使用COMSOL评估人耳声学设备性能

2019年 9月 6日

通常,助听器、移动电话和耳机都需要高质量的声音,使用户可以拥有良好的听觉体验。为了评估设计的性能,音频工程师利用头部和躯干模拟器(HATS,一种模仿成人听力环境的人体模型)创建了样机。为了更经济有效地处理这一问题,可以使用 COMSOL® 软件模拟这种设置,进行虚拟声学测量。

用于人耳的声学设备性能测量

在开发助听器和耳机之类的产品时,一个重要的环节是测试人类感知的声音质量。然而,由于人体与声音之间的相互作用非常复杂,所以用我们的主观经验去收集双耳分析的测量结果可能会带来很多问题(如混响)。为了测试各种声学产品的整体声音质量,音频工程师使用HATS来真实地再现人体的声学行为。

HATS 是内置有耳朵和嘴巴模拟器的人造的人体模型,具有一个普通成年人的头部和躯干真实的声学特性,以测试产品是否有需要改进的地方和其附加功能。这些人体模型设计用于进行 原位 电声测量,进行精确的 3D 测试。为了实现重复测试并快速获得结果,工程师可以将此设计环境与数值仿真相结合。

借助 COMSOL Multiphysics® 软件和其附加的声学模块,您可以使用边界元法(BEM)直接在软件中构建头部和躯干模拟器的数学模型。利用该模块中包含的功能,可以为创建虚拟样机用于多种不同的声学应用,这样不仅可以节省成本,还可以提供双耳分析的详细信息和验证。

 

3D HATS 模拟的一个示例,显示不同频率下的 SPL。频率越高,消声的位置就越多。

使用边界元法对头部和躯干模拟器进行建模

在 HATS 的这个例子中,模型中大多数的几何形状是通用的,而只有耳朵是基于一个真实人体经过3D扫描得到的。耳道的入口处安置了两个麦克风。这个通用的几何形状能够表征人体的整个上半身,并包含了人类的所有声学系统,比如耳道和口腔。

该模型使用BEM(边界元法)和“ 压力声学,边界元 ”等接口,分析了通用 HATS 外部的半空间域声场,就如将其放置在桌子上。在进行声学建模并解决此类外部问题时,与有限元方法(FEM)相比,边界元法只在建模区域的边界上使用网格单元,因此使用BEM能够更容易且快速地进行求解。由于此模型使用BEM,即使用了一个 无限空域 来表示人体模型周围的无边界区域。为了对散射问题建模,应用了 背景压力场 特征来对向人体模型传播的平面波进行建模。

本示例还使用了两个 生理学   阻抗边界条件 中的 无耳廓 “人耳 ” 选项。如下图所示,分别代表左右耳道的入口。生理模型包括经过实验验证的人耳和皮肤模型,这些模型在声学应用中很重要。对于像这样的局部反应表面,阻抗边界条件是一个很好的近似,对于这样的表面,任何点的法向速度仅取决于某一点的压力。

显示阻抗设置的COMSOL Multiphysics中头部和躯干模型的几何形状。
生理学阻抗边界条件中无耳廓人耳选项的示例,代表模型中的耳道入口。

您可以使用此模型来分析三种不同的频域研究:

  • 入射波分析
  • 头部相关传递函数(HRTF)
  • 口对耳传递函数

入射波分析方法用于模拟了(沿给定方向传播的)平面波在人体模型上的散射,并且可以计算总声压级和散射声压级(SPL)。HRTF 可以分析来自不同区域的声音是如何传达至耳朵的,从而显示出声波从声源到耳膜的衍射和反射特性。口对耳传递函数是一种更为特殊的头部相关传递函数。这项研究是通过在口部施加一个速度激励,以此来计算耳道入口处和鼓膜处的SPL,其中输入和输出之间的差异定义了传递函数。

计算频率响应

入射波分析

从入射波分析结果中,我们可以查看向人体模型传播的背景压力场形成的总 SPL(在下图中)。波直接向人体模型的正面传播。该图显示,在施加压力的情况下,人体模型前面会出现SPL累积(这是经典的压力倍增)。如果想要在人体模型上测试一副耳机,灵敏度和SPL结果可以显示耳机对外界激励和噪声的隔离程度。不过需要注意的是,持续处于80 dB或以上的噪声环境会导致听力受损,因此在测试耳机时进行此类分析对于找到合适的功率很重要。

头部和躯干模拟器中用于入射波分析的总声压级的模型。
入射波分析的总声压级。

下图显示了离轴入射波的散射声压场。可以在模型中修改平面波的入射角。

用于头部和躯干模拟器的入射波分析的散射声压场模型。
入射波分析的散射声压场。

HRTF 头部相关传递函数

下面的极坐标图是由辐射方向图生成的,显示了 HATS 人体模型右耳的水平面 HRTF。结果表明,频率越高,出现的模式越复杂。HRTF 中的消除模式和缺口随着频率的增加和波长的减小而出现。HRTF 的计算采用了互易原理,该原理使我们可以在压力声学中互换声源和接收器位置。

声源放置在耳道入口处,并在人体模型外部测量其响应。这样,我们可以用单个模拟(在给定频率下)获得完整的空间HRTF。下面的SPL和压力图显示了声源位于耳道入口声场。这种技术在实际测量中并不使用,在实际测量中,将源放置在头部外部,并使用探头麦克风在耳道入口处测量 SPL。这是因为如果模仿测量的方法,则需要针对每个频率和每个方向都进行一次仿真,在计算上是非常庞大的。该图显示了人体头部和躯干模型的HRTF。
1米半径的HRTF,频率分别为125 Hz,250 Hz,500 Hz,1000 Hz,2000 Hz,4000 Hz和8000 Hz。

耳道入口处的声压级的模型。
放置在耳道入口处的声源的总声压场模型。

声源放置在耳道入口处时的声压级(左)和总声压场(右)。

口对耳传递函数

下图描述了口-耳道和口-耳膜传递函数(这里只使用了粗略的频率分辨率)。口-耳道传递函数(在某种程度上)表示这样一个系统,麦克风放置在耳道入口附近,接受口部发出的语音信号。口-耳膜代表了从嘴到听觉系统的完整路径。从结果中,我们可以分析频率响应,发现口-耳道传递函数的幅值小于口-耳膜传递函数。两种传递函数之间的差异出现在2000-3000 Hz左右的高频范围内,这是耳道四分之一波共振的典型位置。

该图显示了口对耳的入口和口对耳的传递函数。
口-耳道入口传递函数(蓝色)和口-耳膜传递函数(绿色)。

从下面的声压动画中,您可以看到声波如何从口传播到耳朵。

影片缩图

声波从口传播到耳朵的动画。

通过使用 COMSOL Multiphysics 中的 BEM 功能,您可以在测试设计性能时获得真实的声学测量。与 FEM 相比,此方法的计算成本更低,从而可以更快,更有效地进行声学建模。

下一步

单击下面的按钮,尝试自己分析头部和躯干模拟器的声学特性。


评论 (0)

正在加载...
浏览 COMSOL 博客