有限长均匀截面声波导管的等效T型网络

1引言 声波导主要是指约束声波并把它导向特定的路径进行传播,如引导空气声传播的管道,表面声波材料的表面隆起等等,类似通讯领域里的波导引导电磁波.在声学测量技术领域里常常要用到声波导管[1,2],均匀截面声波导管的主要优点之一在于当声波频率低于管的截止频率时能够获得良好的没有几何衰减的平面声波,所以在声学测量技术中获得了广泛应用.但在一般文献中仅仅讨论了无限长声波导管中的声场及声传播问题,而对有限长声波导管中的声场分析也通常是在假定管中声衰减量较大或驻波比较小时近似当作无限长声波导管来处理[3].且在对声波导管的输入阻抗进行分析时过程一般比较复杂.本文依据电传输线理论与声电类比原理导出了有限长圆柱形声波导管的电传输线类比等效网络及阻抗转移公式,因而可以通过等效网络分析法来研究声波导管中或管端声阻抗以及与其他电声器件连接时声阻抗的匹配问题,从而使得分析方法更为简便,具有理论和实际意义.     

非连续边界层对圆柱声学共鸣频率的影响研究

基于声学一阶微扰理论,建立了低压下由于气 固界面的温度阶跃和速度滑移带来的边界层不连续性对圆柱声学共鸣频率的扰动规律,进一步发展了圆柱声学共振频率的非连续边界层修正模型,计算了非连续边界层对4种惰性气体、不同声学模式和不同压力及温度的影响。分析研究显示,气体处于低压状态时,温度阶跃和速度滑移会使声学共振频率发生偏移,不引入声能损耗。在50 kPa时,非连续边界层对声学共鸣频率的影响可达10×10^-6,表明非连续边界层修正项对于10^-6不确定度水平的尖端声学共鸣测量,是一个重要的不确定性来源。     

实用氦气声学温度计初步研究

对高温气冷堆堆芯温度的可靠测量是目前的技术难题之一。传统温度计依靠实验室标定的材料特性与温度的关系进行测温,然而,长期暴露在高温、高辐照环境中,其测温材料的性质会发生改变且得不到及时校准,温度传感器易发生漂移甚至失效。气体声学温度计通过测量单原子气体的声速可以直接获得热力学温度;由于气冷堆内氦气介质相对稳定,利用氦气声速获得温度具有较高的可靠性。针对实用氦气声学温度计开展了初步研究,基于圆柱声学共鸣法设计了实用声学温度计测试系统,采用声波导管声学传感器测量了488K至806K圆柱共鸣腔内氦气的声学共振频率,修正了热边界层和粘性边界层的影响;基于量子力学从头算得到的氦气声学维里状态方程,获得了热力学温度。对氦气共振频率的测量相对标准偏差小于0.07%,温度测量的信噪比可满足需求,声学温度计与热电偶测温结果差异小于1%。研究结果为未来持续开展极端环境下气体声学温度计的应用研究提供了支持。     

矩形域声—固耦合系统的分析方法

运用特征值与模态展开法相结合的方法,研究双向耦合结构-声场系统;分析声学和结构耦合响应;讨论结构驱动点阻抗与声介质特性阻抗比率和声—固耦合引起声波共振频率的变化之间的关系,提出了以声-固耦合引起声波共振频率的变化作为判据,判断何时采用双向耦合分析方法。     

扫描声学显微镜对固体材料表面非均性的研究

反射式声学显微镜的输出信号主要由近轴声波的反射信号以及声表面弹性波的漏波信号组成。其中漏波信号是否存在，决定于瑞利角θＲ是否落在声学透镜的孔径张角θｍ以内。本文在此基础上，设计了一种带有声阑的声学透镜，利用声表面弹性波对固体材料表面的非均性进行了研究，获得了材料表面微弱梯度非均性的分布图像。     

声学超表面及其声波调控特性研究

声学超材料作为近年来研究的一个新兴领域,极大地拓宽了声学材料在各个领域的应用,声学超表面作为声学超材料的一个分支,近几年也受到了国内外研究者的广泛关注。声学超表面是一种由超材料结构单元阵列构成的基于亚波长尺寸的新型声学超材料,能够利用广义Snell定理实现对反射声波或透射声波的定向调控,具有利用亚波长厚度调控声波的独特优势。由于其具有结构简单、物理特性丰富独特、对声波灵活有效调控等特点,成为了超材料研究中的热点课题。从超表面的概念出发,以折叠空间型超表面、五模式超表面、非结构化超表面为基础,详细介绍了几种常见结构单元的设计方法,及其对声波调控的物理机制,实现诸如负折射、声聚焦及声非对称传输等功能。此外,简略探讨了声学超表面有待解决的问题,以期为后续研究提供参考。     

水下圆柱壳声学代理模型优化设计

为了提高水下结构声学计算的效率,采用有限元软件进行水下圆柱壳结构声辐射分析,建立声学分析近似代理模型,给出壳体结构几何尺寸与水下声辐射特性的显式解析表达式,简化声学计算,建立高效的结构声学优化设计模型。利用拉丁超立方取样方法进行样本点的选取,分别采用多项式响应面法、Kriging函数和径向基函数法构造水下双层圆柱壳结构的声辐射代理模型。通过比较三种代理模型的拟合精度,选择三种代理模型建立双层圆柱壳结构水下声辐射优化设计模型,并采用Matlab进行尺寸优化,减轻了结构质量。该研究为水下结构声辐射预报和声学设计提供参考。     

基于轻薄硬质超表面的空气声波反射场操控

对反射声波的复杂操控是声学研究的基础问题之一,并广泛应用于房间声学设计及噪声能量消除等重要场合。近年来出现的声学超表面为声学功能器件的小型化提供了新的启示,因此如何进一步缩减其尺寸和重量具有重要的物理意义与应用价值。展示了一种轻薄超表面结构对低频空气声波所产生反射声场的高效、精准操控。通过理论计算证明了利用简单的扁平中空结构,可在不显著牺牲能量反射率及结构强度的前提下,通过调控单个结构参数产生0~2π范围内的反射相位,同时避免了制备难度高和增加器件重量的复杂内部结构,因此具有尺寸超薄(λ₀/20)、重量轻盈、反射率高及制备简单等优势。通过实现任意角度的异常反射、基于超薄平面透镜的可调声聚焦、构建平面棱锥镜产生类贝塞尔声束3个典型例子展示了该器件对反射声波的丰富操控性能。实现基于轻薄超表面对反射声场的操控,有助于新型平面声学器件的研究与应用,并有望在建筑声学、噪声控制、扬声器设计等领域中产生重要价值。     

超声造影剂SDA的巨非线性参量

1　引　言近年来 ,含微气泡液体的非线性声学特性引起了人们极大的兴趣。液体中的空气泡是很好的声散射体 ,能产生强的超声散射信号。液体中气泡的非线性振动 ,尤其是在它们的共振频率附近的非线性振动 ,使得它们的存在能够增强液体的声学非线性效应。因此 ,研究含有微气泡的液体的非线性声学特性是非线性声学领域也是它的应用领域的一个重要课题。例如 ,利用含微气泡液体的非线性声特性是水声学中用来增强声参量阵效率的一个有效方法。媒质的非线性声特性可以用非线性声参量 B/A来描述。到目前为止的所有文献上 ,液体、生物流体和组织的非…     

导管对圆柱共鸣腔径向共振模式的扰动

修正进气导管的影响对声学共鸣法测量Boltzmann常数kB十分必要。基于一阶声学微扰理论研究了导管对圆柱形共鸣腔理想径向共振模式的扰动,分析了导管末端不同连接方式所带来的声阻抗差异,计算了导管对（001）径向模式的共振频率和半宽的扰动值分别为Δf/f0≈-0.04×10^-6和Δg/f0≈14.15×10^-6,同时分析了导管长度、半径以及径向安装位置的变化对理想径向共振模式扰动的影响。     

哈特曼发声器的声学特性研究

采用FW-H声模拟法,研究了谐振腔长度、喷流间距、谐振腔直径和入口气压等对哈特曼发声器声学性能的影响。得出如下结论:哈特曼发声器的发声基频大小与谐振腔长度成反比;总声压级随谐振腔长度增大而增大;总声压级随喷流间距变化作震荡变化,且变化周期随着谐振腔直径的增大而增大;谐振腔直径大,产生的声压级也高;入口气压增大,总声压级增大,但对基频的影响不大。该结论对哈特曼发声器的应用具有重要的指导意义。     

基于Helmholtz共振腔阵列的声学超材料研究

为有效控制特定频段的噪声,基于Helmholtz共振腔阵列,通过Helmholtz共振腔短管位置的控制,设计了一种新型的局域共振型声学超材料。利用COMSOL Multiphysics软件求得新型声学超材料的能带图和传递损失曲线,并与具有单一方向开口的Helmholtz共振腔阵列的传递损失曲线进行对比;同时,为分析新型声学超材料的带隙形成机理,求得了其在带隙频率范围内的声压分布云图。通过试验测试了新型声学超材料的吸声性能。结果表明：新型声学超材料的能带图中产生了2段较窄带隙和1段较宽带隙,在带隙频率范围内,声学超材料传递损失出现峰值;第1带隙和第2带隙较窄,原因是单个Helmholtz共振腔局域共振,声波能量消耗少;第3带隙较宽,原因是Helmholtz共振腔与其周期排列形成的外部波导联合共振吸声,消耗大量声波能量。试验测试结果与仿真计算结果较为吻合,新型声学超材料可有效控制1 300~1 500 Hz和1 500~2 000 Hz频率范围内的噪声。研究结果表明,所设计的新型局域共振型声学超材料可有效实现中低频减振降噪,为声学超材料在中低频的降噪控制研究提供了新的思路。     

一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料

为有效控制低频宽带噪声,设计了一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料。利用COMSOL软件对其透射特性进行详细分析,结果表明:不带膜的原本的Helmholtz腔结构其透射系数虽在低频范围内可以得到峰值,但其结构尺寸较大,且频带很窄,而文中设计的声学超材料结构的透射系数在低频范围可得到多个峰值,在相同结构尺寸下,与原本的Helmholtz腔结构相比,其固有频率向低频范围内偏移,因而提高了结构的低频隔声效果,拓宽了结构的隔声频率带宽。在此基础上进一步研究了声学超材料结构几何参数对透射系数的影响,优化了声学超材料的结构几何参数。     

哑铃形热声谐振器的谐振频率

热声自激振荡模态取决于声学谐振器结构形式和特征尺度。级联型热声热机依靠哑铃形谐振器来调制所需要的局部高阻抗行波声场,谐振管通常由几段不同横截面的管段组成。哑铃形热声谐振器的谐振频率由共鸣腔容积、谐振管截面和长度共同决定。根据哑铃形谐振器不同截面管段内的声传播规律、共鸣腔声学边界条件以及管段间的声压和体积流率连续条件,利用行波叠加的方法,建立均匀管模型、变截面模型和热声网络模型,得到了系统谐振频率随共鸣腔容积变化和谐振管特征尺寸变化的规律。系统谐振频率的变化将引起最佳听音点的位置的移动,进一步起到调节回热器声阻抗的作用。实际热声热机实验研究中,通过改变谐振器特征尺度或结构形式调节系统的谐振频率,也是热声热机调试过程中实现自激振荡的主要手段。     

Sound-Speed Sensor for Gas Pipeline Applications

A sensor, based on a small cylindrical acoustic resonator that may be suitable for measuring the speed of sound in natural and other process gases under pipeline conditions is described. The resonator is physically robust and requires minimal calibration. The speed of sound is obtained from the resonance frequency of a single longitudinal mode of oscillation that is isolated in the frequency spectrum of the cavity and can therefore be located and measured automatically. The design and acoustic model of the sensor are discussed. The performance of a prototype device was validated by means of measurements on three pure gases: argon, nitrogen and methane. The results of these measurements agree with the predictions of the most accurate equations of state with an absolute average deviation of about 0.02% and a maximum absolute deviation of 0.06% at temperatures between 293.15 K and 333.15 K and at pressures between 0.1 MPa and 10 MPa. Additional design features have been tested that may facilitate the deployment of the sensor in a pipeline system by: (a) preventing problems with condensate when operating near or below the dew temperature and (b) ensuring that the sensor is filled with a representative sample of the pipeline gas. Finally, we discuss how the design methodology may be applied to optimize the sensor dimensions for different operating conditions, such as high or low gas pressure.     

L形声学谐振器声学特性研究

针对L形声学谐振器进行了理论分析和实验研究。在经过适当修正后,可以将其简化为1/4波管处理,考虑L形谐振器几何特点及管口辐射阻抗的修正,给出了求声腔共振频率的近似公式,通过实验验证了理论公式的有效性。只要合理选择声学谐振器的类型和尺寸,即可达到十分理想的效果。该理论与实验结果符合得很好。要综合考虑系统的吸声系数和带宽的影响,这种声学谐振器的个数存在优化的选择。同时考察了声学谐振器个数对系统吸声系数峰值及品质因数的影响。     

谐振子耦合型热声驱动脉管制冷机研究

热声驱动脉管制冷机通常采用直接或者长管耦合的方式,但是因为耦合后的发动机和制冷机难以达到最佳的工作状态,耦合长管的损失也比较大,因此整体效率较低。本文提出一种热声驱动脉管制冷机结构,利用谐振子耦合热声发动机和脉管制冷机,能够显著减小声功传递损失,提升整机效率。全文针对在900 K加热温度、80 K空气液化温区下的热声驱动脉管制冷机展开理论研究,首先分析了谐振子耦合机理,并对谐振子参数进行了优化设计;其次,研究了加热温度、制冷温度和机械阻尼对系统性能影响;最后,将谐振子耦合型与长管耦合型两种方式的热声驱动制冷机进行了对比分析。结果表明:在平均压力为3MPa,加热温度为900 K,制冷温度为80 K时,谐振子耦合的热声驱动制冷机可获得整机22.5%的效率,而长管耦合的热声驱动脉管制冷机获得11.6%的效率。     

基于管内平面波分解的热声谐振管声功测量方法

提出了通过平面声波分解测量热声谐振管中单频压力波声功的方法.在该方法中,只要测量沿程两点的声压,便可将管内平面驻波声场分解为入射波和反射波两种分量.由这种分解可以求出入射波的声功和反射波的声功,二者之和决定了总声功.该方法考虑了粘性耗散和热传导带来的损失,即使在高频、高驻波比情况下也能得到准确的测量结果.由于这种平面波分解的方式可以对整个谐振管内的声场参数进行重构,与以往的双传感器声功测量方法相比,显著优点是不仅能够获得两个压力测点中点的声功,还能得到整个谐振管上沿程各点的声功,这对于分析热声系统各部分的声功耗散是非常有用的,这种方法在原理上也更易于理解.     

High-pressure cylindrical acoustic resonance diffusion measurements of methane in liquid hydrocarbons

A novel cylindrical acoustic resonance method for the measurement of gas diffusion into liquids at high pressures is described. The measurements were per formed in a vertically oriented cylindrical acoustic resonator containing both the liquid solvent and gaseous diffusant while under high-precision isothermal and isobaric control. Individual resonance modes of the liquid column, the gas column, and the two-phase coupled fluid are resolved in the fast Fourier trans form acoustic-resonance spectrum (FFT-ARS). High-resolution acoustic spectra measured at frequent time intervals reveal the changes which accompany the diffusion fusion of gas into the liquid phase. One change, namely, the growth in length of the liquid column, results in a systematic shift to higher frequencies of axial modes in the gas column. The temporal behavior of this moving boundary, together with quantitative measurement of the flow to the gas column required to sustain the constant pressure, permits determination of the gas-into-liquid diffusion coefficient. Diffusion coefficients were determined from the change in frequency as a function of time of axial resonance modes in the gas-phase virtual cylinder as the surface of the underlying liquid phase advanced due to gas absorption. Measurements of the systems methane/n-octane, methane/n-nonane, and methane/n-decane were performed as a function of temperature at a pressure of 250 psia. Comparisons is made to results obtained elsewhere and by other methods but at the same temperatures and pressure.Paper presented at the Twelfth Symposium on Thermophysical Properties, June 19–24, 1994, Boulder, Colorado, U.S.A.