空气耦合超声换能器的频域声场研究

考虑介质的衰减及其引起的频散对频域声场的影响,提出幂函数衰减介质中圆形换能器声场的解析公式。基于该公式研究空气耦合超声换能器的轴向声压与径向声压分布特征。结果表明:空气中的衰减是引起声场变化的主要因素;相对于零衰减介质,空气中的声压幅度随着传播距离的增加而明显降低,近场长度明显减小,近场内轴向声压的零点、极大值点无偏移,径向声压分布和声束扩散角无变化。研究结果对于空气耦合换能器的设计、空气耦合声场的测量、校准具有重要参考价值,并可以作为ASTM E1065/E1065-14和IEC 62127标准的补充。     

船舶水下振动噪声传递特性研究

针对声固耦合算法在模拟船舶声振计算时存在的难题,基于Virtual Lab软件中的有限元和无限元声学耦合技术对船舶振动声辐射进行计算和分析。首先,利用ANSYS软件建立实验船的有限元模型。然后,利用Virtual Lab软件计算部分浸入水中的船舶结构辐射声场,详细分析了辐射声场指向性以及声场衰减规律,进而选取具有最大辐射声压且满足远场测量条件的目标场点。最后,开展了振源到目标场点的传递特性分析,识别出引起目标点响应的主导环节,使得减振降噪措施的实施更具针对性。     

阵列解析式超声聚焦换能器研制及空间感测分析方法研究

传统的超声聚焦换能器大都采用单一的压电感测元件作为接收源,接收信号为作用于压电材料上的反射声场积分结果,无法反映反射声场的空间分布特性。采用激励与接收相分离的方式,研制一种新型阵列解析式超声聚焦换能器,利用多个感测元件为接收单元,通过一套基于FPGA技术的高速超声检测系统,实现了对被测试件反射声场的空间分布信号的采集和分析。阐述阵列解析式超声换能器的设计与制作方法,对换能器的多个感测元件的激励响应特性进行标定,利用该换能器的阵列感测元件的空间分布特性,对多角度声场感测信号进行分析和处理。以阶梯试件的台阶高度为测试对象开展空间感测声场测试方法分析试验研究,达到预期效果,为不规则裂缝缺陷检测奠定了基础。     

自由场声辐射预报的可变阶波包络单元与有限元耦合方法

在可变阶波包络单元法和声有限元法的基础上,研究了预报无限域自由场结构声辐射的可变阶波包络单元与有限元耦合方法,推导了预报声压的耦合计算公式。在该方法中,结构外区域自由场空间分为使用有限元单元离散的内区域和可变阶波包络单元离散的外区域,根据外区域波包络单元构成的刚度矩阵的组成特性,对其进行分解,并对总系统耦合矩阵方程进行了重组,使得刚度矩阵的计算独立于频率,提高了频段上声压预报的效率。质量、刚度及载荷矩阵的元素需通过积分运算获取,积分精度对最终声场预报的精度具有很大的影响,为确保积分精度,提出了一种混合自适应高斯积分来计算相关矩阵的元素。具有解析解的无限长圆柱和脉动球源算例表明,对可变阶波包络单元组成的刚度矩阵进行分解后,计算效率得以显著提高;采用数值仿真和试验对该耦合方法进行了验证,结果表明该耦合方法具有较好的精度和收敛性。     

空气耦合超声换能器声场计算与测量研究

利用空耦超声换能器发射孔径的空间脉冲响应计算平面换能器的声场分布特性.该方法基于线性声学理论的假设,利用孔径表面发射的球面脉冲波的叠加来获得空间中任意点的脉冲响应.由于空气介质中超声的吸收衰减对于声场分布影响较大,并且衰减随着频率的增大而增大,所以在频域计算中引入传播衰减函数,并通过与换能器激励脉冲的卷积获得该场点的声...     

基于ANSYS的Cymbal换能器等效压电常数分析

本文研究了Cymbal换能器的工作机理,用有限元分析方法建立了该换能器的有限元分析模型,制作了几种规格的Cymbal换能器.压电陶瓷PZT-5A作为Cymbal换能器的压电相,铜箔作为端帽电极.分析了压力与Cymbal换能器位移、等效压电常数de33与端帽电极以及压电陶瓷片形状参数之间的关系,确立了钹式换能器的等效压电常数de33达到最大值的结构参数,并且对有限元软件的计算值和试验值进行了比较.     

悬臂梁式压电换能器能量获取特性研究

研究了悬臂梁式金属-陶瓷压电复合换能器的工作机理,运用有限元理论,借助ANSYS软件建立了压电换能器的有限元分析模型,通过模态分析得到了其固有频率;并且在模型表面施加动载荷,通过瞬态分析,获得了一般环境周期载荷频率和固有频率载荷下换能器的电压输出情况,为今后研究此类换能器的环境吸能特性和可能的应用场合提供了理论依据.     

夹心式压电超声换能器声场分析

对谐振频率为28.4 kHz的夹心式压电超声换能器声场进行仿真分析,研究空化气泡对声场分布及噪声的影响。以COMSOL软件压力声学接口为基础,对换能器进行瞬态分析,观察有无空化气泡时空间内的声压分布情况,对比两种情况下截点位置的声压变化曲线及频域分布曲线。通过试验对仿真结果进行验证,确认空化气泡的存在增强了空间中的声场,使水中最大声压值由8×104 Pa增大至2.5×105 Pa,空气中最大声压值由80 Pa增大至140 Pa。水中的高声压区集中在空化区域内,空化区域后方的声压减弱。与此同时,空化气泡使空气中的低频噪声增加,截点位置的声压幅值由原来的2 Pa增大至4 Pa。     

基于无限元方法的壳体外声场仿真研究

建立了无限元与有限元声学耦合模型,运用SYSNOISE软件的无限元与有限元耦合技术对八分之一封闭球壳的外部辐射声场进行研究,计算了八分之一球壳在介质为水和空气时,在典型激励作用下的外部声场辐射情况。壳体是工程中应用最广泛的结构之一,同时壳体的声场问题也越来越受到关注,强声场可能会导致结构发生变形,甚至破坏,使结构失去工作能力。通过计算,得出了壳体在100Hz时的声压级分布图,给出了壳体外部为水和空气时的声压级曲线,得出了壳体外部声场随激励变化的基本规律。这种方法为研究声场辐射问题提供了重要参考,也为今后解决此类工程问题提供了理论上的依据。     

基于ANSYS的二维结构声场混合有限元模型研究

为了求解复杂结构体下的声场分布,采用ANSYS软件建立了声场-结构二维混合有限元模型,给出了ANSYS软件中混合模型的建模方法,通过在结构体四周设置结构体与空气耦合单元,将结构模型因受力发生形变而产生的噪声声压耦合到空气中,实现了混合声场模型的求解。模型求解结果表明,该模型能很好地解决声场与结构场的耦合问题。     

镶拼式复合压电超声换能器的径向振动特性

对一种镶拼式复合压电超声换能器的径向振动特性进行分析。该镶拼式复合压电超声换能器由弹性内芯、矩形压电陶瓷晶堆环组及金属预应力管径向复合而成。采用压电陶瓷晶堆,可大幅提高换能器的功率容量及有效机电耦合系数。依据机电类比原理,得出换能器的机电等效电路和共振频率方程;探讨换能器的第1、2阶共振和反共振频率及机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系,并进行有限元仿真分析和试验测试。研究表明,换能器第1阶径向共振及反共振频率随其内芯内径及预应力管外径增大而降低;第2阶共振频率随内芯内径增大存在极小值,但随预应力管外径增大而下降,并且第2阶共振模式的有效机电耦合系数较高。对换能器共振频率的测试和仿真表明,理论与试验及仿真结果相符合。     

开口薄壁结构声固耦合问题的计算方法

对于开口薄壁结构的声辐射问题,很难用解析法直接计算,可采用多种数值方法进行仿真分析。文中研究了有限元法、边界元法与无限元法几种数值方法及其耦合的理论基础,研究了求解不封闭声腔声辐射问题的几种数值方法。在考虑声固耦合的前提下,分析了间接边界元法、直接边界元内外声场耦合法、有限元与边界元耦合法、有限元与无限元耦合法4种方法求解开口结构声场问题的系统方程及求解过程,以具体开口薄壁结构为实例采用4种方法进行了模拟计算,并对结果进行了分析比较,得出相关结论。     

低频超声透皮给药过程流场影响分析

针对低频超声透皮给药过程中声场和流场的促渗机理问题,基于压电方程、声压方程以及湍流k-ε模型,利用COMSOL有限元软件建立了其声-压电-流耦合仿真计算模型。通过理论分析和Franz体外透皮实验分别获得了给药系统中的声场与流场的大小及分布,以及体外实验的超声促渗后的渗透量。仿真计算与实验结果表明:离体皮肤在超声作用下渗透量更大,皮肤上产生更多褶皱与空化穴,这说明存在空化效应与交变载荷,而后者可能是流场流动或涡流引起的;药液中流场沿超声换能器的辐射面下方流动到辐射面侧面,形成搅拌作用,且辐射面正下方的流速最大,当输入电功率为5.5 W时,可达0.55m/s,皮肤上方伴有较强涡流;流场在超声促渗中起搅拌与扩张皮肤通道的作用,对促渗起辅助作用。     

圆筒型非接触式压电作动器的设计与试验研究

 提出了一种基于超声悬浮和驱动的非接触式压电作动器,该作动器中的转子呈完全悬浮状态。转子的悬浮由兰杰文换能器提供,自身旋转与定位由圆筒型定子提供。通过分别对换能器和定子的压电陶瓷片施加电压,使得换能器悬浮端面激发出一阶弯曲振动模态,而定子激发出两相B(0,3)驻波并合成一高声强行波,进而诱发高声强声场来驱动转子。分别建立了非接触式压电作动器中兰杰文换能器和定子的有限元模型,对换能器和定子进行了分析、设计、扫频以及定频试验,确定了结构方案, 最后加工、制造了样机。搭建了整个样机的测试系统,对其悬浮和驱动特性进行了分析,测得转子转速可达4261r/min。结果表明转子在近声场的作用下成功地实现了完全悬浮式的高速旋转。      

四分之一波长夹心式压电超声换能器的设计研究

阐述了四分之一波长夹心式压电超声换能器的结构特点,对其机电振动特性进行了理论分析,得出纵向振动下换能器的机电等效电路图,给出了频率方程,并设计出一个换能器.使用有限元仿真软件ANSYS对换能器进行模态分析,结果显示其纵向振动时的同有频率与理论值十分接近,验证了理论推导的正确性.     

含压电谱单元及其在板结构中Lamb波传播模拟中的应用

结合压电材料本构方程及Lamb波数值模拟中的谱有限元方法,建立了含压电驱动器/传感器板的谱单元,并将其应用于Lamb波的激发、在板结构中的传播和接收的数值模拟中。将模拟结果与其他文献中的数值模拟结果及采用商用有限元软件ANSYS的数值模拟结果进行了对比,验证了所建立单元的正确性,且在计算精度相差不大的情况下,该方法较传统有限元方法更为高效。最后和以前不含压电的模拟过程进行比较,压电效应使得驱动器施加在节点上的力并不那么单一,并且传感器能够将多个自由度复杂的位移信号转换为单一的电信号,这使得考虑压电片与不考虑压电片的模拟结果之间有一定的差别。     

声振耦合对薄壁圆柱结构动力特性的影响

声振耦合是航空航天飞行器在运行过程中备受关注的问题.针对具有代表性的薄壁圆柱结构,建立声场-结构直接耦合的三维动力学模型,其中结构和声场分别采用实体有限元和三维声单元剖分,并且采用无限元模拟自由声场边界.通过理论和数值分析研究声场中薄壁圆柱结构的模态、幅频响应、相频响应等振动特性的变化规律,讨论声振动对结构动力特性的影响及机理.研究发现声场在大多数情况下降低了结构的固有频率,在低频段声振动相当于给结构增加了附加质量,但是在高频段,声振动和结构阻尼的影响比较相似.随着声场流体密度增大,结构的大多数固有频率值明显减小,结构响应幅值在低频段增大,在高频段减小.声速对声场模态有显著影响,但是对结构模态频率的影响不大.     

低频超声透皮给药系统压电-声-热计算模型

为分析低频超声透皮给药过程中由超声空化引起的发热问题,基于压电方程、热平衡方程和声压平衡方程,利用COMSOL有限元软件建立了低频超声透皮给药过程中压电-声-热耦合仿真计算模型。通过理论分析和FLIR热成像仪的温度测量实验,获得了系统在超声输入功率为5.5 W、频率为21kHz下的温度场分布与外表面最大温度变化曲线。超声换能器与低频超声透皮给药系统(空气中)的温度场分布及其最大温度值的仿真分析结果都与实验值一致,即在低频超声透皮给药过程中,药液中超声空化会造成声波大幅衰减,从而把部分声能直接转化为热能,导致药液温度快速上升,15min时外表面最高温度可达40℃,内部辐射头下方最大温度的理论值可达41.3℃,达到了低频超声透皮给药的温度安全要求(≤42℃)。计算与实验结果表明,所建立的压电-声-热耦合计算模型可以预测系统温度变化,可用于超声作用时间、换能器结构尺寸和材料参数的优化设计。     

一种复杂结构件圆柱面扩散焊缝阵列超声检测方法

航空发动机某高温合金盘构件采用盘体与叶片环进行焊接的方式制备，由于构件结构复杂，在检测圆柱形焊接面缺陷时，采用单晶超声检测换能器检测效率不高，缺陷信号信噪比低。为提高该种结构件的检测能力，研究圆柱面焊缝的阵列超声自动检测方法，分析面积型缺陷和声源的相对位置对缺陷反射声压和波型转换的影响，提出一种基于双阵列换能器的一发一收检测方案。根据高温合金盘结构设计基于双阵列换能器的声束发射-接收方法和圆柱面焊缝全覆盖检测方案；基于时域有限差分方法建立高温合金盘的阵列超声声学响应仿真模型，对检测参数进行设计和优化。对含有人工缺陷的实际试样进行检测试验，结果表明所提出的双阵列超声换能器检测方法能有效检测到圆柱面焊缝区域? 2 mm的当量缺陷。     

机械噪声源识别的混合波叠加法

提出了一种稳健声场的全息变换算法——混合波叠加法，它结合了波叠加法和Helmholtz方程最小二乘（HELS）方法的优点，用相对少量的测点数据就可重建任意形状源表面的声场。在半消声室里，运用29个传声器组成的“＋”字形平面传声器阵列，对一运转的电机进行噪声源识别，得到声源的空间声压场分布及声源位置，显示出混合波叠加法在工程实践中广泛的应用前景。