一种具有宽频效应的声学超构材料

通过周期性排布具有不同谐振频率的亥姆霍兹共振器,构建了一种宽频带负体弹模量的声学超构材料.首先基于局域共振理论和有效媒质理论,阐述了负有效体弹模量产生的机理并给出了理论表达式,然后利用有限元仿真得到了该超构材料的透反射系数,并用提取参数法计算了有效体弹模量.结果表明,设计的超构材料在673~1 245 Hz的宽频范围内实现了负有效体弹模量.这种设计思路为构建宽频带负声学参数超构材料提供了一种新途径.     

二维声学超材料透镜的设计与实验

基于等效媒质理论提出了一种由新型声学超材料设计的渐变折射率透镜.根据电磁学与声学基本参数存在的类比关系,参照电磁人工材料设计中提取单元结构的等效电导率和等效磁导率的方法,分别提取单元结构的等效弹性模量和等效质量密度,并进一步求得其等效相对阻抗和等效折射率,对设计的透镜进行有限元数值仿真在宽频范围内得到了与实验一致的偏折角度.该透镜由光敏树脂3D打印制成,与传统透镜相比,它具有尺寸小、设计简单、精度高,重量轻等特点.仿真结果和测试结果吻合较好,进一步验证了声电类比设计方法的可行性,为设计宽频带新型声学参数人工材料提供了一种新途径.     

基于固体软板与空心圆柱双负声超常材料实现

在环氧树脂软板中周期性引入钢柱,利用其表面模集体共振激发,实现了负的有效质量密度响应.在空心钢柱周期性切缝构造亥姆赫兹共振腔结构,实现了负的体模量响应.复合以上2种结构,实现了质量密度和体模量同时为负的双负声超常材料.与现有的基于三维共振单元的双负材料相比,这种基于二维共振单元的双负超常材料结构更简单,易于制备.     

模型参数对开口空心球超材料透射行为的影响

为了探究模型参数对开口空心球(Split Hollow Spheres,SHS)超材料声学透射行为的作用机理,采用声学有限元方法(FEM)模拟了SHS超材料结构单元,计算球壳材料杨氏模量、泊松比、密度以及环境温度和气体密度等模型参数发生变化时的声透射谱,并推导出相应结构单元的等效模量值,最后将各参数对透射谱和等效模量的影响进行比较。结果表明:当SHS球壳材料的杨氏模量增大到2×10~8Pa时,声透射谱中阻带峰值和负等效模量频带同时向高频方向移动,透射阻带宽度保持不变;球壳材料的泊松比和密度对透射阻带和负等效模量频带无明显影响;当环境温度逐渐升高时,阻带峰值和负等效模量频带同时向高频方向移动,透射阻带宽度保持不变;当气体密度逐渐增大时,阻带峰值向低频方向移动且幅值变小,透射阻带宽度变窄,同时负等效模量频带向低频方向移动且幅值变小。研究发现,在球壳的材料参数和环境因素中杨氏模量、温度和气体介质的密度对SHS结构单元透射行为的影响尤为突出。     

热声热机谐振管截止频率选择机理

通过波导管理论的推导，对热声热机中谐振管的截止频率选择机理进行研究，导出谐振管中传播一维平面波的频率传播范围，阐述热声热机谐振管中一维平面波的传播机理，即谐振管截止频率选择的理论依据。理论研究结果表明：对于同样等效直径的矩形谐振管，其截止频率远大于圆形谐振波导管的截止频率；对于等效半径为2mm的微型热声制冷机的谐振管，当声速为343m／s时，谐振管的截止频率为50248Hz，实际的工作频率5500Hz，远小于谐振管的截止频率；在热声热机谐振波导管中只存在一维平面波传播，有利于合理布置热声热机的其他部件，达到优化热声热机的目的。     

热声谐振管的实验研究

以氮气为工质进行了热声谐振管的自激振荡实验 ,通过实验对热声谐振管的起振温度差、自激振荡频率和压力振幅进行了研究 ,研究结果表明 ,热声谐振管的自激振荡频率随着驻波管长度的增加而减小 ,当驻波管长为 2 .2 7m时 ,振荡频率为 65.8Hz;当驻波管长为 3 .77m时 ,振荡频率为 4 2 .1 Hz;热声谐振管的振幅随着回热器两端温度差的增加而增加 ,实验中达到的最大压力振幅为充气压力的 4 .95% ;回热器两端的起振温度差受到充气压力的影响 ,实验中当充气压力为 4× 1 0 5Pa时起振温度差最小 .     

含对称三角形腔的波导管中宽带低频隔声效应（英文）

研究一种含两个对称三角形腔的波导管中宽频带低频隔声效应.波导管的隔声频带下限与带宽分别可达到140Hz和2900Hz,且所调控声波最大波长是三角形腔的尺寸13.6倍.这种隔声效应源于三角形腔截面积与波导管宽度的差异而引起的交界面上的高声反射率.在此基础上,研究波导管的结构参数(如波导管的宽度、三角形腔的底边长度与高度)及不同类型的腔(Helmholtz腔、矩形腔与直角三角形腔)对低频隔声效果的影响.结果表明,三角形腔的截面积和波导管宽度的差异与低频隔声效果密切相关.此外,由于对结构的本征模式的抑制作用,直角三角形腔所对应的低频隔声频带最宽.所提出的结构具有高隔声、宽频带、结构简单易实现等优点,在声学领域具着一定的潜在应用价值.     

逆楞次定律效应的发现与验证

提出了一种工作在超低频段表现出逆楞次定律效应的结构,该结构由高磁导率材料和串联谐振回路组成。当输入频率f大于谐振频率f0时,此结构表现出等效负磁导率特性;当输入频率f0小于谐振频率￡时,此结构表现出逆楞次定律效应。基于电磁感应定律的理论分析与实验的验证结果一致。该结构等价于宏观的电磁超材料单元,其超低频、逆楞次定律效应将在新型高效变压器设计、超低频输供电等领域获得广泛应用。     

基于集总电阻的超宽频带超材料吸波体设计

设计了基于集总电阻的超宽频带微波超材料吸波体,并通过仿真和实验进行了验证.依据等效媒质理论,通过S参数反演法计算了加载集总电阻的超材料吸波体结构等效电磁参数.结果表明:复合结构吸波体超宽频强吸收特性源于良好的阻抗匹配以及电谐振和磁谐振.此外,设计的复合超材料吸波体具有极化不敏感和宽角度吸收特性.最后,通过实验测试得到的复合超材料吸波体吸收率大于85%的相对带宽达到130.2%.设计的超宽频带吸波体将在电磁能量捕获和隐身领域具有广阔的应用前景.     

逆楞次定律效应的发现与验证(修订版)

提出了一种工作在超低频段表现出逆楞次定律效应的结构,该结构由高磁导率材料和串联谐振回路组成。当工作频率f大于谐振频率f0时,此结构表现出等效负磁导率效应;当工作频率f小于谐振频率f0时,此结构表现出逆楞次定律效应。基于电磁感应定律的理论分析与实验的验证结果一致。该结构等价于宏观的电磁超材料单元,其超低频、逆楞次定律效应将在新型高效变压器设计、超低频输供电等领域获得广泛应用。     

密度为零的零折射率声学超材料研究

以普通波导管内部嵌入弹性薄膜为基本单元结构,构造了零折射率声学超材料.研究表明,在频率为fm=453.64Hz时能实现等效质量密度为零的零折射率超材料.在零折射率超材料两端接上截面积较大的普通波导管构造了复合零折射率超材料,利用声传输线理论和声阻抗匹配理论,分析了该复合超材料中能量传输和轴向声压分布情况.理论和仿真结果表明:尽管在零折射率超材料与普通波导管之间存在极大的几何不匹配,系统在输入声波频率为fm和Fabry-Pérot(FP)共振频率时能实现声波完全传输,且在频率fm处具有相位超耦合和传输增强等特性.除此之外,当改变复合超材料中零折射率超材料的长度D和弯曲角度θ时,发现其在频率为fm时所具有的特性不变,而FP共振频率的大小会随零折射率超材料长度的变化而改变.     

低噪声宽带宽感应式磁传感器

在大深度测量时,由于传统空心线圈传感器自身空心线圈和差分放大器部分引入了噪声,致使感应式磁传感器探测灵敏度降低,无法满足地质探测深度的需要。针对此问题,通过理论分析空心线圈磁传感器中空心线圈的物理结构和前置放大电路的机理,研究引入噪声的主要来源,建立基于结型场效应晶体管(JFET)的感应式磁传感器等效模型,提出一种低噪声宽带宽空心线圈磁传感器。同时,分析该模型下差分放大器的频域特性,给出磁传感器输入噪声的仿真结果。在屏蔽室内和野外试验对所研制的磁传感器性能进行测试。研究结果表明:该磁传感器的3 d B响应带宽达到42.3 k Hz,相比于磁传感器3D-3响应带宽增加了1倍。在输入噪声水平方面,其输入噪声在频率为10 k Hz时为1.97 n V/Hz1/2,较磁传感器3D-3信噪比提高了10.04 d B,为感应式磁传感器在实际项目应用提供了可靠的性能保障。     

基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜

声学超材料,是一种用于操纵声波的人工声学结构,具有诸多自然界所不具备的超常物理性质.不同于早期的局域共振声学单元结构,基于希尔伯特分形曲线提出了一种具有低损耗、高折射率的分形声学超材料,给出了分形结构声学单元的进化过程,并运用等效媒质理论,提取了具有亚波长的分形超材料单元的相对折射率、相对阻抗、等效密度及等效模量等材料参数.由于分形结构具有的自相似性和空间折叠特性,所提出的分形超材料具有宽带工作频率响应,为众多应用场合比如声超分辨率成像及声隧穿效应器件提供了候选材料.为检验分形声学超材料特性,应用分形声学超材料设计了梯度折射率分布的声聚焦透镜,并由固体方块阵列仿真对比、实验测量、以及点声源入射等三种手段验证了分形声学超材料参数特性及其聚焦透镜在2~5kHz宽频带内良好的聚焦能力.     

谐振管对开口式热声发生器声学性能的影响研究

在传递矩阵模型中引入开口端非线性耗散模型对开口式行波热声发生器理论建模，得到了开口端阻抗实部、开口处体积流率及受末端几何形状影响的压力损失系数之间的关系．对系统谐振频率、内部压力幅值和出口外1 m处声压级的声学特性参数进行了理论分析，并对不同谐振管尺寸和不同锥管锥度进行了实验研究．分析讨论了谐振管长度和直径对系统谐振频率的影响，结果表明：理论模型可以反映谐振管尺寸对谐振频率的影响，计算值与实验值的误差小于5%．锥管可以有效减小开口端的能量损耗，进而显著提高热声装置内部的压力幅值和出口外1 m处声压级，在谐振管直径为46 mm、长度为730 mm及40°锥管情况下，出口外1 m处声压级可以达到110.2 dB.     

一种测量高分子材料低频声学性能的混合方法

介绍了一种基于动态黏弹谱特性测量橡胶等高分子材料低频声学参数的混合方法．首先利用动态黏弹仪测量材料的低频（〈100Hz）动态力学参数,按照时温等效原理将获得的参数拓展到声学关注的频段（100Hz～10kHz）,再辅以声学测量与反演手段得到材料的声学参数．采用该方法对一种异戊橡胶材料进行了测量,并把测量结果用于该材料样品在声管中所构成的分层介质模型的仿真计算,得到的吸声系数计算值与声管实测值一致．     

行人动力学参数对大跨简支人行桥人致振动的影响分析

为研究行人动力学参数对大跨结构人致振动的影响,采用等效人体模型参数识别试验研究了人体模型的自振频率和阻尼比,编程求解了考虑人-结构竖向相互作用的人行桥人致振动方程,讨论了人体质量、人体刚度、人体阻尼及人行荷载等行人动力学参数对人行桥动力特性及人致振动响应的影响规律.结果表明,人行荷载模型中人体质量可取中国男性居民平均质量66.2 kg.等效人体模型的自振频率和阻尼比分别取为5.15 Hz和35.62%.人行荷载作用下,人行桥一阶瞬时频率先减小后增大,一阶瞬时阻尼比先增大后减小.随着人体质量或人体等效阻尼的减小,瞬时阻尼比和频率的变化幅度均有所减小,但随着人体等效刚度的减小,两者的变化幅度均有所增大.人行桥跨中均方根加速度响应随着人体质量或人体等效刚度的增大也相应增大,而人体等效阻尼对人行桥加速度响应的影响较小.采用不同人行荷载模型计算的人行桥均方根加速度最大值是最小值的1.83倍.     

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.     

双频段无线电能传输线圈的宽频建模

为了研究双频段磁耦合谐振式(MRC)无线电能传输(WPT)系统不同频段的传输性能,建立了双频段MRC-WPT线圈的宽频等效电路模型对其谐振频率进行计算和预测;并计算系统在不同频段的正向传输参数。首先测量双频补偿电路的阻抗频率特性,应用矢量匹配方法对测量所得的离散点进行有理数逼近,通过阻抗综合理论建立双频补偿电路的宽频等效模型;然后将其接入原始单频线圈的部分元等效电路构成双频段MRC-WPT线圈的宽频等效电路。最后,搭建了双频段MRCWPT系统的实验平台。结果表明了建模方法的正确性。     

基于广义谐振理论的输电线路中波无源干扰谐振频率预测

现有 IEEE（institute of electrical and electronics engineers）标准,目前只能明确0．5～1．7 MHz 有限频段的输电线路无源干扰谐振机理。为拓展输电线路无源干扰谐振的研究频率,引入广义谐振理论,提出了一种基于电磁场能量平衡的干扰谐振频率预测构想。将大尺度空间下输电线路铁塔阵列及天线等效为广义封闭系统,从而基于复坡印廷定理,推导了电磁开放系统广义谐振因子的表达式,求解得到的广义谐振因子零值点为无源干扰谐振频点。该方法由于避开了传统将铁塔等效为半波天线的局限,因此可以实现中波频段无源干扰谐振预测。采用 IEEE 标准算例进行验证,结果表明：1．7 MHz 频率以下,基于广义谐振理论的无源干扰谐振频率预测值和缩比模型实测值最大误差不超过±0．169 MHz。     

谐振频率下Terfenol-D/Pb(Zr,Ti)O3层状磁电复合材料的常温巨磁电容效应

研究了Terfe0no1-D(TDF)/Pb(Zr,Ti)O3(PZT)三明治结构的磁电容效应.由于磁-力-电耦合机制,PZT受由磁场引起的应力作用,产生磁电容.结果显示,在偏置磁场1 600Oe、谐振频率46.15kHz和160.00kHz处,最大负磁电容分别可达65%和85%,在非谐振频率处负磁电容仅为5%.