模拟人耳道内的声学特征 优化助听器和耳机设计

2020年 7月 7日

你有没有注意到当你戴着耳机或耳塞式耳机说话时,你自己的声音听起来有什么不同?这种现象被称为封闭效应,它会影响助听器的性能和舒适度,进而影响听障人士对助听器的接受程度。今天让我们看看如何使用 COMSOL Multiphysics 软件帮助研究人员最大程度的减小这种影响,从而设计出更好的助听器和耳塞式耳机。

什么是封闭效应?

当一个人的耳道外部被堵塞时,会导致这个人听到一种类似回声的声音,这种声音被称为封闭效应。与开放式耳道相比,这种现象会导致来自外耳道的低频骨导声音增加,可以使声压提高 20dB 或更多。这些问题使得闭塞效应成为优化助听器和耳塞扬声器设计时需要考虑的重要因素。特别是在助听器设计中,经常会采用所谓的“开放式解决方案”。在这些设置中,耳模(助听器插入耳朵的部分)向周围环境部分开放。在大多数助听器设置中,使用通风道或简单的通风孔。

在耳朵里戴耳塞的照片。
耳塞式耳机会对佩戴者造成封闭效应。

助听器用户经常体验到反馈,这些设备发出的高频音调声音限制了助听器的最大增益,也限制了它们的样式。反馈也可以限制助听器通风口的大小,这一点很重要,因为通风不良的耳道会导致健康问题。

对于工程师来说,重要的是能够精确地模拟这些现象,以便分析和优化助听器和耳塞设计的性能,同时最大程度地提高舒适度。为此,更为关键的是对耳道和封闭耳道中的声音相互作用进行建模。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟耳道

在 COMSOL Multiphysics® 中,有多种方法可以解决上述问题。在第一个示例中,我们研究了人耳道的声学特性。

耳道的几何形状示源自文献报道的受试者的测量结果。软件中内置的模拟人体耳膜皮肤的生理阻抗模型用于解释耳道边界的阻抗。此外,为了包括热黏性边界层损失的影响,建立了所谓的边界层阻抗(BLI)模型(从文本文件加载预定变量)。热黏性损失的影响很小,因为几何形状相对较大,但它们不可忽略。

结果显示了输入阻抗和传输阻抗,以及从入口到耳膜的等值面分布。下图显示了 20kHz 的压力等值面。右侧显示了数值变换曲线(耳道入口处的压力相对于耳膜处的压力)。在3 kHz左右的第一个1/4波长耳道共振清晰可见。

仿真结果显示了 20kHz 时鼓膜中的压力等值面。
在 COMSOL Multiphysics 中绘制水平变换曲线的图表

为了进一步分析耳塞设置中不必要的泄漏或有目的的开放的解决方案的影响,可以使用一个概念模型来分析泄漏对放置在类似耳道几何形状中的耳塞扬声器的声学响应的影响 (见下图)。不同的内置阻抗模型用于捕捉以下因素的影响:

  • 穿孔网和筛网
  • 皮肤
  • 耳膜

在这种情况下,模型包含一个小间隙,代表向外部泄漏。引入泄漏变化的影响是为了分析设计对泄漏程度的敏感度,并预测所谓的低频衰减。当引入一个小开口或通风口时,低频滚降被视为封闭区域内压力水平的典型下降(在低频时)。

用于耳塞设置的通过耳朵的模型几何剖视图。
绘制耳塞入口处耳膜声压级的图表。

三种不同的泄漏尺寸(右)下,耳朵剖面图(左)和声压级 (SPL) 与频率的函数图。

右上图显示了耳膜处的声压级。随着泄漏量的增加,低频衰减明显可见。相反的,在关闭或部分关闭耳机时提高声压,耳塞式耳机可以帮助获得更好的低音体验。在这里,COMSOL Multiphysics 已经被用来:

  • 通过使用内置特征和阻抗模型,准确预测复杂声学系统的响应
  • 分析系统对设计的微小变化的敏感度,知道哪些频率保持不变,哪些频率在很大程度上取决于模型参数

对封闭耳道模拟器进行分析

耳道模拟器或耦合器可用于模拟标准人耳道的声学特性。耦合器被广泛应用于助听器开发,用来测试和测量新设计的性能,并在各种声学模型上表示耳道,用于3D录音或测试耳机和耳塞(详细可以查看戴在仿真人耳上的耳机教程模型)。

这里讨论的模型是一个封闭耳道模拟器的示例(类似于通用 711 耦合器).所用的几何形状类似于 Brüel & Kjær 4157 耳模拟器。

由于人的耳膜具有重要的声学特性,耦合器必须考虑耳膜处的声能损失和圆柱体的声学,如耳道的体积。并且使用声学系统模拟复杂耳膜的机械损失,包括侧体积和狭缝也是很有必要的。

在耦合器中,损耗主要是由于狭缝中的高热阻尼和黏性阻尼所致。由于狭缝中的热损失和黏性损失很重要,因此,在 COMSOL Multiphysics 中使用了两种不同的方法建立了有限元模型,进行比较:

  1. 使用 热黏性声学,频域 接口的模型
  2. 使用 压力声学,频域 接口和狭窄区域声学 特征(考虑狭缝中的损耗)的模型
COMSOL® 仿真结果与 IEC 标准之间麦克风响应的比较。
711 耦合器模型的仿真结果显示了 900Hz 下的压力分布。

左图:为恒定位移源测量的麦克风响应,再次将模型结果与国际电工委员会标准和无损模型进行比较。右图:频率为 900Hz 时 711 耦合器内部的压力分布,代表下侧体积中的亥姆霍兹共振。

由于人类耳道存在巨大差异,需要对这些模拟器进行优化以匹配特定的响应。这个模型展示了这种优化是如何自动执行的。耳道模拟器通常在频率范围进行调谐,因为仅用一个耦合器不可能匹配整个频率范围的阻抗。

该模型在以下频率范围内优化响应:

  • 低频(100Hz–1 kHz)
  • 中频(1–7 kHz)
  • 高频(7–20 kHz)

这里,目标输入阻抗表示特定耳朵(上述耳道模型)的声学响应,但它也可以基于测量值或标准规定的响应。

绘制一系列频率的输入阻抗的图表
4 种闭塞模拟器设计,适用于对耳道建模的不同频率解决方案

后续步骤

如果你对研究人类耳道感兴趣,请点击下列链接,下载文中介绍的案例模型自己动手尝试模拟:


评论 (0)

正在加载...
浏览 COMSOL 博客