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化工 博客文章

使用传递矩阵计算分析耵聍挡板声学

2020年 1月 28日

助听器可用于应对不同类型的听力损失,同时为了保证其功能的有效性,必须进行积极的维护。声学工程师和设计人员将耵聍挡板集成到助听器中,以保护其微型扬声器(在助听器中通常称为接收器)。使用COMSOL Multiphysics® 软件和方法,工程师可以考虑到耵聍挡板中的小尺寸几何结构并能快速仿真获得声学响应。 用耵聍挡板延长助听器的使用寿命 当谈到我们的耳朵时,我们会自然地产生耳垢,既可以作为天然清洁剂,又可以作为阻挡异物的保护屏障。然而,耳垢和 助听器 并不是最佳组合,因为耳垢可能会导致助听器阻塞,并导致使用者听到的声音失真。 为了避免助听器发生故障,可以采取预防措施,例如使用耵聍挡板来防止耳垢和水分渗入助听器。使用耵聍挡板是一种经济有效的方法,可以帮助改善助听器的功能,并延长其使用寿命。 耵聍挡板是一个很小的、可更换的防护网,用于耳内接收器(RITE)型助听器和耳道内接收器(RIC)型助听器。下图显示了助听器的装配图和耵聍挡板的位置。这种微型扬声器(也称为接收器)通过连接到助听器主体(位于用户耳朵后面)的电线供电。耵聍挡板放置在一个可以拆卸和更换的小结构中。使用 COMSOL Multiphysics 和 “ 声学模块” ,我们可以使用 5.5 版中的功能来分析耵聍挡板中的细小结构及其声学特性。 接收器装配的图示和耵聍挡板的位置。S0R 代表适用于右耳的,长度为 0 且为 Small 类型。图片由 Widex 版权所有。 在 COMSOL Multiphysics® 中导入耵聍挡板的 CAD 几何模型 本教程分为两个部分: 使用 端口 边界条件和 端口扫描 功能计算耵聍挡板的传递矩阵 在典型的测量设置中计算耵聍挡板的响应,并将其与实际测量值进行比较 将步骤 1 中计算的传递矩阵用于步骤 2 中,并在 COMSOL Multiphysics 中建立了集总传递矩阵方法。 在此模型中,NanoCare™ 耵聍挡板CAD 几何形状、接收器传递矩阵数据、耦合器传递矩阵数据、麦克风阻抗数据和测量数据均由 Widex 版权所有。耵聍挡板的几何结构如下图所示。 耵聍挡板的几何形状。CAD 几何图形由 Widex 版权所有。 传递矩阵:集总表示 传递矩阵(也称为双端口)是在光学和声学应用中分析系统中传播的波的一种有效且常用的方法。在本教程中,将计算一个包含入口和出口的耵聍挡板的传递矩阵;它代表了其子系统的集总模型。由于耵聍挡板的尺寸很小,因此在全频率范围内使用传递矩阵是理想的选择,因为在此模型中只有平面波传播(我们的计算远低于截止频率)。重要的是需要认识到,由于尺寸很小,在传递矩阵的描述中需要包括 热和粘性边界层损耗,以衡量这些损耗会对该声学系统造成多大的影响。如果您知道模型中所有组件的传递矩阵,就能快速地模拟并分析其声学特性。这也意味着可以简单快速地用同样的方法研究在同一声学系统中使用其他接收器的性能。 在 COMSOL Multiphysics 中,您可以选择定义矩阵以设置完整系统的集总表示(可能需要花费一些时间)。在本教学模型中,完整的测量设置由四个双端口组件串联组成。对于接收器(T rec),接收器管(T rt),耵聍挡板(Twg),耦合器 (Tcp) ,以及测量麦克风阻抗 (Zmic),每一个均由其传递矩阵描述。这个模型的输入是施加到接收器的电压 V in(请记住,这是助听器中的微型扬声器)。耦合器是一个 代表标准耳道 的体积。除耵聍挡板的传递矩阵外,其他所有传递矩阵都依赖于现有数据(由供应商测量或提供)。耵聍挡板的传递矩阵是由模型第一部分计算得到的。该系统如下图所示: 为了计算耵聍挡板的传递矩阵,该模型使用 热粘性声学,频域 接口,端口 边界条件和 端口扫描 功能(自5.5版起)。当端口扫描完成后,被分析的系统(此处为耵聍挡板)将自动计算传递矩阵。端口假定为平面波传播,因此必须将其放置在远离任何有几何突变的地方(例如耵聍挡板上的穿孔板)。为了做到这一点,将长度为 1 mm 的入口管添加到几何结构中。模拟区域是耵聍挡板(包括入口管)内部的空气量,如下所示。 模拟区域包括耵聍挡板内部的空气域以及外部的进气口管。 “端口功能设置” 窗口,包括 “用户定义” 、“数字” 和 “圆形端口类型” 选项。 评估耵聍挡板声学 声压和瞬时速度变化如下图所示。在该模型中,可以更改系统的频率参数和激励端口(入口和出口)。更改频率参数可以使您看到黏性边界层和热边界层的范围。黏性边界层的出现是由于黏性(无滑移条件)使空气颗粒无法在固体边界处运动而产生的。在该图中,可以看到壁面上的速度趋近于零(深蓝色)。黏性耗散(阻尼)出现在速度梯度较大的地方。这与耵聍挡板中的孔洞重合(颜色快速变化)。 出口处为端口激励,在 […]

开发用于按需DNA合成的硅MEMS芯片

2020年 1月 21日

体细胞基因组编辑逐渐表现出能够治疗多种遗传疾病的能力。随着功能强大的基因组编辑工具 CRISPR-Cas9 的不断发展,人们对 DNA 合成技术的需求也越来越多。一家总部位于英国的初创公司正在开发一个平台,用于高度平行、精确以及可扩展的 DNA 合成,这将大大拓宽合成生物学的应用前景。 DNA 研究的新领域 传统的 DNA 合成技术是通过化学构建一串碱基,以形成一条单链的一个片段,然后将这些片段连接在一起,形成双链DNA。这种方法造价昂贵且非常耗时,这就限制了合成生物学的应用前景。一个可以合成整个基因序列的 DNA 平台将会改变每个实验室中 DNA 合成的格局。现今,总部位于英国剑桥的初创公司 Evonetix 正在开发一种芯片系统,以实现这一目标。 Evonetix 正在开发的平台上包含有多个反应位点的硅芯片,每个反应位点都可以并行合成一条不同的 DNA 链。各个位点都有一层金,上面会发生生化反应。同时也有一些保护区域,这些保护区域将位点与之间的被动区域热隔离。 在芯片实验室里做的晶片硅上的单个反应位点。图片由 Evonetix 提供。 热控制是芯片最重要的方面之一。可以通过热控制来加速或减速芯片上各个位置的反应,就像电灯开关一样打开或关闭这些位置。热控制还可以精确且独立地控制反应位点处流体体积的温度,这种控制可以创建 “虚拟热井” ,从而消除反应位点之间的物理屏障,并允许试剂可以同时流过数千个位置。这样,当含化学试剂的液体流过这些位点时,取决于温度的反应就可以以高度并行的格式进行或者关闭。 该芯片的另一个方面是其专有的错误检测方法,这种方法可以提高良率。反应位点上生长的 DNA 序列会自动纯化以消除错误,然后再将它们组合成更长的高保真基因序列。 设计目标 为了使硅芯片可以尽可能有效地合成 DNA,Evonetix 团队想到需要优化其几何形状和材料。他们对该芯片有三个主要设计目标: 反应位点处温度均匀 反应位点上单位功率的高温升速率 流体流动过程中稳定的温度分布 首先,反应位点处保证其温度均匀很重要,因为温度可以精确控制反应。Evonetix 物理负责人 Andrew Ferguson 说:“化学反应是随着温度变化而开启的,我们希望可以精确地控制反应速率。” 其次,反应位点上单位功率的高温升速率可以使芯片的总功率保持在较低的水平。最后,芯片上稳定的温度分布确保了反应可以在流体流动条件下发生。 在 COMSOL Multiphysics® 中为硅 MEMS 芯片建模 Evonetix 团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件在其硅芯片设计上模拟 DNA 合成。Evonetix的高级工程师 Vijay Narayan 说,“我很喜欢 COMSOL Multiphysics 的用户界面。它可以让我们专注于物理学,同时确保方程的数值结果能得到很好的后处理。”他们使用 COMSOL Multiphysics 中的内置材料以及来自文献的外部材料数据,建立了具有真实材料参数的模型。 首先,该团队使用 COMSOL Multiphysics 构建芯片的单个单元(包括反应部位和加热器)的几何形状,以满足上述三个设计要求。该 ECAD导入模块 使他们能够轻松地将他们的设计从 GDS(CAD 文件格式)导入到 COMSOL Multiphysics 软件中。Narayan说:“系统的设计,尤其是对加热器的设计,可以非常精确,并且具有非常严格的设计规则,同时 ECAD 导入模块提供了更多的灵活性。” 这一功能也使设计团队能够在原型制作阶段直接向制造商提供设计图样。 包括一个反应位点的几何模型图。图片由 Evonetix 提供。 为了分析系统的稳态和瞬态热响应,研究小组使用了传热模块。他们通过使用 电磁加热 接口,让电流流经加热器来评估系统的温度控制能力。为了扩展热分析,该团队通过添加 层流 和 非等温流 多物理场耦合来描述流体流动。 […]

如何模拟外加电流阴极保护

2019年 12月 18日

外加电流阴极保护是保护金属免受电腐蚀的常用方法。在此博客文章中,我们将解释这种方法的工作原理以及常见的应用。最后给出一个船体仿真模型。在该模型中,对轴、螺旋桨阴极保护系统产生的电场信号进行分析是仿真非常重要的一个方面。 防止电偶腐蚀 若将金属放入电解液中,将始终面临电偶腐蚀的风险。这种类似的反应会发生在水环境,土壤,混凝土,以及大气环境下。当潮湿的空气凝结在金属表面上时,会形成一层电解液薄膜。当金属周围被电解液环绕,并且电解液能够将其中的离子从金属的一端传输到另一端时,就会受到腐蚀。即使是看似相同类型的金属(铸铁),也会由于金属中的杂质或金属本身的不同而被腐蚀,这种腐蚀可能是金属与结构的其他部分具有不同的电化学势有关。 板上螺栓的电偶腐蚀。D3j4vu提供的自己的作品。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。 如果不对金属进行保护,电偶腐蚀会导致点蚀、缝隙腐蚀等问题。为了缓解此类问题,可能需要通过聚合物涂层来将金属与电解质环境隔离开。但是,随着时间的流逝,此类涂层可能会因撞击或穿透而被破坏,最终导致腐蚀。 在许多情况下,如果金属的第一道保护屏障被破坏,通常会采用另一种方法来避免电偶腐蚀。这种方法就是通过结构极化,使暴露的金属成为系统的阴极来实现的。暴露的金属受阴极反应控制,阳极反应造成的材料损失可以忽略不计。通常有下列两个方法来保护金属不受腐蚀: 通过牺牲阳极来实现阴极保护(SACP) 使用电化学平衡电位较低的牺牲金属 通过外加电流来实现阴极保护(ICCP) 使用外部电流源(通常是整流器),产生直流电流,使金属表面极化成阴极电位区 电流源与一些由惰性材料制成的阳极相连接,不像牺牲阳极那样消耗电流 ICCP方法通常用于陆上管道,港口,混凝土结构,船舶等。由于其具有高电流输出和易于安装等特点,它也是海上石油平台加装腐蚀防护系统的一种常用方法。 ICCP的一个主要缺点是电流输出可能很大,这会导致附近金属表面产生非常负的极化。这可以使阴极极化成一个发生析氢的区域。对于某些结构,氢会扩散到金属表面并在金属中产生氢脆和氢致应力开裂 (HISC)的风险。 SACP可能更常用于钢结构,因为析氢的风险不太明显。在大型船舶上,这是一种非常常见的阴极保护方法。用于将施加电流的阳极嵌入容器的船体表面,与具有相同电流容量的牺牲阳极相比,其产生的阻力要小得多。 模拟通过外加电流实现的阴极保护 如果想要在一个几何大结构的背景下捕获物理和电化学的所有细节,对腐蚀进行建模会极具挑战性。幸运的是,在对较大规模的阴极保护(例如船体,管道或石油平台)建模时,可以做一些假设和简化。 首先,从控制方程式和电解液质充分混合的假设入手,将方程式进行简化,以便可以只计算由离子迁移引起的电解液质中的电流平衡。这就会把控制方程式简化为拉普拉斯方程式,其中电解液质的电导率作为材料参数输入。 电流密度平衡的方程式为 \nabla \cdot \mathbf{i}l=0 其中 \mathbf{i}l=-\bigg(\sum^n{i=1}zi^2u{m,i}F^2ci\bigg)\nabla\phil+\bigg(F\sum^n{i=1}zici\bigg)\mathbf{u}. 其中,il 是电解液中的电流密度,n 是物种的数量,z 是离子的电荷,u{m,i} 是离子的迁移率,F 是法拉第常数,c 是物种的浓度,\phil 是电解液的电位,\mathbf{u} 是描述电解液流动的速度矢量。 上面方程式右侧的第二项包含了电中性条件,它等于零。方程式右边第一项括号内的系数等于电解液的电导率。这就得到了完全混合电解液中电流密度的表达式: \mathbf{i} _l=-\kappal\nabla\phil 在所有的金属表面上,可以同时发生阳极和阴极反应。这些反应可以用 Butler-Volmer 或 Tafel 方程确定的电流密度来表示。Butler-Volmer 方程给出了表面点出作为电化学势函数的电化学反应速率。使用法拉第定律,由于涉及到电子,因此得到了电流密度(参考文献1).Butler-Volmer 方程式可以描述发生在阴极上的析氢反应: i{H2}=i{0,H2} \bigg[ (c{OH^-})^2P{H2} \exp\big(\frac{3F} {2RT}\eta\big)\exp\big(\frac{F}{2RT} \eta)\bigg] 其中i{0,H2} 为交换电流密度,c{OH^-} 是无量纲氢氧根离子浓度,P{H2}为无量纲氢分压,R 为通用气体常数,T 为温​​度和 \eta 活化过电位。 活化过电位定义为: \eta= \phis-\phil-E{eq}, 其中,\phis 表示电级表面电势,E{eq}  表示相对系统中所有反应共有的特定参考电极测得的平衡电极电势。   通过给出这些方程式中不同的参数,可以得到极化曲线,如下图所示: 图1:在次贵金属 表面(蓝色)和较贵金属 表面(红色)处反应的 Butler–Volmer 表达式。 这些极化曲线通常也用埃文斯图(Evans diagram)表示: 图 2:在没有欧姆和质量输运损耗的情况下,两个电极反应的埃文斯图。 对于外加电流阳极,通常需要设置电流密度,以使系统在参考电位上达到给定的电解液电势。这构成了模拟外加电流的阴极保护所需的材料参数和边界条件。   图 3:船体示意图,其中包括参考电极,阳极,螺旋桨和轴的位置。 在船体上建立 ICCP […]

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。

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。

使用 COMSOL Multiphysics® 优化 PID 控制器性能

2019年 6月 11日

想象一下,你正在公路旅行,以每小时 60 英里的速度在公路上行驶。为了保持这个速度,你决定打开巡航控制。毕竟你正在度假——为什么不让汽车替你干活呢?无论你是上坡还是下坡,汽车都会对速度变化做出反应,自动加速或减速。这种过程控制归功于比例-积分-微分(PID)控制器。通过仿真,工程技术人员可以优化这种控制装置。

仿真助力设计药物输送系统

2019年 5月 17日

你有没有紧张过,感觉就像被一个小小的闪电击中一样?但是值得庆幸的是,这种疼痛通常会在几天之内消失。不过,遭受严重伤害的人并不是那么幸运,这种痛苦可能会持续数月之久。而诸如神经导向器之类的药物输送系统则可以帮助加速愈合过程。在设计此类设备时,生物工程师需要全面了解药物反应动力学,而这项工作可以借助仿真建模来完成。 使用神经导向器治疗神经损伤 神经充当人体的控制和消息传递系统,使我们可以微笑和挥手,还可以告诉我们什么时候感到太冷或太热。当人体的神经细胞受到挤压、拉伸或其他伤害时,该区域开始发出求救信号,导致人产生从轻微的不适、僵硬到麻木、剧烈疼痛等感觉。 戴腕带可以帮助缓解由正中神经压力引起的腕管综合症的症状。 当神经损伤严重时,医生必须努力修复神经,一种方法是植入神经导向器。 神经导向器可帮助神经正确地重新生长,确保组织愈合时不会缠结这些路径。还可以将它们设计为精准药物输送系统,以减轻疼痛并加快愈合过程。这些不会留下太多伤痕的小型设备可以由可生物降解的生物材料制成,因此甚至不需要将其移除。 神经导向器利用人体的康复机制来控制药物的释放位置。当组织受损时,它会产生一种酶。一旦插入神经导向器,这种酶就会慢慢吞噬药物周围的物质,最靠近组织的部分降解最快,因此药物被“引导”至受伤的神经。 与任何药物输送设备(如贴片类药物)一样,控制药物反应的行为对于神经导向器至关重要。例如,生物工程师必须确保随着时间的推移药物释放应保持稳定;为确保患者的安全和舒适,药物释放决不能太多(避免“爆发释放”)或太少。 但是,了解这种行为可能很困难,因为它受到多方面的影响,包括: 药物的加载和扩散 生物材料的降解和亲和力 设备的几何形状 为了深入了解这些因素如何影响药物反应动力学,生物工程师可以使用仿真工具来模拟。在下一节中,我们将看一个使用 COMSOL Multiphysics®软件 及其附加的 化学反应工程模块 构建的示例。 神经导向器中的药物释放过程建模 该模型由受损的神经细胞组织,代表神经向导的生物材料基质,以及围绕两者的介质组成。在生物材料中,药物分子附着在肽上,而肽与基质结合。 可以分两种情况分析药物反应动力学:完美混合的环境和空间依赖的环境。 第一个系统是0D,只需求解药物随时间变化的动力学,使用“反应工程”接口描述反应系统。至于空间依赖的系统,它通过“稀物质传递”接口来显示药物是怎么样进入受损组织,并追踪分子的运动。如下图所示,神经导向器是具有3D结构的圆柱几何形状,可以利用轴向对称性将模型简化为2D结构。 神经细胞的空间依赖模型,生物材料神经导向器(左图,红色),以及周围环境的3D(左)和2D结构图(右)。 为了检查分子如何随时间释放,通过0D模型研究了两种类型的药物释放机制: 药物仅从肽上解离,而肽仍附着在基质上; 基质由于酶催化而降解,从而释放出药物-肽物质。药物一旦释放后,物质就会分离。 通过2D结构模拟,可以检查药物如何随时间在几何空间中扩散,确定导向器是否有助于药物正确靶向受损的神经。 此外,基质中可能存在多种反应。尽管我们在本文中没有详细介绍如何对这些反应进行建模,但是您可以在 COMSOL 网站“案例下载”页面,查看《生物材料基质中的药物释放》案例教程文档中的详细建模过程 在COMSOL®软件中评估药物反应动力学 完美混合的系统 下文中,您可以看到在这个神经导向器中,不同物质分子随时间变化的浓度。在模拟开始时,可以看到第一种药物释放机制发挥作用:药物的解离。与基质结合的药物-肽浓度迅速开始下降,而与基质结合的肽浓度却有所增加。这些变化也反映在药物浓度的快速上升中,会在短短的0.03秒内达到最大量(〜7.71 mol / m 3)。 随着生物材料的降解(总共需要约5000秒),在10~5000秒内第二种药物释放机理开始发挥作用。结果显示,未与基质结合的肽浓度的急剧增加,以及与基质结合的肽浓度的相应减少。但是,在这些变化过程中,药物的浓度保持恒定。 综上所述,这种稳定释放对于神经导向器的设计至关重要,因为药物剂量的变化可能会给患者带来严重的风险。 药物释放过程中物质的浓度变化。 很明显,药物释放是均匀的,所以接下来,让我们看一下药物如何扩散到神经和周围区域。 空间依赖的系统 如下图所示,您可以查看域内药物浓度在不同时间的分布情况。系统中的酶起源于细胞组织,因此当生物材料降解时,它有助于将药物引导至受损的神经。 到模拟结束时,最大浓度在神经中心,这意味着导向器成功地递送了药物。 此外,尽管此处未显示,但也可能观察到生物材料随着时间的降解情况。   药物在神经细胞组织,神经导管和周围环境中的浓度 下一步 生物工程师可以通过观察药物反应动力学,设计神经导向器和其他药物输送系统。通过创建这样的模型,他们可以测试不同的设计参数(例如时间、几何形状、物种的亲和力等),查看影响药物释放行为的因素。工程师甚至可以利用这些信息以及其他信息来优化其整体设计,从而评估混合生物材料如何影响结果。 如果您需要对药物反应动力学建模,请单击下面的按钮,将进入 COMSOL 网站 “案例下载” 页面,其中包括案例教程文档和 MPH 文件。您可以使用有效的软件许可证下载所需文件。 获取教程模型


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