comsol声学应力场

COMSOL可视化仿真在声学理论课程中的应用与实践作者：辛锋先刘学伟伍晓红吴莹来源：《高教学刊》2018年第24期摘; 要：多孔介质中的声波传播是连续介质力学的重要研究方向之一，在力学研究生课程《声学理论与工程应用》中引入COMSOL多物理场有限元软件，进行可视化的数值仿真课程教学，提高了学生学习兴趣，增强了学生对声波在多孔介质中传播与耗散机理的理解，取得了良好的教学效果。

在课程教学中，应用COMSOL软件中构建了多孔吸声材料的声传播有限元模型;结合数值计算设置过程，讲解了声压、粒子振速、声强和能量耗散等声学概念;开展数值计算，根据计算结果讲解了如何在软件中求解表面声阻抗、声压反射系数和吸声系数等声学参量，并进一步分析讨论了声波在多孔材料中的传播规律与能量耗散机理。

通过以上教学，促进了学生的理论知识学习和软件仿真学习，开拓了学生创新性思维，增强其自主学习能力。

关键词：多孔介质;声传播;COMSOL软件;有限元建模;课程教学中图分类号：G642 ; ; ;文献标识码：A 文章编号：2096-000X（2018）24-0001-04Abstract： Acoustic wave propagation in porous media is one of the most important researches of continuous medium mechanics. In the course of Acoustic Theory and Engineering Application，the COMSOL multi-physics finite element software is introduced into the course teaching. The visualization simulations based on COMSOL are carried out to improve the students' learning interest and to help further understand the acoustic wave propagation and dissipation in porous materials. Specifically， a finite element model for acoustic wave propagation in porous material is developed in COMSOL software. Meanwhile， the concepts of acoustic pressure， particle velocity， sound intensity and energy dissipation are explained in the process of numerical calculation. Numerical calculations are conducted to explain how to solve the surface acoustic impedance， reflection coefficient and absorption coefficient in the software. Moreover， the propagation and energy dissipation mechanism of acoustic waves in porous materials are discussed. The above teaching method promotes the students' theoretical learning and software simulation， and remarkably enhances the students' innovative thinking and autonomous learning ability.Keywords： porous media; acoustic wave propagation; COMSOL software; finite element modeling; course teaching引言声学理论是连续介质力学的一个重要分支学科，主要研究声波在连续介质（包括固体介质、流体介质、固液或固气两相介质）中的传播与衰减规律。

comsol应力正负
应力是一个重要的概念，它代表着物体在物理上被拉伸或压缩的力量。

由于材料反应不同，应力也可以有正负之分，通常被称为拉应力和压应力。

拉应力是由拉力、施加时间不等引起的应力，它们在一段时间后会从拉力施加的一侧减少，甚至降至临界点。

当拉力继续增加时，拉应力会增强。

拉应力比例可以用材料的抗拉强度
表示，它是指在传统材料施加拉力下会产生断裂的压力。

压应力是受到不同压力和施加时间影响时产生的应力，它们会在压力施加的侧面减小，甚
至降至负值。

当压力继续增加时，压应力也会增加。

压应力比例可以用材料的抗压强度来
表示，它是指在传统材料施加压力下会产生断裂的压力。

COMSOL是一个专业的CAE（Computer Aided Engineering）软件，用于进行多物理场的复
杂分析。

COMSOL可以计算压力、拉力和变形产生的应力，判断它们的正负值。

在COMSOL 中，用户可以根据设置的力和时间参数，计算出拉应力或压应力的最大值及位置，分析模
型结构的强度、韧性和可靠性。

应力在工程中有着重要的作用，它们可以帮助工程师更好地分析和优化材料结构，从而更
准确地预测物体受力反应，避免过载和断裂事故的发生。

COMSOL所提供的正负应力分析能力为工程人员提供了更深入、更具体的应力分析，帮助他们更好地了解构件的性能，这将
为施工安全提供可靠的把握。

基于COMSOL的空腔声学覆盖层的斜入射吸声性能分析YE Hanfeng;TAO Meng;LI Junjie【摘要】基于平面波斜入射理论,利用有限元软件COMSOL建立了双层平板空腔声学覆盖层单元的斜入射仿真模型,并研究了斜入射条件下覆盖层结构和材料参数对其吸声性能的影响.通过与理论解的对比,验证了该仿真模型的准确性;讨论了入射角度,空腔结构,穿孔率和覆盖层厚度等参数变化对于覆盖层吸声性能的影响.结果表明:当入射角度变化时,吸声系数的峰值谷值间的频率间隔会随着入射角度的增加而增大,而且峰值和谷值也会随着入射角度的增加而增大;当穿孔率较大或者覆盖层厚度较厚时,吸声系数的峰值和谷值频率值会向低频移动,且数值也会更大.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2019(038)012【总页数】6页(P213-218)【关键词】斜入射;声学覆盖层;吸声性能【作者】YE Hanfeng;TAO Meng;LI Junjie【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TB56声学覆盖层是敷设在水下航行器外表壳，介于航行器壳体与海水之间的一种重要的声学结构[1]。

目前对于空腔声学覆盖层的研究主要有解析法、数值方法等，但是这些研究大多是聚焦于平面波垂直入射条件下覆盖层的吸声特性，并没有考虑平面波斜入射的情况。

而覆盖层所需要吸收的探测声呐信号往往并不会全部垂直入射到覆盖层表面，斜入射的情况也较为普遍，因而研究平面波斜入射条件下的覆盖层吸声特性是有其实际应用价值的。

国内外对于空腔声学覆盖层有诸多研究，有的研究分析了圆柱和椭圆柱形状的管栅结构峰谐振空腔声学覆盖层的声学特性[2]。

有的研究基于波导理论分析了在水介质中含多重细长管栅的黏弹性介质的声学特性[3-4]。

Lakhtakia等[5]通过 Fourier-Bessel 展开式和 T 矩阵理论，对于圆柱空腔弹性介质的声学性能展开了研究。

陶猛等推导出了声学覆盖层吸声性能的简化计算方法，并且计算了在不同静压下声学覆盖层的声学性能[6]。

COMSOL Multiphysics声学模块介绍
声学模块能为您的声学建模需求提供一个世界级的解决方案。

该模块是专门为致力于设备生产，测试，和声波应用的您而设计的，应用领域包括了扬声器，麦克风，助听器和声纳设备，同时可以解决消声器设计，声屏障和建筑声学中的噪音控制问题。

操作便利的物理接口为模拟声波在空气，水和其他流体中的传播问题提供了很好的解决工具。

针对热粘性声学的专业模拟工具能让对于微尺寸的扬声器和麦克风等手持设备的模拟更加
精确。

您还能模拟在固体，压电材料和孔隙弹性结构中的振动波和弹性波。

对于声-固，声-壳和压电声学问题的模拟，COMSOL的多物理场用户界面能给您提供更好地仿真体验和精度。

应用领域：
1、声固耦合
2、弹性波
3、电声换能器和扬声器
4、助听器
5、喇叭和麦克风
6、MEMS声学传感器
7、MEMS麦克风
8、机械振动和噪声
9、降噪材料和隔音设计
10、压电声学
11、孔隙弹性波
12、活性和吸收性的消音设备
13、声纳
14、结构振动
15、热声学
混合动力汽车的消声设备，反射单元是有多孔管道内的流体组成
此模型描述了内燃机发动机消声器内的压力分布情况
喇叭：此模型中耦合了电磁场和结构力学场，描述了喇叭内的压力波分布情况
声固耦合分析，一个圆柱周围声压分布
水中压电换能器中声压在固体表面及水中分布。

网络首发地址：https:///kcms/detail/42.1755.TJ.20200921.1655.001.html期刊网址：引用格式：柯李菊, 刘成洋, 方智. 基于COMSOL 的组合空腔结构声学覆盖层的声学性能分析[J]. 中国舰船研究, 2020,15(5): 167–175, 182.KE L J, LIU C Y, FANG Z. COMSOL-based acoustic performance analysis of combined cavity anechoic layer [J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(5): 167–175, 182.基于COMSOL 的组合空腔结构声学覆盖层的声学性能分析扫码阅读全文柯李菊1，刘成洋2，方智*11 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 4300742 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064摘 要:［目的］针对单一腔型声学覆盖层低频隔声性能和耐压性能较差的特点，使用COMSOL 有限元软件计算组合空腔结构声学覆盖层的声学性能和在静水压力下的变形量。

［方法］将COMSOL 软件仿真结果与前人的实验值进行对比，以验证采用COMSOL 软件计算声学覆盖层隔声量和吸声系数的有效性，并研究组合空腔几何尺寸和小孔结构对声学覆盖层的隔声、吸声和耐压性能的影响。

［结果］结果表明：声学覆盖层的空腔体积越大，低频段的隔声性能越好，中、高频段的吸声性能变差， 相邻空腔之间的距离增大会降低低频段的隔声量；空腔对耐压性能的影响在于其体积占比越大，耐压性能越差； 在组合空腔四周布置一定数量的圆柱小孔会提高声学覆盖层低频段的隔声和吸声性能，并使峰值频率向低频移动。

［结论］因此，组合空腔中几何尺寸的选取需考虑低频隔声性能与耐压性能之间的平衡，在组合空腔四周布置圆柱小孔也能改善声学覆盖层的低频声学性能。

基于COMSOL的声悬浮声场模拟仿真作者：黄健宇来源：《中国科技纵横》2019年第03期摘要：本文大致介绍了声悬浮与声悬浮力的理论，通过COMSOL模拟软件对声悬浮的声场进行模拟，以此分析液体本身性质与形状对声压分布的影响，并对实验结果进行了分析。

关键词：声悬浮;声压;声辐射力中图分类号：TM359.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0234-030 引言超声悬浮是实现无容器环境的一种方便快捷的技术。

无容器环境在材料分析、生化分析和样品制备等过程中非常重要，因为它避免了样品与容器壁的接触，从而隔绝了众多污染源。

以声悬浮技术为基础的声悬浮装置在材料、化工、医学等方面上都有较大的实用价值。

当需求极净的纯净环境时，水滴等液体对象便可使用声悬浮进行处理，以避免与容器直接接触。

与电磁悬浮相比，声悬浮具有更大的材料选择范围，即不需要具有较好导电性的材料;并且在悬浮过程中产生的热量极少，不用考虑低熔沸点的研究对象的损耗。

声悬浮以其独特的特点在研究流体运动学，凝聚过程中具有极高的应用价值且由于对样品没有电/磁性质的要求，声悬浮被广泛的应用于蛋白质结晶、液态合金冷凝、液滴动力学、生化分析、甚至是胶体液滴的干燥[1，2]。

目前研究声悬浮的技术都有着一定的限制，人们所拥有的空间资源仍然十分有限，许多研究无法得到足够的资源配给，可大量操作便是声悬浮相对外太空悬浮的优点。

但是，传统的研究方法通常是进行实验。

但前者不够得出精确且符合实际情况的结果而后者较为繁琐。

而使用COMSOL有限元分析软件进行分析计算便是一种较为实用且可行的方法。

本文主要计算液滴悬浮位置与声辐射力的关系，并分析液滴形状和体积对声悬浮中声压的作用关系。

1 超声悬浮相关理论声悬浮的原理，顾名思义，便是依靠声驻波在物体不同部分的声压不同产生力并以此来克服物体受到的重力，以此达到使物体悬浮的目的。

依靠该原理便可以设计出可使小型液滴悬浮的声悬浮装置并进行后续研究。

COMSOL Multiphysics厚板应力分析中仿科技技术部中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司模型背景以下建立的模型使用实体，固体力学模式求解。

这个模型描述简化几何静态应力分析。

该模型参数源自NAFEMS测试No LE10，关于该模型的详细描述在NAFEMS77页基准模型背景中(参考文献1)。

本案例，计算应力水平并与标准报告中给定值进行比较。

参考文献. 1. Davies, G. A. O., Fenner, R. T., and Lewis,R. W., Background to Benchmarks, NAFEMS, Glasgow,1993.中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司模型几何、控制方程及边界条件面载荷预定位移两对称端面自由表面使用结构力学中的固体力学模块，由1/4模型构成，有两对称端面，上表面施加面载荷，下表面和内侧为自由表面，外侧表面施加预定位移约束。

中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司 Variable Value Unit Description rho 7850[kg/m^3]kg/m^3Density nu 0.31Poisson's ratio E210[GPa]PaYoung's modulus模型数据COMSOL 计算得到(2, 0, 0.6)点y方向上的应力值与文献值的比较，并作出表面应力张力y方向上的值-5.38 MPa-5.338 MPaσy (在D点)NAFEMS (文献1)COMSOL多物理场结果中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司 更多资源请关注中国视频教程网：中国仿真互动：中仿社区： 中仿科技公开培训：/training/中仿科技市场活动报名：/market/marketing.html中仿科技资源下载中心：/down/•地址: •用户名: free@ •密码: 中仿科技FTP 资源：。

基于COMSOL带腐蚀凹陷套管井的声场数值模拟甘甜;仵杰;邢德键【摘要】为了分析识别套管外界面的腐蚀或套管垮塌凹陷情况及在此情况下的声场,使用COMSOL有限元软件对带腐蚀凹陷的套管井声场进行了数值研究,计算得到了凹陷在套管井中不同位置时的声场展开图及井轴上不同源距的接收波列.研究了声源在套管井内、外激发的三维声场,给出了不同时刻的声场分布图和不同方位角的波形图,发现凹陷的存在影响了纵波头波的速度,其大小决定纵波头波的幅度.并且只有当凹陷形成长度和宽度大于一定值时,才能从接收波列中被鉴别.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2017(041)004【总页数】4页(P111-114)【关键词】声波测井;套管井;凹陷;COMSOL有限元软件;数值模拟【作者】甘甜;仵杰;邢德键【作者单位】西安石油大学陕西省油气井测控技术重点实验室,陕西西安710065;西安石油大学陕西省油气井测控技术重点实验室,陕西西安710065;西安石油大学陕西省油气井测控技术重点实验室,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】P931在油田生产中，为了确保油气的正常生产，需要在套管和地层之间灌注水泥，称为固井。

由于生产中的各种因素存在，水泥胶接可能在一些地方出现缺损，因此套管和地层间会形成不同角度上的扇型裂缝，被称为窜槽[1]，出现窜槽后，由于地下水的腐蚀和地应力的作用，套管可能被腐蚀并出现一定程度上的凹陷垮塌变形，它的存在将会严重影响油井的正常运行生产。

现有的一些方法如多道井径和井壁声波成像都只能够得到套管内表面的腐蚀和变形，无法获得套管外面的情况。

为了有效获取这些信息，需要研究声波在套管井外的传播规律。

为了能够从套管井接收全波信号中判断是否有窜槽和凹陷垮塌存在以及它的大小和位置，需要研究带凹陷的套管井声场。

之前对类似问题的研究中，不管用解析方法还是数值计算的方法，都假设水泥层完全脱胶，井孔为轴对称的，这和实际情况相比有一定差异，对于研究实际中的套管井声场是不够的。

Comsol Multiphysics
起源于MATLAB的Toolbox 只要是可以用偏微分方程组描述的物理现像，COMSOL Multiphysics都能够很好的计算、模拟、仿真。

以有限元法为基础（基本思想：由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题），通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真。

物理场是许多的，温度场，应力场，湿度场等等均属于物理场。

这些物理场之间是相互影响的，即耦合。

例如一个压电扩音器，可以将电流转换为声学压力场，或者反过来，将声场转换为电流场。

涉及到三个不同的物理场：结构场，电场以及流体中的声场
Comsol的耦合就是解偏微分方程组。

Internal Combustion Engine &Parts0引言随着人们环保意识的增强，以及国家发展绿色复合材料的需求，植物纤维复合材料的研究受到了越来越多的关注。

植物纤维具有天然的空腔结构，声波在空腔中传播时更容易发生能量耗散而被吸收掉，因此植物纤维具有优良的吸声性能[1-3]。

本论文基于COMSOL 软件开展了云杉板、铝板、以及芯层为云杉面层为铝板的夹层板的声学性能仿真研究。

1声学模型构建首先在COMSOL 软件中建立三种板结构的声学仿真模型。

以夹层板的建模为例，陈述如下：在“模型导向”建模模式中选择三维空间维度并添加“声-固相互作用，频域”物理场接口与“频域”研究。

板的面板，芯层和研究域均采用“长方体”，夹层板的两个面板均采用铝面板，选择“Aluminum3003[solid ，-F]”，芯层材料选择“Pine[solid ，tangential]”，声压级参考压力设置为环境空气的参考压力。

选择自由四面体网格用于划分网格单元，将最大单元尺寸设置为343[m/s]/1500[Hz]/5=0.045mm ，至此即可完成夹层板的声学仿真模型构建。

2声学性能仿真研究模型建完后，设置相应的分析频率范围，此处为50-1500Hz ，计算频率间隔为25Hz ，然后点击“计算”进行运算，在“模型开发器”的“结果”展开列里可以看到结果列表。

单击“结果”节点下的声压、声压级、声压等值面、传声损失以及1/3倍频带图等按钮便可查看相应的分析结果。

图1-图4所示为芯层为云杉、面层为铝板的夹层板的声学仿真结果图。

由图4和图5可以看出，夹层板在整个分析频带上都具有比较高的传声损失值。

为进一步考察同等厚度的纯铝板与纯云杉板的隔声性能，将芯层与面板材料进行替换，分别测得云杉板与铝板的声学性能，将仿真结果导入表格，并在matlab 中编程读取仿真数据绘图，可得到三种板结构的传声损失对比图，如图6所示。

从传声损失比对图可知，铝板在低频区域具有最好的隔声性能，夹层板次之，但夹层板在整个研究频带的隔声基于COMSOL 的板结构声学性能仿真研究戴震坤;朱铖伟;于嘉浩;沈渊;徐晓美（南京林业大学汽车与交通工程学院，南京210037）摘要:本文基于COMSOL 软件建立了三种厚度相同的板结构的声学仿真模型，分别是云杉板、铝板、以及芯层为云杉面层为铝板的夹层板，并开展了其声学性能的仿真研究。

COMSOL Multiphysics声学模块介绍
声学模块能为您的声学建模需求提供一个世界级的解决方案.该模块是专门为致力于设备生产，测试，和声波应用的您而设计的，应用领域包括了扬声器，麦克风，助听器和声纳设备，同时可以解决消声器设计，声屏障和建筑声学中的噪音控制问题.
操作便利的物理接口为模拟声波在空气，水和其他流体中的传播问题提供了很好的解决工具。

针对热粘性声学的专业模拟工具能让对于微尺寸的扬声器和麦克风等手持设备的模拟更加精确。

您还能模拟在固体，压电材料和孔隙弹性结构中的振动波和弹性波。

对于声—固,声-壳和压电声学问题的模拟,COMSOL的多物理场用户界面能给您提供更好地仿真体验和精度。

应用领域:
1、声固耦合
2、弹性波
3、电声换能器和扬声器
4、助听器
5、喇叭和麦克风
6、MEMS声学传感器
7、MEMS麦克风
8、机械振动和噪声
9、降噪材料和隔音设计
10、压电声学
11、孔隙弹性波
12、活性和吸收性的消音设备
13、声纳
14、结构振动
15、热声学
混合动力汽车的消声设备，反射单元是有多孔管道内的流体组成
此模型描述了内燃机发动机消声器内的压力分布情况
喇叭:此模型中耦合了电磁场和结构力学场，描述了喇叭内的压力波分布情况
声固耦合分析，一个圆柱周围声压分布
水中压电换能器中声压在固体表面及水中分布。

Comsol多物理场模拟软件在工程领域中开发利用引言:在工程领域中，模拟和仿真工具的使用越来越普遍，以解决各种复杂问题。

Comsol多物理场模拟软件是一款功能强大的工具，它可以模拟和分析各种场景和物理现象，如电场、热场、流体力学等。

本文将探讨Comsol软件在工程领域中的开发利用，并介绍其优点和应用案例。

一、Comsol多物理场模拟软件的基本概况Comsol是一种综合性的多物理场模拟软件，其功能包括电磁场、传热、流体力学等多个方面，可以模拟和分析各种物理现象。

该软件提供了一种直观的界面，使得工程师和研究人员可以轻松地进行模拟操作，并得到准确的结果。

Comsol软件还提供了丰富的建模和分析工具，如网格生成、后处理和优化算法等。

二、Comsol多物理场模拟软件的优点1. 多领域覆盖性：Comsol软件涵盖了电磁场、传热、结构力学、声学、流体力学等多个领域，可以模拟和分析各种物理过程和现象。

这使得它在工程领域中得到了广泛的应用。

2. 高度可定制化：Comsol软件提供了丰富的建模和分析工具，可以根据用户的需求进行定制化操作。

用户可以选择合适的物理方程和边界条件，以解决特定的工程问题。

3. 直观易用的界面：Comsol软件的界面设计简洁直观，使得用户可以轻松地进行模拟操作。

即使对于不熟悉该软件的用户，也能快速上手，并进行模拟分析。

4. 快速准确的仿真结果：Comsol软件采用了高效的数值算法和优化技术，可以得到快速准确的仿真结果。

这对于工程设计和优化具有重要意义。

5. 多平台支持：Comsol软件可以在多个操作系统上运行，并与其他工程软件进行集成。

这使得用户可以灵活地进行各种模拟操作，并与其他软件进行数据交换和共享。

三、Comsol多物理场模拟软件在工程领域中的应用案例1. 电磁场分析：Comsol软件可以用于设计和优化各种电子器件，如天线、电路板和传感器等。

通过模拟电磁场的分布和相互作用，可以进行电磁兼容性分析和电磁波传播研究。

comsol压力声学内部阻抗comsol声学内部阻抗的计算方法有很多种，一般有压力(volatile)、速度(process)、位移(extraction)、角速度(integration)、旋转速度(action)、振动频率(feature)、噪声功率(volatile)、噪声频率(radar)、噪声功率(radar)等。

其中压力和速度在计算中可以忽略。

压力和速度的计算是采用一种特殊方法。

在一个给定的压力下，两个物体上表面压力不同就会引起不同的相互作用，进而影响声音的质量。

一、计算方法声场的物理方程可以由基本方程、速度方程和位移方程三部分组成。

其中，速度通过声场大小进行定义，位移通过振动频率进行定义，位移通过旋转频率进行定义。

其中，振动频率除以单位高度。

1、基本方程声学的基本方程为：其中，单位高度为 N的声场被称为声场（或称压力场）。

假设声场是三维立体且自由传播（或称自传播),那么它是由两个质量 L和θ来定义的。

其中, L代表所传播介质内质量分布；θ代表表面所接受到的加速度。

声学中所需要做的最重要工作就是寻找声场的形状、速度和频率等参数；此外根据动力学中三个方程中两个方程和一个微分方程来求解声场。

其中 b为压力; f为速度; r为声场中传播介质直径; w为声场空间密度; t为声场矢量宽度; m为声场深度; v为声场速度；θ为声场振动时所受到压力作用造成阻力大小; z为声场方向; s 为声速; s为压力场分量值: f= u/c。

2、速度方程声场的速度方程，定义为：其中速度方向为声波运动方向。

通过离散傅里叶变换可以求解出速度方程：其中速度方向为声速（单位为 s);其中为声速(s);与密度无关。

3、位移方程定义：位移是单位高度的加速度，单位长度内的位移，单位时间内传播时矢量的速度。

数值计算结果为：式中: G是位移矢量; m (振动频率)= m (单位高度); s是传播速度。

二、流体力学内部阻抗流体力学的内部阻抗是指流体系统的单位时间内对一个系统的阻力之最小值，单位是磅（磅吨),而单位是 m/s。

基于COMSOL的声表面波声场调控仿真唐帅;韩建宁;温廷敦【摘要】声表面波(SAW)如今被广泛应用于微流控技术,为了满足多尺度、多功能的微流控需要,在压电基底材料不变的情况下,利用COMSOL有限元软件仿真探究了声学微结构对SAW芯片的声场调控特性,实现了SAW芯片表面声场强度的增益及声场区域的调控.【期刊名称】《云南师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(038)005【总页数】5页(P39-43)【关键词】声表面波;微流控;声场调控;声学微结构;压电基底【作者】唐帅;韩建宁;温廷敦【作者单位】中北大学理学院,山西太原030051;中北大学信息与通信工程学院,山西太原030051;中北大学理学院,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】O426.4近年来，基于声表面波(SAW)的微流控芯片因为设计灵活，易于大规模批量生产，并且工作频率和强度皆适宜于操控细胞，已经被证明适合于各种生物医学方面的应用[1-3].当前主流的SAW微流控芯片主要依靠对称放置的叉指换能器(IDT)所形成的平行声场轨道操纵微粒[4-6]，由于可用的压电基片材料有限，因此在芯片中心频率处生成的声场也比较单一.若要形成适宜多种应用环境的可变声场，往往需要改变信号频率或添加不同角度的叉指换能器，导致功耗的提升和能量利用率的降低.在基底材料不变的情况下，本文利用有限元软件仿真在声表面波芯片上加工声学微结构的声场调控效果，为探索和开发性价比及利用率更高的SAW芯片提供新方向.1 声表面波芯片的基本原理传统的声表面波芯片模型如图1所示，由压电晶体基片、吸声材料和一对平行的叉指换能器(IDT)组成.其中IDT是金属电极，如果在IDT电极两端加入高频电信号，压电材料的表面就会产生机械振动并同时激发出与外加电信号频率相同的表面声波，这种表面声波会沿基板材料表面传播.显然，两组反向SAW的干扰会产生驻波场(SSAW)[7-8]，即在基底上形成了呈周期性分布的波节和波腹.当SSAW遇到液体介质时，会产生纵向泄漏波，造成介质中的压力波动.这些波动会产生作用于悬浮颗粒的声辐射力，并将他们移动到SSAW场中的压力节点或波腹处.因此，对这些表面驻波场的强度和分布区域进行调控是实现声表面波芯片在微流控领域应用的关键.2 建立有限元模型在正式建模之前先选择物理场和仿真域，这里选择的是压力声学物理场，仿真域设置为频域；建立模型是使用软件的二维或三维建模工具建立起声表面波器件的模型，这里建立的是三维模型，首先绘制叉指换能器(图2(a))，接着从软件的材料库中选取材料，这里的基底材料为YX128切铌酸锂单晶，IDT材料为金属铝；建立好的声表面波器件三维模型如图2(b)所示.网格划分是对建立好的模型选择合适的有限元网格，因为建立的三维模型会大量消耗电脑内存，所以在进行网格划分时对于非重点区域进行了简化处理；后处理用于进一步显示和计算所需要的模拟结果.图2 声表面波三维模型Fig.2 Three-dimensional model of surface acoustic wave图3为SAW换能器的COMSOL有限元模型网格划分图，在网格划分时将IDT的部分和基底表层划分成小尺寸的网格，其他部分划分成稍大尺寸的网格.图4为该器件在11.867 MHz中心频率处的频域仿真图，可以明显发现对称的叉指换能器之间形成了呈周期性分布的波节和波腹，传统的SAW芯片正是基于该种声辐射力使微粒按此声场图案化排列.由于应用环境的不同，声场强度及声场区域的调控是此次研究的重点，故将声学微结构与SAW芯片结合起来(图5)，探究其声场调控特性.3 仿真结果与分析由于运算时间较长，为了简化仿真过程，故本文采用二维平面模型进行仿真，而一对平行的IDT则可简化为一对平行的线性声波激励源在铌酸锂基底传播.当芯片表面不添加任何微结构时，调频为11.867 MHz(图6(a))，通过两侧叉指换能器对其进行激励，可以发现虽然产生了驻波场，但声压强度较小.在模型两侧的表面同时添加柱状结构，依然调频至11.867 MHz发现声波透过微结构后，相位受到了调控，产生了较强的正负压交替分布的驻波声场特性，且声场都局域在了芯片表面，而周围声场非常微弱(图6(b)).因此，在相同功耗下，此种基于声学微结构的声表面波芯片能量更为集中，具有更高的利用率.(a)无微结构的声场 (b)有微结构的声场图6 频率为11.867 MHz时的声场分布图Fig.6 Distribution of acoustic field when frequency is 11.867 MHz当固定两侧铜柱的个数，仅改变铜柱间距的大小.通过对比图7(a)和(b),发现声场区域会随着铜柱间距的拉大而增多，因此改变铜柱间距能够有效地实现对声场区域的调控.此种声场调控特性能有效地将微粒局域在所需的范围内.(a)铜柱间距为310 um (b)铜柱间距为155 um图7 频率为11.867 MHz时的声场效果图Fig.7 Acoustic field rendering when the frequency is 11.867 MHz值得注意的是，在声场区域发生改变的同时，声压幅值也会随之变化.在声场中间取一条二维横向截线，探究该截线处的声压幅值大小.如图8中的实线和虚线分别为图7(a)和(b)二维截线处的声压幅值曲线，可以看到虽然图7(a)中声场区域比之图7(b)较大,但是通过对比图8中的声压幅值曲线，发现铜柱间距较小的模型会产生声压幅值较高的声场效果.从另一个角度而言，声学微结构与SAW微流控芯片的有机结合不仅可以调控声场区域，更可以据此对声场的强度进行调控.微粒操控的核心依据即在于微粒间的异质性，而这也体现在不同尺寸和质量的微粒对声场强度的响应特性也不同.因此，这种对声场强度的调控手段，为分离不同属性的微粒提供了方向.为了提高芯片利用率，如图9(a)所示,本文在此研究基础上将更多的声学微结构规则地布满芯片表面，以此获得更大的声场区域和更强的声场效果.(a)声学微结构模型示意图 (b)声场效果图图9 基于声学微结构的表面波器件及其声场效果图Fig.9 Surface wave device and acoustic field rendering based on acoustic microstructure通过声波在微结构中的来回作用，根据图9(b)可以明显发现声场区域受到了调控，整个芯片表面都布满了交替分布的声场效果.其高度表达式如图10所示，形成了呈周期性分布的波节和波腹.因此，每一组交替分布的声场即可视为一条“微流通道”，根据溶液中粒子间的异质性，尺寸不同的粒子将会在不同的压力节点处富集. 图10 声场的高度表达式Fig.10 Height expression of acoustic field由于声表面波器件的声波频率大小是由施加到IDT上的射频信号所决定.因此，只需对射频信号的大小进行改变，即可实现声表面波频率的变化.基于这种变化，本文继续研究基于声学微结构的声表面波芯片所具有的频率特性.当两侧IDT所输出的入射声波频率分别为6.6 MHz、9.3 MHz和12 MHz时，其声场分布效果如图11(a)-(c)所示，由于频率的改变导致了波长的变化，因此波节和波腹的周期便发生了改变，不仅如此，如图12的声压幅值曲线可以看出，12 MHz频率所生成的驻波波形较之另外两条波形明显宽度较小并且幅值较大.所以每条“微流通道”的尺寸和声场强度都会随着频率的增加和波长的减小而逐渐变小，这为较小尺寸微粒的操控提供了可能.(a)6.6 MHz (b)9.3 MHz (c)12 MHz图11 不同频率下的声场效果图Fig.11 Acoustic field rendering at different frequencies图12 不同频率下的声压幅值曲线Fig.12 Amplitude curve of acoustic pressure at different frequencies当调频至12.2 MHz时，如图13(a)所示，声场受到微结构的调控，“分裂”为上、下两块区域，而芯片中心声场则相对微弱.在结构表面取二维圆形截线(如图13(b))探究其中心声场特性.通过对比声场分别在12 MHz与12.2 MHz时截线处的声压幅值(图14)，可以明显看到12.2 MHz比之12 MHz时的声压曲线，在对称的左右两边(A、B处)都有一段明显偏低的区域，即芯片中心截线处的声压幅值较低.(a)声学微结构示意图 (b)声场分布效果图图13 频率12.2 MHz时的声场效果图Fig.13 Acoustic field rendering at frequency 12.2 MHz12.2 MHz下声场的高度表达式如图15可见，呈左右对称分布.显然，这种声场分布现象会将微粒均匀地分离在两块区域，根据不同微粒对声场强度的响应特性不同，将微粒排列成新图案.这种微粒图案化技术在微阵列中至关重要，基于声学微结构的SAW声场调控技术，能够做到对阵列的“按需定制”，通过改变微结构参数或入射声波频率，即可将声场调控至所需的分布特征，这在以微阵列为主的生物传感器中具有广泛的应用前景.图14 不同频率下的声压幅值曲线Fig.14 Acoustic pressure amplitude curve at different frequencies图15 声场的高度表达式Fig.15 Height expression of acoustic field4 结束语利用COMSOL有限元分析软件探究了基于声学微结构的声表面波芯片声场调控特性，发现通过声学微结构间的声波来回作用，不需要特别大的激励信号便可以在芯片表面产生强度很高的声场能量分布，同时根据调整结构参数可以做到对声场区域的调控.这种“按需定制”的SAW芯片为探索和开发性价比更高的声波微流控芯片提供了方向.参考文献:【相关文献】[1] COLLINS D J,NEILD A,AI Y.Highly focused high-frequency travelling surface acoustic waves (SAW) for rapid single-particle sorting.[J].Lab on A Chip,2016,16(3):471-479.[2] 张峰.基于声表面波器件的微流控生物检测技术研究[D].南京：南京理工大学,2016.[3] UNG W L,MUTAFOPULOS K,SPINK P,et al.Enhanced surface acoustic wave cell sorting by 3D microfluidic-chip design[J].Lab on A Chip,2017,17(23)：4 059-4 069.[4] 刘国军，何芳，马祥，等.基于微流控芯片的SAW分选技术研究现状[J].微纳电子技术，2018 (9)：642-651.[5] 蒋鹏,孟龙,蔡飞燕,等.基于声表面波的微操控技术研究进展[J].集成技术,2013 (5):42-47.[6] 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用comsol模拟路基重力荷载下的应力场分布目录1. 全局 (2)1.1. 定义 (2)2. 组件 1 (3)2.1. 定义 (3)2.2. 几何 1 (4)2.3. 材料 (5)2.4. 固体力学 (13)2.5. 网格 1 (67)3. 研究 1 (69)3.1. 稳态 (69)3.2. 求解器配置 (69)4. 结果 (71)4.1. 数据集 (71)4.2. 绘图组 (72)1全局全局设定1.1定义1.1.1参数 1 1.1.2函数内插 1内插 12组件 1组件设定2.1定义2.1.1坐标系边界坐标系 1设定设定2.2几何 1几何 1单位几何统计2.2.1导入 1 (imp1) 结果实体的选择2.3材料2.3.1Material 1Material 1选择材料参数Basic 设定弹塑性材料模型设定FunctionshardFcnMohr-Coulomb 准则设定线性粘弹性材料设定2.3.2Material 1.2Material 1.2选择材料参数Basic 设定弹塑性材料模型设定FunctionshardFcnMohr-Coulomb 准则设定线性粘弹性材料设定2.3.3Material 1.2.2Material 1.2.2选择材料参数Basic 设定弹塑性材料模型设定hardFcn线性粘弹性材料设定2.4固体力学固体力学选择EquationsSettings使用的模块变量形函数2.4.1线弹性材料 1线弹性材料 1选择方程设定使用的模块来自材料的属性变量。