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悬臂式簧片哨发声特性的模拟和实验研究

作　者: 孙军涛
导　师: 吴胜举
学　校: 陕西师范大学
专　业: 声学
关键词: 簧片哨数值模拟发声频率频谱
分类号: O426
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来,为了在液体中获得强力声波和超声波,采用了流体动力式发声器。这种发生器与磁致伸缩式及压电式发射器相比,所不同的是结构简单、造价低、使用极其简单、处理量大,被广泛用于工业生产中。流体动力式发射器尤其适宜用于液体的乳化,超声清洗以及其他的场合。其中簧片哨获得了最广泛的应用。但是对于其发声特点和发声机理,近一个世纪以来没有一个统一的观点,而且对其的研究都集中在空气声中,其中对其研究比较详细的是布朗和艾伦·鲍威尔。对水中簧片哨的发声情况以及发声机理研究的比较少,这就限制了簧片哨的应用和发展。本文通过数值模拟、理论分析和实验来探究簧片哨的发声特点和机理,为其进一步的有效和广泛应用打下基础。在本论文中,首先对簧片哨的国内外研究动态做了介绍,并对已有的发声机理研究工作做了总结；其次,用有限元软件对不同尺寸的簧片进行了模态分析,探讨簧片尺寸的改变对其固有频率和振动模态的影响；再次,对原有实验方案进行了改善,通过实验体现了改善后实验系统的优越性；最后,应用实验的方法对簧片哨的发声频率进行了研究,分别研究了其基频,以及压力、簧片——喷嘴距离和簧片尺寸对簧片哨发声频率的影响。本文工作有以下几个方面：(1)使用有限元软件对簧片的振动模态进行了模拟分析。由模拟结果可知：(a)当簧片的其他尺寸不变,随着簧片长度的增加,在可听声范围内簧片的振动模态在增加,但其振动频率随着长度的增加而降低；当簧片的其他尺寸不变,随着簧片厚度的增加,在可听声范围内簧片的振动模态在减少,但其固有振动频率随着厚度的增加在增高；(b)簧片的振动模态存在多种方式,当厚度一定时,对于某些尺寸的簧片在某些阶态其振动频率很接近,并且其模态也很相似；同样当长度相同时,类似的情况也出现了。(2)对改善的系统进行校准,声卡可以满足实验测量的要求,从而使得实验过程变得更加灵活和方便。而且还可以降低实验成本,通过电脑方便的进行各种控制操作,通过声卡自带的驱动来调节声卡的参数。并且通过理论计算了簧片在水中的本征频率。(3)通过实验方法研究了簧片哨的声学特性。当喷嘴——簧片距离一定时,随着压力的增大,用水听器采集得到的簧片的频率,数据处理后有跳跃现象,并且还有循环回归现象,这和布朗在空气中做的现象很相似。分析其原因是存在着涡流的不稳定性,导致其频率的变化；当入口压力不变,随着喷嘴——簧片距离的改变,簧片发声频率相互之间也存在着跳跃现象。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-13
  1.1 研究背景和选题意义  9
  1.2 国内外研究进展  9-11
  1.3 本文研究内容  11
  1.4 本章小结  11-13
第2章簧片振动模态的有限元分析和理论计算  13-25
  2.1 簧片振动模态的有限元分析  13-24
    2.1.1 几何模型和材料参数  13-14
    2.1.2 模拟计算步骤  14-17
    2.1.3 模拟计算结果与分析  17-24
  2.3 本章小结  24-25
第3章实验系统的校准和簧片在水中频率的理论计算  25-37
  3.1 实验系统  25-29
    3.1.1 实验系统功能设计  25
    3.1.2 实验系统装置图  25-27
    3.1.3 实验装置中主要仪器的及其参数的介绍  27-29
  3.2 实验方案  29-34
    3.2.1 数据采集系统的试验检测和分析  29-34
  3.3 簧片在水中频率的计算  34-35
  3.4 本章小结  35-37
第4章簧片哨发声特性的实验研究  37-59
  4.1 实验方案  37-38
    4.1.1 实验内容  37
    4.1.2 实验方法  37-38
    4.1.3 实验步骤  38
  4.2 实验结果与分析  38-56
    4.2.1 矩形簧片共振频率的研究  38-50
    4.2.2 流速对簧片发声频率的影响  50-54
    4.2.3 簧片哨发声频率与喷嘴——簧片距离的关系  54-56
  4.3 本章小结  56-59
第5章结论  59-61
参考文献  61-65
致谢  65-67
攻读硕士学位期间科研成果  67

悬臂式簧片哨发声特性的模拟和实验研究

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