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基于KZK方程的在线超声磨粒传感器的设计 被引量:3
1
作者 徐超 张培林 +3 位作者 王正军 李一宁 张光 原瑞宏 《润滑与密封》 CAS CSCD 北大核心 2014年第4期28-33,共6页
针对超声磨粒传感器的设计问题,利用时域KZK方程对超声传感器的声场进行数值模拟,分析传感器的关键参数如晶片半径、焦距和中心频率等对声场的影响。仿真结果表明:传感器的焦距越大,聚焦声场的声压越小、焦斑增大;随着传感器晶片半径的... 针对超声磨粒传感器的设计问题,利用时域KZK方程对超声传感器的声场进行数值模拟,分析传感器的关键参数如晶片半径、焦距和中心频率等对声场的影响。仿真结果表明:传感器的焦距越大,聚焦声场的声压越小、焦斑增大;随着传感器晶片半径的增大,焦斑区域先减小后变大,焦点声压先增加后降低;传感器中心频率越高,焦斑越小,声压先增后降。对比分析发现,KZK方程计算结果与传统经验公式的计算结果有较大差别,在磨粒传感器设计时应予以考虑。 展开更多
关键词 在线磨粒监测 超声波传感器 kzk方程
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在线油液磨粒检测聚焦超声换能器声场特性分析 被引量:4
2
作者 李一宁 张培林 +3 位作者 杨玉栋 徐超 张云强 吕纯 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2016年第6期853-857,共5页
在线超声磨粒检测结果与超声换能器声场特性密切相关,在线油液超声磨粒传感器也是基于换能器声场特性设计的,运用数值模拟方法可以有效地分析超声波声场的特性。首先从理论方面分析了在线超声磨粒检测方法;然后利用时域有限差分法求解KZ... 在线超声磨粒检测结果与超声换能器声场特性密切相关,在线油液超声磨粒传感器也是基于换能器声场特性设计的,运用数值模拟方法可以有效地分析超声波声场的特性。首先从理论方面分析了在线超声磨粒检测方法;然后利用时域有限差分法求解KZK方程对超声换能器声场进行仿真;最后搭建润滑油超声波声场分布测量实验系统实际测量超声波声场特性。仿真与实验结果表明:利用时域有限差分法求解KZK方程能够很好的模拟聚焦超声换能器在润滑油中的声场分布情况,聚焦超声换能器的焦斑区域呈椭圆形,长轴约为4 mm,短轴约为0.4 mm,仿真结果与实验结果具有较好的一致性。研究结果为下一步的超声磨粒传感器设计奠定了基础。 展开更多
关键词 在线磨粒检测 超声波声场 kzk方程 时域有限差分法
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超声磨粒传感器非线性声场的数值模拟与实验研究 被引量:2
3
作者 徐超 张培林 +3 位作者 王怀光 王正军 李一宁 吕纯 《润滑与密封》 CAS CSCD 北大核心 2014年第7期11-15,43,共6页
针对超声磨粒传感器声场的非线性特性对磨粒散射与识别模型的影响问题,利用KZK方程对超声磨粒传感器的非线性声场进行建模。采用时域有限差分法对KZK方程进行数值求解,对聚焦声场的时、频域特性进行分析,发现焦点位置会发生一定偏移;焦... 针对超声磨粒传感器声场的非线性特性对磨粒散射与识别模型的影响问题,利用KZK方程对超声磨粒传感器的非线性声场进行建模。采用时域有限差分法对KZK方程进行数值求解,对聚焦声场的时、频域特性进行分析,发现焦点位置会发生一定偏移;焦斑的轴向长度较大而径向长度很小;焦点附近区域的声压波形及其中心频率均不相同;由于衍射与吸收作用,声场中心频率低于激励中心频率。实验结果验证了仿真结论的正确性。 展开更多
关键词 磨粒监测 超声波传感器 非线性声场 kzk方程
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Gauss型超声场谐波特性的理论研究 被引量:2
4
作者 杜宏伟 彭虎 +2 位作者 韩雪梅 于盎宁 冯焕清 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第14期3135-3138,共4页
通过频域有限差分方法求解KZK方程,对Gauss型超声换能器的基波和高次谐波声场进行计算,研究了各次谐波的分布规律,发现高次谐波声场在径向同样服从Gauss函数的分布规律,并且对于任意的n,第n次谐波的波束宽度和n^(1/2)成反比,这表明谐波... 通过频域有限差分方法求解KZK方程,对Gauss型超声换能器的基波和高次谐波声场进行计算,研究了各次谐波的分布规律,发现高次谐波声场在径向同样服从Gauss函数的分布规律,并且对于任意的n,第n次谐波的波束宽度和n^(1/2)成反比,这表明谐波阶次越高,声场特性越好。后半部分对上述结论给出了理论证明。本研究验证了相关的实验结果,从而实现了对非线性Gauss型超声场在实验、数值计算、理论证明三个方面的完整描述。 展开更多
关键词 Gauss型超声场 kzk方程 有限差分法 非线性超声场
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Bessel波二次谐波声场的仿真研究 被引量:1
5
作者 杜宏伟 彭虎 +3 位作者 江朝晖 陈香 韩雪梅 冯焕清 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第3期108-112,共5页
为了研究有限衍射Bessel波的二次谐波特性,通过频域有限差分方法求解Bessel边界条件下的KZK方程,对吸收媒质中零阶Bessel波的基波和二次谐波分量进行计算和仿真,研究了二次谐波沿传播方向的分布规律.结果表明二次谐波声场同样具有有限... 为了研究有限衍射Bessel波的二次谐波特性,通过频域有限差分方法求解Bessel边界条件下的KZK方程,对吸收媒质中零阶Bessel波的基波和二次谐波分量进行计算和仿真,研究了二次谐波沿传播方向的分布规律.结果表明二次谐波声场同样具有有限衍射特性,且相对于基波分量而言,二次谐波在远场具有更窄的主瓣,而在近场则具有更大的主、副瓣比值,对比发现研究结果与实验结果吻合.研究验证了由KZK方程拟线性形式解析解得出的关于二次谐波是非衍射波的论断,并且指出了解析解的适应范围.利用二次谐波的远场特性进行超声成像可以获得更高的图像分辨率,而利用其近场特性进行成像则可以更有效地抑制副瓣产生的伪像. 展开更多
关键词 Bessel波 有限衍射波 kzk方程
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吸收媒质中非线性Gauss聚焦超声场的仿真研究 被引量:1
6
作者 杜宏伟 彭虎 +2 位作者 韩雪梅 杨晓宇 冯焕清 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2007年第9期1120-1124,共5页
通过频域有限差分法求解KZK方程,对吸收媒质中Gauss聚焦超声换能器的基波和高次谐波声场进行计算和仿真,研究了各次谐波沿传播方向的分布规律,发现高次谐波声场同样具有Gauss聚焦特性,并且谐波阶次越高,聚焦特性越好.此后讨论了不同的... 通过频域有限差分法求解KZK方程,对吸收媒质中Gauss聚焦超声换能器的基波和高次谐波声场进行计算和仿真,研究了各次谐波沿传播方向的分布规律,发现高次谐波声场同样具有Gauss聚焦特性,并且谐波阶次越高,聚焦特性越好.此后讨论了不同的吸收系数对Gauss声场聚焦特性的影响,结果显示吸收系数的改变不会影响Gauss声场的径向分布形状,但吸收系数的增加导致聚焦区域声场强度的减弱,甚至聚焦无法实现. 展开更多
关键词 Gauss聚焦波 kzk方程 有限差分法
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Gauss聚焦脉冲波非线性声场特性 被引量:2
7
作者 杜宏伟 陆伟 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第3期299-305,共7页
研究了一种窄带脉冲激励下Gauss聚焦波的非线性声场特性.采用解析方法求解KZK方程,理论研究了基波和二次谐波的空间分布规律.结果表明,基波和二次谐波声场沿径向均近似服从Gauss函数规律,且二次谐波波束更窄,但仅在准单色波条件下波束... 研究了一种窄带脉冲激励下Gauss聚焦波的非线性声场特性.采用解析方法求解KZK方程,理论研究了基波和二次谐波的空间分布规律.结果表明,基波和二次谐波声场沿径向均近似服从Gauss函数规律,且二次谐波波束更窄,但仅在准单色波条件下波束宽度与2成近似反比关系,时域方法的数值计算结果验证了理论结论. 展开更多
关键词 Gauss聚焦波 脉冲激励 kzk方程 二次谐波
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有限衍射X波非线性声场特性研究 被引量:1
8
作者 杜宏伟 陆伟 彭虎 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第3期512-516,共5页
X波用于超声成像可以获得很高的帧率,但在线性成像模式下图像空间分辨率相对于传统的聚焦成像有所下降.本文通过时域数值方法求解KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程,研究有限衍射X波的非线性声场特性.结果表明:无论宽带或限带X... X波用于超声成像可以获得很高的帧率,但在线性成像模式下图像空间分辨率相对于传统的聚焦成像有所下降.本文通过时域数值方法求解KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程,研究有限衍射X波的非线性声场特性.结果表明:无论宽带或限带X波,其非线性声场同样是有限衍射波,并且二次谐波具有比基波更窄的主瓣和更小的副瓣.采用X波的二次谐波进行成像能够在整个成像区域获得更高的分辨率.理论分析验证了数值计算结果. 展开更多
关键词 X波 kzk方程 二次谐波
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参量阵声源波束宽度影响因素分析 被引量:1
9
作者 陈晶晶 邹彬彬 郭英歌 《声学技术》 CSCD 北大核心 2020年第4期400-405,共6页
波束宽度是衡量参量阵声呐性能的重要技术指标之一,在设计时应该对其正确掌握,以保证整机性能.文章以圆形活塞换能器形成的参量阵声场为例,利用维斯特维尔特(Westervelt)理论和Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程分别计算了参量... 波束宽度是衡量参量阵声呐性能的重要技术指标之一,在设计时应该对其正确掌握,以保证整机性能.文章以圆形活塞换能器形成的参量阵声场为例,利用维斯特维尔特(Westervelt)理论和Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程分别计算了参量阵声场波束宽度,通过试验验证了KZK数值计算用于分析波束宽度的准确性及对远近场的适应性,并指出利用Westervelt理论计算参量阵声源波束宽度的不足。然后通过仿真,分别分析了频率、吸收系数、阵长与参量阵波束宽度间的关系,并从物理意义上解释了阵长对参量阵声场波束宽度的影响。 展开更多
关键词 参量阵 波束宽度 Westervelt理论 kzk方程
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衍射现象对活塞式声源超声场分布的影响 被引量:1
10
作者 庄子听 马建敏 《声学技术》 CSCD 2011年第4期330-335,共6页
超声波由于其良好的指向性,可被广泛应用于海洋探测与开发、无损检测与评估、医学诊断等应用领域。基于KZK方程,利用频域有限差分方法对衍射现象进行分析,计算了活塞式声源的基波和高次谐波声场,发现高次谐波和基波具有类似的声场分布特... 超声波由于其良好的指向性,可被广泛应用于海洋探测与开发、无损检测与评估、医学诊断等应用领域。基于KZK方程,利用频域有限差分方法对衍射现象进行分析,计算了活塞式声源的基波和高次谐波声场,发现高次谐波和基波具有类似的声场分布特性,并且谐波阶次越高,径向扩散越少,声场特性越好。研究获得了超声波在空气中传播的声场特性,分析了基波及各次谐波的指向性优劣以及传播范围的大小。在研究的过程中,利用MATLAB等数学工具,对研究结果进行了数值计算和模拟。以上结果为研究超声波的声场特性提供了一定的参考,对研究超声波声场的指向性有着实际性的意义。 展开更多
关键词 超声波衍射 活塞式声源 kzk方程 有限差分法
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超声声场中气泡的锥状聚集现象 被引量:4
11
作者 王成会 《陕西师范大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2007年第4期45-48,共4页
从非线性KZK(khokhlov-zabolotskaya-kuznetsov)方程出发,利用分离变量法,得到了换能器的声场分布表达式和声场分布图.结果表明,当轴向距离大于瑞利距离时,声压随距离增加逐渐减小到某一极限值,近似为平面波.声场中气泡锥状聚集主要发... 从非线性KZK(khokhlov-zabolotskaya-kuznetsov)方程出发,利用分离变量法,得到了换能器的声场分布表达式和声场分布图.结果表明,当轴向距离大于瑞利距离时,声压随距离增加逐渐减小到某一极限值,近似为平面波.声场中气泡锥状聚集主要发生区域是声压较大且呈现梯度的区域,气泡脉动影响声场分布,气泡间的Bjerknes力作用对气泡在高声压区的分布有调节作用,从而可引起声场出现锥状气泡结构现象. 展开更多
关键词 kzk方程 声场分布 Bjerknes力 气泡锥状聚集现象
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一种脉冲贝塞尔波的构造及其非线性声场的仿真 被引量:1
12
作者 赖雪晓 韩志会 彭虎 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第4期313-318,共6页
为了获得物理可实现的脉冲非衍射波,构造了一种脉冲贝塞尔超声波,并对其非线性声场传播特性进行了仿真研究.通过分析声压幅度、声场分布等参数得知,所构造的脉冲贝塞尔波在非线性介质中具有良好的非衍射特性,并且在一定的传播深度内保... 为了获得物理可实现的脉冲非衍射波,构造了一种脉冲贝塞尔超声波,并对其非线性声场传播特性进行了仿真研究.通过分析声压幅度、声场分布等参数得知,所构造的脉冲贝塞尔波在非线性介质中具有良好的非衍射特性,并且在一定的传播深度内保持良好的非衍射特性,这对研究超声医学检测具有重要的意义. 展开更多
关键词 脉冲Bessel波 非衍射性 非线性声场 kzk方程
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吸收媒质中非线性超声场的一种并行计算仿真方法
13
作者 程琴琴 杜宏伟 +1 位作者 李进 彭虎 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2009年第8期2145-2147,2173,共4页
为了解决非线性超声场数值计算中计算时间长、存储空间大的问题,提出一种并行计算模型,将声场分解成若干子区域,利用数个PC机、计算机网络和MPI并行编程分别计算子区域声场并最终求出整个声场。对吸收媒质中非线性Bessel声场的计算仿真... 为了解决非线性超声场数值计算中计算时间长、存储空间大的问题,提出一种并行计算模型,将声场分解成若干子区域,利用数个PC机、计算机网络和MPI并行编程分别计算子区域声场并最终求出整个声场。对吸收媒质中非线性Bessel声场的计算仿真结果表明:采用并行计算模型可以显著提高频域有限差分法计算效率并降低对单个PC机存储空间的要求。 展开更多
关键词 并行计算 Bessel声场 kzk方程 有限差分法
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Acoustic pressure simulation and experiment design in seafloor mining environment 被引量:2
14
作者 ZHAO Hai-ming WANG Yan-li +2 位作者 HAN Feng-lin JI Ya-qian LUO Bo-wen 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第6期1409-1417,共9页
Since the suspended sediments have severe influence on acoustic radiated field of transducer,it is significant for sonar system to analyze the influence of suspended sediments on acoustic pressure in the seafloor mini... Since the suspended sediments have severe influence on acoustic radiated field of transducer,it is significant for sonar system to analyze the influence of suspended sediments on acoustic pressure in the seafloor mining environment.Based on the KZK(Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov)equation,the method of sound field analysis in turbid water is proposed.Firstly,based on the analysis of absorption in clean water and viscous absorption of suspended sediments,the sound attenuation coefficient as a function of frequency in the mining environment is calculated.Then,based on the solution of KZK equation in frequency domain,the axial sound pressure of transducer in clear water as well as turbid water is simulated using MATLAB.Simulation results show that the influence of the suspended sediments on the pressure of near field is negligible.With the increase of distance,the axial sound pressures of transducer decay rapidly.Suspended sediments seriously affect the pressure in far-field.To verify the validity of this numerical method,experiment is designed and the axial sound pressure of transducer with a frequency of 200 kHz and a beam width of 7.5~is measured in simulated mining experiment.The results show that the simulation results agree well with the experiments,and the KZK equation can be used to calculate the sound field in turbid water. 展开更多
关键词 seafloor mining acoustic pressure kzk equation turbid seawater sound attenuation
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聚焦参量阵原频声场抑制方法的研究
15
作者 夏靖杰 冯海泓 +1 位作者 黄敏燕 洪峰 《声学技术》 CSCD 北大核心 2022年第1期28-34,共7页
在近距离海底底质原位探测中,使用多阵元聚焦技术能弥补参量阵中差频信号能量较低的不足,但也会使得声焦点处的原频信号能量过高,导致接收系统信号波形限幅,引起波形失真,此外在声场测量时也容易造成传感器损坏。基于KZK(Khokhlov-Zabol... 在近距离海底底质原位探测中,使用多阵元聚焦技术能弥补参量阵中差频信号能量较低的不足,但也会使得声焦点处的原频信号能量过高,导致接收系统信号波形限幅,引起波形失真,此外在声场测量时也容易造成传感器损坏。基于KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程和Berktay包络自解调理论,以声焦点位于阵元差频声场远场、各阵元产生非线性效应的过程相对独立的双阵元聚焦参量阵为例,提出了一种在不破坏差频声场特性的前提下,改变发射信号形式以抑制原频声场的方法。结果表明:与发射相同载波相位的幅度调制信号相比,当两个阵元发射信号的载波相位相反时,声轴上的原频信号能量得到了明显抑制,实测声焦点处的原频声压级下降了13.2 dB,而差频声场未发生明显变化,从而验证了抑制方法的可行性。 展开更多
关键词 聚焦参量阵 原频声场抑制 Berktay包络自解调理论 kzk方程参量阵
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不同媒介中的参量阵近场声场研究
16
作者 李中政 方尔正 《声学技术》 CSCD 北大核心 2015年第3期193-197,共5页
在众多描述非线性声波传播的理论模型中,KZK方程能够准确地描述有限振幅声波传播的衍射、吸收及非线性效应,对求解参量阵近场声场有着明显的优势,因而成为描述非线性声场最为精确的方程之一。从KZK方程的频域求解出发,利用二阶对角隐式... 在众多描述非线性声波传播的理论模型中,KZK方程能够准确地描述有限振幅声波传播的衍射、吸收及非线性效应,对求解参量阵近场声场有着明显的优势,因而成为描述非线性声场最为精确的方程之一。从KZK方程的频域求解出发,利用二阶对角隐式龙哥库塔法(second-order Diagonal Implicit Runge-Kutta,DIRK2)和Crank-Nicolson有限差分法(Crank-Nicolson Finite Difference,CNFD)相结合的有限差分算法,对在不同媒介中传播的参量阵近场声场特性进行研究,旨在对参量阵能量累积过程有进一步的理解,为参量阵转换效率的提高提供初步的探索,为参量阵的进一步工程应用提供相应的理论指导。 展开更多
关键词 参量阵 近场声场 kzk方程 传播媒介
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