基于ACTRAN的超声聚能器声场辐射仿真研究

设计了一种超声聚能器,旨在解决超声预警避障系统在远程测距中因超声波能量分散和衰减过快导致的回波信号难以识别问题.首先根据声学理论分析了超声聚能器可以通过改善阻抗匹配提高其辐射效率;再利用贝塞尔函数分析了超声聚能器影响声源指向性的重要设计参数,通过改变声源频率,聚能器开口面积等设计参数可以使指向性尖锐,能量更集中;ACTRAN有限元仿真软件模拟声场辐射云图及相应的实验均证明了理论分析的正确性以及优化聚能器设计参数对提高超声探测距离的有效性与可控性.     

埋入混凝土中压电陶瓷圆片声指向性和能量研究

对埋入混凝土中的压电陶瓷圆片模态分析发现,在各阶振动模态下其声辐射面存在分布不同的振幅极大值区域.基于压电埋入式混凝土敏感模块的声指向性和能量实验表明:不同激励频率引起的压电陶瓷圆片不同的振动模态对声指向性和能量有影响;在声指向性理论中将声源振动面等效为振幅相等的单一点声源的叠加,使得在各阶频率下压电陶瓷圆片辐射声指向...     

埋入混凝土中PZT声场指向性和声能研究

将PZT作为声源埋入混凝土中构成的混凝土压电机敏模块具有超声检测功能。对埋入该模块中的PZT圆片模态分析发现,在各阶振动模态下PZT声辐射面存在分布不同的振幅极大值区域。基于混凝土压电机敏模块的声场指向性和声能实验表明:将PZT声辐射面等效为振幅相等的单一点声源的叠加,忽略振动模态对声场指向性影响,使得PZT圆片的声场指向性随频率变化规律偏离实际较大,而且在相同频率下声场指向性理论结果比实验结果发散;在各阶固有频率激励下,PZT圆片的声场指向性集中,但在一阶固有频率下声能最高,更适用于超声检测。     

利用阵元异振幅优化超声传感器阵列的指向性能

超声传感器阵列是提高超声指向性性能的重要手段,本文提出利用阵列中阵元发射不同振幅超声波的方法进一步改善发射阵列的指向性性能。通过与常规阵元同振幅发射模式的指向性进行模拟和实验比较,结果表明该方法在超声阵列阵元分布形式完全相同的情况下,获得的超声波波束不但能保证主瓣尖锐的指向性,而且能有效的抑制旁瓣数量和旁瓣级,避免能量分散,提高超声发射效率。     

高效功率传输的电容参数超声换能器的设计与分析

电容参数超声换能器（CPUT）由于其不需要直流偏置或电荷充电的优势,已成为医用植入物、传感器网络和消费电子产品的无线能量传输方面的研究热点。本文提出利用一维集总参数模型来研究CPUT的运行和参数设计。将CPUT等效为一个RLC谐振器中的超声驱动的活塞电容C,进而产生两个耦合的非线性微分方程系统。利用Simulink进行方程的求解,获得电容电压、电路电流和活塞位移。在此基础上,研究了参数谐振阈值和声电转换效率。结果表明,这些性能指标与负载电阻、输入超声强度、超声频率、电极覆盖面积和间隙高度密切相关。当CPUT的阻抗与介质匹配并驱动CPUT的工作频率略低于2ωoel时,可以达到最佳的效率,为进一步研究超声无线能量传输、能量收集和传感技术奠定基础。     

利用时间反转技术增强沉积层声波透射

为增强透射进入沉积层的声能量,采用时间反转技术的工作原理,在海底沉积层表面放置探针声源,接收阵列在距离声源一定位置上接收信号,然后把接收的信号按照先到后发、后到先发的方式以一定功率发射出去,时反后的信号可以在探针声源位置产生能量聚焦现象.分析了时间反转技术的聚焦分辨率,以及收发阵列对聚焦效果的影响,考虑到探测掩埋物体的实际情况,可以使信号在多个相邻位置同时聚焦,不仅增强了目标位置透射进入沉积层的声能量,还扩大了聚焦范围,提高了探测效率.仿真结果表明,几千赫兹情况下,沉积层表面聚焦位置附近透射进入沉积层的声能量要比使用指向性声源高出十几分贝,具有明显的优越性.进入沉积层的信号遇到掩埋物体散射回海水的目标回波也会相应增强,为掩埋物体探测取得实质性的突破提供新的技术途径,对新型水下探测系统的研究具有重要参考意义.     

基于时间反转聚焦的声发射源定位算法

声发射检测可以判断损伤的活性和严重性而被广泛应用,但对损伤位置仍没有更准确的定位方法。提出一种基于时间反转理论的声发射源准确定位的方法。根据声发射被动监测的特点,研究采用时间反转聚焦方法使声发射信号能量叠加放大,提高信号的信噪比,并分析推导了具体损伤声源信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转对声发射源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示出损伤声源位置和区域;最后通过数值仿真对该方法进行验证,仿真结果表明能有效提高损伤声源信号的能量,能够对检测区域的信号重建,并通过显示准确给出损伤声源位置,定位精度较常规时差定位法有较大提高。     

基于CPLD的相控声发射系统设计与实现

提出一种新的增强声源指向性的电路设计方法,设计了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的相控声发射系统.该系统由滤波采样、信号延时、按键显示、D/A转换等电路组成,通过控制声波在空气中波阵面的耦合,实现声波的相控发射.试验表明,该系统能够较明显地增强声源指向性.     

基于机器人听觉的自主声源搜索策略

提出了融合机器人听觉和超声避障的自主声源搜索策略．搜索策略按优先级分成3个模块：声源确认、超声避障、声源定位搜索, 通过优先级的判断确定当前执行模块．声源定位基于改进的时延估计定位方法实现,机器人在搜索并接近声源过程中利用超声避障． 在室内环境下测试系统,实验结果证明在混响环境下机器人可以定位声源并且可以绕过障碍物接近并确认声源,该方法具有实时实现的有效性和应用性．     

基于单声学矢量传感器的最大能量动态声源波达方向跟踪算法

针对在空域非均匀噪声环境下目标定位跟踪问题,提出一种基于单声学矢量传感器的最大能量动态声源波达方向(DOA)跟踪算法.首先结合噪声协方差矩阵估计结果实现对传感器接收信号的预白化处理,进而确定加权参数值,提出一种加权参数固化的最大能量算法,从而在声压与振速域噪声功率比未知的条件下提高了DOA估计精度.在此基础上,利用最大能量定向估计子输出信息来构建运动目标的量测方程,并在容积Kalman滤波框架下实现对于动态声源的状态跟踪.理论分析与仿真结果验证了算法的可行性和有效性.     

Design of filtering directional coupler with improved performance

This letter presents a filtering directional coupler (FDC) with enhanced coupling and high directivity simultaneously. The proposed FDC is composed of a pair of coupled lines instead transmission line of a directional coupler. This coupled lines resonator increases the design parameters by which even/odd mode phase velocity can be compensated to improve the directivity and coupling level. The coupling enhancement can be explained by analyzing the even mode and odd mode circuit of the proposed coupler. A prototype of the proposed coupler is designed which provides a high directivity of 44 dB for 6 dB coupling level at 1 GHz frequency. The proposed coupler is designed, fabricated, and tested.     

Discovery of sound sources by an autonomous mobile robot

In this work, we describe an autonomous mobile robotic system for finding, investigating, and modeling ambient noise sources in the environment. The system has been fully implemented in two different environments, using two different robotic platforms and a variety of sound source types. Making use of a two-step approach to autonomous exploration of the auditory scene, the robot first quickly moves through the environment to find and roughly localize unknown sound sources using the auditory evidence grid algorithm. Then, using the knowledge gained from the initial exploration, the robot investigates each source in more depth, improving upon the initial localization accuracy, identifying volume and directivity, and, finally, building a classification vector useful for detecting the sound source in the future.     

A novel frequency-selective metamaterial to improve helix antenna

A novel frequency-selective metamaterial with negative permittivity and permeability for improving directivity and gain of a helix antenna is presented in this paper.The proposed metamaterial is composed of two Z-shape resonators printed on opposite sides of a dielectric substrate.Two forms of multilayered cells are found to be suitable for antennas and waveguides applications.In addition,a new method of designing a metamaterial-based helix antenna is presented with high directivity and gain.A comparison on radiation properties is given between the conventional and the new metamaterial-based helix antennas.Two comparisons on radiation properties are performed:(1) the effect of proposed Z-structure on monopole,dipole,and helix antennas;(2) the effect of OE3,split-ring resonator (SRR),and proposed Z-structure unit cells on the performance of helix antennas.The results show improvement of parameters such as directivity,gain,and radiation power of the new metamaterial-based helix antenna.Therefore,the combination of Z-structure with the helix antenna shows the best performance.     

Artificial intelligence based optimization for vibration energy harvesting applications

This paper deals with optimization studies based on artificial intelligence methods. These modern optimization methods can be very useful for design improving of an electromagnetic vibration energy harvester. The vibration energy harvester is a complex mechatronic device which harvests electrical energy from ambient mechanical vibrations. The harvester design consists of a precise mechanical resonator, electromagnetic converter and electronics. The optimization study of such complex mechatronic device is complicated however artificial intelligence methods can be used for set up of optimal harvester parameters. Used optimization strategies are applied to optimize the design of the electro-magnetic vibration energy harvester according to multi-objective fitness functions. Optimization results of the harvester are summarized in this paper. Presented optimization algorithms can be used for a design of new energy harvesting systems or for improving on existing energy harvesting systems.     

背衬对埋入混凝土中压电陶瓷电-声特性的影响

传统超声脉冲法不能对混凝土质量进行实时健康监测,将压电陶瓷埋入混凝土中构成的压电埋入式混凝土机敏模块能够进行混凝土结构的在线监测,但由于压电陶瓷在埋入混凝土后其电-声性能受到较大影响,能够激励的声信号能量弱、信噪比低,很难应用于噪声干扰强、待检测结构厚的场合。针对这一问题,提出了通过在埋入混凝土中的压电陶瓷上层合金属背衬的方法,提高声能的利用率和指向性。分析了在不同背衬厚度和不同激励频率条件下接收信号的时、频域特征。结果表明,经过层合金属背衬处理后的超声信号的能量提高了2～6倍,且这种方法并没有影响超声检测信号的波形及频率成分,具有较高的可行性。     

空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试

电容式微超声换能器(CMUT)作为一种新型的MEMS器件,在空气耦合无损检测领域具有较大的研究价值;设计了一种在空气介质中使用的电容式微超声换能器阵列,阵列由8个阵元组成,每个阵元包含16个CMUT敏感单元;介绍了CMUT换能器的原理和设计方法,利用FieldⅡ仿真了不同参数下的阵列指向性;对加工出的CMUT阵列进行了表面形貌测试和声学实验测试.实验结果表明:所加工的CMUT阵列满足设计要求,实验结果同仿真结果一致.