分析光声学细胞的拓扑优化

在气光声学光谱法中，光和声音用于检测周围环境中有害化合物的浓度。与其他光谱技术相比，光声学显示出由于其检测方案而显示的最高信噪比 - 但是由于生成的声波通常太弱而无法被麦克风检测，因此使用声细胞来扩增信号。IMEC和KU Leuven的研究人员正在努力通过拓扑优化提高该声细胞的灵敏度。

什么是光声学光谱？

早在1880年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）就在摄影主管上工作，该设备使用调制光无线传输语音。在此过程中，他发现了光声效应。贝尔能够通过将薄圆盘暴露在阳光下来证明这种现象。当切碎的光反复加热碟片时，它们会发出声音。换句话说，发生热膨胀，这将产生压力波。后来，贝尔表明暴露于紫外线和红外辐射的材料也会产生声音。尽管当时科学界的光声效应引起了人们的关注，但直到大约一百年后才有太多用途。

如今，该效果被用作一种称为光声光谱的测量技术，并且对所涉及的技术有了一些更新。例如，使用激光器不再等待阳光光束，而是更有效。同样，电子和制造技术的进步也使得扩大此过程的用例以及检测的准确性和敏感性成为可能。

光声学光谱如何工作？

光声光谱是通过声学检测对吸收光对物质的影响的测量。由于它被称为“零背景技术”，因此达到的灵敏度使您可以研究气体中的分析浓度，直至每十亿美元和万亿级范围。它的工作原理：

1. 分析物溶解在缓冲气体中，例如空气，氮或高贵的气体
2. 气体在腔室或电池中流动
3. 一旦其波长对应于分析物的吸收峰之一，一个强烈调制的激光束也会激发细胞内的分析物激发分析物
4. 从这种吸收中重复产生热量会引起气态的压力波
5. 压力波是通过细胞设置中的麦克风检测到的
6. 激光的波长和记录的声音强度识别分析物并测量其浓度

气态光谱光谱仪的示意图。香港Kng的背景图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

这种类型的设置中的声波通常非常弱，因此可以通过选择等于电池的固有频率的激光调制来扩增声音，该激光器也可以用作声室。策略性地放置，麦克风可以更好地拾取此信号。

许多工程师专注于设计一个更敏感的麦克风，但直到现在，对声学细胞（或室）的关注还没有太多。最近，由于制造局限性和新技术（如3D打印），研究人员有可能减少细胞的大小，从而使其更敏感。此外，由于计算能力的增加，拓扑优化技术有所改善，因此可以改变单元格的形状。

IMEC和KU Leuven的研究人员决定，随着这些进展，是时候专注于设计改进的声学细胞了。他们使用comsol®软件，能够研究用于气态声学光谱的3D打印声室的拓扑优化。他们在2017年鹿特丹Comsol会议上提出了他们的发现。乐动滚球app下载

用comsolMultiphysics®建模改进的声单元

研究人员通过思考可以改善声学细胞的各种方式来开始调查以优化气态光声光谱。他们选择拓扑优化作为“最自由的选择”。IMEC的Rachid Haouari解释说，尽管它们本可以使用更通用的形状优化，但最终形状将“始终取决于功能基础”，并且“具有精美功能的形状需要一个很大的基础设置才能建立呈现高空间频率。”尽管他指出，最终拓扑应该能够制造并因此具有一些典型的约束，但拓扑优化为相对无限制提供了最佳选择。

他们发现的拓扑优化设置的主要约束是可用的材料有限，并且由于其大小而需要光线，因此它们开始将形状定义为材料属性的优化分布。他们还设置了受惩罚的功能，例如惩罚性阻尼或“大风”，以解释声学阻抗不匹配。由于不匹配足够高，可以安全地假设没有从气体到固体的转移，因此在固体区域中应用了弹药，以确保声音不会在那里传播。

有关本研究中使用的功能和约束的更多信息，请参阅技术论文。

设置声室几何形状

在声学室中，介质中声波的无损传播受Helmholtz方程的控制。为了在ComsolMultiphysics®软件中实施此功能，研究人员使用了压力声学，频域接口声学模块。他们的目的是最大化麦克风位置和一个所需频率的声压强度。

如下面的示意图所示，激光束被简化为线性声源。将路径设置为激光区域的纯空气（以绿色显示）和细胞和麦克风之间的连接隧道。灰色区域是进行拓扑优化的主要区域。假定麦克风是圆形的，可以在需要的地方设置其位置。

使用comsol多物理学以及声学模块和优化模块，研究团队能够使用关键变量和参数（包括前面提到的“大大型”功能）实施其优化方案。所得的3D几何形状（右图如下）是一个立方体，其水平缸表示激光束，轴是线性声源。麦克风上方的垂直圆柱体充满了空气，以确保声学路径。绿色区域是优化的拓扑区。

声细胞优化几何形状的示意图（左）。声细胞的3D几何（右）。图像由IMEC/KU Leuven提供。

立方体的体积设置为1厘米³，并且将频率设置为低25 kHz，以使信号高。该频率超出了听觉范围，因此没有大多数声学污染。将聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）设置为固体，密度为1180 kg/m³和2500 m/s的音速。

小“土豆”，结果很大

在腔室内找到最佳位置

首先，研究小组进行了几次模拟，他们改变了麦克风的位置，以研究激光束周围的形状。他们注意到，对于每个模拟，激光束周围的主形状保持差距相同，它们形容为“马铃薯”形状的椭圆形。正如我们在下面的结果中看到的那样，这种马铃薯形状在激光束周围呈现了相同的革命对称性。唯一的可见差异是麦克风位置周围，那里有一个收集器将声波浓缩到隧道中。研究人员注意到收集器的开口取决于波长。

左列：优化的形状，中心的麦克风位置。右柱：具有麦克风位置的优化形状从中心移动。图像由IMEC/KU Leuven提供。

对于两个麦克风放置位置，颜色代表压力振幅，而黑白（设置为透明）表示材料的存在。对于声波输入功率为10^-5W，他们在中心位置的麦克风上检索了71-Pa压力的平均值，在移位位置的麦克风上取回了86-Pa压力的平均值。这些压力响应发现表明，如果光声细胞具有相同的话，它们是等效的：

• 体积
• 激光路径长度
• 缓冲气体
• 吸收激光功率

其余的是依赖形状！

比较2个细胞形状的光声性能

对拓扑优化的信心继续前进，研究团队考虑了细胞的表面几何形状。Haouari说，使声室较小的挑战之一是，随着细胞大小的减小，放大能力的降解会增加。他说，这主要是由于“表面”与“体积”相比的热丢失损失之比，因此表面几何形状对小细胞很重要。为了解决这个问题，团队使用了热视听，频域接口考虑热损失和粘性损失。

为了解决表面问题，Haouari解释说，这是模拟软件“占据主导地位的地方，因为解决此类问题几乎是不可能手工做的。”Haouari说，多物理功能COMSOL®软件以“ panache”做到了。

问题是由优化形状的导出功能数据进入MATLAB®软件，以检索所需的表面。然后，研究人员将表面重新插入了ComsolMultiphysics®软件作为3D几何形状，并使用热雾的声学特征，在表面上定义的边界层和调制热源，从而模拟光声效应。

最后，团队将优化的马铃薯形状的最终光声性能与气缸的光声性能进行了比较。他们发现，与圆柱形相比，优化的细胞实际上确实在其共振下实现了更高的扩增。在下面描述的频率响应图中，可以看出马铃薯形状的共振频率为24 kHz，而气缸的首次共振在30 kHz。还可以看出，马铃薯形状能够在共振下提供两倍的圆柱电池输出压力（注意对数尺度）。

在传统的圆柱体上（左）与团队的马铃薯形细胞（右），在25 kHz的模拟压力重新分配。图像由IMEC/KU Leuven提供。

圆柱声室（绿色）和马铃薯形室（蓝色）的频率响应从10到40 kHz。图像由IMEC/KU Leuven提供。

马铃薯形状能够提供更高扩增的原因是由于细胞壁处的损失较低。由于当我们查看单元的横截面时，形状的上部是圆形的，因此激光发出的声音可以看作是圆圈中心的点源，并能够用径向波传播。与圆形壁相互作用的径向波不会产生任何摩擦。因此，不会发生损失。

在确认优化的形状能够提供更大的扩增后，IMEC和KU Leuven团队一直在研究实验设置和协议，以继续评估信号改进。Haouari说，这种设置将集成在“新型，气相，基于细胞的，微型的光声光谱设置”中，以期提高声细胞的灵敏度。

了解更多

• 通过阅读会议论文，获取有关IMEC和KU Leuven研究的更多详细信息：“使用COMSOLMultiphysics®对气态光声学细胞的拓扑优化“
• 读这个有关如何使用拓扑优化结果作为模型几何的博客文章
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  • 光声谐振器
  • 2D房间中声学模式的拓扑优化和验证

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