周期性复合介质中声能量传输的研究及在肌肉疲劳评估中的应用

发布时间：2017-04-30 02:12

  本文关键词：周期性复合介质中声能量传输的研究及在肌肉疲劳评估中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：弹性波在周期性弹性复合介质中传播,与介质内部结构相互作用,产生与光子晶体类似的通带、禁带、缺陷态等现象,引出声子晶体的概念。对这类带隙特性的探索在声子晶体研究领域中具有重要的理论与应用价值。研究声传输过程中的能量变化规律有助于认识声子晶体中声波与晶体内部结构相互作用机理,对于声子晶体的在减震降噪、声功能器件、声波聚焦等方面的应用具有现实意义。肌肉长时间进行连续反复的收缩运动,在一段时间后运动所需肌肉张力和收缩力减小,肌肉的运动无法持续保持相同活力的现象称为肌肉疲劳。肌肉疲劳程度可作为肌肉损伤、体育训练、肌肉疾病等方面的一个重要评估参数。肌肉的主要组成成份为肌纤维,纤维和纤维之间由结缔组织联系在一起。肌纤维数目很多并且具有收缩能力,担负着机体的运动机能(动物体的运动、消化道的蠕动),一般为长圆柱状,沿细胞纵轴平行、有规则的排列。肌肉组织内部可以近似的看做由肌纤维与结缔组织有序的排列组成,类似周期排列的声传输介质。本文通过研究弹性波在肌肉组织中的传输效应,利用周期二维声子晶体结构声能量传输规律,研究肌肉疲劳的评估方法。本文研究内容包括：基于时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,简写为FDTD),研究声子晶体的通带及禁带声能量传输规律；并进行肌肉组织疲劳过程的声传输效应研究。本文的主要工作：(1)利用FDTD算法研究声子晶体声能量传输特性。根据声场中能量与振动的关系,通过振动参数表示声传输过程中能量的传输特性。控制复合材料的周期组成,分析禁带频率声波通过周期介质传输后能量损失情况；利用单一频率声波在晶体内部的能量传输特性,研究禁带频率声波与通带频率声波在周期介质中的传播。结果在禁带频率范围内声波能量在一段时间内衰减较快,较长时间过后幅度下降变慢,最终导致其总振动时间要长于通带频率声波。禁带频率波在介质中传输,振动时间的输出加长。(2)基于二维声子晶体声能量传输规律研究,分析骨骼肌疲劳过程的声学效应。根据骨骼肌疲劳理论分析,得出肌肉在逐渐疲劳过程中,肌肉内部纤维的填充率变小、硬度逐渐变大；利用二维声子晶体结构,仿真肌肉模型,分析疲劳状态下仿真肌肉参数变化情况,通过FDTD算法研究肌肉疲劳过程的声学效应。在骨骼肌逐渐疲劳过程中,传输到肌肉内部的弹性波中心频率会向低频逐渐偏移。对于理论分析以及仿真研究所得结果,本文也通过具体实验进行了验证。利用超声探头发射、接收声波信号,记录弹性波穿过逐渐疲劳肱二头肌后的声波信息,通过FDTD算法得到声波传输参数,进行频谱分析得到声传输频率响应曲线。利用B超实时记录肌肉内部结构变化情况。通过骨骼肌疲劳过程的声学效应研究,为无损伤的判断肌肉损伤程度提供理论和技术依据。
【关键词】：声子晶体 时域有限差分法 带隙结构 能量 肌肉疲劳
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R312;O735
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 选题背景9-12
• 1.2 本文主要研究工作及框架12-13
• 第2章 周期复合介质声传输特性研究方法13-23
• 2.1 传递矩阵法14-17
• 2.1.1 TM算法概述14-15
• 2.1.2 TM算法计算一维声子晶体能带结构15-17
• 2.2 时域有限差分法17-21
• 2.2.1 FDTD算法17-18
• 2.2.2 波动方程的FDTD差分格式18-20
• 2.2.3 FDTD算法边界处理及稳定性条件20-21
• 2.3 本章小结21-23
• 第3章 一维声子晶体声传输特性研究23-37
• 3.1 一维声子晶体禁带声传输能量特性研究23-31
• 3.1.1 模型与算法23-26
• 3.1.2 一维声子晶体传输特性26-31
• 3.2 一维声子晶体缺陷态研究31-34
• 3.2.1 一维缺陷声子晶体模型与算法32-33
• 3.2.2 缺陷声子晶体能带结构33-34
• 3.3 本章小结34-37
• 第4章 周期介质声传输特征在骨骼肌疲劳评估中的应用研究37-53
• 4.1 理论及模型37-39
• 4.1.1 肌肉疲劳研究方法37-38
• 4.1.2 骨骼肌模型38-39
• 4.2 肌肉微结构变化对弹性波的频率传输特性影响39-43
• 4.2.1 肌肉内部填充率变化对频率传输特性的影响39-42
• 4.2.2 肌肉纤维硬度变化对频率传输特性的影响42-43
• 4.3 肌肉疲劳过程的实验研究43-50
• 4.3.1 实验原理、方法与装置43-45
• 4.3.2 数据采集与处理45-49
• 4.3.3 实验结果分析49-50
• 4.4 本章小结50-53
• 第5章 全文总结与展望53-55
• 5.1 全文总结53-54
• 5.2 展望54-55
• 参考文献55-61
• 致谢61-63
• 攻读硕士期间的研究成果63

【共引文献】

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1 韩建宁;温廷敦;杨鹏;张璐;张驰;;声子晶体的负折射成像分析[J];中北大学学报(自然科学版);2014年02期

2 刘启能;刘沁;;固-固有限周期声子晶体中SH波全反射隧穿的机理[J];计算力学学报;2014年01期

3 闫昕;;二维固-气声子晶体带隙特性的研究[J];激光杂志;2014年08期

4 杜敬涛;贺彦博;冯浩成;;散射体旋转角对二维声子晶体带隙结构影响分析[J];哈尔滨工程大学学报;2014年11期

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6 杨鹏;张志伟;韩建宁;张璐;;声子晶体的传输特性研究[J];中北大学学报(自然科学版);2015年02期

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8 黄佳;尹进;张昭;张洪武;;圆管型局域共振声子晶体三维构型振动带隙研究[J];计算力学学报;2015年03期

9 刘启能;刘沁;;声子晶体中SH波缺陷模的相干叠加理论[J];计算力学学报;2015年03期

10 张明;;不同参数声子晶体第一完全带隙影响因素研究[J];人工晶体学报;2014年03期

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本文编号：336045