来源丨21dB声学人


本文整理了一些近期发表的超声相关论文，供大家了解科研进展。

1.使用响应面方法研究增材制造和超声波涂层参数对生物聚合物支架性能的影响
出版日期：2024-09-25
DOI：10.1002/bip.23629
作者：Shrutika Sharma, Abhinav Mishra, Vivek Jain, Vishal Gupta

文章摘要：
三重周期最小曲面（Triply Periodic Minimal Surface,TPMS）支架因其独特的多孔结构而在增材制造领域受到关注，可用于生物医学应用。与可能导致应力屏蔽的金属植入物不同，聚合物支架提供了更安全的替代方案。本研究的重点是提高具有金刚石结构的增材制造聚乳酸（PLA）支架的抗压强度。开发了基于响应面法（RSM）的实验设计来研究打印参数的影响。熔融沉积成型工艺参数经过优化，抗压强度达到 56.2 MPa。随后，以优化的参数制造支架并进行超声波辅助聚多巴胺涂层。利用 RSM 方法，研究检验了超声波振动功率、涂层溶液浓度和浸泡时间对抗压强度的影响。最佳涂层条件使得最大抗压强度为 92.77 MPa，比未涂层支架提高了 65.1%。这种增强归因于支架的多孔结构，可以实现均匀的涂层沉积。能量色散 X 射线光谱证实聚多巴胺涂层成功，氮含量为 10.64 wt%。这些发现证明了超声波辅助涂层在改善 PLA 支架机械性能方面的潜力，使其适合生物医学应用。


2.使用振荡微通道的高精度超声雾化：三维振动模式和液滴喷射机制的相互作用
出版日期：2024-09-24
DOI：10.1063/5.0225545
作者：Abanoub Shenoda, Jason Brenker, Tuncay Alan
文章摘要：
超声波雾化是产生微米直径液滴的关键过程，广泛应用于气雾剂药物输送、光谱测定和打印。含有被雾化流体的容器的几何形状及其侧壁的振荡在控制波型以及液滴喷射过程中起着至关重要的作用，特别是在驱动频率超过 1 MHz 时。然而，高频超声驱动下液滴喷射背后的机制仍然知之甚少。我们采用振荡高纵横比硅微通道来创造理想的条件，使毛细管力、微通道几何形状和振荡运动共同作用，精确限制液膜并生成直径受控的液滴。研究表明，微通道的三维振动，特别是驱动频率、振幅和通道几何形状之间的相互作用，可用于有效地调节韧带发育和液滴破裂。这使我们能够建立条件来降低驱动功率，从而最大限度地减少加热、控制剪切应力并按需调整液滴尺寸，而不会影响均匀性和吞吐量。

3.超声波辅助将微米尺寸的 BiI3 转化为 BiOI 纳米薄片，用于光催化应用
出版日期：2024-09-24
DOI：10.3390/ijms251910265
作者：Tushar Kanti Das, Marcin Jesionek, Krystian Mistewicz, Bartłomiej Nowacki, Mirosława Kępińska, Maciej Zubko, Marcin Godzierz, Anna Gawron
文章摘要：
这项工作描述了一种在超声波照射下将三碘化铋 (BiI3) 微板转化为碘氧化铋 (BiOI) 纳米片的新方法。为了生产高产率和高纯度的 BiOI 纳米片，我们对转化过程进行了仔细的调整。超声波辅助方法的优点是反应动力学快、传质增强，可产生具有优异特性的明确转化的 BiOI 纳米结构。使用一系列分析方法对生产的 BiOI 纳米薄片进行了检查，例如透射电子显微镜 (TEM)、扫描电子显微镜 (SEM) 和 X 射线衍射 (XRD)。通过漫反射光谱（DRS）监测超声波转换过程随时间的进展。结果表明，BiI3 微板可以有效转化为结晶、均匀、高表面积的 BiOI 纳米薄片。此外，利用紫外 (UV) 光照射下有机染料（亚甲蓝）的降解来评估所生产的 BiOI 纳米片的光催化功效。由于其独特的形貌和电学结构，BiOI 纳米片表现出卓越的光催化活性，优于传统的光催化剂。BiOI 纳米片有效分离和利用可见光光子的能力使其成为环境修复应用的可行选择。这项工作不仅展示了 BiOI 纳米薄片在可持续光催化应用中的前景，而且还展示了一种简单且可扩展的制造方法。从这项工作中收集的知识开辟了研究超声波辅助技术的新途径，以生产具有定制特性的复杂纳米材料，用于一系列技术用途。


4.超声波同轴辐射TIG焊TC4钛合金的成形、显微组织和力学性能
出版日期：2024-09-23
DOI：10.1007/s40195-024-01766-1
作者：Yihao Gao, Boqiao Ren, Yunhao Chen, Xinchen Sui, Xiaohui Zhao, Chenglei Fan, Chao Chen
文章摘要：
本研究研究了超声同轴辅助TIG焊（U-TIG）对TC4钛合金焊接接头成形、显微组织和力学性能的影响。结果表明，在最佳超声波功率和焊接电流设置下，焊接接头得到显著改善。具体来说，焊缝深宽比比传统TIG焊提高了267%，达到0.22。此外，焊缝的显微硬度提高了53%，达到550.1 HV，而焊接接头的抗拉强度则提高到1197.7 MPa，提高了12.2%。超声波的压缩作用使电弧能量集中，从而提高焊缝的熔深。此外，超声波空化对于细化焊缝晶粒结构、从而提高焊缝强度也起着至关重要的作用。

5.使用时间分辨布里渊散射对水中温度进行微米级深度分析
出版日期：2024-09-23
DOI：10.1063/5.0225134
作者：Zouhir Maslah, Bertrand Audoin
文章摘要：
皮秒超声波是一种在 GHz 频率范围内产生相干声子的技术。当在透明介质中进行光学检测时，这些声子与探测脉冲的相互作用会在时域中产生振荡，从而揭示布里渊散射。它们的频率处于布里渊频移处，与声子速度相当。由于泵浦探针实验是时间分辨的，布里渊频率随时间的变化可以归因于声速随深度的变化。由于液体中的声速与温度相关，因此我们的研究表明，皮秒超声波技术可用于液体中的温度深度分析。在这项工作中，使用泵吸收本身作为热源，将测量的布里渊频率随深度的变化与从液体中温度升高的 3D 建模推导出的数据进行了比较，从而证明了这一概念。我们演示了温度的远程深度分析，测量数据的间隔距离小于光学波长。

6.基于弯曲模态的双定子结构惯性直线超声波电机的研制
出版日期：2024-09-22
DOI：10.3390/app14188533
作者：Lin Yang, Yue Xiong, Xinwei Hong, Jiaquan Wen, Jie Zhang, Rongcheng Zhao
文章摘要：
本文提出了一种具有新颖双定子结构的惯性线性超声波电机，以实现更高的性能和分辨率。该原型机利用对称结构和单锯齿波信号，能够基于惯性运动输出有效的直线运动。通过有限元分析验证了样机的有效性和合理性。建立实验装置以获得电机的输出特性。实验结果表明，该电机可实现最大输出速度8.746 mm/s、推力1.645 N，几乎是单定子电机输出性能的两倍。通过改变电压幅值可以调节电机的位移解，分辨率为27 nm。同时，在实验过程中测量并分析了输出特性与输入参数之间的关系。与结构复杂、多信号驱动的执行器相比，该电机具有双定子结构，具有更高的输出性能，为惯性直线超声电机的进一步发展提供了另一个方向。

7.通过纵向超声辅助铣削增强蜂窝增强烧蚀热防护复合材料的干机加工性
出版日期：2024-09-22
DOI：10.1002/pc.29090
作者：Zhanli Shi, Zhiyong Yang, Bo Hou, Chen Chen, Yongjie Bao, Yongjun Gong

文章摘要：
蜂窝增强烧蚀热防护（Honeycomb‐reinforced ablation thermal protection,HRATP）复合材料作为最有效的热防护方法之一，广泛应用于飞机热防护系统中。传统的铣削（CM）方法使其容易受到各种加工损伤，直接影响整个部件的结合强度。针对切削过程中切削力过大导致的表面质量较差的问题，提出了一种纵向超声辅助铣削（LUAM）方法，实现了多刃微齿铣刀与工件的周期性分离，有效降低了铣削加工的损耗。提高了切削力，提高了表面质量。建立了多刃微齿铣刀的运动轨迹模型，并进行了LUAM的实验研究。比较分析了不同刀具和超声表征参数对切削力、切削温度和表面质量的影响。四种不同刀具之间的比较结果表明，多刃微齿铣刀表现出最高的加工质量。与CM相比，对多刃微齿铣刀施加纵向超声振动，入口毛刺长度减少了33.3%，切屑主要以小颗粒方式去除。LUAM 使切削温度降低 12.4%，毛刺降低 33.3%。与 CM 相比，LUAM 显著提高了表面质量。

8.超声振动辅助增强3D打印 HA-PLA 复合材料的机械性能
出版日期：2024-09-21
DOI：10.1080/17452759.2024.2346271
作者：Patiguli Aihemaiti , Houfeng Jiang  , Wurikaixi Aiyiti  , Jing Wang  , Lanlan Dong  , Cijun Shuai
文章摘要：
3D打印的HA-PLA复合材料因其优异的生物降解性和骨整合特性而备受关注。然而，HA 颗粒会对复合材料部件的机械性能产生负面影响。本研究采用超声振动辅助3D打印来提高HA-PLA复合材料试件的力学性能，并研究了不同填充角度和超声振动功率对力学性能的影响。结果表明，超声振动的使用减轻了HA-PLA复合材料机械性能的退化和各向异性。通过施加超声波振动，填充角为 90° 的 20 wt% HA-PLA 样品的拉伸强度和弯曲强度分别提高了 104.3% 和 112.7%。高频超声波振动波促进了挤压材料的铺展和熔合，从而减少了试件内部的重叠空隙，提高了界面结合强度，也有利于HA颗粒的细化和分散，抑制了试件内部应力集中的形成。样品并最终提高了机械性能。本研究开发的打印工艺也可以适用于其他颗粒（或其他增强类型）增强复合材料，以提高其机械性能。


9.超声辅助电弧定向能量沉积过程中NiTi合金的晶粒细化
出版日期：2024-09-21
DOI：10.1080/17452759.2023.2289465
作者：Mugong Zhang  , Binglin Wang  , Xinzhi Li  , Genghao Jiao  , Xuewei Fang  , Ke Huang
文章摘要：
在镍钛合金的线弧定向能量沉积工艺中实现晶粒细化具有很大的挑战性。我们成功地获得了具有精细微观结构的镍钛合金，并通过在沉积过程中引入超声辅助场观察到超弹性恢复性的改善。结果表明，NiTi合金样品的平均晶粒尺寸从147.3μm减小到72.2μm。此外，样品的可恢复应变从 3.7% 显著增加至 4.4%。这归因于超声辅助过程中的超声空化和声流现象，促进了凝固过程中的柱状到等轴转变。从根本上来说，超声辅助后可恢复应变增强的关键在于等轴晶粒的形成为晶界提供了更多的应变相容性，从而减少了变形过程中位错的形成。

10.基于BNF-FLOC-MUSIC算法的阵列超声风速风向测量
出版日期：2024-09-19
DOI：10.1016/j.sna.2024.115908
作者：Zebiao Shan, Shijuan Xie, Xiaosong Liu, Yunqing Liu
文章摘要：
针对当前阵列测风方法在脉冲噪声背景下测量精度低、噪声抑制能力差的问题，提出一种基于BNF-FLOC-MUSIC算法的阵列超声测风方法。该方法采用由一个发射超声波传感器和五个接收传感器组成的阵列结构。利用这种结构执行连续采样，并使用有界非线性函数 (BNF) 处理接收到的阵列信号。随后，应用分数低阶协方差（FLOC）运算来进一步抑制脉冲噪声的影响。最后，将这些步骤与多信号分类 (MUSIC) 算法相结合，可以实现高精度风速和风向测量。通过仿真实验和实际测量系统验证了该方法的有效性和优越性，实际测量中风速和风向角的误差分别为1.2%和2°，满足超声波风速计的设计要求。

11.基于六轴工业机器人的超声辅助加工超声压力场测量系统
出版日期：2024-09-19
DOI：10.1088/1361-6501/ad7750
作者：Sheng-Jun Ao, Yi-Jia Sun, Song-Mei Yuan, Xu-hui Liu, Chun-yang Zhao and Hu Gong
文章摘要：
在超声辅助加工等许多领域中，声学信号通常用于分析超声换能器的振动特性。在传统测量中，麦克风固定在一个或多个点来测量声学信号。然而，在不知道声压场分布的情况下，无法根据来自一个或多个点的声信号来有效地分析超声换能器的振动特性。为了全面、高效地分析超声换能器辐射的声信号，提出了一种基于六轴工业机器人的超声辅助加工中超声换能器超声压力场测量系统。自由场电容式麦克风固定在工业机器人上，可以由工业机器人定位，以便在任何姿态下测量点。与传统测量方法相比，基于工业机器人的测量可以提高测量范围和灵活性。此外，提出了一种基于蚁群算法的机器人测量路径生成算法。该算法可以根据刀具的形状生成并优化测量路径，以减少测量时间并提高测量精度。除了超声波辅助加工之外，该系统还可用于许多需要超声波换能器的应用，例如超声波清洁器的声场测量。最后，我们通过两个例子证明了所提方法的有效性和适应性。


12.高频振动激励对煤体破裂影响的实验研究
出版日期：2024-09-19
DOI：10.3390/fractalfract8090546
作者：Lei Zhang, Xufeng Wang, Zhijun Niu
文章摘要：
超声波振动破岩方法以其高效、能量可控的特点，已成功应用于坚硬岩石，为开发更高效、智能、安全、环保的煤岩储层改造方法提供了新途径。通过使岩石承受超高频（>15kHz）振动载荷，可以在短时间内诱发快速疲劳损伤，从而增强硬岩的开裂程度。为了研究高频振动激励对煤体开裂的影响，本研究采用自主设计的超声波振动激励系统进行了探索性试验。这些测试与核磁共振和渗透率测量相结合，比较和分析共振和非共振条件下煤样的孔隙裂缝结构和渗透率变化。此外，还研究了煤样的多重分形特征。结果表明，高频振动激励导致煤样中微孔和中孔显著扩张。此外，煤的孔隙度/渗透率与激发时间之间存在很强的指数关系。改造40s后，孔隙度和渗透率分别增加32.4%和8400%以上；与非共振状态条件相比，共振状态下的这些参数增加高出五倍。此外，含水饱和煤样的核磁共振T2谱分布表现出多重分形特征，多重分形参数ΔD(q)和Δα与介孔/大孔比例呈正相关，与微孔比例呈负相关；相反，Δf相对于孔隙比例表现出相反的趋势。煤的孔隙结构表现出复杂的多尺度特征，通过多重分形分析可以量化不同尺度的非均质性。该研究证实了利用高频振动激励裂解煤岩的可行性，同时也为进一步扩大其应用提供了宝贵的见解。
信息源于：X-MOL