基于超材料结构的高频光声信号综合处理模型设计
发布时间：2021-01-21 23:17
恶性肿瘤细胞的早期检测对现代医学的发展有着重要的影响。光声检测技术凭借着自身独特的优点,在恶性肿瘤细胞的早期检测中发挥着重要的作用。由于细胞光声检测技术自身的特点,其产生的声波信号处于高频或者特高频。该类声波信号存在着严重的传输损耗问题。同时,由于细胞自身体积过小,产生的声波声压极低,其中夹杂着大量的杂波信号。上述因素的存在决定了细胞光声检测中声波信号采集的困难度。为了推动细胞光声检测技术的发展,本文在声学超材料结构的技术上,利用有限元分析法,借助COMSOL软件,设计了类石墨烯结构传输带与声波三极管模型,并进行了仿真模拟实验。实验证明,类石墨烯结构传输带具有良好的声波定向传输能力和高频声波局域声场增强的能力。声波三极管模型具有良好的高频声波局域声场二次增强和杂波信号滤除的能力。同时,本课题根据特高频声波信号的特点,设计了一种新型的旋转体结构,用于替代传统的声学超材料,并采用兆赫兹频率的声波作为研究对象,借助COMSOL软件进行了仿真模拟实验。实验证明了本课题设计的旋转体结构对特高频声波有着良好的局域声场增强能力,可以提高实验模型在特高频声波频段中的应用。这些研究对提高细胞光声检测的信...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
声学超材料的弹簧结构模型
中北大学学位论文第10页共52页2.3基于有限元分析法的超材料结构实现本课题采用有限元分析法进行声学超材料结构的设计工作，具体工作采用COMSOLMultiphysics5.3a软件进行。该软件由COMSOL公司设计与发布，是目前广泛应用的一种多物理场仿真软件。COMSOLMultiphysics5.3a是利用偏微分方程或者偏微分方程组进行物理场的仿真模拟工作。与其它软件相比，该软件很好地实现了多物理场的耦合。目前，该软件已经在声学、光学、结构力学等多个领域内得到了广泛的应用。本课题利用COMSOLMultiphysics5.3a软件建立了声学超材料模型，如图2.2所示：图2.2声学超材料仿真模型Fig2.2Simulationmodelofacousticmetamaterial本课题设计的声学超材料模型采用了双层结构，外层结构的半径为5m，内层结构的半径为3m。采用双层结构的原因是基于模型的应用环境。本课题设计的模型需要能够实现细胞光声检测过程中的高频声波的定向传输与局域声场增强。因此，其规格尺寸应控制在微米级别。如果采用传统的三层结构，加工难度过大，应用成本偏高，会限制其实际应用研究。因此，本课题采用了简化的双层“软-硬”结构。该结构与经典的“软-硬-软”结构的声传播效果相近，可以满足本课题的研究需求。声学超材料模型内部结构采用钢材料，材料参数为密度7.86×103kg/m3，声速5100m/s；外部结构采用橡胶，材料参数为密度1300kg/m3，声速300m/s。完成声学超材料模型设计后，进行模型的周期性排列，可以实现对声波传输的调控，如图2.3和2.4所示：
中北大学学位论文第11页共52页图2.3声学超材料结构模型（类石墨烯结构）Fig2.3Modelofacousticmetamaterial(graphene-likestructure)图2.4声学超材料结构模型（三角周期结构）Fig2.4Modelofacousticmetamaterial(triangularperiodicstructure)图2.3和图2.4分别是两种不同类型的声学超材料结构模型。图中每个单体模型均与图2.2所示的仿真模型规格尺寸与材料参数保持一致。通过将声学超材料模型排列为不同结构，可以具有不同的声波调控效果。具体效果本文将在第三章与第四章进行详细介绍。完成模型建立工作后，需要对模型进行网格划分。网格划分是实现有限元分析的重要基础，也是进行模型仿真研究的重要一步，如图2.5所示：图2.5模型的网格划分Fig2.5Meshingofthemodel
本文编号：2992069
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
声学超材料的弹簧结构模型
中北大学学位论文第10页共52页2.3基于有限元分析法的超材料结构实现本课题采用有限元分析法进行声学超材料结构的设计工作，具体工作采用COMSOLMultiphysics5.3a软件进行。该软件由COMSOL公司设计与发布，是目前广泛应用的一种多物理场仿真软件。COMSOLMultiphysics5.3a是利用偏微分方程或者偏微分方程组进行物理场的仿真模拟工作。与其它软件相比，该软件很好地实现了多物理场的耦合。目前，该软件已经在声学、光学、结构力学等多个领域内得到了广泛的应用。本课题利用COMSOLMultiphysics5.3a软件建立了声学超材料模型，如图2.2所示：图2.2声学超材料仿真模型Fig2.2Simulationmodelofacousticmetamaterial本课题设计的声学超材料模型采用了双层结构，外层结构的半径为5m，内层结构的半径为3m。采用双层结构的原因是基于模型的应用环境。本课题设计的模型需要能够实现细胞光声检测过程中的高频声波的定向传输与局域声场增强。因此，其规格尺寸应控制在微米级别。如果采用传统的三层结构，加工难度过大，应用成本偏高，会限制其实际应用研究。因此，本课题采用了简化的双层“软-硬”结构。该结构与经典的“软-硬-软”结构的声传播效果相近，可以满足本课题的研究需求。声学超材料模型内部结构采用钢材料，材料参数为密度7.86×103kg/m3，声速5100m/s；外部结构采用橡胶，材料参数为密度1300kg/m3，声速300m/s。完成声学超材料模型设计后，进行模型的周期性排列，可以实现对声波传输的调控，如图2.3和2.4所示：
中北大学学位论文第11页共52页图2.3声学超材料结构模型（类石墨烯结构）Fig2.3Modelofacousticmetamaterial(graphene-likestructure)图2.4声学超材料结构模型（三角周期结构）Fig2.4Modelofacousticmetamaterial(triangularperiodicstructure)图2.3和图2.4分别是两种不同类型的声学超材料结构模型。图中每个单体模型均与图2.2所示的仿真模型规格尺寸与材料参数保持一致。通过将声学超材料模型排列为不同结构，可以具有不同的声波调控效果。具体效果本文将在第三章与第四章进行详细介绍。完成模型建立工作后，需要对模型进行网格划分。网格划分是实现有限元分析的重要基础，也是进行模型仿真研究的重要一步，如图2.5所示：图2.5模型的网格划分Fig2.5Meshingofthemodel
本文编号：2992069
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