调制气流声源流场声场特性的实验研究

已有大功率调制气流声源的实验集中于声场的测量,但对与声场特性密切相关的声源内部流场的演化过程研究较少.本文设计了稳态流场粒子图像测速(PIV)实验系统和流动致声单点测试系统,并分别用于内流场稳态和瞬态流动特性的研究.稳态流场实验结果中,喉道内呈减速增压流动,外壁面流动分离和近壁面高低压区域交替成为高气窒压力下声源稳态流场的重要特征.流场扰动致声过程的测量数据表明,调制频率对内流场分布的变化有显著影响,强声波产生的频率相关性受气室压力、激励信号强度和声源几何参数等多种因素共同作用.气路系统的流动对调制部件的振动过程有一定影响.所测声源频率响应峰值位于0.5～1kHz.激励电流低于10 A时.声压级输出随着气室压力和激励信号强度的增加而增加.喷口出口和喉道入口宽度对于声源性能也有明显的影响.从提高声源输出声压级角度,实际应用中应根据加载激励信号选择合适的喷口参数使声源工作于满调制状态,同时适当减小喉道入口宽度.单频调制的声源产生过程伴有谐波分量,非均匀流动中传递压力扰动的强度随管道截面积的增大而降低.压力扰动量级和成分与所测量声信号间存在密切联系.     

基于激光衍射法的水下低频声源的深度探测

为了探测水下低频声源的深度,基于声光衍射效应及润湿效应建立了可升降的光学探测系统。实验中,在自然水面放置一个铝制圆柱体,由于润湿效应导致被测液体表面发生弯曲,从而使水下低频声信号传播到水-空界面产生液体表面波。当激光斜入射到液面时,表面波对其进行振幅和相位调制,实现低频声波的声光衍射,实验上可观察到清晰、稳定的衍射图样。结果发现:改变声源深度,可得到不同声源深度的衍射图样。理论上得到了经表面波调制后衍射光场分布的表达式,基于对衍射图样的分析,推导出表面波振幅的解析式。对不同深度下声源激发产生的表面波振幅进行数值拟合,得到表面波振幅与声源深度的解析关系式,发现表面波振幅随声源深度的增加而减小,从而实现了对声源深度的探测。     

旋笛式气动声源的声传播模拟及其计算结果分析

为探究旋笛式气动声源在气态介质中的传播规律,采用COMSOL Multiphysics软件研究半自由场中6.3 ～ 200 Hz频段内1/3倍频程下各频率声波的声场特征,并采用声级计与无人机对旋笛式气动声源的远场分布进行实地联合测量.结果 表明:声压级沿声源中轴线以指数形式衰减.当声波波长小于或接近于声源设备尺寸时,会...     

基于Multi-Agent信号峰频逆源技术研究

在储罐中为了识别到达传感器波的主要模式,开展了将Multi-Agent理论与声发射检测技术结合,并基于岩石中声波传播频散和衰减经验,推演出适用于储罐底板的声源峰频计算公式。通过多传感器线性阵列和圆形阵列声发射实验测试,频率推演能获得准确的源峰值频率值。通过反推声源峰值频率可以推断声源的特性,从而提高评价结果的准确性。与声源峰值频率真值相比,多阵列计算获得结果的误差要低于单阵列逆源结果,反映了Multi-Agent技术用于声源逆源的优势。线性阵列与圆形阵列实验计算得出的声源峰值频率误差均在5%以内,说明该算法准确性很高,可以用于反推声源的峰值频率,对于储罐声发射检测与评价具有一定的应用价值。     

周期性螺纹连接管结构中声波的频谱特性测试

建立用于测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置,对由螺纹连接构成的周期性管结构中声波的传播特性进行试验研究,将利用传递矩阵法计算的结果与试验结果进行对比。结果表明:声波在由螺纹连接构成的周期性管结构中传播时,存在衰减及失真较小的通带和衰减及失真较大的阻带,通带与阻带交替分布;随着发射声波频率的升高,通带声波的衰减增加,当频率超过一定值时,声波完全被吸收,即使发射的声波处于通带,亦难于接收;理论计算结果与试验结果前4个通阻带吻合较好,之后差异明显。这表明理论计算方法在计算低频通阻带分布时具有良好的适用性与计算精度,在此范围内,可以用于钻柱结构内声波传播频谱特性的分析及信息载波频率的选择。     

浅海环境下低频声信号传播特性研究

针对典型浅海海洋环境下的低频声传播问题,以快速场方法为建模手段,以声能流为研究对象,结合具体算例模拟研究了不同浅海环境参数对低频声信号传播特性的影响规律.研究结果表明:矢量场中质点垂直振速传播衰减远大于同点声压与水平振速传播损失;海洋环境参数、声源参数、海底声学参数均对低频声信号传播具有重要影响,其中又以海底声速对声能量传播特性的影响最为显著.     

水下连续爆炸声学特性分析

为了分析水下连续爆炸的水声学特性,采用具有统一时间间隔的多个爆炸单元进行水下连续爆炸试验及测量。根据测试获得的声信号数据,分析了水下连续爆炸冲击波的衰减及传播特性,研究了声信号的声持续时间、声压级和声能量。研究表明,水下连续爆炸会产生很强的声功率,声持续时间为连续爆炸单元的爆炸时间间隔之和。声信号的频率范围宽,其能量主要集中分布在频率24 k Hz以下,在低频段能量更大。说明水下连续爆炸作为功率高、频带宽、声持续时间长的水声声源,在水声干扰方面具有重要作用。     

射流低频高声强发生器设计与实验研究

为解决现有低频高声强发生器声压低、装置复杂、声学性能可调性与重复性差等问题,设计了以压缩空气为能源、电机调谐的低频射流高声强发生器.按照气体动力学一维行波理论、守恒方程、伯努利方程与声学理论对其进行声学设计.按理想可压缩气体定常流流体动力学控制方程模型,采用三维结构化网格、压力耦合方程半隐式算法,计算得到流场的压力分布特性.为验证其声学特性,进行了现场发声测试试验.实验结果与设计值基本一致,验证了该低频高声强发生器具有50 Hz低声频、181dB高声强、声特性重复可调的特点,可以为噪声伤害、高声强声源工业应用及声学武器的研究提供实验基础与声源.     

自由圆射流对声激励的非线性响应分析

声激励是控制流动和燃烧的有效手段.为研究声激励对圆射流流场的控制作用,采用大涡模拟方法计算了不同频率的声激励下的圆射流流场(Re=2020),分析了流场对声激励的非线性响应过程.对涡量和Q函数的分析表明流场拟序结构的变化与激励频率有关.通过传递函数分析及脉动速度的分解,揭示出扰动波在流场中有三种传播模式,即对流传播模式、声波—对流混合传播模式和声波传播模式,与实验结果符合较好.通过分析速度功率谱(PSD)在空间的分布,反映出激励引起湍流能量在频率空间的重新分配.研究表明,射流响应对激励频率的选择特性不仅表现在流场结构的变化,还与扰动波的传播模式密切相关.当激励频率在射流优势频率附近时,扰动波以对流模式传播,流场结构及能量在频域的分布都发生明显变化.     

声波定向发射技术及其在公安工作中的应用研究

声波定向发射是把音频信号调制在高频（超声频率）载波信号上,再用超声换能器发射出去,实现声波的定向发射,通过空气的非线性声学效应,在传播过程中声波中的音频信号会自解调出来。声波定向发射技术可以应用于防暴工作中,利用高强度的声波定向扬声器,发射一束具有高指向性的声束来驱散群体性事件的人群,而不会对处于定向声束以外的人员造成影响。此外,声波定向发射技术还可以用于现场指挥的信息传递,制造超声波武器等。     

公路交通噪声预测模型

基于声传播的基本特性．提出了一个简化的公路交通噪声预测模型。该模型的推导是根据A计权声压级计算公式，采用常规噪声测量方法估计预测模型参数得出的，同时根据汽车噪声源引起的地面效应以及涡流对声波传播的影响，对模型进行了修正。利用该模型可以预测一个稳态源的声压级LA（如汽车起步和停车时）和移动声源的时间平均声压级LAepτ，（如一段时间内的公路交通噪声）。仿真结果表明，几何散布、地面效应和涡流是影响交通噪声传播的重要因素；在对LAepτ，瞬态测量时，必须有足够的测量时间以确保机动车采样具有代表性。实地测量验证了该预测模型的有效性。     

声频谱测井仪器的研制和野外实验

研制成功的声频谱测井仪器在井下发射和接收三种频率的声波信号,其中发射和接收20kHz声波信号的声系有一个发射和四个接收探头,源距为2.1~2.568m,间距为0.156m;发射和接收40kHz声波信号的声系由一个发射和两个接收探头组成,源距1.0~1.5m,间距0.5m;发射和接收10kHz声波信号的声系由一个发射和两个接收探头组成,源距为2.168~2.668m,间距0.5m.用三种不同的频率的声波进行测量记录目的是获得井壁径向深度不同处介质的声学信息,而且不同频率的声波信号在岩石中传播过程中频谱变化也是井壁岩层的可用声学信息.在井下的信息采集、数据传输、地面记录和监控全部由计算机控制.该仪器已经在大庆油田的三口井中成功的进行了野外实验.     

高速公路隧道内噪声声场分布特性

针对某高速公路隧道,把隧道壁及路面设置为全反射边界条件,以点声源作为基本噪声源建立了足尺有限元分析模型。利用LMS Virtual Lab软件对模型进行有限元分析,对隧道内声传播介质——空气进行声传播计算,研究了点声源条件下隧道内声场的分布特性及声源频率和位置对声场分布的影响。研究结果表明:公路隧道内噪声主要分为两大区域分布,贴近界面呈明显的规律性声压叠加与消减的声场紊乱区及远离界面的声场稳定区。声源频率从250Hz逐步增加到1 000Hz时,紊乱区的范围由距离隧道壁2.3m以内范围向0.7m以内递减;声源位置不同时,仅影响到声源附近5m范围内的声场,隧道内整体声场仍符合前述分布规律。参数分析表明隧道内噪声场主要分为平均声压级较高的紊乱区和较低的稳定区两大区域,声源频率会影响两区域分布范围,声源位置仅能影响声源附近小范围声场分布,对隧道整体声场影响不大。     

钢筋混凝土梁结构中的声发射波衰减传播特征

为了解距离对弹性波传播的影响规律,制作了两种不同规格的钢筋混凝土梁,通过断铅模拟声发射信号,利用PAC-3声发射系统对弹性波在钢筋混凝土中传播的衰减规律进行试验研究。结果表明：频率、波速及振幅均随传播距离增加整体上呈衰减趋势;弹性波在钢筋混凝土传播过程中,高频信号衰减程度大于低频信号,因而低频信号在长距离传播更稳定;波速及振幅在1.0 m处都出现了较大幅度的提高,经分析可知声波在经过混凝土三相交界处时会发生多次折射、反射、吸收衰减等现象,因而离散性增大。可见实际检测过程中的探头布置间距不宜超过1.0 m。     

蜗壳散射对离心风机气动噪声传播的影响

理论分析了声波在空气-钢板界面上的传播过程.结果表明:声波在蜗壳壁面上的入射角不小于3.23°时发生全反射;在入射角小于3.23°时虽然存在声波的透射,但当蜗壳厚度不小于3 mm时,声波经A声级计权后的隔声量大于40 dB,证明了将蜗壳作为声学硬边界条件处理的合理性.采用薄壳体边界元方法计算分析了将蜗壳作为声学硬边界对声波传播的影响,结果表明:蜗壳对低频声波传播的影响不明显,风机低频声源可以近似为紧凑声源,但随着频率的增大,声波受到蜗壳散射的影响逐步明显,蜗壳曲面上的漫反射使得风机内部分布声源激发的声场趋近均匀化.     

高频热声制冷机中的压电驱动器

为了研究压电驱动器与热声谐振腔间的耦合特性,建立了压电驱动系统的网络模拟模型。根据压电片的简支和固定两种边界条件,对压电驱动器及(热)声谐振腔声负荷系统的频率和电压特性进行了模拟计算。研究结果显示在高频时系统元件间的耦合特性较低频时好,具有简支边界的压电片产生的声压级比固定边界的要大得多,声压级随输入电压的变化特性计算与实验是相一致的。该模型可用于热声制冷机中压电驱动系统的特性分析。     

基于人工梯度结构的声传输特性分析

为了使声波产生不同于传统天然声学材料的反常传输特性,使其在声通信、声探测及声波低损耗定向传输等方面提供新思路,采用COMSOL有限元方法模拟了声波在局域共振型人工梯度结构中的传播特性。仿真结果表明:在波平面经过一系列的低传输后,所设计模型吸收了大多数的入射声波,与此同时,在模型的另一侧,声波重新在出射声波处汇聚出了一个全新的焦点。此外,越接近共振频率,声波的传输特性便相对越好,由于人工声学结构具有设计灵活性及可调控性,因此在实际应用中可以根据具体情况进行结构的设计,使其满足传输声波信号所需的共振频率,以此提高声波传输效率,为实际水下声源探测、声波通信等提供新思路。     

低频声波作用下微液滴沉降实验研究

声凝并被认为是一种潜在的消雾、大气凝胶去除技术.本文设计室内实验,研究了微液滴在高强度平面声场中的粒径动态响应及声致凝聚行为.结果表明,声波频率显著影响微液滴的特征粒径,对于特征粒径D_(90),即小于该粒径的体积占总体积的90%,最佳声波频率为60Hz,粒径响应平衡时间为45s.当声波频率为100Hz,平均声压级为124dB,声场行程为1. 5m,雾化通量为24g/min时,微液滴特征粒径D_(90)在声波作用后呈现出稳定增大趋势,平均增大29μm.声波频率、声压级、声场行程、雾化通量是影响微液滴特征粒径的关键因素,除声波频率外,均与特征粒径增量呈线性正相关关系.     

深海海底斜坡环境对声传播规律的影响

海底地形变化对声传播具有重要影响.针对在南海深海区域海底斜坡环境下进行的一次声传播实验中观测到的一些不同于平坦海底的声传播现象,利用射线声学方法分析并解释了海底地形变化引起声传播差异的原因.结果表明,当声源深度位于131 m处时,在第一影区内,海底斜坡前较小幅度的海底山丘(凸起高度小于1/10海深),对第一次与海底作用而入射到该小海底山丘处的小掠射角(绝对值在10°–20°范围内)声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离上出现影响深度可达海面以下1300 m的倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 dB.在第一会聚区内,海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的小掠射角(绝对值小于10°)声波所形成的会聚区结构消失,只保留从水体向上折射的会聚结构.因此,准确的海底地形对深海声传播预报及目标探测等应用非常重要.     

声源深度对印度洋声传播的影响分析

以分析声源深度对印度洋主要航线海区声传播的影响为研究目的,应用WOA13季节平均数据和Mackenzie声速经验公式,分析印度洋冬季(1月~3月)声道轴深度、最小声速值、表层声速值的分布;在季节、声源频率和掠射角等因素确定的情况下,通过BELLHOP模型仿真计算研究主要航线上选用位置点不同深度声源的声传播规律:印度洋35°S航线海区5 m深度声源的汇聚区位置要大于其以北航线海区的汇聚区位置;印度洋15°S以北航线海区的100 m以下深度的汇聚区较为固定;15°S航线海区100 m和4 000 m声源深度的情况与以北航线海区相同,250~3 000 m深度则出现缩小;35°S航线海区,汇聚区位置随声源深度向声道轴深度靠近而出现明显的缩小。最后为水面舰船声呐提出了使用意见。