰减随弹性模量的增加而减小.说明超声导波的传播特性参量可以反映长骨弹性模量的变化, 从而为长骨的早期疲劳诊断提供理论依据.