粘弹性本构对人耳动力学特性影响的数值研究

为分析中耳软组织粘弹性材料特性对人耳系统动力学特性影响,建立包括外耳道、中耳及耳蜗的整耳有限元模型。外耳道及中耳模型用微CT扫描与逆向成型技术建立,耳蜗采用双腔导管形式简化模型。基于该模型,中耳部分软组织材料属性采用线性粘弹性,以表征动态分析中能量损耗。在外耳道施加90 d B SPL声压模拟声激励,并在计算中考虑外耳道气体、中耳固体及耳蜗流体多场耦合作用。中耳结构响应包括鼓膜脐部与镫骨底板位移及镫骨底板速度传递函数,耳蜗流体压力响应用于计算中耳压力增益、耳蜗输入声阻抗及压力逆向传递函数。结果表明,考虑粘弹性后,人耳系统动态响应参数较线弹性有一定程度改善,尤其在高频段提升较明显,与实验测量数据匹配效果更好。     

外中耳传声对响度感知影响的数值研究

现有响度模型主要通过滤波器组在传递特性上模拟人耳感声特性,未能真实反映人耳的生理结构。基于新鲜人体颞骨标本微CT扫描影像,通过逆向成型技术及有限元法建立了基于真实生理结构的人耳模型,并基于该模型,研究外、中耳与人耳响度感知的关系。该模型主要包括耳道和中耳两个部分,通过镫骨、鼓膜脐部位移响应,镫骨速度传递函数及鼓膜处声压级对模型进行可靠性验证。最终,基于该模型,系统分析了经过外、中耳传声,传递到镫骨的镫骨底板输出位移、速度、能量与响度感知听阀曲线的关系。研究结果表明,镫骨底板输出的等速曲线及等能量曲线在中、高频段内与听阀曲线较接近,可以用于近似评估人耳在该频段内的响度感知效果。     

人工中耳悬浮式压电振子的优化设计

为了优化人工中耳悬浮式压电振子的植入效果,设计了一种位移放大结构用于改善振子的输出特性。首先采用微CT扫描和逆向成型技术建立了包括外耳道、中耳和简化耳蜗的人耳有限元模型,通过与文献的实验数据比对验证模型的有效性。然后建立人耳与悬浮振子的耦合力学模型,通过有限元的耦合场分析研究加入位移放大结构前后的人工中耳植入效果。研究结果表明,采用位移放大结构后,振子于中高频段的等效声压级得到明显提升,可以有效降低压电振子的功耗。     

考虑蜗孔尺寸的人耳耳蜗有限元模型研究

建立人耳耳蜗的二维双向流固耦合有限元模型,包含卵圆窗、圆窗和基底膜等膜性结构,耳蜗管道中充满流体,采用流体-结构双向流固耦合动力学分析方法,在不同蜗孔尺寸时研究声音由卵圆窗传递到基底膜的机制。已有文献设置的蜗孔尺寸与人耳解剖文献中的蜗孔尺寸参数不一致,设置了三个不同蜗孔尺寸的耳蜗有限元模型,获得不同蜗孔尺寸对基底膜响应的影响,同时验证了耳蜗的频率选择特性,计算结果与报道的实验数据相一致。结果表明:设置合适的蜗孔尺寸,可以获得与实验数据更接近的结果。     

中耳有限元分析中内耳淋巴液作用的等效模型研究

利用连续组织切片方法建立了包括鼓膜、听小骨、韧带等在内的中耳三维几何模型;将中耳听骨链内边界的内耳淋巴液等效为质量-刚度-阻尼模型,根据已经发表的内耳淋巴液的物理特性,确定等效模型的物理参数。通过对中耳有限元模型的谐响应分析,提取鼓膜脐部和镫骨底板的位移模拟结果和文献中的实验数据进行对比,证实了所建立的中耳有限元模型以及内耳淋巴液等效模型的可靠性,分析了内耳淋巴液对中耳声传导的影响,尤其是在低频段对中耳声音传导效果的影响。     

含主动耳蜗的人耳传声有限元模拟

采用外耳道、中耳、简化耳蜗耦合的有限元模型,模拟声压从外耳道传入耳蜗和耳蜗液体驱动基底膜振动的过程。耳蜗模型包含正交各向异性材料基底膜并考虑尺寸和材料性质沿长度的变化,在对柯蒂氏器进行微观力学分析的基础上,运用前馈模型实现耳蜗的主动机制。提出了外耳道声音激励与耳蜗主动机制联合作用下中耳和耳蜗响应计算方法,结果表明提出的模型实现了外耳道激励下基底膜位移与激励水平的非线性、基底膜频率选择特性等模拟。     

螺栓法兰连接结构的振动仿真分析

利用ANSYS动力学分析软件建立了螺栓法兰连接结构的1/8循环对称三维非线性有限元模型,在正弦激励下对三种不同预紧力矩情况下的模型进行了瞬态动力学分析。通过ANSYS后处理对稳态响应位移信号进行微分处理得出了螺栓附近法兰上下对应节点加速度信号以及差值信号,与实验数据进行对比验证,得出预紧程度与信号的相互关系,确定所建有限元模型是可靠的。     

仿真耳的高频校准

仿真耳是听力计量的主要仪器之一,为满足听力计在8~16 k Hz高频范围内的计量需求,须对仿真耳进行高频校准。通过适配器的使用,解决了仿真耳高频校准中存在的测量结果不稳定的问题。同时,针对仿真耳中传声器声压灵敏度级和仿真耳声耦合腔声学特性这两项主要技术指标,建立了8~16 k Hz频率范围内的自动测量系统,对其进行测量。测量结果表明声压灵敏度级的标准偏差小于0.2 d B,表征耦合腔声学特性的频响测量标准偏差小于0.3 d B。     

栓接结合部迟滞非线性等效线性化方法EI北大核心CSCD

由于栓接结合部强的非线性特性,要建立和求解这类非线性模型以及实现与其他模型的耦合极为困难。为体现栓接结合部等效非线性特性和便于工程应用,首先将结合面简化为光滑刚性平面与粗糙表面的接触问题,建立单个微凸体力-位移本构关系;然后根据Masing准则和切向力模型,建立栓接结合部在单个循环周期下的恢复力模型,并假设在稳态激励和振动幅值很小的情况下,利用平均法建立栓接结合部等效线性化的刚度与阻尼模型。为验证所建栓接结合部恢复力模型和等效线性化模型的正确性,分别搭建恢复力实验平台和模态测试实验平台,并利用有限元法将栓接结合部等效线性化模型与有限元模型耦合,建立考虑栓接结合部特性的整体结构动力学模型,最终通过两组实验验证两类模型的正确性。     

考虑螺栓连接刚度不确定性的带法兰-圆柱壳结构频响函数分析

提出了一种利用Chebyshev多项式代理模型来分析螺栓连接带法兰-圆柱壳结构频响函数不确定性的区间分析法。首先,利用8节点退化壳单元,通过有限元方法建立了带法兰-圆柱壳结构的动力学模型,从而求解系统的频响函数,并与实验测试的频响函数进行对比,验证了所建模型的有效性。然后,基于区间分析法建立了含区间参数的频响函数Chebyshev多项式代理模型。最后,考虑法兰处螺栓连接刚度不确定性,得到了单方向和多方向的连接刚度存在不确定性时的频响函数区间范围,并通过Monte-Carlo抽样法进行了验证。研究结果表明:Chebyshev多项式代理模型具有较高的求解精度和计算效率,轴向连接刚度不确定性对系统的频响函数影响最大;螺栓连接刚度不确定性主要导致频响函数在系统第1阶和第3阶固有频率处形成较宽的共振带。