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大尺寸三维超声振动系统的智能优化设计

物理学报 2024年第8期73卷 181-194页

作者：林基艳孙姣夏林书玉榆林学院榆林市大数据与智能决策重点实验室榆林719000 陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710119

对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制,优化系统的性能,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制,提高系统振幅分布均匀度,且可以通过改变声子晶体... 详细信息

对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制,优化系统的性能,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制,提高系统振幅分布均匀度,且可以通过改变声子晶体结构的配置参数人为地实现对大尺寸三维超声振动系统性能的调控.但过多的设计参数必然会增加系统设计的复杂度,且目前大尺寸三维超声换能器系统的优化设计依赖于经验试错法,设计效率和成功率较低,性能也无法保证.研究引入同质位错、点缺陷结构对大尺寸三维超声振动系统进行优化设计,并利用数据分析技术评价了同质位错、点缺陷结构的配置对系统辐射面的纵向位移振幅、振幅分布均匀度、辐射声功率、工作带宽等的影响规律,建立了同质位错结构、近周期缺陷结构的结构参数——大尺寸超声换能器系统性能的预测模型,实现了对大尺寸功率超声换能器系统的智能设计,提高了设计效率和成功率,降低了设计成本.

关键词：耦合振动大尺寸三维超声振动系统同质位错点缺陷智能化设计

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双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器

应用声学 2024年

作者：陈奕豪林书玉陕西师范大学物理学与信息技术学院

为了提升纵-扭复合振动换能器的输出效率，该文研究了双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器，其由一个夹心式压电超声换能器和一个带有双排斜槽的空心圆柱传振杆组成。给出双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器的等效电路图，推导了输... 详细信息

为了提升纵-扭复合振动换能器的输出效率，该文研究了双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器，其由一个夹心式压电超声换能器和一个带有双排斜槽的空心圆柱传振杆组成。给出双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器的等效电路图，推导了输入阻抗和频率方程。基于有限元仿真软件分析了斜槽的排数和双排斜槽的倾角、间距、长度、宽度、深度和传振杆周向刻槽数量等几何形状对纵-扭复合振动压电超声换能器共振频率和输出端平均扭转量的影响。设计和加工了换能器，实验测试表明理论共振频率与实验结果吻合较好，双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器可以有效提升输出端平均扭转量和纵向-扭转振动的比率。

关键词：双排斜槽纵-扭换能器扭转振动等效机电图共振频率

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弯曲声黑洞结构纵弯耦合振动超声手术刀

中国科学:物理学力学天文学 2024年

作者：陈诚刘洋郭建中林书玉陕西师范大学陕西省超声重点实验室

基于弯曲声黑洞结构独特的声波捕获和聚焦能力,本文提出了一种新型纵弯耦合振动超声手术刀.该手术刀由压电超声换能器、复合变幅杆、竹节刀杆,以及弯曲声黑洞刀头组合而成,其中弯曲声黑洞刀头的厚度与弯曲角度θ呈高次幂律函数关系.利... 详细信息

基于弯曲声黑洞结构独特的声波捕获和聚焦能力,本文提出了一种新型纵弯耦合振动超声手术刀.该手术刀由压电超声换能器、复合变幅杆、竹节刀杆,以及弯曲声黑洞刀头组合而成,其中弯曲声黑洞刀头的厚度与弯曲角度θ呈高次幂律函数关系.利用传输矩阵法和等效电路法构建了弯曲声黑洞刀头和超声手术刀纵弯耦合振动的精确理论分析模型,以揭示潜在的物理机制和设计原理.利用有限元法对理论计算结果进行了初步验证,并将弯曲声黑洞超声手术刀与常规超声手术刀进行了振动和声场对比.结果表明,弯曲声黑洞刀头设计能够显著提升手术刀的振动位移和侧向声能辐射,实现更高效的手术切割和止血.制造了弯曲声黑洞超声手术刀样机,通过电阻抗分析和激光测振实验充分验证了其实际可操作性.

关键词：弯曲声黑洞结构超声手术刀纵弯耦合振动辐射声场

声表面和拓扑缺陷结构对换能器耦合振动系统的声波调控研究

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物理学报 2024年

作者：林基艳陈诚郭林伟李耀林书玉孙姣夏徐洁榆林学院陕西师范大学陕西省超声学重点实验室长庆油田分公司第二采气厂

如何对复杂功率超声换能器耦合振动系统的声波进行调控，设计高性能的换能器系统，一直都是功率超声领域亟待解决的难题。研究发现，在换能器系统内部引入各种缺陷，可以在一定程度上改善换能器耦合振动系统的性能。但损耗大、频带窄、... 详细信息

如何对复杂功率超声换能器耦合振动系统的声波进行调控，设计高性能的换能器系统，一直都是功率超声领域亟待解决的难题。研究发现，在换能器系统内部引入各种缺陷，可以在一定程度上改善换能器耦合振动系统的性能。但损耗大、频带窄、对结构参数敏感等缺点限制了缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的进一步实际应用。为了改善缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的局限，有效降低能量损耗，提高能量传输的效率，论文在换能器耦合振动系统内引入既具有能量局域化效应的拓扑缺陷结构又具有高能量传输效率的声表面结构。通过灵活地设计声表面结构和拓扑缺陷的几何尺寸参数，可以对换能器耦合振动系统的振动进行有效调控，从而满足换能器耦合振动系统功能方面的不同需求。但表面结构和拓扑缺陷结构的设计参数过多，会成倍地增加设计的复杂度，大幅降低设计成功率，为此，利用数据分析技术建立了系统性能预测模型，不仅可以提高设计效率和成功率，还能够为换能器耦合振动系统性能的调控提出客观和准确的依据。

关键词：声表面结构拓扑缺陷结构换能器耦合振动系统声波调控

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超声变幅杆输出端辐射声场内空化泡检测方法

应用声学 2024年

作者：黄晨阳刘睿王成会莫润阳郭建中林书玉陕西师范大学陕西省超声学重点实验室

利用高速摄影机记录了工作状态下超声换能器变幅杆输出端附近气泡的运动图像，基于图像分析技术利用区域面积等效法和Hough圆检测法识别追踪空化泡，揭示了空化形成初期的气泡尺寸分布特征。结果表明，在超声变幅杆下方的气泡瞬时半径... 详细信息

利用高速摄影机记录了工作状态下超声换能器变幅杆输出端附近气泡的运动图像，基于图像分析技术利用区域面积等效法和Hough圆检测法识别追踪空化泡，揭示了空化形成初期的气泡尺寸分布特征。结果表明，在超声变幅杆下方的气泡瞬时半径主要分布在小于50 μm的范围内，其中半径小于5 μm的气泡约占总数的一半以上，10 μm以下的气泡占比80%左右。追踪了3组不同深度的单气泡的振荡，使用动力学方程对追踪的结果进行拟合，得到了目标区域内可能的气泡平衡半径以及声压分布。通过铝箔的侵蚀实验直观反映了变幅杆轴向位置声场强度的变化，距离变幅杆输出端越近，空化强度越高，铝箔被侵蚀的程度越高，惯性空化区主要分布于变幅杆输出端下方大约3 cm以内的区域。该文提出的方法对于认识强声场中的高密度气泡分布具有积极意义，有助于解决高密度气泡表征难的问题。

关键词：气泡识别气泡尺寸分布气泡平衡半径高速图像分析

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驻波场中环状空化泡聚集结构的稳定性分析

物理学报 2024年第8期73卷 148-158页

作者：雷照康武耀蓉黄晨阳莫润阳沈壮志王成会郭建中林书玉陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710062

利用高速摄影和图像分析技术研究频率为40 kHz超声清洗槽中产生的环状空化泡聚集结构的演化过程.环状结构通常出现在波节附近,其半径小于1/8波长;在一个包络波周期内,结构经历建立、稳定、消失3个阶段,结构形貌具有稳定性.环状空化结构... 详细信息

利用高速摄影和图像分析技术研究频率为40 kHz超声清洗槽中产生的环状空化泡聚集结构的演化过程.环状结构通常出现在波节附近,其半径小于1/8波长;在一个包络波周期内,结构经历建立、稳定、消失3个阶段,结构形貌具有稳定性.环状空化结构存在气泡的输运现象,且在气泡主聚集区内有小泡团形成后向环内溢出,随后消失成离散的空化泡或泡核再次进入气泡输运循环.环状结构大小和气泡聚集区随时间小幅振荡变化,且存在结构整体旋转现象,主要取决于主声场和气泡间次级辐射场的共同作用.基于双气泡模型分析环状结构形成的物理机制,发现主声场是导致气泡形成环状聚集的控制因素.基于环链状模型分析了结构稳定性,通过数值计算得到了类环形结构等效势分布,且声压越高的地方等效势越高,此处气泡越易聚集.驱动声场越强,环链结构可能越完整,但是,声压过高导致高数密度的气泡聚集也可能破坏气泡的环状聚集稳定性进而演化成其他类型泡群结构.理论分析结果与实验现象具有很好的一致性.

关键词：超声空化环状气泡结构等效势能稳定性

Ultrasonic scalpel based on fusiform phononic crystal structure

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Chinese Physics B 2024年第10期33卷 302-310页

作者： Sha Wang Junjie Shan Shuyu Lin Ocean College Jiangsu University of Science and TechnologyZhenjiang 212100China Shaanxi Key Laboratory of Ultrasonics School of Physics and Information TechnologyShaanxi Normal UniversityXi’an 710119China National Laboratory of Solid State Microstructures School of PhysicsCollaborative Innovation Center of Advanced MicrostructuresNanjing UniversityNanjing 210093China

In response to the ultrasonic scalpels with the vibrational modal coupling which leads to a decrease in efficiency,an ultrasonic scalpel based on fusiform phononic crystals(PnCs)is *** accurate theoretical model is constructed,which is mainly composed of electromechanical equivalent circuit models to analyze the frequency response function and the frequency response curves of the *** band gaps exist in the fusiform PnCs owing to the periodic constraint,which can suppress the corresponding vibrational *** vibration characteristics(vibration mode,frequency,and displacement distribution)of the ultrasonic scalpel are analyzed,and the validity of the electromechanical equivalent circuit method is *** results indicate that other vibration modes near the working frequency can be *** addition,blades based on fusiform PnCs have a function akin to that of the horn,which enables displacement amplification.

关键词： phononic crystals ultrasonic scalpel bandgap vibration characteristics