基于角谱法活塞辐射体近场声压的研究

论文摘要

纵振换能器具有高效大功率的特点,弯曲振动辐射体具有低辐射阻抗和大辐射面积等特点,因而由两者组成的纵弯复合超声辐射系统在实际中广泛应用。纵弯复合超声辐射系统前端的辐射体主要有圆形薄盘和矩形薄板两大类。辐射体受到换能器的激励作用会产生振动响应,从而引起周围空气波动,形成声波和声场,这就是声辐射。辐射声场包括近场和远场。近场处在声源附近,声压与质点速度不同相。在近场范围内,声源辐射的声压随距离的分布比较复杂。由于辐射声场的近场分布不均匀,声压起伏变化较大,因而研究近场声场分布规律对于超声技术的应用具有重要意义,同时也是设计及实际应用超声辐射系统的重要理论基础。波动方程的稳态平面波解由普通的平面波和倏逝波两部分构成。近场声全息技术在声源的近场区域内进行测量,即能获得传播波成分,也能获得倏逝波成分。受此启发,本文利用角谱法对圆形活塞和矩形活塞的声场进行了计算,通过传播波和倏逝波的叠加得到其近场声压的分布,并通过实验进行了验证。具体工作如下:(1)对平面波与倏逝波理论进行了介绍,简单明了地说明了传播波与倏逝波的物理概念,在此基础上介绍了角谱法的基本原理。在频域中对亥姆霍兹方程求解,可以得到平面波的解包括普通的平面波(即传播波)和倏逝波两大类。传播波的相速度比声速大,即为超声速声波,可以通过普通平面波的叠加而得到。倏逝波的相速度比声速小,即为亚声速声波,传播过程中倏逝波的幅值随距离以指数的形式衰减。在一个波长的范围内倏逝波就衰减到很小,可以忽略不计。所以,在近场检测即能获得传播波成分,也能获得倏逝波成分,而在远场检测只能获得传播波成分。角谱法的基本思想是将波分解成无数个平面波,通过平面波的叠加来计算声场的传播。依据角谱法的基本思想,声场中某一点的声压可以唯一且完整地由平面波和倏逝波的叠加来表达。(2)利用角谱法对圆形活塞和矩形活塞的辐射声场进行了计算,通过平面传播波和倏逝波的叠加来得到其近场声压的计算方法。结合数值分析方法,选定声源半径及频率,得到了圆形活塞声源的近场声压分布曲线。结果表明:用角谱法与点源组合法计算得到的近远场分界点一致;声压幅值随着声源半径的增大有所增加,近远场临界距离随着声源半径的增大而增大;声压幅值随着辐射频率的增大有所增加,近远场临界距离随着辐射频率的增大而增大。(3)阶梯盘在辐射理论上应等于对应活塞的辐射,即阶梯盘是活塞式辐射体。本文用阶梯圆盘代替圆形活塞进行了近场声压分布的测试。首先,通过计算得到了单阶梯圆盘的频率方程。其次,编制程序得到单阶梯圆盘的尺寸参数。设计了一个45#钢材的单阶梯圆盘,用超声波发生器激励纵振换能器,阶梯圆盘中心与换能器相连,阶梯圆盘作弯曲振动。记录距阶梯圆盘中心不同距离处的声压级值,最后换算得其声压值,即可得到阶梯圆盘声轴线上的近场声压分布。经测试,实验测试结果与理论计算结果的趋势基本吻合。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究的发展与现状

1.3 本文研究工作

第2章平面波与倏逝波理论

2.1 平面波展开理论

2.1.1 笛卡儿坐标系下的波动方程

2.1.2 亥姆霍兹方程

2.1.3 波数空间

2.2 平面波

2.2.1 平面波

2.2.2 平面波在波数空间的表示方法

2.2.3 平面波的平均声强

2.3 倏逝波

2.4 角谱法

2.5 本章小结

第3章圆形活塞和矩形活塞的近场声压分布

3.1 点源组合法计算圆形活塞的近场声压分布

3.2 角谱法计算圆形活塞的近场声压分布

3.1.1 圆形活塞的近场声压分布

3.1.2 圆形活塞声源声轴线上的声压分布

3.1.3 圆形活塞声轴线上近场声压分布的规律

3.3 角谱法计算矩形活塞的近场声压分布

3.4 本章小结

第4章圆形活塞近场声压分布的实验测试

4.1 阶梯型圆盘的设计

4.1.1 单阶梯圆盘的频率方程

4.1.2 单阶梯圆盘的设计

4.2 声源声轴线上的近场声压分布的测试

4.2.1 实验测试装置

4.2.2 阶梯圆盘声轴线上的近场声压分布的测试

4.3 本章小结

第5章全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 卫相润

导师: 贺西平

关键词: 角谱法,圆形活塞,矩形活塞,传播波,倏逝波,声压

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 陕西师范大学

分类号: O42

DOI: 10.27292/d.cnki.gsxfu.2019.000571

总页数: 54

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