二维声学黑洞应用于压电振动能量收集

声学黑洞(acoustic black hole, ABH)效应可以产生强烈的能量集中,能够将高频率低振幅的低品质振动能量转化为高振幅的高品质振动能量,从而便于利用。提出并研究了一种环形二维声学黑洞压电能量收集装置。有限元分析结果表明,环形二维ABH结构能在宽频域内显著提高能量收集效率。搭建了环形二维声学黑洞压电能量收集器试验测试平台,通过试验验证了仿真结果的正确性。与经典二维ABH结构相比,环形二维ABH结构具有更好的能量收集效率和结构强度。分析了压电片几何尺寸等因素对装置能量收集效率的影响,得到了能获得较高输出功率的几何尺寸范围,并进行了正交试验设计,研究了截断厚度、压电片尺寸、中央平台直径、幂指数等多因素的综合影响。     

周期声学黑洞结构弯曲波带隙与振动特性

作为一种被动型波操控结构,声学黑洞能对弯曲波起到较好聚集作用,再结合阻尼层能更好抑制结构振动波的传播.从声子晶体角度通过周期性排列构造一种声学黑洞结构与基体结合的一维声子晶体结构,选取合适的晶胞,采用有限元法对周期排列的声学黑洞结构弯曲波带隙特性进行研究,对比分析8周期声子晶体梁与等长度的恒定截面梁及周期楔形梁的振动位...     

板结构中声学黑洞参数优化及其阵列的能量汇集效应分析

声学黑洞结构是一种可实现板内弯曲波操控和振动能量汇聚的新结构,在振动和噪声控制领域具有应用 前景,因此对内嵌于板结构的二维声学黑洞及其阵列的动力学特性和设计方法进行研究十分必要。首先给出描述声 学黑洞汇集效果的定量参数,然后通过正交试验得出内嵌于板结构的单二维声学黑洞几何参数在一定范围内的最优 值;最后,基于这些参数设计声学黑洞并组成包含两声学黑洞的阵列,在频域内研究板结构具有不同排布方式声学黑 洞阵列时的能量汇集效应。结果表明,在一定频带范围内两个声学黑洞组成的阵列的能量汇聚效应比单声学黑洞更 为明显,且横向排列的声学黑洞阵列结构具有更好的能量汇聚效果。对于声学黑洞阵列和阻尼减振的设计具有一定 参考价值。     

板结构中声学黑洞参数优化及其阵列的能量汇集效应分析

声学黑洞结构是一种可实现板内弯曲波操控和振动能量汇聚的新结构,在振动和噪声控制领域具有应用前景,因此对内嵌于板结构的二维声学黑洞及其阵列的动力学特性和设计方法进行研究十分必要。首先给出描述声学黑洞汇集效果的定量参数,然后通过正交试验得出内嵌于板结构的单二维声学黑洞几何参数在一定范围内的最优值;最后,基于这些参数设计声学黑洞并组成包含两声学黑洞的阵列,在频域内研究板结构具有不同排布方式声学黑洞阵列时的能量汇集效应。结果表明,在一定频带范围内两个声学黑洞组成的阵列的能量汇聚效应比单声学黑洞更为明显,且横向排列的声学黑洞阵列结构具有更好的能量汇聚效果。对于声学黑洞阵列和阻尼减振的设计具有一定参考价值。     

约束阻尼对二维声学黑洞薄板减振特性的影响

声学黑洞（Acoustic Black Holes,ABH）以结构厚度的幂律变化实现弹性波的汇聚,结合阻尼层能较好地抑制结构振动。为进一步实现结构的低频振动控制,将声学黑洞与约束阻尼复合,建立附加约束阻尼的二维声学黑洞薄板模型,采用数值方法计算加速度响应与结构损耗因子,研究二维声学黑洞板附加约束阻尼后的减振特性,并通过二维声学黑洞薄板振动试验开展验证,最后探究约束层材料、厚度及约束阻尼半径对声学黑洞板低频减振性能的影响规律。结果表明：相比于附加自由阻尼,约束阻尼使声学黑洞薄板在第一阶共振峰处的加速度导纳降低12.61 dB;当约束层厚度为截断厚度的2倍左右时,薄板整体可以达到较佳的减振效果。研究可为声学黑洞薄板结构的低频减振应用提供重要参考。     

周期分布不规则体对弹性波的二维散射

建立了一种基于均布线载动力格林函数的周期间接边界元方法(PIBEM),进而研究了全空间中周期分布不规则体对弹性波的散射问题。方法利用平面波入射下,各不规则体周围波场频域内仅相差一个相位的特征,仅需针对其中一个不规则体进行离散和求解,即可求得问题的解;相对于选取有限多个不规则体进行近似求解的方法,该方法具有较高精度的同时,最大限度的降低了求解自由度;在对方法正确性验证的基础上,以全空间中空洞和加塞两种模型为例开展了数值计算分析,重点探讨了空洞形状、空洞间距和加塞刚度等参数对减振效应的影响。数值分析结果表明:周期分布空洞与多个空洞的位移幅值具有差异,且频率低时差异更为显著;三种形状空洞中,周期分布圆形空洞减振效果最佳,周期分布三角形空洞减振效果最差;周期分布加塞与周期分布空洞减振原理不同,加塞通过消耗地震波的能量减振,而空洞通过阻隔地震波减振;周期分布软加塞的消能减振效果优于周期分布硬加塞。     

基于有限元的能量流分析方法研究

区别于传统的统计能量分析,通过对有限元方法计算结果的后处理也可进行能量流分析。为提高计算效率,分析过程中对某些与频率相关的积分进行了推导简化。在此基础上,以Matlab为平台编写了相关计算程序。而后,对具体算例进行基于有限元的能量流分析并与统计能量分析的结果进行比较。最后,基于此算例进一步对基于有限元的能量流分析方法进行改进并对相应的计算程序进行优化提高计算效率。     

声振系统中高频能量流分析法研究进展

能量流分析法是预测声振系统中高频动力响应的一种有效手段,该方法引入的假设条件较少,并可基于声振系统的几何模型计算随空间变化的稳态动力响应,应用上具有很大的优点。本文首先回顾了不同结构件（包括杆、梁、板及复合结构）各种波场的能量微分方程及其理论基础的发展过程,然后,针对不同类型的声振系统耦合形式,包括结构/结构耦合,结构/流体耦合及其它耦合情况,说明了基于能量流分析的耦合问题处理方法的发展,最后,说明了计算随机激励下声振系统响应的随机能量流分析法的相关研究,以及其与经典统计能量分析法间理论关系研究的进展情况。     

基于高斯展开法的周期声学黑洞宽频能量回收特性研究EI北大核心CSCD

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是遵循幂变规律对梁或薄板结构的厚度进行剪裁,使弯曲波在结构尖端波速降至为零而无法发生反射的现象,从而能够在结构末端实现能量的聚集与高效回收。针对单一声学黑洞结构在实现峰值回收时对外界激励频率敏感的问题,提出基于周期声学黑洞的宽频压电能量回收系统。首先,基于高斯展开法,建立了耦合压电层的声学黑洞压电俘能半解析模型,并在频域范围内结合能带理论分析了周期数、幂指数、中心截断厚度以及黑洞半径对能量回收特性的影响;最后,通过压电能量回收试验,验证了周期声学黑洞对于实现宽频能量回收的有效性。研究结果表明:声学黑洞的各结构参数会通过影响峰值个数、峰值区间长度以及能带结构等因素,对系统的输出功率以及采集效率产生影响。分析结果对实现周期声学黑洞梁的宽频能量回收优化设计具有重要的参考价值。     

平面周期管系对轴向波与弯曲波的隔离特性

管路的振动小仅造成噪声污染,而且造成机器设备的损坏.将声子晶体布拉格带隙原理引入到管壁的结构设计中,将管壁设计成沿轴向交替排列的周期复合结构,采用传递矩阵法,计算此周期弯管中轴向波及弯曲波的传输特性,同时用MSC有限元软件验证了传递矩阵法计算的正确性.研究表明平面周期管路存在弯曲振动、轴向振动带隙特性,在带隙频率范围内,对相应的振动波传播具有很强的衰减作用.进一步,研究材料阻尼比对管路振动特性的影响.     

基于声学黑洞的复合隔声结构声学特性研究及试验

声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)能够实现声波的聚集,通过粘贴阻尼层将其聚集的能量耗散,可有效降低声学黑洞复合结构的振动和声波的传递。针对中低频段噪声,设计了声学黑洞复合隔声结构,建立了其隔声量计算模型。研究了声学黑洞复合隔声结构的黑洞数量、黏弹性阻尼层、声学黑洞半径等参数对隔声性能的影响。研究结果表明：在160~1 000 Hz频率范围内,ABH能明显增加复合隔声结构的隔声性能,其传递损失在1/3倍频程内增加了1.9 dB。文中的研究结果为复合隔声结构的设计提供了借鉴。     

超声治疗中耦合液对声聚焦影响的研究

本文推导了凹球面聚焦换能器产生的声波经耦合液进入软组织后的声场计算公式，并对不同耦合液，耦合层厚度，温度对声聚焦的影响进行了研究，得到一一些对超声热疗具有指导意义的结果。     

Discontinuous Galerkin methods with plane waves for the displacement‐based acoustic equation

Several special finite element methods have been proposed to solve Helmholtz problems in the mid‐frequency regime, such as the Partition of Unity Method, the Ultra Weak Variational Formulation and the Discontinuous Enrichment Method. The first main purpose of this paper is to present a discontinuous Galerkin method with plane waves (which is a variant of the Discontinuous Enrichment Method) to solve the displacement‐based acoustic equation. The use of the displacement variable is often necessary in the context of fluid–structure interactions. A well‐known issue with this model is the presence of spurious vortical modes when one uses standard finite elements such as Lagrange elements. This problem, also known as the locking phenomenon, is observed with several other vector based equations such as incompressible elasticity and electromagnetism. So this paper also aims at assessing if the special finite element methods suffer from the locking phenomenon in the context of the displacement acoustic equation. The discontinuous Galerkin method presented in this paper is shown to be very accurate and stable, i.e. no spurious modes are observed. The optimal choice of the various parameters are discussed with regards to numerical accuracy and conditioning. Some interesting properties of the mixed displacement–pressure formulation are also presented. Furthermore, the use of the Partition of Unity Method is also presented, but it is found that spurious vortical modes may appear with this method. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于有限元法的水声构件声性能预报

对水声构件的声性能进行有限元仿真研究,是因为水声构件的声性能不仅由材料本身的物理参数所决定,而且与其内部空腔形状与分布有关。通过反射波与入射波形成的驻波场声压可以直接计算出水声构件的吸声系数。对多种样品进行仿真与测量,两者结果较为一致。该法不受模型结构复杂性的限制,具有费时少、精度高的特点,为消声瓦等水声构件的声性能预报提供了保证。是预报水声构件声性能的一种便捷工具。     

声流条件下超声空化气泡分布研究

研究了频率为20 kHz的超声作用在圆柱形料腔中出现声流现象时超声空化效应的空间分布特性。结合大振幅声源条件下的声辐射力,对声场内的声流现象进行了仿真分析,获取了不同超声功率和液位高度下的声流速度场分布,初步探究了声流条件下空化气泡的运动分布规律。采用超声空化效应的声致化学发光实验,对比研究了有、无声流条件时超声空化效应的空间分布特性。结果表明：功放电流高于80 mA(电功率为17.6 W)时,超声场可形成稳定的声致流动现象且可有效提高其声能辐射效率,大大增加了空化效应的作用区域,进而提高了声化学反应效率;声流条件下料腔内超声空化效应的分布区域与超声功率(振幅)、料腔液位高度相关,功放电流从40 mA(电功率为8.8 W)增加至120 mA(电功率为26.4 W)时,空化面积占比提高了100.86%,液位高度为60 mm时的空化面积占比较50 mm和70 mm时分别提高了13.11%和73.91%,提高超声功率及选择合理的料腔液位高度,可有效提高空化气泡扩散距离,增大空化分布面积;对于固定形状及尺寸料腔中的声场,声流速度达到一定阈值时,会出现空化效应增强,空化效应增强区域位于大于声流速...     

声学黑洞吸声体结构吸声性能的实验研究

通过在圆管内部布置圆环,使得管道的有效导纳沿轴向逐渐增大,从而实现管道的声学黑洞效应,即声波传播时声速逐渐减小至 0,不发生反射的现象,进而使声学黑洞吸声体成为宽带吸声结构。首先对声学黑洞吸声体的吸声性能进行理论分析,随后设计了不同尺寸的声学黑洞吸声体结构,通过实验研究声学黑洞吸声体物理参数对吸声性能的影响。实验结果表明,当圆环数量大于 20 时,声学黑洞吸声体结构能实现宽带吸声。当圆环数量相同时,有效吸声频带随着管道长度的增大向低频移动;当管道长度相同时,吸声性能随着圆环数量的增加而提高。     

声学隐身层结构对隐身性能的影响

声学隐身层结构对隐身性能有重要的影响。对不同结构的声学隐身层的声场分布和散射截面进行了计算和对比分析。结果表明,声学隐身层的总厚度、层数和层厚分布对隐身性能都有不同程度的影响。当层厚确定时,总厚度越大,隐身性能越好;当总厚度确定时,层数越多,隐身性能越好;当总厚度和层数都确定时,层厚分布从内层向外层逐渐减小的隐身层比层厚分布均匀和层厚从内层向外层逐渐增大的隐身层的隐身性能更好。计算和分析结果对声学隐身层的设计和应用具有一定的参考价值。     

气介式功率超声复合换能器的声辐射特性研究

本文对气介式功率超声复合换能器的辐射声场进行了理论计算并与实验结果进行了对比。该复合换能器由夹心式纵向振动半波长换能器及弯曲振动的薄圆盘组成。从理论上推出了弯曲振动辐射圆盘在不同边界条件下的辐射声场分布及其共振频率方程。理论分析结果表明,固定边界弯曲振动圆盘辐射声场的指向性最佳,并且指向性的理论计算结果与实验结果符合很好。     

声波作用下的单圆柱绕流及传热特性数值研究

为了研究声波对单圆柱绕流流动和传热特性的影响,建立了流场、声场、对流传热多物理场耦合的二维数学模型,并利用有限元软件COMSOL进行数值模拟。结果表明:(1)当频率f=50 Hz、声压级L_SP=123～149 d B时,斯特劳哈尔数Sr随声压级增大而减小,圆柱表面压力系数C_P随声压级增大而增大;(2) L_SP=143 d B、f=20～80 Hz时,斯特劳哈尔数Sr、压力系数C_P均随频率f增大而增大;(3)对比f=50 Hz、L_SP=143 d B声波作用与无声波作用的情况,阻力系数C_DF和升力系数C_DL都呈周期性变化,但有声波作用时振幅增大;(4)声波作用会促进圆柱表面热量传递,但当L_SP>143 d B,圆柱表面局部努塞尔数Nu_θ开始减小。该研究结果为强化圆柱绕流传热提供了理论研究基础。     

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。