| 研究課題/領域番号 |
21K03820
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| 研究機関 | 滋賀県立大学 |
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研究代表者 |
呉 志強 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (10274333)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 鼓膜再建 / 固有振動数 / 聴覚特特性 / 形状最適化 / 周波数応答解析 / 広帯域周波数加振 |
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| 研究実績の概要 |
昨年度の続き、形状最適化の手法を開発し、鼓膜の形状設計への適用を試みた。
まずは、広い周波数帯域において、人間本来の聴覚特性に近い動的特性を有する鼓膜の形状設計問題を、広帯域振幅規定問題における形状最適設計問題として定式化し、形状最適化の手法を開発した。この最適化の手法には、ダンパー（内耳の蝸牛の動的特性を表現するためのもの）を考慮した。広い周波数帯域では、周波数のサンプリング数が多いため、応答および形状勾配関数を計算するには膨大な計算量が必要とするが、モード解析の結果を利用する方法を提案した。ダンパー要素を有する場合、運動方程式の非連成化ができないため、実数モード解析の結果を直接利用することが困難であったが、提案した手法では、付加の少自由度の複素連立方程式を広い周波数帯域において解くことでこの問題を解決した。この手法は今後、ダンパーを有する機械構造や、建築構造の最適設計にも有効であると考えている。
そして、開発した形状最適設計の手法を簡単な機械構造の形状最適化問題に応用し、広い周波数帯域での振幅を規定の周波数応答曲線になるように、最適な形状を求めることができた。その後、この手法を昨年度に開発した中耳振動モデルに応用した。ターゲットとする周波数帯域において、聴覚特性を示すアブミ骨底板の垂直方向の変位曲線が本来の変位曲線との最小二乗差を目的関数として、鼓膜をほぼ全部軟骨板で置き換える場合の軟骨板の形状最適化を行った。結果として、形状最適化後のモデルでは、初期形状のモデルに比べ、周波数応答関数が広い周波数帯域において、健常時の曲線にある程度近づいていることが確認できた。また、改善が不十分の周波数帯域も存在するため、個別モードの調整を施し、ある程度効果があることを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
広い周波数帯域において、鼓膜を軟骨板で置き換えた場合の軟骨板の形状最適化をほぼ予定通り実施することができた。付加的な成果として、広帯域周波数加振問題における効率的な形状最適化手法を提案したため、今後、機械構造や、建築構造の形状最適化に発展する道筋ができたと考えている。
ただ、現段階での研究結果の精査と学術誌への論文投稿がまだ完成できていないため、やや遅れていると考えている。段階的な成果を早めに投稿できるようにしたいと思っている。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度の研究成果を基に、令和５年度の研究は次のように予定されている。
本研究では、蝸牛の動的特性を粘性ダンパーを利用して表現している。これで構築した中耳の数値モデルは、振動特性が先行研究の実験での測定結果に近いものの、高周波域ではずれがやや大きくなる。一方、他者の研究論文では、蝸牛を粘弾性ダンパーで表現するものも存在することが最近分かった。そのため、本研究でも、粘性ダンパーを粘弾性ダンパー(Mexwell Damper)に変更して解析し、粘性ダンパーモデルや、測定結果と比較する。そして、粘弾性ダンパーで置き換える場合の形状最適化の手法を開発し、軟骨板の形状最適化を行う。
また、人間の外耳道が聴覚特性に影響があるため、外耳道の影響を考慮した軟骨板の形状最適化を行う。これにより、外耳道の形状に個人差がある場合の軟骨板の形状設計に応用できると考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
計画では、国際会議に参加関連する費用が計上されていたが、コロナの情勢により、国際会議に参加できないため、経費が余ることになった。今後の国際会議参加や論文投稿に使用するのに使用する。
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