基于质点振速测量的薄板瞬态力重建方法

基于质点振速测量重建了作用于薄板表面的瞬态力.首先根据薄板的运动方程推导了板表面上力谱与振动速度谱之间的脉冲响应函数,再联立板表面上振动速度谱和全息面上质点振速谱之间的脉冲响应函数,在波数域-时域中构建了力谱和质点振速谱之间的传递关系;在此基础上,以全息面上测量的质点振速作为输入,重建出了每一个波数点处的力谱,并通过对...     

基于Laplace变换的瞬态声场质点振速重建方法

在瞬态声场质点振速的重建过程中,基于快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)的重建公式在零频处存在奇异性,为此提出基于Laplace变换的瞬态声场质点振速重建方法。由于该方法重建公式中的分母为复数,而该复数的实部是一个不为零的常数,因此当频率为零时,分母并不为零,从而可从根本上解决零频处的奇异性问题。以固定在无限大障板上的圆形活塞为数值仿真对象,分别运用上述两种方法对活塞表面的法向质点振速进行重建。重建结果表明当质点振速信号在零频处的能量占信号总能量的比例较小时,运用基于FFT的方法进行重建可获得较满意的重建结果;但当质点振速信号在零频处的能量占信号总能量的比例较大时,运用基于FFT的方法进行重建会产生较大的重建误差,而由于基于Laplace变换的方法解决了零频处的奇异性问题,因此运用该方法进行重建可获得较好的重建结果。     

三维声强与振速波束形成结合的声源识别方法研究

针对难以准确分离同频率双声源及计算声功率值的问题,提出三维声强矢量与质点振速的常规波束形成技术结合的声源识别方法,应用于同频率双声源的定位与声功率分离中。利用三维声强矢量特性求解各探头中心处质点振速与声强值;将质点振速引入常规波束形成对各声源定位;将定位结果代入三维声强矢量分解法中,构建声强、声功率的非线性方程组,求解得各声源声功率值。在半消声室内进行实验,实验结果表明：质点振速波束形成的声源定位方法可行,三维声强矢量方程组求解各声源声功率值误差在5%以内。     

基于矢量阵测量的振速重构近场声全息技术

近场声全息技术是一种声源识别和声场可视化技术,它通过在辐射体的近场测量声压数据可以重建和预测出整个三维空间声场的声学量.针对水中声源的振速重构问题,采用质点振速测量来进行声全息重构,推导基于振速重构的平面近场声全息技术的重建公式.利用所编制的程序进行仿真验证,采用矢量水听器进行水中全息试验,验证矢量阵应用于水中近场全息测量的可行性和准确性.试验结果表明,该技术在水中声源辐射声场的噪声源识别和定位中有着明显的优势.     

基于压缩感知的平面近场声全息方法及其应用

传统的平面近场声全息在其重建过程中,无论采用波数域滤波或是正则化方法,都无法解决其本身的不适定性,进而无法提高重建精度。基于压缩感知的平面近场声全息,有效地利用了质点振速信号的稀疏性,将传统地直接求解质点振速转化为间接求解稀疏系数,避免了重建过程中的不适定问题。结合基于Tikhonov正则化方法的平面近场声全息,从数值仿真角度分析了两种方法的重建精度,结果表明,基于压缩感知的平面近场声全息方法具有很好的重建精度,尤其是在重建面的边界区域。最后,应用该方法有效地识别出了冰箱的噪声源,为其噪声控制提供有效依据。     

高冲击三维加速度传感器横向灵敏度校准技术

探讨了高冲击三维加速度传感器相对横向灵敏度的校准技术。新制定的国标已规范化了传感器的相对横向灵敏度这一参数,它是加速度传感器的一个重要指标,但其定义仅对一维加速度传感器而言。为了扩展到高冲击三维加速度传感器相对横向灵敏度的校准上,笔者采用在空气炮上实现高冲击三维加速度传感器的校准方法采集数据,以三维加速度传感器的拟合直线代替校准曲线、用侧向芯片和主向芯片输出之比计算相对横向灵敏度,更便于使用者评价传感器的性能。完善了高冲击三维加速度传感器相对横向灵敏度测试和校准的技术。相比其他技术,采用的校准装置和校准方法既符合传感器峰值高、脉宽大的特点,又能完整地呈现三轴向间的输出关系。     

基于正交球面波源边界点法的声学灵敏度分析

提出采用正交球面波源边界点法作为声学灵敏度算法,计算空间任意点的声学量关于设计变量的灵敏度,克服基于边界元的声灵敏度分析中所固有的各阶奇异积分和非唯一性问题,降低数值处理难度和工作量.提出近场声全息与声学灵敏度的组合分析方法,利用声全息重建出表面法向振速及其导数,然后再进行灵敏度分析,解决表面声学量获取困难的问题.数值仿真的结果充分证明该声学灵敏度分析方法的正确性和可行性.     

基于双圆柱增敏结构的热丝式MEMS矢量水听器研制

针对热丝式MEMS质点振速传感器应用到水下时,其灵敏度严重衰减的问题,提出了一种双圆柱增敏结构,通过流体仿真分析,优化了增敏结构设计,并设计了一种水下应用的封装结构。在空气半消声室及矢量水听器水下驻波场校准装置中的测试表明,其在20～2 000 Hz频段内,增敏结构对声波信号放大约10 dB,研制的矢量水听器工作频段为20～800 Hz,灵敏度达到-199 dB。     

可嵌入式多维柔性力/位传感器

针对目前柔性多维传感器集成性差、灵敏度低等缺点,提出了一种基于液态合金微通道的三维柔性力/位传感器。首先,提出了双层对称液态合金微通道结构,建立了输入输出数学模型,确定了传感器最优结构尺寸;其次,提出一种经济高效的微孔抽丝成型工艺来对传感器本体和内部微通道进行一体化成型,并通过该工艺制作了传感器实验样机;最后,通过标定实验和应用实验验证了该多维柔性传感器对三维位移和拉力测量的可行性、准确性和稳定性。实验表明,在线性范围内,该传感器作为位移传感器测量绕X、Z轴弯曲变形灵敏度分别为85.7、70.5 mV/rad,测量拉伸位移的灵敏度为441 mV/mm;作为力传感器测量沿Y轴拉力的灵敏度为175.8 mV/N。该传感器可灵活嵌入到软体机器人内部或附着在待测物体表面进行力位混合测量,以实现对软体机器人的自感知反馈控制,提高软体机器人系统的集成度。     

基于海绵介质层的电容式三维力触觉传感器

为了提高电容式触觉传感器在较大量程范围内的灵敏度,应用PDMS(聚二甲基硅氧烷)海绵微结构作为介质层,设计了电容式三维力触觉传感器。利用有限元软件对海绵介质层和普通薄膜介质层进行性能对比,同等压力作用下,海绵微结构触觉传感器拥有更高的灵敏度。对传感器单元进行有限元分析,得到传感器在三维力作用下的形变情况和电容变化趋势。制备了传感器单元,并进行三维力加载实验,采集和分析实验数据,计算出了传感器的灵敏度。样机实测结果表明,该传感器可以实现在0~10 N法向力和0~4 N切向力较大的量程范围内的检测,且法向和切向的平均灵敏度都较高,分别可以达到0.065 pF/N、0.071 pF/N和0.076 pF/N。     

An acoustooptic method for sound velocity measurements in strongly sound-absorbing materials

An acoustooptic method for determining the velocities of longitudinal ultrasonic waves in a 10⁵ to 10⁸-Hz range in strongly absorbing (scattering) materials, when methods based on the sound transmission through a sample are unfit, is described. This method employs the acoustooptic determination of the acoustic impedance of the studied sample by measuring the reflection coefficient from the boundary between two contacting substances, namely, a liquid with the known (or measured) acoustic impedance and the studied solid sample. The method features the following advantages: (i) it is acceptable, when standard methods do not work due to the sound attenuation (scattering); (ii) there is no need for exact knowledge of sample sizes, the operating frequency, and the electromechanical coupling factor, and also for using reference samples; and (iii) the sound attenuation in a liquid and the distance from the sample surface to measurement points (required for calculations of the sound velocity) are easily measured. In this case, the velocity measurement error is usually 5–10%.     

基于单全息面三维声强测量的声场分离技术

在测量全息面三维声强和均方声压的基础上，根据平面上二维切向有功声强与复声压相位间的关系来间接获取复声压的相位，结合测得的均方声压，得到全息复声压；根据全息面上微粒法向振速的叠加原理和波数域的Euler公式，推导出基于单全息面三维声强测量的声场分离公式，将全息面两侧声源各自在全息面上产生的声压分离开来。在全息面两侧均有声源的情况下，实现噪声源的识别与定位，克服了近场声全息(NAH)和基于声强测量的宽带声全息(BAHIM)的应用局限性。数值仿真的结果证明了该技术的可行性和有效性。     

金属颗粒的电容式速度测量方法研究

针对金属材料在静电场中呈现出的特殊性,设计了一种用于检测管道中金属颗粒速度的电容式传感器。首先,基于多电极理论建立了电容传感器测量金属物质的数学模型,在此基础上,使用COMSOL Multiphysics有限元分析工具建立了传感器三维仿真模型,并对其空间灵敏度分布特性进行了分析。然后,基于该传感器的空间滤波效应对金属颗粒速度测量原理进行了理论分析,建立了传感器输出信号功率谱截止频率和金属颗粒速度之间的关系式。最后,开发了基于三角电极电容传感器和电容数字转换芯片Pcap01的金属颗粒速度测量系统,并在重力输送装置进行了验证及分析。实验结果表明,该测量方法具有良好的可行性,在2.44~5.34 m/s的速度范围内,测量速度的重复性误差小于4%。     

非规则结构表面多声源近场声全息方法

为了提高非规则结构表面多声源声场的全息精度,提出基于目标深度识别与球面波叠加逼近的非规则表面多声源近场声全息方法。该方法使用声源空间深度识别理论,确定结构体上各声源的空间位置,在各声源处分别使用球面波的叠加描述空间声场分布,然后结合现有单原点球面波叠加近场声全息法重构声场。为了验证方法的可行性,首先使用所述方法和现有单原点球面波叠加声全息法,分别对径向脉动球与横向振动球组成的不同声场进行全息重构。结果表明,当声源集聚分布时,所述方法与现有方法均能有效全息重构声压分布,重构误差在5%以下;当声源离散分布时,现有方法失效,所述方法能够较准确地给出重构面的声压分布,主要频段内的全息重构误差小于20%。进一步的对比实验表明,在全息重构多扬声器非规则空间分布声场时,使用所述全息方法的重构误差平均下降14.08%,显著提升了多声源非规则空间分布声场的全息精度。     

利用声场空间分布特征诊断滚动轴承故障

基于振动信号分析的特征提取是目前最主要的机械故障诊断方法,而振动信号的获取受到接触式测量的限制,基于声学测量的故障诊断能够克服这一缺点,但传统基于单通道测试的声学诊断技术存在测点选择难和局部诊断的不足。基于近场声全息技术提出一种用于滚动轴承故障诊断的声场分布特征提取方法。不同轴承故障能产生不同的振动特性,进而产生相应的声场分布,鉴于轴承状态与声场分布特性的对应关系,利用近场声全息算法重建声源附近各轴承运行状态下的声场,得到反映声场分布的二维声像图,再从声像图中提取故障相关的灰度共生矩阵特征,建立声场分布特性与轴承运行状态间的内在联系,结合支持矢量机模式分类,用于轴承的故障诊断。研究表明所提出的声场分布特征提取方法能够有效地用于滚动轴承的各类故障诊断,为机械故障诊断提供了新的参考。     

立体网状静电传感器空间灵敏特性研究

提出一种全新的立体网状静电传感器,以克服现有静电传感器对流场内速度分布无法测量的不足。通过建立立体网状静电传感器的三维仿真模型,利用有限元分析法获得了立体网状静电传感器的灵敏度空间分布规律,并对其动态灵敏度进行了分析。结果表明:立体网状静电传感器具有局部敏感特性,对于管内颗粒分布比较敏感。而且由于其极棒间相互交错的特性,可以探测到颗粒的运动方向;传感器的动态灵敏度可以反映带电颗粒在各个极棒间的空间位置及其速度,即带电颗粒距离极棒交织点越近,速度越快,动态灵敏度越大。最后通过重力输送颗粒实验,证明理论分析的结果与实验结果一致,从而为立体网状静电传感器实现颗粒流动参数测量提供了理论依据。     

Research on acoustic-structure sensitivity using FEM and BEM

Acoustic-structure sensitivity is used to predict the change of acoustic pressure when a structure design variable is changed. The sensitivity is significant for reducing noise of structure. Using FEM (finite element method) and BEM (boundary element method) acoustic-structure sensitivity was formulated and presented. The dynamic response and response velocity sensitivity with respect to structure design variable were carried out by using structural FEM, the acoustic response and acoustic pressure sensitivity with respect to structure velocity were carried out by using acoustic BEM. Then, acoustic-structure sensitivity was computed by linking velocity sensitivity in FEM and acoustic sensitivity in BEM. This method was applied to an empty box as an example. Acoustic pressure sensitivity with respect to structure thickness achieved in frequency ranges 1–100 Hz, and its change rule along with stimulating frequency and design variable were analyzed. Results show that acoustic-structure sensitivity method linked with FEM and BEM is effective and correct. __________ Translated from Journal of Vibration Engineering, 2005, 18(3): 366–370 [译自: 振动工程学报]     

随钻声波发射换能器宽频阻抗匹配设计及实验

发射换能器是随钻声波测井仪器的核心部件,其工作带宽及辐射声波能量的强弱是仪器的关键技术指标。换能器是一个非线性容性负载,可以采用阻抗匹配的方式增强有功功率并拓宽工作频带。本文将换能器多模态等效电路与阻抗匹配网络结合,利用电路网格方程对元件参数进行求解。最终在消声水池进行声场测试,观测换能器有功功率、声场辐射声压、发射电压响应等电、声特性,综合评估阻抗匹配网络的效果,为后续的随钻仪器研发及实验测试提供帮助和指导。实验结果表明,本文所设计的阻抗匹配网络能够明显改善换能器的声波辐射性能,频带宽度拓宽3.3倍,有功功率提高1.7倍,声压增强1.8倍,发射电压响应提高5 dB,在12～16 kHz的频带内发射电压响应最高可达125 dB。     

刀具负载对蜂窝复合材料超声切割声学系统阻抗特性的影响

针对刀具负载对蜂窝复合材料超声切割声学系统的影响,利用四端网络法,将压电换能器与变幅杆结合在一起,提出了声学系统的整体设计方程,得出了负载与声学系统阻抗特性的关系式。利用有限元软件对声学系统进行模态分析及谐响应分析,并利用阻抗分析仪和激光位移传感器对声学系统的阻抗﹑谐振频率和输出振幅进行检测。仿真和实验结果表明：随着刀具负载的增大,声学系统的阻抗值增大,谐振频率减小,但仿真与实验得出的输出振幅与理论分析不同,这是由于刀具的放大作用造成的。研究结果对声学系统的设计及实际应用有指导意义。