微型仿生声定位结构的设计及定位方法的研究

声音定位在工程应用中具有重要的价值,常见的声定位一般是通过若干个麦克风组成的传声器阵列来实现的,各传声器单元对声激励信号产生响应而生成多个时间序列,并将其送至实现定位算法的运算单元中从而计算得到声源的位置,各传声器单元之间均独立而不相互耦合,且各传声器单元通常需保持较大的间距。这类型的声定位系统往往尺寸较大,结构较为复杂且集成度较低。本文在探索研究奥米亚棕蝇(Ormia ochracea)听觉系统定位机制的基础上,提出了一种新型的声定位装置及相应的定位理论。该仿生声定位装置的声感应部分由三个弹性振膜,以及连接三个振膜的耦合杆等力学元件组成。对该结构的动态特性分析表明:声激励的入射方向同三个振膜的响应之间存在特定的关系,通过分析两者之间的对应关系,提出了一种定位理论,该定位理论表明可通过检测并分析三个振膜的响应状况,计算得到声激励的入射角度。最后,通过实验,验证了定位方法的可靠性。同传统的传声器阵列相比,该定位结构具有微型化、集成化和结构紧凑的特点。     

《一种基于柔度的结构损伤定位新方法》

针对现有基于柔度变化的损伤定位方法在理论上仍存在错误定位的可能,从结构刚度矩阵与柔度矩阵的正交性出发,结合矩阵摄动理论及有限元理论,提出一种新的基于柔度变化的结构损伤指标,此方法仅需要结构的前几阶模态参数即可实现准确的损伤定位。通过一平面桁架结构的数值模拟证明该方法的有效性、优越性,该方法有望用于复杂结构的损伤定位分析中。     

时间反转在列车转向架声发射源定位中的应用

针对高速列车转向架的动态检测提出一种新的损伤声源定位方法,采用声发射检测技术对转向架易损伤的焊接部位进行时间反转定位方法研究。首先利用有限元软件建立转向架焊接部位结构有限元模型;然后在模型上模拟发出一个声发射损伤信号,通过预置的声发射传感器接收声发射源信号;最后根据时间反转聚焦原理对接收信号进行处理,并通过检测区域成像,确定损伤声发射源的准确位置。数值仿真实验结果表明:该定位方法能够准确定位声源位置,定位结果比常规四点圆弧法更精确。     

基于Chan与Geiger混合算法的声发射源定位方法

Geiger定位算法是一种广泛应用的岩石损伤声发射源定位方法,但该算法受初始值影响较大,直接影响了算法的应用效果。文章充分挖掘Chan算法的特性,提出了一种混合Chan与Geiger算法的优化算法,利用Chan算法对损伤声源进行初始定位,再融合Geiger算法进行迭代解算。通过数值计算和断铅实验对所提出的混合算法进行理论分析和实验验证,结果表明：该混合算法简便、易行、结果可靠,能够有效提升声发射源定位算法的收敛速度和定位精度;在传感器数量较少时,该混合算法具有较强的适应性;在布设4个单维传感器的条件下,Chan与Geiger混合算法较最小二乘法与Geiger混合算法,定位结果更加精确,且迭代次数更少,能有效提高计算效率。该研究对于提高岩石、混凝土材料的损伤定位和健康监测的测算精度以及工作效率具有一定的促进意义。     

网壳结构损伤分区定位的模型试验研究

提出了一种适合于网壳结构的损伤分区定位方法,该方法对网壳结构进行区域划分并按区布置传感器,通过单点激励得到结构的高阶模态响应,利用随机减量技术和ITD法获取模态参数,再利用损伤前后高阶振型的差值来定位损伤区域。最后,通过对一个单层椭球面网壳结构模型的振动测试试验,验证了所提方法的可行性。     

声发射检测中利用能量进行定位的新方法

声发射检测过程中,对缺陷的定位是重要的一个步骤,传统的声发射检测利用时差定位方法,而时差定位里重要的参数是声速。通过推导,得到一种利用声衰减特性和能量参数对声发射源进行定位的新方法,并用声发射仪对普通钢件以铅笔芯折断作为模拟源进行测试,证明这种无需声速测量的新方法可行,且准确性可以得到保证。该方法的提出为声发射定位技术拓展了新方向,对提高声发射检测质量有一定的帮助。     

一新型3自由度柔性微动平台的设计和分析

为解决微定位平台大行程与高精度之间的矛盾,本文设计一新型柔性精密微动平台,并利用螺旋理论对其进行相应的运动特性分析。该柔性微动平台是将三个柔支链构分别作用于工作台的三个轴向上,对柔性机构施加相应的力,使工作台做相应的移动。通过对该平台的有限元分析,获取施加力与各个轴向位移的关系,及输入位移与输出位移之间关系,以使该柔性微动平台达到微米级定位精度的目的。     

基于超声导波的列车转向架结构损伤定位成像研究

转向架构架为列车重要部件,其健康状况直接关系到列车安全运行,而基于超声导波的无损检测技术能够用于结构健康监测。采用导波反演法获取构架材料的体波波速,结合Lamb波频散方程得到构架的Lamb波频散曲线,进而选择激励信号。载荷和构架边界都会使响应导波信号特征变得复杂,使得损伤定位误差增加。为减少时域信号误差的影响,采用完好结构与检测结构的激励信号与相应导波能量谱相关系数进行分析。通过此系数获取检测结构的损伤指数,经权函数对各导波传播路径加权,从而得到损伤概率密度大小,进行损伤定位诊断成像。在构架中分别沿焊接方向以及承载剪切方向引入切槽损伤进行实验测试。结果表明,该方法能够较准确地实现损伤定位。     

基于声传感器阵列的连续泄漏定位方法研究

针对压力容器(如在轨航天器)发生泄漏时的漏孔定位问题进行研究,提出了一种基于声传感器阵列的定位方法。当已发生泄漏时,该方法通过声传感器阵列获取器壁中传播的超声波信号,并分析阵列中各个传感器采集数据间的时空相关性,实现了对泄漏源的快速准确定位。分析了泄漏所激发的超声波信号在薄板中的传播特性,证明了采集信号相关性随采集点间距离的增大而减小,从而指导传感器阵列的设计与制作,同时通过设计相应的实验讨论了不同阵元间距条件下的定位精度。实验结果表明定位误差受阵列中阵元数目及阵元间间距影响,当阵元数目为8,阵元间距为8 mm情况下,本算法在1 m~2的平板上,定位绝对误差平均值小于10 mm。     

一种改进的扬声器Volterra模型研究

在研究扬声器振膜的非线性振动时,通常使用Volterra模型进行建模分析。然而受到误差的影响,该模型仅适用于微弱的非线性现象。增大激励电压,频响预测结果的误差逐渐增大。针对这一问题,一种改进的扬声器Volterra模型被提出。该模型引入了振膜平衡位置偏移量对非线性参数的影响,并且在计算位移响应时引入高阶核函数的互调项,使位移响应预测结果更为精确。为了验证模型,搭建了一套可以测量振膜瞬时位移的激光测量系统。实验中测量并计算了振膜平衡位置偏移量和位移的基频响应。结果表明,改进的扬声器Volterra模型与实验结果的一致性较传统模型更好。     

流场中填充吸声材料夹层板结构的声振耦合特性

采用等效流体模拟吸声材料,建立了外部流场作用下填充吸声材料夹层板结构的声振耦合模型,应用波动分析方法研究结构中声的透射特性,分析了入射声波入射角和方位角、流场流速和流向、夹层结构几何尺寸等参数对填充吸声材料夹层板结构声振耦合特性的影响。仿真计算表明吸声材料提高了双层板结构的隔声性能;隔声性能随着面板厚度和夹层厚度的增加而提高,随着入射角和方位角的增大而减小;在计算频段内(0~5000Hz),逆流入射时传声损失随着马赫数的增大而减小,顺流入射时却随着马赫数的增大而增大。     

斜入射水下复合结构隔声特性研究

基于无限大弹性体和粘弹性体的波传递理论,采用传递矩阵的方法,对斜入射情况下的透射系数和隔声量进行了理论推导,考虑了声波在橡胶中传播所产生的剪切力,并就单层复合结构的隔声性能进行了详细的研究,进而也分析了多层复合结构的隔声性能.分析表明:软质阻尼材料能明显改善结构的隔声性能;相对来说入射角度和材料的厚度对隔声性能的影响比较复杂;而对于多层复合结构而言,面层橡胶的选取尤为重要,一般采用软质橡胶材料来得到大的隔声量.     

大粗糙度起伏下一维海面声散射建模与分析

针对起伏海面高频声散射计算问题,提出了一种改进的基尔霍夫(Kirchhoff)近似方法。该方法考虑了海面的阴影区和亮区之间的多次散射声场,可对小入射角下大粗糙度起伏海面的散射声场进行计算。以一维余弦和高斯谱海面散射声场的有限元计算结果为标准解验证了所提方法的准确性和适用性。利用该方法计算了一维余弦海面的散射强度,分析了不同入射声波频率和角度下海面散射强度的分布情况,并解释了Bragg散射的产生机理,同时讨论了不同海面均方根高度和相关长度情况下高斯谱海面散射强度的变化规律。     

The Diffraction of Elastic Waves on the Tip of Slots

The diffraction of elastic waves on the tip of cracks has been widely used in detecting defects. It is always difficult to fabricate a real crack in the laboratory. In this investigation, a slot of width 0.3 mm is used as an alternative to simulate the fatigue crack. The slot of 0.3 mm width is embedded in a cylindrical block. The diffractions of elastic waves on the tip of the artificial slot are measured for three test blocks made of steel, aluminum, and brass, respectively. In the experiment, the amplitudes of diffracted waves at various receiving angles are recorded and compared with the theoretical predictions of diffraction on a fatigue crack tip. The influences of incident angle and frequency and material of the test block are presented. By examining the discrepancies of diffractions on the slots and cracks, one is able to evaluate the feasibility of replacing a real crack by an artificial slot, once the real crack is not available.     

弹性球壳声散射对矢量水听器测向影响研究

以平面波在弹性球壳上声散射理论为基础,建立了弹性球壳近场声散射对矢量水听器目标定向性能影响计算模型,分析了入射声波信号频率、入射角度以及矢量水听器安装位置对目标定向的影响。计算和理论分析结果表明．弹性球壳声散射对矢量水听器测向性能的影响与壳体散射特性和水听器安装位置密切相关,在低频和高频段测向误差相对比较小,而在中频段则测向误差比较大,可通过选择工作频段,或者采用声学处理,降低壳体声散射强度,减小对矢量水听器测向性能的影响。研究结果为矢量水听器工程应用奠定了理论基础。     

纹影法在超声场成像中的应用

纹影法成像系统具有分辨率高、成像速度快等特点,可以实现稳态声场分布以及声波传播的瞬态过程快速成像。将纹影法应用于瞬态声传播特性以及声子晶体声场的成像研究。在瞬态成像时,记录了单脉冲辐照固体表面产生的泄漏瑞利波和泄漏纵波的传播过程,并且与仿真结果进行比较,两者的泄漏波辐射角较一致。在声子晶体声场的成像中,通过改变入射频率,观察到了声子晶体在其工作频率时背表面的稳态声场,为其俘获颗粒能力的研究与分析提供了直观的实验依据。     

Reflection and refraction of plane waves at interface between two piezoelectric media

This paper analyses reflection and refraction of plane waves at a perfect interface between two anisotropic piezoelectric media. The equations of elastic waves, quasi-static electric field, and constitutive relationships for the piezoelectric media are derived. A solution based on the inhomogeneous wave theory is developed to address the inconsistency between the numbers of independent wave modes in the media and the numbers of interfacial boundary conditions to obtain accurate reflection and refraction coefficients in case of strong piezoelectric media, where all the elastic and electric continuity conditions across the interface are satisfied simultaneously. The study shows that there exist independent and zero energy wave modes satisfying the general Snell’s law and propagating along the interface for any incident wave angle. These waves can be treated as pseudo surface waves. It is further found that all the reflection/refraction waves including the pseudo surface waves obey the energy conservation law at the interface boundary. In addition, the analysis also reveals that the reflection and refraction elastic waves can turn into pseudo surface waves at some critical incident angles.     

TM Wave Resonant Peaks in Defect-Free Multilayer Structures Containing Nano-Scale Y123 Superconductors

In the ultraviolet region and by using transfer matrix method, the transmission spectra of electromagnetic waves through one-dimensional quasiperiodic photonic structures consisting of high-temperature yttrium barium copper oxide (Y123) superconductor and strontium titanate (STO) dielectric layers are studied theoretically. It is shown that for TE polarization at oblique incidence two band gaps are created, while for TM polarization three band gaps are produced. The edges of both polarizations shift to higher wavelengths by increasing incident angles. Also, for angles of incidence greater than 78^°, the second gap for TM-polarized light is eliminated. It is also found that in the supposed structure the number of PBGs can be modulated by the thickness of dielectric layer, while it is nearly insensitive to the thickness of superconductor layer. Interestingly, for the incidence angles other than normal incidence the structure can exhibit some narrow resonant peaks near wavelengths where the electric permittivity of the superconductor layer changes sign. These resonant peaks are only for TM polarization and not present for TE polarization. This structure can act as a very compact polarization sensitive splitters and defect-free multichannel narrowband tunable filters.     

头部官能结构对HRTF的影响及主观验证实验

为了研究声学头模上不同的头部官能结构对头相关传输函数(Head-Related Transfer Function,HRTF)及录音听感上的影响,对具有不同官能结构的头模进行HRTF测量和对比分析,得出头部不同官能结构对HRTF的影响。进一步的主观评价实验也验证了不同的头部官能结构对于声源定位的影响程度不同这一结论。其中,耳廓对声源定位的影响较大,是不可缺少的一个结构,而有无鼻子、头发等其他细节官能结构对声源定位产生的影响则要弱得多,同时这些头部官能结构对听感上的影响与声源类型和入射方向的关系十分密切。