强声波作用下肺部力学响应的数值模拟和实验研究

摘要

本研究基于亥姆霍兹共鸣器的理论基础，通过数值模拟和实验相结合研究强声波作用下肺部的力学响应。借助COMSOL MULTIPHYSICS数值仿真软件构建人类肺脏组织模型，通过模拟肺部在声场中的响应来研究强声对生物空腔器官的作用效果和损伤机理。同时，使用SD大鼠作为研究对象，利用声学传感器实时监测声场特征，SD大鼠胸腔表面振动位移使用高精度激光位移传感器来测定，设计完成强声的生物效应实验。
　　数值仿真结果表明，当模型的结构和材料简单时，如只考虑空气和肺部软组织介质，模型声学特性接近理想亥姆霍兹共鸣器，此时经典集中参数系统共振频率计算公式经过修正之后可以被用于估算共振频率。一旦考虑肺部弹性壁面，模型在声场中不再做等容变化，共振频率会随着肺部壁面厚度和软组织材料密度的不同而变化。对于更为复杂的考虑空气、肺部弹性壁面、软组织和骨骼四种不同材料的人肺部模型，会出现明显的共振现象（本研究选取的材料参数下，共振频率为121Hz），此时模型吸收声能最多，弹性壁面振动位移幅值最大。骨骼材料在模型中作为固定约束存在，骨骼附近的组织位移变化要比其他区域小，这样造成组织损伤。
　　生物效应实验结果表明，SD大鼠在某些特定频率的声场条件下会出现明显的胸腔共振效应。在排除生物体呼吸导致胸腔起伏的影响后，振动幅值可以接近1mm。在本研究设计的实验条件下，实验大鼠在250Hz，280Hz，335Hz和390Hz时会出现胸腔器官共振现象。而且共振现象是导致生物内脏器官损伤的主要原因。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要内容和结构安排

第二章 理论基础

2.1 亥姆霍兹共鸣器

2.1.1经典集中参数共振频率计算

2.1.2非刚性细短管对共鸣器声学特性影响及共振腔纵宽比修正计算

2.2 数值建模理论

2.2.1数值建模软件介绍

2.2.2 数值模型方程

第三章 肺部声学响应的数值模拟

3.1 人类肺部组织模型建立

3.1.1 模型基本结构

3.1.2 基本几何模型构建

3.2 数值模拟研究

3.2.1 数值模拟过程1（考虑空气和肺部软组织两种介质的模型）

3.2.2 数值模拟过程2（考虑空气、肺部弹性壁面和肺部软组织三种材料的模型）

3.2.3 数值模拟过程3（考虑空气、肺部弹性壁面和肺部软组织三种材料的模型）

3.2.4 数值模拟过程4（考虑空气、肺部弹性壁面、肺部软组织和骨骼四种材料的模型）

3.3 几何参数及材料性质对共振效应的影响

3.3.1 肺部壁面厚度对共振效应的影响

3.3.2 软组织材料密度对共振效应的影响

3.4 小结

第四章 强声的生物效应实验研究

4.1 实验系统及实验方法

4.1.1 驻波管实验系统

4.1.2 强声测量系统

4.1.3 位移测量系统

4.1.4 生物实验材料

4.1.5 实验方法

4.2 实验结果分析

4.2.1 实验数据和结果

4.2.2大鼠肺部模型模拟结果与实验结果的比较

4.2.3实验中干扰因素的分析

4.2.4 实验系统的改进

4.3 小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果