Photoacoustic Effect Generated from an Expanding Spherical Source

Although the photoacoustic effect is typically generated by amplitude-modulated continuous or pulsed radiation, the form of the wave equation for pressure that governs the generation of sound indicates that optical sources moving in an absorbing fluid can produce sound as well. Here, the characteristics of the acoustic wave produced by a radially symmetric Gaussian source expanding outwardly from the origin are found. The unique feature of the photoacoustic effect from the spherical source is a trailing compressive wave that arises from reflection of an inwardly propagating component of the wave. Similar to the one-dimensional geometry, an unbounded amplification effect is found for the Gaussian source expanding at the sound speed.     

椭球面镜声波反射聚焦数值模拟研究

据Hamilton线性理论解,给出沿椭球面镜轴线的电弧放电等离子声源(AD-PSS)反射波计算结果,分析由镜面引起的相位变化对中心波、边缘波及尾波传播影响。在聚焦前区中心波压力为正,边缘波、尾波压力为负;聚焦后区则相反。在线性条件下,反射波压力峰值出现于椭球面镜几何焦点,越过焦点后反射波压力幅值迅速衰减。利用有限元软件COMSOL对椭球面镜声反射过程进行数值模拟,揭示反射波传播演化过程及声场分布规律。据KZK方程及等效声源法,分析非线性效应对声传播过程影响。研究表明,非线性效应将使椭球面镜实际焦点位置偏离几何焦点,即正压实际焦点出现在几何焦点后,负压实际焦点出现在几何焦点前;随非线性系数增加正压实际焦点后移,负压实际焦点前移。     

气体管道泄漏声源特性研究

气体管道泄漏声源的特性决定了声波法气体管道泄漏检测的精度和适应性。为探究气体管道泄漏声源的特性,建立了气体管道泄漏的物理模型,研究了相应的声波产生机理。分析了不同泄漏口径、不同管道压力下的泄漏声源特性并与实验结果进行了对比。结果表明:气体管道泄漏产生的声源以四极子声源为主,泄漏声波能量主要集中在50 Hz以下,声压级均值随管道内压和泄漏口径的增大而增大。仿真结果与实验结果对比表明,基于该仿真方法对输气管道泄漏的声源特性分析是可行的。     

不同浅海环境下点声源海底地震波特征研究

航行舰船在海底岩土层中引起的弹性波被称为舰船地震波,主要由舰船低频辐射噪声引起,可用于识别舰船目标。将舰船地震波简化为液固多层半无限空间低频点声源引起的地震波动问题,基于波数积分方法,通过FFP数值积分得到了海底表面声压、位移和加速度的频率特性曲线,分析了不同浅海环境对点声源海底地震波的波动特征的影响。结果表明：软质海底竖直方向加速度具有明显的低频通过特征,点声源海底地震波频域特征具有方向性;接收横距、岩土层吸收衰减系数和软硬程度、水深、沉积层厚度等均对点声源海底地震波的波动特征具有影响。     

一种强声气动声源的理论与实验研究

为实现强声的气动发声,设计了一种基于喷注型和谐振型组合的复合式气动声源,仅对喷注型声源进行了详细研究。利用高压气体对声源的气室充气,形成高压气体腔室,接通牵引电磁铁电路,电磁铁带动连动轴和堵头使高压气体高速喷出,高速气流在谐振管内形成湍流,从而产生强声。仿真结果显示了湍流的产生,并可得到168 d B的强声。利用BK 3560 Pulse多分析系统对自制的气动声源进行测试,结果显示:在距离出气口10 cm处,声压级可达146 d B,这样可推导出在距离出气口1 cm处,声压级可超过164 d B,测量结果与仿真结果较为接近。最后,对非线性声波形成的激波进行了分析。研制的强声气动声源可用作动物实验的声源。     

Finite element simulation of nonlinear wave propagation in thermoviscous fluids including dissipation

A recently developed finite element method (FEM) for the numerical simulation of nonlinear sound wave propagation in thermoviscous fluids is presented. Based on the nonlinear wave equation as derived by Kuznetsov, typical effects associated with nonlinear acoustics, such as generation of higher harmonics and dissipation resulting from the propagation of a finite amplitude wave through a thermoviscous medium, are covered. An efficient time-stepping algorithm based on a modification of the standard Newmark method is used for solving the nonlinear semidiscrete equation system. The method is verified by comparison with the well-known Fubini and Fay solutions for plane wave problems, where good agreement is found. As a practical application, a high intensity focused ultrasound (HIFU) source is considered. Impedance simulations of the piezoelectric transducer and the complete HIFU source loaded with air and water are performed and compared with measured data. Measurements of radiated low and high amplitude pressure pulses are compared with corresponding simulation results. The obtained good agreement demonstrates validity and applicability of the nonlinear FEM     

声源定位系统动态校准方法研究

基于空间移动的标准点声源设计,建立声源定位系统动态校准装置。提出空气声声源定位系统动态校准方法,获得声源定位系统动态定位实验测量结果,分析影响动态定位结果的主要因素,并进行测量结果不确定度的评定。为车辆通过噪声源定位、飞行器飞行中噪声源定位的实验室动态校准提供了计量技术支撑。     

固体火箭发动机喷管阻尼数值计算方法及规律研究

从声学角度出发,参考稳态波衰减法,综合考虑喷管辐射损失及对流损失,建立固体火箭发动机喷管阻尼声能共振数值计算方法,通过与阻抗管法测量的试验结果对比验证仿真方法,并探究喷管喉径、监测点位置、声源强度及平均压力对喷管阻尼的影响,结果表明:数值计算结果与试验结果吻合较好,表明该研究建立的仿真方法有效;喷管阻尼随喉径的增大而增...     

双层弹性-非弹性封闭腔体的内部声场研究

从球坐标中声波波动方程出发，利用本征函数展开方法和界面边界条件，导出了双层弹性封闭球壳的内部散射声场表达式。对于单位源强度的点声源，本文计算了分别由弹性/粘弹性和弹性/吸声材料组成的双层封闭球壳的内部散射声压随频率的变化关系。计算结果表明，粘弹性材料和吸声材料在某些频段对散射声压有十分明显的抑制作用。     

波数空间中活塞辐射体近场声压分布的计算及测试

在近场范围内,声源在任何平面上的声场都可以通过平面传播波和倏逝波的叠加来得到。以圆形活塞为例,在波数空间中利用角谱法求得其辐射声场的传播波和倏逝波的分布。借助数值分析方法,对圆形活塞声源声轴线上的声压进行计算,得到相应的近场声压分布曲线。由角谱法计算得到的近远场分界点与点源组合法所得结果一致。对不同声源半径时,不同辐射频率下的声压分布曲线进行比较,得出了近场声压的变化规律。阶梯圆盘在辐射理论上应等于对应圆形活塞的辐射。对设计的阶梯圆盘的轴向声压进行了测试,实验测试结果与理论计算结果基本吻合。     

圆柱绕流近壁面处气动噪声源识别研究

对物体高速行驶下的气动噪声现象的认识和描述一直以来都是气动声学领域探索的基本问题和难点问题,尤其对物体近壁面处声源的产生及其声辐射缺乏有效的描述手段。该研究以圆柱绕流为研究对象,结合数值仿真手段,基于涡声方程的声源项描述圆柱绕流近壁面处的声源特性,建立声源识别方法。研究表明,该方法描述的声源存在不该有声源的位置出现声源的现象。研究进一步基于质点振速的矢量波动方程,将不能辐射噪声的源分离,较为准确地识别出了圆柱绕流气动噪声源的大小和位置。该研究在探索识别圆柱绕流气动噪声源方法的同时,也为准确识别气动噪声源特征提供了有效的方法。     

冷凝器冷却水通道声传递特性

为阐明冷凝器冷却水通道的声传递特性、提高循环水系统声学设计能力,将换热方程和一维平面波方程耦合,推导得到换热管内冷却水声传递矩阵,针对冷凝器几何结构建立总传递矩阵并求解得到其冷却水通道声传递损失。建立试验系统验证了冷凝器冷却水管路声传递损失计算结果。根据换热管双向流固耦合分析计算结果,管外蒸汽绕流对换热管内冷却水脉动压力的影响可以忽略,冷凝器进出口管内水声和管壁振动测试结果也表明,该系统内冷却水脉动和管壁振动耦合紧密,管内流体脉动是管壁振动的主要激励源。研究结果还表明,通过调整冷凝器冷却水通道结构参数可以调节冷却水声传递损失。     

Subcritical free-surface flow caused by a line source in a fluid of finite depth

An integral equation is derived and solved numerically to compute the flow and the free surface shape generated when water flows from a line source into a fluid of finite depth. At very low values of the Froude number, stagnation point solutions are found to exist over a continuous range in the parameter space. For each value of the source submergence depth to free stream depth ratio, an upper bound on the existence of stagnation point solutions is found. These results are compared with existing known solutions. A second integral equation formulation is discussed which investigates the hypothesis that these upper bounds correspond to the formation of waves on the free surface. No waves are found, however, and the results of the first method are confirmed.     

Vibration of a single microcapsule with a hard plastic shell in an acoustic standing wave field

Observation techniques for measuring the small vibration of a single microcapsule of tens of nanometers in an acoustic standing wave field are discussed. First, simultaneous optical observation of a microbubble vibration by two methods is investigated, using a high-speed video camera, which permits two-dimensional observation of the bubble vibration, and a laser Doppler vibrometer (LDV), which can observe small bubble vibration amplitudes at high frequency. Bubbles of tens of micrometers size were trapped at the antinode of an acoustic standing wave generated in an observational cell. Bubble vibration at 27 kHz could be observed and the experimental results for the two methods showed good agreement. The radial vibration of microcapsules with a hard plastic shell was observed using the LDV and the measurement of the capsule vibration with radial oscillation amplitude of tens of nanometers was successful. The acoustic radiation force acting on microcapsules in the acoustic standing wave was measured from the trapped position of the standing wave and the radial oscillation amplitude of the capsules was estimated from the theoretical equation of the acoustic radiation force, giving results in good agreement with the LDV measurements. The radial oscillation amplitude of a capsule was found to be proportional to the amplitude of the driving sound pressure. A larger expansion ratio was observed for capsules closer to the resonance condition under the same driving sound pressure and frequency.     

超声驻波场中固液黏附液滴悬浮分离研究

针对影响高能束内加工质量和效率关键因素,提出新的废屑排出方法。首先建立了超声驻波作用下固液分离数学模型;其次模拟了有无液滴声场分布;然后模拟并试验研究了液滴的形变及运动过程。结果表明,液滴周围的声压大于液滴内部的声压,可促使液滴收缩分离,为液滴超声悬浮分离提供理论支持;在声辐射力、表面张力、黏附力、静压等力耦合作用下,液滴发生变形驱动液滴周围的气流向中心集聚,进而实现分离,并以中央凹陷的扁平球状稳定悬浮于声波节点。     

圆柱绕流噪声预报的流场与声场模拟方法对比研究

以三维圆柱为研究对象,使用Lighthill声类比法研究其绕流发声问题。第一步进行流场计算,分别用大涡模拟(LES)、脱体涡模拟(DES)和瞬态雷诺平均法(URANS)模拟声源区流场,通过对比流场压力和涡量等参数,据此选取合适的流场仿真方法;第二步用基于Lighthill方程FW-H积分法和边界元法预报远场直发声,通过和Revell试验结果比较,分析各种计算方法差别。研究表明:进行流场仿真时LES计算结果最好,IDDES法在保证计算精度条件下能有效减少流场网格数量,URANS法误差很大;进行辐射噪声预报时,FW-H积分法和边界元法基本相同。     

水下等离子体声源放电特性和声特性实测与分析

在小型消声水池中,同步测量水下等离子体脉冲声源的放电特性和声特性,实验分析研究了其在单电极和多电极下负载注入峰值功率和放电能量对声特性的影响。结果表明,在相同的电极数和间距下,直达波脉冲声源级仅与负载注入峰值功率有关,气泡脉冲声源级和气泡周期则主要受放电能量影响,多电极放电通过减小单根电极放的电能量来减小气泡脉冲声源级和气泡周期。此外,在相同的充电电压下,减小充电电容对电极数的比,可以增大直达波脉冲声源级并压制气泡脉冲;负载注入峰值功率对放电能量的比对声特性的影响也呈现出类似规律。实测及其分析结果可为进一步优化水下等离子体脉冲声源的声特性提供参考。     

基于圆环阵列的声场仿真及校准实验

针对圆环阵列中声波多途效应难以消除的问题,提出了采用不等间距圆环阵列的方法破坏声波各径的相干性来降低旁瓣性能,减少边缘衍射反射的干扰。通过仿真验证不等间距圆环阵列能够有效降低聚焦波束旁瓣,并根据仿真结果设计最佳环形阵列结构。最后,在实验水池中对圆环阵列进行声场校准实验,分别利用脉冲波与连续波在4～8kHz频率下激励换能器阵列工作,结果表明采用脉冲正弦信号激励的方法可在有限空间内准确测量换能器的轴向声压的特性。     

基于改进统计最优近场声全息的空间多种声源声场重建

为获取空间多种声源声场信息,传统统计最优近场声全息需要较多高阶项数的波函数来重建声场,而随着波函数阶数的提高,该方法对误差的放大作用也越大;此外传统方法都采用与声源共形的全息测量面,限制了其应用范围。提出了一种基于平面测量的改进统计最优近场声全息方法,可在波函数阶数较低的情况下提高重建精度。首先通过分析空间多种声源的特点选取合适的波函数组合,然后用该组合求出声场传递矩阵,最后重建出目标声源声场。通过数值仿真验证了该方法的有效性和适用性。结果表明:该方法能够有效地降低重建所需波函数阶数,抑制高阶波数对误差的放大作用从而提高重建精度,即使全息面与声源不共形,也能准确地重建出目标声源声场。     

柱状炸药水下冲击波连续测量研究

通过自制的压导探针,对柱状装药水下爆炸过程进行连续测量,获得了柱状炸药的爆轰波和水下近场冲击波头的时间历程演化曲线。由此计算出柱状炸药的爆速、水的冲击波速度随时间的变化曲线;进一步由水的冲击雨果尼奥关系式和界面压力、速度连续方程,计算得到了炸药爆压、水下近场冲击波超压变化曲线。结果表明,水下爆炸近场的冲击波速度近似以指数形式衰减,最初阶段衰减很快,随时间推移,衰减越来越慢,最终水中冲击波速度趋于声速。近场冲击波超压的衰减形式与冲击波速度的衰减形式相似。