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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 […]

如何将图像转换为几何模型

2020年 1月 23日

“图像到曲线”是 COMSOL Multiphysics 的一个产品插件,通过它您可以将图像用作仿真分析的起点。通过此插件,将导入图像的轮廓图创建为插值曲线,然后将其转化为几何的一部分。本文我们将演示如何使用此功能。 “图像到曲线”插件简介 下图展示了基于用黑色标记线绘制的轮廓照片创建扫掠网格的一些步骤。在这种情况下,通过拉伸 2D 几何图形来创建 3D 模型。 导入的照片(用智能手机拍摄),其中的轮廓用黑色标记线画出,并带有包覆的轮廓线(绿色细线)。 从图像到几何的转换过程中,删除产生的一些无关域而得到的实体几何轮廓。 基于黑色标记线轮廓的扫掠网格。 启用“图像到曲线”插件 首先,选择“模型开发器”中的“开发人员”选项卡,单击“插件库”,然后从“插件库”启用 “图像到曲线” 插件。 插件库按钮。 从列表中,选中“图像到曲线”插件的复选框以启用它。 插件库窗口。 单击“开发人员”选项卡上的“插件”按钮时,将显示“图像到曲线”插件。 通过“开发人员”选项卡访问插件。 “图像到曲线”设置窗口 “图像到曲线” 插件的 “设置窗口” 如下所示。顶部有5个工具栏按钮,并有5个不同设置项目的栏。 图像到曲线 “设置窗口”。 通过 “设置窗口” 顶部的工具栏在不同步骤之间导航。 “要弯曲的图像”加载项的工具栏按钮。 “图像到曲线”插件按钮包括: 重启 将所有值重置为出厂设置 绘图 渲染原始导入的图像,不包含任何过滤器 过滤器 使用 “图像” 栏中指定的 “过滤器” 渲染过滤的图像 轮廓 使用“ 轮廓”栏中的阈值设置绘制图像轮廓 曲线 在2D几何序列或3D工作平面中创建插值曲线节点 曲线插值公差可以在 “曲线” 栏中进行调整 “图像到曲线”插件栏包括: 图片 轮廓 曲线 目标 高级 下面将详细描述各栏的设置项。 图像栏 要导入图像,请在插件“设置窗口”的“图像”栏中单击“浏览”按钮,打开文件浏览器,您可以在其中选择要导入的图像。 图像栏 图像可以是物体或图像的照片,支持的格式为.png,.jpg,.jpeg,.bmp和.gif。 为了创建高质量的几何图形,图像最好应在较亮的背景上为深色,或在较暗的背景上为浅色。导入时,彩色图像将会转换为灰度图像。导入后,“图像”栏中将显示有关图像尺寸(以像素为单位)的信息(x尺寸和y尺寸),以当前长度单位表示的图像宽度,由“几何”节点、“文件名”和用于处理图片的“过滤器”确定。 通过更改图像宽度值,可以调整最终几何图形的尺寸。以后也可以通过在几何序列中添加比例要素节点来更改此设置。滤镜选项包括一些模糊滤镜和锐化滤镜,如下图所示。 过滤器设置 使用这些滤镜可减少导入图像中的噪点(模糊)或增强边缘(锐化),更改滤镜将更改从图像提取的曲线的形状,默认值为高斯模糊滤镜。如果有必要,请在导入之前使用专用的图像处理软件进一步处理图像。单击工具栏中的“绘图”或“过滤器”按钮分别渲染原始图像或过滤后的图像。 轮廓栏 默认情况下,轮廓曲线会自动放置在相对于过滤之后的图像中像素强度级别接近于平均阈值的位置。 如需手动控制轮廓阈值,请清除“自动轮廓阈值”复选框。 轮廓栏 单击工具栏中的“轮廓”按钮以可视化轮廓曲线和图像,下图所示为一个导入的工字梁轮廓图。 工字梁图像的图像轮廓(绿色)。 如要检查像素值,请在“图像到曲线”图组中,选择“表面”节点,然后单击“图形”窗口。像素值和坐标在评估2D表中显示,如下图所示。 表格中显示工字梁图像的像素灰度值。 曲线栏 单击工具栏中的“曲线”按钮,以2D几何序列或3D工作平面生成“插值曲线”节点。默认情况下,“曲线”类型设置为“开放”,但是您可以将其更改为“闭合”或“实体”。曲线容差设置确定曲线应近似于轮廓曲线的程度。 曲线栏 下图显示了工字梁示例,其中“曲线”类型使用“实体”,并且“曲线公差”为0.0。 基于工字梁的图像轮廓的2D实体几何。 目标栏 […]

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。 […]

使用柏拉图固体创建几何零件

2019年 11月 18日

柏拉图固体以柏拉图的名字命名,它是规则的凸多面体,由四面体、立方体、八面体、十二面体以及二十面体组成。自远古时代以来,由于其属性和历史意义,人们对著名的柏拉图固体进行了研究。自 COMSOL Multiphysics® 5.5版本起,在零件库中提供了柏拉图固体。在此博客文章中,我们研究柏拉图固体背后的故事,并展示如何通过内切球的半径来创建一个十二面体。 柏拉图固体:历史、几何与现代的结合 柏拉图出生于公元前430年左右的雅典,是有史以来最著名的哲学家之一。作为苏格拉底的学生和亚里斯多德的老师,他创立了以科学为中心的学院(通常被称为第一所西方大学),并通过 The Republic 等标志性著作为哲学做出了贡献。在 Timaeus 一书中,柏拉图揭开了四种经典元素(火、土、空气与水)的神秘面纱,他将每种元素与一种和它们的原子形状相似的固体相连接。火与四面体相关,土与立方体相关,空气与八面体相关,水与二十面体相关。最后,十二面体被认为是组成宇宙的星座。从那时起,这个著名的多面体集合就被称为柏拉图固体。 1619年 Johannes Kepler 在 Harmonices Mundi 中绘制的柏拉图固体及其各自的元素。左起:四面体,立方体,八面体,二十面体 和十二面体。图片源自: Wikimedia Commons 。 柏拉图固体是三维、凸形的规则固体。在形状、大小、角度和边缘方面,它们具有相同的多边形面,并且在每个顶点处都有相等数量的面。只有四面体,立方体,八面体,十二面体和二十面体满足这些要求。柏拉图固体的名称基于每个实体所构成的面数。 根据它们的对称性,我们可以创建出不同的柏拉图固体和球体的组合,具体来说就是外切球、内切球和中球。外切球 是具有半径的球体,它可以让创建的柏拉图实体恰好装在球体内部。相反的,内切球 和中切球 恰好可以装在柏拉图固体内部。内切球面与柏拉图实体的每个面都相切,而中切球的各面与柏拉图固体的各边相切。上图中 最后一个图像显示了一个内切球的示例。 柏拉图式固体的完整集合:四面体(左上),立方体(中),八面体(右上),十二面体(左下)和二十面体(右下)。 除了具有自然美观性,在科技中柏拉图固体还有许多有趣的用途。例如,四面体经常用于电子产品中,二十面体已被证明在地球物理建模中很有用,带有多面体的扬声器被用于向各个方向辐射声能。尽管在室内声学测量中,作为全向声源的十二面体似乎更可靠,但在某些情况下,四面体扬声器具有更好的辐射均匀性。 瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院附近的 Tekniska Högskolan 地铁站的屋顶上悬挂着的十二面体。图片由 ArildVågen 提供。经 CC BY-SA 4.0许可,获得授权。 现在,让我们看看如何在 COMSOL Multiphysics® 软件中使用内切球体创建一个十二面体。 使用COMSOL 零件库中的内切球体创建一个十二面体 从 COMSOL Multiphysics® 5.5 版本开始,您可以根据相关的参数,在特定柏拉图固体的四个变体之间进行选择。 在零件库的 COMSOL Multiphysics 中找到柏拉图式固体。可供选择的部件可以提供变化的边长、半径、圆周半径或中半径。 向几何图形中添加半径部分变量将生成一个十二面体,其半径的默认表达式为 sqrt((25 + 11 * sqrt(5))/ 10)/ 2,以原点为中心。该表达式将自动给出的边长为 1m 。您可以在 “设置 ” 窗口中轻松更改输入参数、工作平面、位移和旋转、以创建自定义的十二面体。下图显示了十二面体的示例,其中半径设置为1 [m]。十二面体的边长是根据半径的表达式自动计算的。 可以更改十二面体的半径、工作平面、位移和旋转。 现在,让我们在十二面体中构造一个球体。即一个内切球体。您可以适当地调整属性,以将球体放置在柏拉图固体的内部,并确保球体的半径和内半径相等。 通过在几何图形中添加一个球体来创建内切球体。 了解更多:如何在 COMSOL Multiphysics® 中构建几何图形 无论是为仿真建立复杂的几何图形,还是为了教学目的研究柏拉图固体,这些内置零件及其功能都有很多可能性。COMSOL Multiphysics 中的零件库还包含其他可以简化仿真的有用零件,其中某些零件是特定于附加模块的。同时,我们也可以创建自己的零件并将其添加到用户定义的零件库中,如博客文章“ 在COMSOLMultiphysics® 中使用几何零件和零件库”中 的示例。 请查看以下其他资源,以获取更多有关创建几何的信息: 视频:在 COMSOL Multiphysics® 中使用3D几何工具 博客文章:在 COMSOL Multiphysics® 中创建模型几何

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。

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。

三星采用仿真技术改善扬声器设计

2019年 7月 29日

当你听到三星这个名字时,你可能会想到智能手机和电视机。然而,三星还有一个目标是成为排名第一的音响公司。为此,三星美国研究中心声学主管 Allan Devantier 在加州建立了三星音频实验室。他组建了一个工程技术团队,他们的专长包括传感器、数字声音处理(DSP)、声学、编程等——但这个难题还有另外一个方面……

如何自动移除模型几何结构中的小细节

2019年 7月 12日

在 COMSOL Multiphysics® 软件中设置仿真时,你有时可能希望用自动方法来移除几何结构中导致不必要的细化网格或较差网格质量的细节。这可以通过三维中的移除细节 操作来实现。通过更好地了解这一功能,你可以获得单元数量更少、质量更高的网格。


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