聚焦超声振动球壳的声压数值仿真及测量研究

为了解决高强度聚焦超声的声压场测量复杂、能量损失等问题,设计出了新型聚焦超声振动球壳装置,采用精确、便捷的测量方法,研究了聚焦超声振动球壳装置的声压场分布规律。建立了开口直径60 mm的聚焦超声振动球壳声压计算模型,计算了聚焦超声焦平面内垂直于声压轴方向上的声压理论值,分析了不同聚焦超声球壳孔径对声压轴处声压分布的影响;同时利用COMSOL软件对聚焦超声球壳的声压级进行了数值模拟,搭建了探针式水听器测量系统,通过实验验证了聚焦超声振动球壳的声压场分布。研究结果表明:随着聚焦超声振动球壳开口半径的增加,焦点附近主瓣的声压增加,其焦斑变小,声压在焦点处增大,声能量比较集中,聚焦超声振动球壳系统具有显著的聚焦特性;聚焦超声振动球壳比以往的高强度聚焦超声的声焦距更符合几何焦距,且误差较小,数值仿真结果与实验测量基本一致。     

基于空间脉冲响应的超声换能器声场研究

以空间脉冲响应为理论基础,建立了换能器空间声压模型,通过求任意时刻相交弧长对应圆心角的方法,计算了圆形和矩形换能器的脉冲响应函数,并仿真了其声轴线平面、横截面和声轴线的声压分布,通过与理论声压对比,仿真结果可以准确地反映换能器在空间辐射的声场。该方法对优化换能器设计参数和无损检测工艺、提高超声检测分辨率和可靠性有重要意义,也适用于其他形状换能器声场的计算。     

基于小球反射法的超声换能器脉冲声场模型研究

小球反射法是超声换能器声场测量的一种常用方法。为了研究小球的尺寸对声场测量精度的影响,建立了小球反射超声平面换能器发射的脉冲声场声压分布的理论模型,计算了由不同尺寸的小球反射的声场声压分布;实验验证了理论模型的正确性。理论计算和实验结果均表明小球的尺寸越小,测量精度越高。     

在线油液磨粒检测聚焦超声换能器声场特性分析

在线超声磨粒检测结果与超声换能器声场特性密切相关,在线油液超声磨粒传感器也是基于换能器声场特性设计的,运用数值模拟方法可以有效地分析超声波声场的特性。首先从理论方面分析了在线超声磨粒检测方法;然后利用时域有限差分法求解KZK方程对超声换能器声场进行仿真;最后搭建润滑油超声波声场分布测量实验系统实际测量超声波声场特性。仿真与实验结果表明:利用时域有限差分法求解KZK方程能够很好的模拟聚焦超声换能器在润滑油中的声场分布情况,聚焦超声换能器的焦斑区域呈椭圆形,长轴约为4 mm,短轴约为0.4 mm,仿真结果与实验结果具有较好的一致性。研究结果为下一步的超声磨粒传感器设计奠定了基础。     

基于热释电传感器的聚焦超声场声功率测量方法研究

为实现聚焦声场声功率的快速、精确测量,提出了基于PVDF热释电传感器的声功率测量方法。首先,基于热释电传感器声功率测量的原理建立了有限元模型,并围绕超声功率测量的影响因素开展了仿真分析;其次,搭建测试系统开展了声功率测量的方法研究。研究表明,该测量方法在声场焦区域和非声场焦区域都可以进行测量,且输出信号与辐射声功率呈线性关系,测量误差最大为8.2%,符合声学计量要求。通过实验与仿真对比分析,结果验证了该方法的可靠性和准确性。     

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。     

基于EMAT的三维声场断层扫描测量方法研究

不同电磁超声换能器(EMAT)的辐射声场分布特性不同,为了保证检测的有效性,需要对其声场分布进行准确测量。为测量固体金属材料中超声横波辐射声场的分布,采用针式EMAT作为测量超声横波声场的换能器,研究了基于断层扫描方式测量并重构三维辐射声场的方法。进一步建立了三维声场断层扫描测量实验系统,分析了测量系统的误差,并提出测量数据的补偿方法。实验测量了环形线圈EMAT在激励频率3.5 MHz时的辐射声场分布,获得其在铝和20#钢中的三维辐射声场,并分析得到其近场距离约为8 mm。结果表明该方法可有效地呈现超声横波在固体金属材料内部不同深度截面的声场分布,并对其处理可以获得待测EMAT在固体中的三维辐射声场分布。     

AlN超声换能器声场的仿真分析

超声换能器声场性能是换能器优劣的一个重要指标,对声场中的一系列理论进行了分析推导,分别对换能器声场进行频域和瞬态分析。频域分析中研究了声压、声压级随频率变化规律、油液区域中声场的分布、衰减的问题。瞬态分析中展示了声波在油液域的传播过程,对比了声信号在换能器两侧的传播,分析声波在各个反射界面的强度变化。结果与理论分析一致性较好,为后续利用设计制作换能器提供一定的依据。     

一种检测多频多源复杂稳定声场声压的新方法

针对准确检测出多频多源声场复声压信号不理想,并且在信噪比(SNR)较低的情况下,现有的检测方法很难解决,提出了一种结合自适应算法、信号互谱和信号能量不变原则检测多频多源复杂稳定声场声压的方法。该方法首先利用自适应算法求出背景随机噪声,再次利用自适应算法求出声源辐射信号,并对频谱分析和校正,结合信号互谱、信号正交,以及信号能量不变原则得出声场中检测点的复声压,最后通过算例验证此方法的有效性和可行性,即使声场在多频多源且信噪比较低的情况下,仍然能精确测出声场测点的复声压信号。     

基于矩形换能器空间脉冲响应的相控阵声场研究

针对矩形换能器空间脉冲响应利用分割阵元叠加和近似方法求解,提出一种精确求解的新方法。根据矩形换能器的对称性将观察点转换到第四象限进行求解,该方法不需要远场或近轴近似,只需要坐标变换就可以得到任意长宽比的矩形换能器在不同空间点处的脉冲响应函数。通过控制各阵元的延时实现相控阵声束的偏转和聚焦,分析一维相控阵的聚焦法则,得到各阵元的延时时间;对各矩形阵元加延时控制后的空间脉冲响应叠加求和,得到相控阵聚焦时的空间脉冲响应,进而求得各空间点的声压。计算相控阵换能器在不同聚焦角度时的空间声压分布,讨论不同阵元间距对分辨力的影响。结果表明该方法可以快速准确地计算较大偏转范围内的相控阵声场。     

Visualisation study on flow field of bearing lubrication

Knowing the movement forms of lubricant during lubricating process should be useful and helpful to understand lubrication mechanism, so a visualisation apparatus improved from classical particle image velocimetry was presented to achieve it in this study. The effects of rotational speed and supply pressure on lubricant's velocity field were discussed and tested. Velocity size of lubricant increased with rotational speed and supply pressure. Velocity angle increased with rotational speed but decreased with supply pressure. Experimental results agreed well with theoretical predictions. This test apparatus can be useful and suitable for the visualisation of flow field during lubricating process. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

耦合超声场的气液固三相磨粒流多物理场数值模拟研究

针对气液固三相磨粒流抛光研究中流场分布不均问题,对气液固三相磨粒流中的湍流分布、湍流峰值分布、能量分布、温度分布和加工质量等方面进行了研究,对气液固三相磨粒流的抛光方法和抛光问题进行了归纳,提出了一种耦合超声场的气液固三相磨粒多物理场数值模拟方法,利用超声场的交变声压增加了气液固三相磨粒流流场的扰动,改变了流场分布。研究结果表明:不同的超声频率和声压幅值会带来不同的流场分布,其中频率为20 k Hz、声压幅值为30 k Pa的超声场所得的流场分布最优。该研究成果对气液固三相磨粒流抛光方法的推广与实际运用具有重要意义。     

Low-threshold field emission from carbon nano-clusters

Detonation carbon materials (DCM) composed of non-equilibrium nano-structures show the low-threshold field emission (LTFE). These materials have forward-looking application especially due to high reproducibility of the LTFE-phenomenon on a surface of emitter, where the emitting centers are homogeneously distributed. In this paper we link the effect of LTFE to the nature of the corresponding wave functions based on the experiment results obtained for DCM by the field effect on electrolytes. As we had shown before DCM had been described by an ultra-relativistic dispersion function with extremely small effective mass of electrons and the size-quantization effect had been observed in DCM at even room temperature.Our results based on emission and electrolyte technics of the field-effect measurements in DCM along with modern observations of the field emission in strong electric fields allowed to propose a new resonance transmission model for LTFE-phenomenon, which is alternative to most widely discussed models based on the field-enhancing factors or barrier-lowering mechanisms.     

声场的直接测量

为准确测量声场分布,研究了基于激光测振仪的声场直接测量技术。基于声音在空气中传播时会引起空气折射率周期性变化的原理,利用激光测振仪测量了激光通过声场时激光光程受空气折射率的调制发生周期性变化产生的振动速度。由于声场在激光方向上的投影即为激光测振仪测得的振动速度,测量了声场在不同投影方向上的振动速度,再由Radon逆变换重构声场复振幅分布,从而实现了对声场的直接测量。文中实验测量了2kHz声场引起的振动速度振幅分布和相位分布,进而重构得到声压振幅分布和瞬时声压分布。测量得到空间分辨率为2cm,声压振幅最大为0.026Pa,对应的声压级为62.3dB。实验结果表明,基于激光测振仪的声场分布直接测量方法是可行的,该方法解决了现有麦克风阵列接触式测量声场存在的问题。     

保偏光纤模场直径和数值孔径测试研究

基于光纤测量远场法原理测量光纤远场光强分布。通过改进远场法得到光纤的远场光强分布后,同时计算得到保偏光子晶体光纤的模场直径和数值孔径,使测量装置实现集成化和简便化。通过光束测试仪测量光纤的出射光强分布,光束测试仪测量的是光纤中心最大光强点的两个垂直方向上的光强分布。保偏光子晶体光纤的出射光斑是椭圆的,每个方向的模场直径、数值孔径分布并不相同。传统的测试方法不能解决这个问题。通过旋转光纤测量光纤各个方向上的光强分布,然后计算各个方向上的模场直径,最后通过拟合各个方向上的模场直径得到保偏光子晶体光纤椭圆形的模场分布。实验测得保偏光子晶体光纤椭圆光斑长短轴的模场直径分别为7.5μm和4.2μm,数值孔径分别为0.159和0.276。     

外视场拼接测量技术及其实现

由于单台高速摄像机无法满足高速测量领域对大视场、高帧频、高分辨力和高数据量处理的要求,本文对通过外视场拼接来实现大视场角目标测量的技术进行了研究。在分析和比较各种拼接方式的基础上,提出了由4个测量相机的外视场拼接实现大视场测量的系统方案。4台测量相机以"田"字型配置在跟踪架水平轴两端,拼接后在视场上实现了"一"字型大视场测量。采用提出的方案,设计和研制了外视场拼接测量系统样机。采用视场角为10°的镜头进行视场拼接,实际拼接后最大视场为40°(方位)×10°(高低);视差为360mm时,目标距摄像机大于247m无盲区,可以拍摄到完整的图像。     

勾形磁场的优化设计与实现

本文采用有限元法对8英寸单晶炉（16寸坩埚）勾形磁场的磁场分布和磁场强度,以及影响磁场强度的线圈匝数、导线面积、线圈间距等因素进行了模拟分析和优化,并依据模拟结果得到磁场结构的优化设计参数。最后通过实验对磁场的设计参数进行了验证,结果表明：磁场分布和磁场强度模拟结果与实际测试结果可较好吻合;磁场的关键参数满足晶体生长的磁场要求;模拟方法是正确的、符合实际的。此方法为磁场设计提供了一种可靠的模拟新方法和经验数据。     

Microfiber knot resonator based electric field sensor

An optical fiber electric field sensor was constructed by coating a microfiber based knot resonator with propylene carbonate, a liquid electrooptic material. The Kerr electrooptic effect of propylene carbonate changed the refractive index of the liquid in the presence of an electric field and shifted the fringe pattern of the resonator. The electric field was demodulated by monitoring the fringe shift. The sensor was used to characterize sinusoidal electric fields with magnitudes from 200–4000?V/cm and a pulsed field with a 200?µs duration time. This work may provide practical applications for the characterization of electric fields.     

基于光场相机的深度面光场计算重构

光场相机与传统相机不同,通过在主镜组和传感器间特定位置设置微透镜阵列,实现在采集物方光强的同时记录光线方向。为了重构物方光场,研究了基于光场相机的深度面计算重构算法,对该算法所采用的焦点堆栈、投影切片定理进行研究。首先,对四维光场定义及光场相机工作原理进行分析;建立了相机内部深度面重构模型,分析了投影切片定理在深度面获取的应用,并推导出不同深度面图像表达式;根据得到不同深度位置图像,研究了计算重构算法,搭建了含有微透镜阵列的微型单相机光场采集系统,采集原始光场,利用本文方法实现了物方光场的逆向重构。实验结果表明:利用本文重构算法,光场相机采集的物方光场可通过滤波计算方法逆向重构,通过重构光场数据可获得物方场景深度信息。本文深度面获取算法较其他算法节省30%以上的时间,各深度面图像峰值信噪比在25~30dB之间,实现了高精度、稳定可靠的计算光场重构。     

不锈钢物流管道内表面磁力研磨的回转磁场设计

分析了不锈钢物流管道内表面磁力研磨运动轨迹和速度的要求,研究了各种励磁方法及其研磨运动轨迹, 提出了同时产生回转磁场和往复磁场的励磁方法,设计了能实现复杂研磨轨迹的一种新型回转磁场装置,该回转 磁场通过磁极轴向分布产生波浪形研磨条纹,同时完成磁性磨料对工件的周向回转和轴向往复运动,最后用316L 管道进行了回转磁场的材料去除试验。