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提升耳机性能实现自由聆听体验

2019年 12月 9日

戴着耳机听音乐已经成为了大家日常生活的一部分。工程师在设计耳机时必须保证耳机以下几个方面的质量:音质、可靠性和安全性,不过这可能极具挑战性。与普通扬声器不同,耳机的扬声器非常靠近耳朵,因此无法使用自由场设置来测试耳机的灵敏度。为了解决这个问题,声学工程师可以通过COMSOL Multiphysics®软件来进行研究。 设计更安全的耳机,改善聆听体验 在嘈杂的世界中,便携式设备的使用比以往任何时候都要多得多,耳机的使用更是无处不在。不管大家是喜欢戴有线耳机还是无线耳塞,都希望能有一个可靠、安全,并能带给人以愉悦享受的耳机聆听体验。但随着大家对耳机使用过于频繁,永久性丧失听力的可能性也在急剧增加。这是因为耳机与耳朵之间距离非常近,同时内耳具有很高的敏感性。     大声的噪音会对敏感的内耳(具体说,是对内耳的毛细胞)造成损伤,内耳的毛细胞负责向大脑传递电信号。一旦这些毛细胞丢失后,就无法重新生长,从而导致永久性听力损失。由于耳机离我们的耳朵非常近,因此不必太大声就会造成损坏。通常,超过85 dB 声压级的噪声都被认为对人体是有害的。同样的,长时间倾听低分贝的声音对人体也是危险的,并且可能导致永久性噪声诱发的听力损失。现在,许多听力设备可以达到一个很高的声压级水平(约120 dB 声压级),并且据美国整骨疗法协会称,这种范围的声压级在短短15分钟内就会对人体听力造成损害。   人类内耳的解剖结构。图片来自 BruceBlaus,Blausen.com员工(2014)。“ 2014年布劳森医学博物馆”。维基医学杂志1(2)。DOI:10.15347 / wjm / 2014.010。ISSN 2002-4436 —自己的工作。通过Wikimedia Commons在CC BY 3.0下获得许可。 幸运的是,声学工程师和耳机、助听器等声音设备设计师已经开发出了更安全的聆听方法。例如,降噪耳机就是一个很好的选择。降噪耳机可以消除周围的噪音,这样听者就不需要为了听音乐或广播而提高音量,而且有些耳机还具有自定义最大音量的功能。同时,音质也同样重要。如果我们想要收听音乐上的一些细节,高音质的声音可以使我们不必提高音量就能获得。 然而,设计更安全的耳机也极具挑战性。由于人体结构的复杂性和耳机扬声器与耳朵的距离,工程师无法像普通扬声器那样分析和测试其效果。为了对耳机进行测试,工程师们使用了人造耳。为了测试新的设计并减少原型数量,工程师们通过仿真来测试人耳声学设备的性能。就像头部和躯干模拟器一样,您可以使用多物理场仿真来评估人耳上声学设备的真实属性。 使用COMSOL Multiphysics®对耳机进行建模 为了准确测试耳机的使用情况,该模型使用了一个用耳罩式耳机的人工耳。 首先,让我们关注耳朵(模型)部分的几何建模。耳廓(耳朵的外部可见部分)取自真实的人耳3D扫描,耳道(中耳的一部分)像一个完美的圆柱体,耳膜(通向内耳)在耳道的末端。特别地,耳膜的阻抗对于此仿真尤其重要。 声域代表三个区域: 压力室(蓝色) 外部网域(浅蓝色) 完美匹配层(深蓝色) 扬声器驱动器作为一个集总等效元件(使用 “电路” 接口)添加,以便在振膜上(黄线)施加速度。这会导致穿过膜片的压降,随后该压降耦合回电路。穿孔板(绿线)连接声域的不同腔室。 对于耳机组件,外壳(灰色)是刚性的,但如果需要,也可以将其建模为弹性结构。通过 多孔弹性波 接口,可以对泡沫(红色)进行建模,该泡沫固定在皮肤和耳机外壳的边界上。由于其复杂性,没有在此模型中考虑泡沫的可压缩性,但是该模型可以让您很好地了解到在现实中耳机是如何运作的。   耳机在耳朵上的模型设置示意图。 正如您所看到的,设置非常复杂,因此我们建议采用集总的方法对驱动程序进行建模。许多声学工程师熟悉驱动器的集总表示法——您可能已经在案例库中看到了“ 集总扬声器驱动器”模型,该模型使用许多相同的参数来对耳机和耳塞扬声器的低频性能进行建模。(有关设置此耳挂式耳机模型的确切参数和条件,请参阅教程文档。) 当然,我们也可以对换能器及其在耳机中的相互作用进行详细的建模,对电磁场和振动结构进行耦合。例如,换能器模型可以基于“ 扬声器驱动器-频域分析”模型,或者基于低功率扬声器的微型换能器示例OW 扬声器:仿真和与测量的相关性仿真与测量的关联。 最后,具有耳朵和鼓膜的真实人体皮肤阻抗条件边界如下图所示。 具有皮肤阻抗的声域边界。 评估仿真结果 在建立并求解了模型之后,换能器仿真的第一个结果通常是系统的频率响应。在这种情况下,耳膜处的声压级(SPL)这个响应被绘制于下图(蓝色曲线),同时耳机外2 cm处测得的声压级(绿色曲线)也在图中有所展示。 您通常想要实现的是与自由场聆听体验相匹配的耳膜响应,因为这将被视为一种自然的声音体验。在这个模型中,我们仅考虑系统的线性(小信号)响应。耳膜上的声压级曲线不是平顺的,这不是必需的,因为耳朵的自由场响应不是平顺的响应。 请记住,耳机模型的几何形状和参数是发明设计的,而不是工程设计的。该模型的目的是展示如何执行分析。 响应会受到500 Hz以上的不同谐振的影响,而且看起来系统对外界非常开放,这导致了低于500 Hz的滚降。如果你仔细观察模型,会发现主要泄漏的是泡沫(您可以通过更改泡沫的性质进行测试),而不是模型中的穿孔板/网孔。蓝色和绿色曲线之间的差异表明了耳机的隔音效果有多好。 在耳膜(蓝色曲线)和耳机外2 cm处(绿色曲线)测得的系统响应。 使用仿真的好处之一是可以将声场可视化。在系统内部进行测试是困难的,识别共振就是其中一大难点。下图显示了5000 Hz时的声压级分布。无论是扬声器后面的音量,还是耳机和皮肤之间的音量,都能清楚地看到共振(声压级较低的区域)。 5000 Hz时折旧截面上的声压级。 您还可以对新设计进行虚拟建模研究。例如,通过更改耳机的孔隙率和穿孔网格的设计来进行测试。您可以添加一些多孔材料来控制共振。通过模拟,您还可以在泡沫和皮肤之间引入泄漏,并研究它们对响应的影响。你也可以将耳朵周围和皮肤上不同频率的声压级可视化(下图)。从这些结果中,你可以研究泡沫的效果,泡沫的阻尼特性有助保护耳朵免受外界噪音的影响。下面,您可以清楚地看到泡沫在最低频率下的效果,泡沫具有更好的阻尼特性。 皮肤上的声压级分布和泡沫在不同频率下的位移。 通过仿真,设计人员可以准确地测量耳机扬声器在听者耳朵附近的灵敏度,从而帮助他们优化收听体验,同时最大程度地降低听力健康风险。 拓展阅读 单击下面的按钮,尝试一下自己对耳罩式耳机进行建模。这样可以带您进入案例库中,在那里您可以找到文档,并使用有效的软件许可证下载相关的MPH文件: 试用教程模型

智能微波炉的优化设计

2019年 11月 13日

你有没有过这样的经历:当你坐下来享用微波炉加热过的食物时,咬下第一口被烫伤了嘴,而下一口却又是冰冻的。这是因为传统的微波炉并不总是均匀地加热食物。现在, Illinois Tool Works (ITW) 食品设备制造集团正在使用仿真软件模拟一种新型固态微波加热方法,以创造出智能家用厨具,可以同时加热多种食物到各自所需的温度。这个设计对于我们这些迫不及待想要将食物吃到嘴里的人来说,无疑是一个大好的消息。

通过流体动力学研究煎饼制作的最佳方法

2019年 11月 6日

对于物理学家来说,随时随地都可以寻求设计和技术的灵感。对于一个饥饿的物理学家而言,灵感可以在进餐时迸发出来。举一个很好的例子:一个经验丰富的厨师很容易用一种烹饪方法来制作煎饼,但对于一个家庭厨师来说,制作煎饼就会带来挫败感。在寻找怎样制作出完美煎饼的过程中,两名研究人员使用模拟方法来研究是否可以更好地烹饪这道经典美食……

通过集总模型估算锂离子电池的参数

2019年 10月 24日

锂可用于各种场合,不过用在电池上可能是最引人注目的。锂离子电池可用于电动汽车,储能系统等。当锂离子电池用在这些领域时,工程师必须首先通过电化学分析确保其性能能够达到预期。当电池由第三方制造时,可能会带来一个问题:生产厂商不会向工程师透露有关锂电子电池的关键信息(例如内部结构等)。让我们来看看如何通过集总模型估算锂离子电池的参数。

如何延长锂离子电池的使用寿命

2019年 10月 17日

锂离子(Li-ion)电池因其能源效率而广为人知,并且正成为电动汽车(EV)设计者的首选电池。然而,随着温度的突然变化,这些电池的效率会快速降低。液体冷却是控制温度升高的一种方法(无论是环境温度还是电池本身产生的温度),这是一种有效的热管理方法,可以延长电池组的使用寿命。为了研究电池中的液体冷却并优化热管理,工程师可以使用多物理场仿真。

COMSOL Multiphysics®在电力行业中的10种实际用途

2019年 10月 16日

有时,去现实世界中了解人们的工作情况,比查看模拟示例更有帮助。对于电力行业的人来说更是如此。在此行业中,由于设计失败和其他失误可能会严重影响客户满意度和公司利润。

使用COMSOL评估人耳声学设备性能

2019年 9月 6日

通常,助听器、移动电话和耳机都需要高质量的声音,使用户可以拥有良好的听觉体验。为了评估设计的性能,音频工程师利用头部和躯干模拟器(HATS,一种模仿成人听力环境的人体模型)创建了样机。为了更经济有效地处理这一问题,可以使用COMSOL®软件模拟这种设置,进行虚拟声学测量。

通过仿真研究如何击败巨型怪兽

2019年 8月 5日

当您在观看怪兽题材的电影时,可能会想:如果这些巨型怪兽真的生活在这个世界上,会给我们的生活带来怎样的威胁呢?为了寻求保护人类最好的方法,卡迪夫大学(Cardiff University)和 牛津大学(University of Oxford)的两位数学生物学家使用数学模型对电影中常用的消灭巨型怪兽的方法进行了测试。通过仿真分析他们确定了:针对不同区域使用何种方法来消灭怪兽能达到最好的效果。

光子晶体的建模与应用

2019年 7月 25日

1980年,Bell Communication Research的Eli Yablonovitch提出一个思考:如何减少特定频率范围内半导体激光器的损耗?他在透明介质中切割出周期性圆孔,并观察到一定频率范围内的光发生了损耗,无法穿透。Yablonovitch发现这些结构与具有传导和价带的半导体类似,并将它们命名为光子晶体(与普林斯顿大学的Sajeev John合作)。下面讨论利用光子晶体控制光的三个例子。

地震中建筑物的稳定性分析

2019年 7月 5日

1996年,我和20多名二年级的学生挤在南加州的一所小学教室的桌子下面。世界各地的人们都会经常举行这种“地震演习”,尤其是在地球断层线上的地方,以备灾难发生时人们可以及时避难。还有别的应对方法吗?有,我们可以分析受地震影响的建筑物的结构稳定性。

多物理场仿真在法律领域的应用

2019年 6月 17日

仿真软件越来越多地应用于各种科学和工程领域。那么,在法律领域呢?模拟本质上是对现实的模仿或表现,在法庭上,律师试图弄清楚现实中发生的或未发生的事情及原因。本篇博文探讨了在法庭上使用模拟软件,尤其是法官(在美国)确定何时允许在法律审判中使用模拟软件的规则。

COMSOL®中声固耦合的建模

2019年 6月 12日

声固耦合(ASI)问题要求对固体中的弹性波,流体中的压力波以及两者之间的相互作用进行建模。ASI的使用包括有声音的产生,发散,传播或接收的设备,以及用于声音的分配、隔音或消除噪声的机械系统。对这些声学系统的研究通常涉及流体和固体两部分,并且可以预测其中波的行迹,而捕捉波在流体-固体分界面处的行为尤为重要。本文,我们将讨论如何使用COMSOL Multiphysics®软件来解决ASI问题。

机械系统的频率响应分析

2019年 6月 5日

本文是关于结构动力学阻尼的博客文章的续篇,这里我们将详细讨论带阻尼的机械系统的谐波响应,在COMSOL Multiphysics®软件中演示设置频率响应分析的不同方法,以及如何解释结果。

熵捕获中的DNA快速分离过程模拟

2019年 5月 9日

在调查犯罪时,法医专家有时会使用DNA证据来识别犯罪嫌疑人。然而,DNA不仅包含识别信息,还有我们基因构成的线索。DNA分离可以用来深入研究DNA链,但是传统方法很耗时。为了加快DNA的分离,密苏里科技大学的研究人员使用了COMSOL Multiphysics®软件。

通过仿真分析球形盖的变形问题

2019年 4月 16日

当结构承受过大的压力时(即当负载达到临界状态时),它们会由于不稳定而发生变形(称为屈曲)。为了了解这些变形会如何影响设计,工程师们不仅要研究临界载荷点的情况,而且还要研究过了临界载荷点之后的情况。借助COMSOL®软件,他们可以准确、高效地进行后屈曲分析,在本文中,用一个球形盖模型进行演示。

涡流制动系统简介及建模优化

2019年 3月 6日

如今,人们对旅行的需求与日俱增,随之而来的是更加环保的交通方式的选择——噪声更小且速度更快。但是不论什么运动最终必须停止,大多数飞机,火车和汽车都使用机械制动,但这种制动方式会造成结构磨损并且在高速时变得不安全。而涡流制动就不存在这个问题。在本文中,我们将对这种无摩擦制动的可能性以及这种作用背后的现象进行研究。

多物理场仿真优化加热电路设计

2019年 2月 12日

加热电路广泛存在于飞机、电子留言板、医疗存储设备等设施中。与其他大多数加热元件一样,加热电路通过电阻加热工作,其中涉及电流,热传递和结构变形的多物理过程。为了解释这些现象及其他关键设计因素,工程师可以使用COMSOL Multiphysics®软件创建加热电路的虚拟原型。

如何使用数值端口进行 RF 分析

2018年 10月 12日

使用COMSOL Multiphysics®软件中提供的数值端口功能和附加RF模块,可以通过边界模式分析以数值方式计算具有任意形状的端口模式。通过添加频域或自适应频率扫描研究,可以获得 S参数和史密斯图。数值端口还能使我们计算工作在横向电磁(TEM)模式下的传输线的特征阻抗。

时域和频域之间的射频信号转换

2018年 9月 25日

当我们用有限元法(FEM)分析高频电磁学问题时,常常会在频域中计算 S 参数而不考虑互补域(也就是时域)中的结果。在时域中,我们可以找到其他有用信息,例如时域反射器(TDR)。在本篇博客文章中,我们将演示两个域之间的数据转换,以便通过快速傅立叶变换(FFT)处理得到所需计算域中的有效计算结果。

如何在热膨胀仿真中提供结构稳定性

2018年 6月 28日

假设你想计算物体的热膨胀和应力,提供边界上的热通量和温度约束,然后计算,可是并不收敛。通常,这种结果归因于缺乏位移约束。问题是,提供不引起人为应力的约束并非易事。今天,我们介绍 COMSOL Multiphysics® 软件中的刚体运动抑制 特征,你可以使用该特征自动找出所需的约束。

葡萄酒冷却器真的可以使饮料变凉吗?

2017年 8月 17日

在阳光明媚的日子里,人们很想带些食物和饮料到大自然里去享受美好的天气。然而,在高温下保持葡萄酒(或任何饮料)处于低温状态是一个极具挑战的事情。据推测,葡萄酒冷藏箱可以让冰冻饮料保持至少一个小时的低温。在本文中,我们使用COMSOL Multiphysics®软件来了解葡萄酒冷却器的工作原理。 葡萄酒冷却器的工作原理 葡萄酒冷却器通常由带有充气双壁的开放式丙烯酸圆筒组成。其中,双层壁起到了隔热的作用,可防止热空气到达饮料中。   在我露台的桌子上放置了一个葡萄酒冷却器,可以使刚从冷藏室中拿出的红酒保持低温。   你把一瓶冰过的酒放在冷却器里,首先它必须是凉的,这样可以防止冷却器中的温度上升。之后,瓶子会产生一堆冷空气,并且由于冷空气的密度高于暖空气的密度,因此较冷的空气会留在冷却器内。隔热壁内的空气比瓶子周围的空气略热,但比冷却器周围的空气冷。这些壁可以阻止外部热空气进入冷却器的内部腔室中。 我在家里做了一个小实验,测量了我的葡萄酒冷却器内的空气温度。测量结果证实,冷却器内部的温度从环境温度迅速下降到更低的温度,这表明这种简单的葡萄酒冷却器是有效的——至少在最开始这一阶段。根据某些葡萄酒冷却器制造商的说法,该瓶子至少可以保证一个小时(甚至最多三个小时)的低温,而无需任何其他的冷却方法(如冰块或制冷系统)。 为了评估葡萄酒冷却器是否可以使饮料保持一段时间的低温,我们需要确定饮料的温度会升高多少后,我们酒认为这个饮料就不再是冷的了。例如,白葡萄酒建议的最佳饮用温度一般在6至12°C(48.2°F至53.6°F)之间。由于饮料在饮用时在玻璃杯中会升温,因此我认为10°C(50°F)是一个合适的温度极限,超过这个温度,饮料就不再是冷的了。 让我们使用COMSOL Multiphysics来证明这些制造商的话是否合理。此外,在室外温度超过正常室温的情况下,葡萄酒冷却器的性能如何?   使用COMSOL Multiphysics®对葡萄酒冷却器中的传热进行建模 对于COMSOL Multiphysics®模型,我们可以将葡萄酒冷却器的圆柱形状,创建为一个轴对称的模型。与完整的3D模型相比,该模型的计算效率更高,并且符合所需的所有细节。我们还假设了轴对称条件(也就是说,该模型未考虑外部影响,例如风或太阳的热辐射等)。该模型的几何形状包括瓶中的饮料,瓶本身,冷却器内的空气,冷却器壁以及内、外冷却器壁之间的空气隔热袋。   葡萄酒冷却器模型的几何形状。 对于材料数据,该模型使用了内置材料库中的以下材料: 在瓶上方的液体区域,冷却器内部(瓶子外部),以及冷却器壁上的空气带中填充空气 水,液体用于瓶中的饮料 瓶子本身是用玻璃(石英) 尼龙用于塑料冷却器壁和底部 传热发生在冷却器装置中的所有部分,对玻璃和塑料中固体的传热(热传导)以及饮料和空气中流体的传热(热传导和对流)进行建模。为了模拟瓶子周围更活跃的自然对流模型(因为瓶壁和冷却器壁的温度不同),通过Nusselt number(努塞特数) Nu = 10(参见下面的 “流体” 节点的设置)。在所有流体中都可以使用相似的 努塞特数 值,但是在此部分中,混合是最重要的。   流体节点的设置表示冷却器内的空气,努塞尔特数(在最底部)的设置表示混合。   在初始条件下,瓶子和里面的饮料温度为6°C,代表冷却器。空气和冷却器的初始温度设置为21°C,这是典型的室温。 对于边界条件,当您创建二维轴对称几何图形时,COMSOL Multiphysics会自动处理轴对称问题。冷却器的底部被认为是绝热的。对于冷却器和瓶子的外部,对流热通量描述了边界条件,外部温度设置为环境温度。瓶子和冷却器顶部的开放边界使用温度条件表示:这些边界处的温度设置为环境温度。 为了在仿真过程中测量饮料和冷却器内空气的温度,我们添加了两个域点探头,它们提供了瓶内(用于饮料)和冷却器(用于空气)内部温度的模拟温度。使用 区域探针 来计算饮料的平均温度也可能引起人们的兴趣。 最初,环境温度被设置为21°C(这是中等温暖地区的夏季的温度)。在参数扫描中,我们将环境温度从5°增加到26°C和31°C,分别代表一个温暖的夏天和一个炎热的夏天。参数扫描显示出冷却器对外界温度的敏感程度。 下图显示了如何使用一组值和一个关联单位指定参数扫描: “参数扫描” 节点的“设置”窗口(仅限顶部)。该扫描包括三个环境温度值(以摄氏度为单位)。 最后,我们可以从仿真器中删除冷却器,以检查将瓶子直接放在温暖的空气中时,瓶子的升温速度有多快。在COMSOL Multiphysics中这样做很容易。我们从冷却器域中的传热 接口删除,并将对流热流条件分配给瓶子边界的另一部分,即先前的内部边界,即瓶子与冷却器内空气之间的边界。这部分现在变成了暴露在环境温度下的外部边界。 葡萄酒冷却器模拟的结果 当您在COMSOL Multiphysics中运行轴对称仿真时,该解决方案将自动转换为一个完整的3D解决方案。以下3D图显示了环境温度为21°C 时,1小时后瓶子和冷却器中的温度:   一小时后的温度。除顶部外,冷却器内的瓶子和周围空气仍然是冷的。   通过探针,我们可以绘制出瓶内和冷却器内空气中的温度(在底部上方10 cm处): 瓶内(绿色)和冷却器内空气(蓝色)的温度。   如图所示,冷却器内的空气迅速降至约10°C左右,这与我使用家用温度计进行的测量温度相符。饮料的温度在10°C以下保持近1.5小时,在12°C以下可以保持2小时以上。因此,在21°C的环境温度下,将饮料冷藏至少一个小时的承诺似乎是有效的。 现在,我们可以运行参数扫描。环境温度先升高5度,然后再升高10度。下图显示了3种环境温度下瓶内饮料的温度: 瓶中饮料的温度,环境温度为21摄氏度(蓝色),26摄氏度(绿色)和31摄氏度(红色)。 不出所料,当环境温度升高时,冷却器将无法长时间保持饮料的低温。26°C时,1小时后饮料的温度略高于10°C。当室外温度很高(31°C)时,饮料的温度在1小时后高于10°C,但仍低于12°C。因此,尽管比室温温度高出几度,但冷却器仍能很好地保持饮料的低温。 瓶子在冷却器中停留的时间越长,就越容易受到周围环境温度的影响。但是,如果我们根本不使用冷却器呢?在另一个模拟中,我们可以在没有葡萄酒冷却器的情况下分析瓶子的温度。在这种情况下,我们得到了通过参数扫描的结果:   没有冷却器的瓶中饮料的温度,环境温度为21摄氏度(蓝色),26摄氏度(绿色)和 31摄氏度(红色)。 从上图可以明显看出,冷却器的作用很大。即使在室温情况下,瓶中饮料的温度也不会保持在12°C以下。对于较高的室外温度,饮料的温度上升得很快。现在,我们可以肯定地说,在没有任何冷却器的情况下将一瓶葡萄酒带到外面并不是一个好主意。 保持凉爽 该仿真显示了您可以在COMSOL Multiphysics中建立模型的以验证量级的速度有多快(如果可以的话,还可以将其与您的测量结果进行比较),并使用参数扫描来探索其他配置,例如环境温度的变化等。 我们在本文中讨论的葡萄酒冷却器模拟实验表明,实际上,即使外面真的很热,您也可以将一瓶喜欢的饮料保持几个小时的低温,或者至少接近一个小时。您需要做的就是在将瓶子带到室外之前适当地冷却瓶子,并记住将其放入葡萄酒冷却器中。冷却器的传热机制将为您完成冷却工作,使您可以“冷静下来”。 拓展阅读 看看物理与葡萄酒相遇的另一个例子:葡萄酒的眼泪和马兰戈尼效应 了解本文中提到的一种过程的更多信息:COMSOL Multiphysics®中自然对流建模的简介

计算普通光源的发射光谱

2016年 1月 14日

我很喜欢我在一年前购买的Philips Hue照明系统。该系统允许您使用智能手机为多达18个灯泡设置数百万种不同的颜色和数千种亮度级别。你也可以通过编程让系统在你接近住处时自动开启,这被称为“地理定位”,或者在一天中的特定时间自动开启。那么,与其他照明技术相比,它的光质量如何呢?   家庭照明系统 飞利浦Hue系统的工作原理是改变输出的蓝光,绿光和红光量,您可以直接从智能手机上进行设置。如果您对某种特定颜色的光很敏感,就可以避开它。您还可以根据自己的心情设置灯光以帮助您集中精力,为自己充电、阅读或放松心情。该系统存在一种“集中”模式,该模式优先输出更多的蓝光,以增强人体集中的能力。在晚上放松时,我使用“日落”模式,该模式会提供更多的红色和橙色色调。   在使用该系统一段时间后,我还发现了一些长期优势: 与使用老式荧光灯相比,我晚上更容易入睡。 自从升级系统以后,我的电费每月减少了约21美元。这是因为12 W的发光二极管(LED)灯泡可以产生与60 W白炽灯泡相同的光输出。   比较我公寓里的一些照明系统的设置。左:柔软的白色。中:红色。右:蓝光。   我曾试图说服我的父母购买该系统,但我的推销说辞并未打动他们。我最近给他们买了这个系统作为圣诞礼物,当我为他们演示该系统时,我听到的第一条评论是:“哇,光感如此自然。”这促使我思考为什么会这样,是否可以使用COMSOL Multiphysics®软件研究其中蕴含的基础物理学。简单来说答案就是:高效LED灯泡产生的发射光谱。通过将自然光的发射光谱与白炽灯,荧光灯和LED灯泡产生的光谱进行比较,我们可以更好地理解这种现象。   在COMSOL Multiphysics中绘制发射光谱 下图绘制了自然光、白炽灯,荧光灯和LED灯泡的发射光谱。如您所见,不同灯光的发射光谱是非常不同的,它们中的任何一个都无法完美地复制自然光。 自然光 让我们从太阳到达地球表面开始。目前还没有办法用人造光源再现自然光的发射光谱。但是,可以使用 光导管 将进入的自然光重新定位到地下(如地铁站中)。其中一个例子就是将光定位到了柏林的地下火车站。一根光导管从车站上方伸出(如左图所示,在下面显示)并收集光线,该光线通过一根特殊的管道传输并进入地下车站(如以下右图所示)。   左:柏林火车站入口处的灯管。图片由 Dabbelju自己的作品制作。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。右:光导管将光传输到地下终端。图片由 Till Krech-Flickr提供。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY 2.0下获得许可。   白天,光导管为火车站提供了更自然的照明。这种方法一个明显的缺点是它无法在夜间工作,因此需要一种模仿自然光的人造光。 自然光的发射光谱通常在光谱的可见部分,且遵循普朗克分布,如下图所示。尽管强度在浅蓝色区域(约460 nm)处最高,但没有一种颜色比其他颜色更受青睐。 从太阳到达地球表面的可见光的发射光谱。 白炽灯泡 白炽灯泡里含有钨丝,当电流通过时,钨丝会被电阻加热。在2000 K(约1727摄氏度)左右的温度下,灯丝开始发出可见光。为了防止钨丝烧毁,灯泡里要充满一种气体,通常是氩气。灯丝中产生的热量通过辐射、对流和传导传递到周围环境中。白炽灯泡发出的红光比例大于自然光。发射甚至延伸到电磁波谱的红外部分,这浪费了能量且降低了灯泡的整体效率。   一个普通白炽灯泡可见范围内的发射光谱。 荧光灯泡 荧光灯通常由一根长玻璃管组成,该玻璃管中包含有低压汞和稀有气体(如氩气)。在该管的内部,产生了非平衡放电(等离子体)。这意味着电子温度与周围气体混合物的温度不同。电子温度可以超过20,000 K(约19727摄氏度),但是气体温度保持在相对接近室温300 K(27摄氏度)的水平上。由于等离子体处于非平衡状态,电子撞击反应会改变气体混合物的化学成分,以碰撞过程控制的方式。这些碰撞会产生电子激发的中性粒子,这些中性粒子随后会产生特定波长的光子自发辐射。 可见光是由两种机制产生的:直接由放电产生的光发射,或由激发管表面的磷光体产生的光发射。荧光灯通常会给患有称为 Irlen 综合征视觉障碍的人带来麻烦,而且当长时间暴露在荧光灯下时,人们经常会抱怨头痛和偏头痛。 如下图所示,荧光灯光源的发射光谱看起来很奇怪。这种量子化要么是由于等离子体的直接发射,要么是由于荧光粉的作用。但对人眼来说,发出的光看起来仍然是白色的。和白炽灯泡一样,荧光灯泡的效率也很低,因为需要维持等离子体,而且它发出的辐射在不可见的范围内。 一个普通荧光灯的发射光谱。 LED灯泡 LED正在给照明行业带来一场革命,因为与传统的白炽灯技术相比,LED灯的发光效率更高且耐用性更强。普通的家用LED灯泡在发光时所需的功率只有同等亮度白炽灯的10%到20%。LED灯泡的使用寿命超过25,000小时,相比之下白炽灯泡只有1000小时。 LED具有比白炽灯泡更高的效率,因为它们以完全不同的原理发光。LED(发光二极管)是一种半导体器件,当导电带中的电子通过与价带中的空穴的辐射复合跃过能隙带时发光。与白炽灯泡不同,LED可以在非常窄的波长范围内发光。 最初,红色、绿色和黄色的LED是在20世纪50年代和60年代发展起来的。然而,正是 蓝色LED 的发明导致了新型高效白光光源的产生。从此类LED发出的蓝光可用于刺激LED外壳周围的磷光体层发出更宽的光谱,或者可直接与红色和绿色LED组合以产生白光。 如下图所示,黄色荧光粉设置的LED光谱更接近自然光。蓝光比白炽灯要多,并且几乎所有能量都在可见光谱范围内发射。 一个普通的 LED 灯泡在温暖的白色环境下的发射光谱。 组合光源 不同的发射光谱绘制在下面的同一轴上。尽管没有一个灯泡能够完全重现自然光,但LED灯泡显然是最好的近似光源。所有的发射都在可见光范围内,这使得设备非常高效。 来自自然光、白炽灯、荧光灯和 LED 灯泡的发射光谱。 通常,白炽灯和荧光灯有固定的光输出,还有固定发射光谱的LED灯泡。通过绘制不同光源的发射光谱,我们可以推断出LED灯泡最接近自然光。 探索更多的光源建模方法 正如我们在这篇文章中所看到的,有许多不同的方法来创建人造光。上面描述的所有方法都可以使用带有半导体、等离子体、传热或射线光学模块的COMSOL Multiphysics上建模。 阅读博客文章: 创建波长可调LED仿真应用 建模灯泡,所有形式的热传递 Vdara酒店的腐蚀性表面生成分析 下载教程模型: 无极灯 透明光管 PHILIPS是 Koninklijke Philips NV及其附属公司的注册商标。  

COMSOL用户年会2019(北京站)掠影

2019年 11月 28日

日前,一年一度的多物理场仿真盛会——COMSOL用户年会2019在北京圆满落幕。此次会议以“拓展人脉、学习探索、开拓创新“为主题,旨在为全球COMSOL用户搭建学习、互动和交流平台。会议主要包括四个环节:主题演讲、用户演讲、小型课程和海报展示。在这里,很高兴与大家分享会议纪要和现场照片。


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