双凹面聚焦超声波场中悬浮粒子操控原理与实验仿真

为提高聚焦超声波场的悬浮能力以及拓宽悬浮粒子的移动区域, 研究了超声波场中声压大小的计算公式以及凹球面阵列中阵元的延迟时间与聚焦点位置的关系式, 并运用COMSOL多物理场软件进行仿真验证. 通过搭建双凹球面超声波阵列悬浮装置, 控制发射极信号相位实现了悬浮粒子在竖直方向上的移动, 实验中粒子的运动轨迹与仿真结果有较好的一致性. 结果表明:双凹球面超声波阵列声场声压更强、聚焦性更好, 且可通过对阵元相位信号的控制实现悬浮粒子在二维平面的移动.     

双侧激励源对热声制冷谐振腔内声场分布的影响

超声磁致伸缩换能器作为热声制冷机的激励元件,其输出声场强度直接影响热声制冷的效率。为提高谐振腔内直观的声压幅值,在单侧磁致伸缩换能器激励的基础上,集合声波相干理论,应用有限元软件ATILA模拟了双侧激励情况下,不同长度谐振腔与激励相位的匹配关系对谐振腔内声压幅值的影响,并与单侧激励谐振腔内声压幅值做比较。研究结果表明:相同激励力情况下,双侧激励(170 mm受同相激励,340 mm受反相激励)谐振腔内产生的平面驻波声场更加稳定、单色性好、声压幅值是单侧激励的1.78(半波长谐振腔)/1.81倍(一个波长谐振腔),均接近于2倍关系。以上研究成果对双侧激励源的相位与谐振腔长度的匹配工作提供了实验依据。     

聚合物超声塑化过程中声场模拟与实验研究

针对聚合物超声塑化过程中的超声声场分布问题,采用仿真与实验相结合的方法进行研究。基于多元高斯声束叠加理论,仿真研究聚合物超声塑化过程中的声场分布。通过自行设计制造的聚合物超声塑化检测装置,研究塑化过程中聚合物轴线处的声压分布规律。研究结果表明:实际超声声压在离工具头距离约1.5 mm处作用最强,约达1.8 MPa,其后随距离的增大而逐渐递减;在近场区,实际声压幅值不存在仿真中剧烈波动的情形,声压幅值相对稳定,在远场区,实际声压幅值接近仿真值;固态聚合物所受超声声压较大,聚合物熔融后,声压幅值降低,实际声压因受反射、透射以及衰减的影响小于仿真值。     

基于开孔球面高强度聚焦超声阵列的相控精度设计

研究了超声换能器阵列驱动信号的相位调控精度对阵列聚焦声场的影响.基于开孔球面高强度聚焦超声(HIFU)阵列,提出了一种阵列驱动信号的5位量化精度相控方案,解决了相控HIFU治疗系统中驱动信号相位的非连续性调控问题.仿真结果表明,此种相控方案既使阵列声场保持了高声强的聚焦点,又维持了原有的栅瓣抑制能力,从而为相控HIFU阵列驱动系统的设计提供了可靠依据.     

换能器阵列型超声抛光机理及声场仿真和实验研究

为了提高工件表面抛光质量和抛光效率,对传统非接触式超声振动抛光进行了改进,将单个换能器换成换能器阵列,同时加入料筐的旋转运动,设计了实验样机。分析了超声抛光的材料去除机理,推导出单颗磨粒去除材料体积和磨粒振动速度的表达式。利用COMSOL对样机抛光槽内液体进行声场仿真,研究了换能器个数、换能器布置间距、换能器输入电压对抛光液声场分布的影响,优化了抛光槽底部换能器的布置方式,仿真结果显示,换能器个数为4个、布置间距为55mm时,抛光槽中心区域声压分布更加均匀。实验探究了样机料筐转速、抛光时间、换能器输入电压对工件表面抛光质量的影响规律,确定了工件表面抛光效果最佳时的工艺参数组合,结果表明:料筐转速为50r/min、抛光时间为80min、换能器输入电压为150V时,抛光效果最好,此时工件表面粗糙度减小量为0.019μm,表面粗糙度变化率为33.33%。     

声压加权法在平面相控阵声聚焦控制中的应用

通过对被控点声压进行幅值和相位补偿,得到了一个简化的声压加权公式.应用该公式预设被控点声压值,结合改进的伪逆矩阵算法得到振源的振幅和相位.基于该合成模式,设计了一个由10×10个小正方形阵元构成的平面相控阵,并对多焦点声场的合成进行了数值仿真.结果表明,该方法可提高声能在目标点的沉积能力,具有较高的声场合成效率,为超声热疗中声聚焦控制提供了一条有效的途径.     

二维超声阵列换能器声束控制技术的仿真研究

超声波束特性直接影响超声图像的清晰度和对比度。二维超声换能器阵列结构岛数字声束控制技术相结合,是现代超声成像系统发展的重要方向。以二维平面矩形超声换能器阵列和二维圆环超声换能器阵列为对象,利甩仿真实验分别测试幕声束聚焦、声束激励、幅度变迹等技术对声束的控制性能。结果表明,灵活的声束控制技术组合可似有效提高二维超声换能器阵列的声束性能,突出声束主瓣,降低旁瓣与栅瓣的影响。     

容器形状对液体内声波的影响

在考虑液体介质的黏热性以及非线性的基础上,结合容器形状对液体传声特性的影响,推导并得到了包含容器形状因素在内的一维声传播方程,同时利用频域展开和数值分析方法,探讨了不同形状容器中介质内声场分布.设容器具有轴对称性,其形状有圆柱、锥状和指数形.数值计算结果表明,在同样的声激励条件下,容器形状影响介质内声压幅值大小和分布,而声源位于指数形容器大端时影响更为明显.不同形状的容器中液体内的声波均具有非线性驻波特征.     

声场中气泡界面稳定性研究

声致空化广泛应用于表面清洁、生物成像和材料合成等领域,气泡的界面稳定性对空化作用效果有重要影响.考虑液体黏性和表面张力的影响,采用扰动法获得气泡径向运动控制方程的解析解,建立单/双频激振声场中气泡界面稳定性预测模型并求解,获得气泡振荡的临界半径.当气泡初始平衡半径小于临界半径时,气泡界面保持稳定;大于临界半径时,气泡界面失稳.在单频激振声场中,低频激振下气泡界面失稳的低阶临界半径在其共振半径附近,高阶临界半径不受频率影响,与同阶的高频激振下临界半径相当,给出了不同激振幅值下高低频的临界频率值.在双频激振声场中,分3种情况（即双低频激振、高频+低频激振和双高频激振）讨论声场中关键参数（即激振频率、振幅分配比和总的声压幅值）对气泡界面失稳临界半径的影响.     

焦距可调的超声聚焦换能器研究

动态聚焦超声换能器，由６个不同面积、等间距、等宽度的同心圆环和中心圆片组成的平面换能器作为声发射基阵，通过改变辐射孔径和每个辐射圆环的电激励信号延迟时间，实现动态聚焦；同时，保证各聚焦处声强一致．作者利用声辐射原理和傅里叶光学变换，推导出聚焦声场声压分布表达式，设计出换能器的具体结构参数．结果表明，该系统聚焦范围大，在７７～１５７ｍｍ之间分６档可调．聚焦换能器近场声束较宽，不同聚焦处波束宽度在４．９～３．０ｍｍ范围内变化．通过计算机模拟仿真，取得和理论设计要求一致的结果．     

F波段液晶反射移相单元的研究

文章设计了一种工作在F波段的单偶极子液晶反射移相阵列,液晶反射移相阵列由多个单偶极子谐振结构单元、液晶、石英板和金属铜组成。首先通过电磁仿真软件,基于等效介电常数模型对单偶极子液晶反射移相阵列的单元进行设计,分析了液晶材料的不均匀性和各向异性,建立了精准的仿真模型,对液晶反射移相阵列的单元进行分析,最后对实际制作的单偶极子液晶反射移相阵列进行了测试,测试结果显示加载20V偏置电压可以在102GHz附近实现190°以上的相移。     

船用齿轮箱多体动力学仿真及声振耦合分析

基于多体系统动力学理论,综合考虑齿轮副时变啮合刚度、齿侧间隙、轴承支撑刚度等内部激励以及螺旋桨外部激励,建立了含传动系统及结构系统的船用齿轮装置多刚体系统动力学模型,计算了齿轮副动态啮合力及轴承支反力;对齿轮箱及支座进行柔性化处理,形成多柔体系统动力学模型,采用模态叠加法计算了箱体表面的动态响应.而后以多体动力学分析所得的轴承支反力频域历程为边界条件,建立了箱体声振强耦合分析模型,预估了齿轮箱表面声压及外声场辐射噪声.结果表明,齿轮副动态啮合力、轴承支反力以及箱体动态响应频域曲线的峰值均出现在齿轮副的啮合频率及其倍频处;仿真所得的箱体振动加速度及外声场辐射噪声与齿轮箱振动噪声试验台架实测结果吻合良好.     

FDTD法计算刚性球形粒子离轴声辐射力

为了更精确、简便计算物体的声辐射力,应用时域有限差分算法对声波波动方程在时间和空间上进行差分离散化,通过设置有效的边界条件,完成声压场和速度场在时域上的迭代。将时域有限差分法与应力张量方程相结合,求出了二维情况下水中刚性球形粒子的声辐射力,研究了声辐射力随频率和粒子偏离高斯波束中心距离的变化关系。仿真结果表明,刚性球形粒子在高斯声场中的声辐射力随着粒子轴向偏离波束中心距离的增大而减小。当刚性球形粒子偏离波束轴时,轴向声辐射力与轴向、横向的偏移距离成反比。横向声辐射力随横向偏移距离的增加先增大后减小,在偏移波束中心两侧的距离相同时,辐射力的大小相等,方向相反。     

艉轴密封装置Ω弹簧组的多参数优化设计

Ω弹簧组作为艉轴密封装置的重要组成部件,其结构补偿能力直接影响艉轴密封装置的密封效果.基于零阶算法,以单片弹簧的特征厚度、宽度、中圆半径和顶圆半径为设计变量,对Ω弹簧组进行多参数优化分析.通过有限元优化设计,分析求解Ω弹簧组各设计参数的响应以及径向刚度的最优解,优化后的刚度值比优化前的增加了11.5%.并对优化前后的Ω弹簧组分别进行谐响应分析,验证了Ω弹簧组径向刚度的优化设计对改变Ω弹簧组频率补偿能力的有效性,进而改善其结构补偿能力.     

一种应用于单电感双输出降压型数字直流-直流变换器的双模PID补偿器

设计了一种应用于单电感双输出降压型数字直流-直流变换器的新型双模PID补偿器,该PID补偿器基于数字重设计方法实现,同时针对数字PID的非理想效应作出改进,优化了负载发生连续剧烈跳变时的动态响应特性.所提出的双模PID算法,已通过Virtuoso仿真验证,相对于没有采用双模控制方式的PID,输出电压下冲减小60%,恢复时间缩短50%.该补偿器已成功应用于输入5V,输出1.2V/2.5V,开关频率4MHz的单电感双输出降压型数字直流-直流变换器.     

连霍高速宝天段噪声监测及优化建议

以连霍高速宝天段为研究对象,监测分析现有声屏障保护下沿线19个噪声敏感点噪声影响现状,结果显示昼间和夜间噪声差值最大为9.8dB,最小为3.9dB,平均昼夜声压值差为6.7dB;单因子指数昼间19个噪声敏感点中5%达到1.0,37%达到0.9,3所学校噪声污染指数分别为0.8、0.8、0.9,夜间16个噪声敏感点中31%达到1.0,79%达到0.9,夜间噪声影响更为突出。并根据pcu与dB关系、敏感点距路中心线距离和路基高差,针对性地提出种植降噪绿化带、加高及改进声屏障类型等降噪措施。     

连霍高速宝天段噪声监测及优化建议

以连霍高速宝天段为研究对象,监测分析现有声屏障保护下沿线19个噪声敏感点噪声影响现状,结果显示昼间和夜间噪声差值最大为9.8dB,最小为3.9dB,平均昼夜声压值差为6.7dB;单因子指数昼间19个噪声敏感点中5%达到1.0,37%达到0.9,3所学校噪声污染指数分别为0.8、0.8、0.9,夜间16个噪声敏感点中31%达到1.0,79%达到0.9,夜间噪声影响更为突出。并根据pcu与dB关系、敏感点距路中心线距离和路基高差,针对性地提出种植降噪绿化带、加高及改进声屏障类型等降噪措施。
     

ZnO/SnO_2核壳结构染料敏化太阳能电池性能研究

文章采用水热/溶剂热法分别合成一维ZnO纳米线阵列及均匀SnO2纳米颗粒,再通过旋涂法合成了ZnO纳米线/SnO2纳米颗粒核壳复合纳米结构。在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中,与单一结构的ZnO纳米阵列或SnO2纳米颗粒光阳极相比,所合成的新型复合纳米结构的光阳极能有效地提高光电性能,短路电流、开路电压及转化效率分别为2.93mA/cm2、0.64V、0.74%。入射光光电转换效率(IPCE)、强度调制光电流谱(IMPS)及强度调制光电压谱(IMVS)的测试结果表明:SnO2纳米颗粒包裹层能增加比表面积,有利于染料的吸附;能有效地抑制ZnO与电解液界面的电子复合,提高了电子寿命。     

径向极化压电圆管超声换能器的数值模拟

应用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对径向极化压电圆管超声换能器进行了有限元数值模拟.首先,对压电圆管的前三阶振动模态以及一阶谐振频率与圆管尺寸、激励电压的变化关系进行了模拟分析.然后,对径向极化压电圆管在无介质和介质分别为空气、水时的导纳曲线进行了模拟分析,并且模拟了压电圆管在空气和水中的超声场分布.仿真结果表明,压电圆管的一阶谐振频率与圆管尺寸存在特定的变化关系,与激励电压的大小无关;压电圆管在空气和水中的导纳曲线由于空气和水的特性阻抗不同而不同,空气对压电圆管的影响几乎可以忽略,而水对压电圆管的影响较大.最后,利用精密阻抗分析仪对所制作的径向极化压电圆管超声换能器的导纳曲线进行了测试,并与数值模拟结果进行对比.结果表明,实验测试结果和数值模拟结果基本吻合,验证了数值模拟的可靠性,可为径向极化压电圆管超声换能器的设计提供指导.     

基于模糊-内模双环控制的船岸并网系统

针对靠港船舶与岸电装置并网失电、并网电压跌落、频率不稳定以及并网环路电流大等问题,提出了一种基于下垂原理的外环模糊控制与内环内模控制相结合的逆变器的船岸并网系统,实现靠港船舶与岸电的柔性并网,即并网冲击可控、负载平稳转移,保证负荷不断电情况下实现平滑切换。对船岸并网系统整体过程进行设计与仿真：整流侧使用三相PWM闭环控制;逆变环节采用基于下垂原理的模糊PI电压外环、内模电容电流内环的双环控制结构;船舶供电系统采用同步发电机模型。仿真结果表明：直流侧电压输出稳定并可调,高低压上船方式可调范围分别为500~1000V、1200~2000V;并网电流谐波含量分别为0.35%、0.40%;并网电压幅值、频率稳定且实现负荷平稳转移。