通常，助聽器、移動電話和耳機都需要高質量的聲音，使用戶可以擁有良好的聽覺體驗。為了評估設計的性能，音頻工程師利用頭部和軀干模擬器（HATS，一種模仿成人聽力環(huán)境的人體模型）創(chuàng)建了樣機。為了更經(jīng)濟有效地處理這一問題，可以使用 COMSOL? 軟件模擬這種設置，進行虛擬聲學測量。

用于人耳的聲學設備性能的測量

在開發(fā)助聽器和耳機之類的產(chǎn)品時，一個重要的環(huán)節(jié)是測試人類感知的聲音質量。然而，由于人體與聲音之間的相互作用非常復雜，所以用我們的主觀經(jīng)驗去收集雙耳分析的測量結果可能會帶來很多問題（如混響）。為了測試各種聲學產(chǎn)品的整體聲音質量，音頻工程師使用 HATS 來真實地再現(xiàn)人體的聲學行為。HATS 是內(nèi)置有耳朵和嘴巴模擬器的人造的人體模型，具有一個普通成年人的頭部和軀干真實的聲學特性，以測試產(chǎn)品是否有需要改進的地方和其附加功能。這些人體模型設計用于進行 原位 電聲測量，進行精確的 3D 測試。為了實現(xiàn)重復測試并快速獲得結果，工程師可以將此設計環(huán)境與數(shù)值仿真相結合。

借助 COMSOL Multiphysics? 軟件和其附加的聲學模塊，您可以使用邊界元法（BEM）直接在軟件中構建頭部和軀干模擬器的數(shù)學模型。利用該模塊中包含的功能，可以為創(chuàng)建虛擬樣機用于多種不同的聲學應用，這樣不僅可以節(jié)省成本，還可以提供雙耳分析的詳細信息和驗證。

3D HATS 模擬的一個示例，顯示不同頻率下的 SPL。頻率越高，消聲的位置就越多。

使用邊界元法對頭部和軀干模擬器進行建模

在 HATS 的這個例子中，模型中大多數(shù)的幾何形狀是通用的，而只有耳朵是基于一個真實人體經(jīng)過 3D 掃描得到的。耳道的入口處安置了兩個麥克風。這個通用的幾何形狀能夠表征人體的整個上半身，并包含了人類的所有聲學系統(tǒng)，比如耳道和口腔。該模型使用 BEM（邊界元法）和“ 壓力聲學，邊界元 ”等接口，分析了通用 HATS 外部的半空間域聲場，就如將其放置在桌子上。在進行聲學建模并解決此類外部問題時，與有限元方法（FEM）相比，邊界元法只在建模區(qū)域的邊界上使用網(wǎng)格單元，因此使用 BEM 能夠更容易且快速地進行求解。由于此模型使用 BEM，即使用了一個無限空域 來表示人體模型周圍的無邊界區(qū)域。為了對散射問題建模，應用了背景壓力場特征來對向人體模型傳播的平面波進行建模。

本示例還使用了兩個 生理學 ? 阻抗邊界條件 中的 無耳廓 “人耳 ” 選項。如下圖所示，分別代表左右耳道的入口。生理模型包括經(jīng)過實驗驗證的人耳和皮膚模型，這些模型在聲學應用中很重要。對于像這樣的局部反應表面，阻抗邊界條件是一個很好的近似，對于這樣的表面，任何點的法向速度僅取決于某一點的壓力。

生理學阻抗邊界條件中無耳廓人耳選項的示例，代表模型中的耳道入口。

您可以使用此模型來分析三種不同的頻域研究：

• 入射波分析

• 頭部相關傳遞函數(shù)（HRTF）

• 口對耳傳遞函數(shù)

入射波分析方法用于模擬了（沿給定方向傳播的）平面波在人體模型上的散射，并且可以計算總聲壓級和散射聲壓級（SPL）。HRTF 可以分析來自不同區(qū)域的聲音是如何傳達至耳朵的，從而顯示出聲波從聲源到耳膜的衍射和反射特性?？趯Χ鷤鬟f函數(shù)是一種更為特殊的頭部相關傳遞函數(shù)。這項研究是通過在口部施加一個速度激勵，以此來計算耳道入口處和鼓膜處的 SPL，其中輸入和輸出之間的差異定義了傳遞函數(shù)。

計算頻率響應

入射波分析

從入射波分析結果中，我們可以查看向人體模型傳播的背景壓力場形成的總 SPL（在下圖中）。波直接向人體模型的正面?zhèn)鞑?。該圖顯示，在施加壓力的情況下，人體模型前面會出現(xiàn) SPL 累積（這是經(jīng)典的壓力倍增）。如果想要在人體模型上測試一副耳機，靈敏度和 SPL 結果可以顯示耳機對外界激勵和噪聲的隔離程度。不過需要注意的是，持續(xù)處于 80dB 或以上的噪聲環(huán)境會導致聽力受損，因此在測試耳機時進行此類分析對于找到合適的功率很重要。

入射波分析的總聲壓級。

下圖顯示了離軸入射波的散射聲壓場?？梢栽谀Ｐ椭行薷钠矫娌ǖ娜肷浣?。

入射波分析的散射聲壓場。

HRTF頭部相關傳遞函數(shù)

下面的極坐標圖是由輻射方向圖生成的，顯示了 HATS 人體模型右耳的水平面HRTF。結果表明，頻率越高，出現(xiàn)的模式越復雜。HRTF 中的消除模式和缺口隨著頻率的增加和波長的減小而出現(xiàn)。HRTF 的計算采用了互易原理，該原理使我們可以在壓力聲學中互換聲源和接收器位置。

聲源放置在耳道入口處，并在人體模型外部測量其響應。這樣，我們可以用單個模擬（在給定頻率下）獲得完整的空間 HRTF。下面的 SPL 和壓力圖顯示了聲源位于耳道入口聲場。這種技術在實際測量中并不使用，在實際測量中，將源放置在頭部外部，并使用探頭麥克風在耳道入口處測量 SPL。這是因為如果模仿測量的方法，則需要針對每個頻率和每個方向都進行一次仿真，在計算上是非常龐大的。

1米半徑的 HRTF，頻率分別為125 Hz，250 Hz，500 Hz，1000 Hz，2000 Hz，4000 Hz 和 8000 Hz。

聲源放置在耳道入口處時的聲壓級（左）和總聲壓場（右）。

口對耳傳遞函數(shù)

下圖描述了口-耳道和口-耳膜傳遞函數(shù)（這里只使用了粗略的頻率分辨率）?？?耳道傳遞函數(shù)表示（在某種程度上）表示這樣一個系統(tǒng)，麥克風放置在耳道入口附近，接受口部發(fā)出的語音信號?？?耳膜代表了從嘴到聽覺系統(tǒng)的完整路徑。從結果中，我們可以分析頻率響應，發(fā)現(xiàn)口-耳道入口傳遞函數(shù)的幅值小于口-耳膜傳遞函數(shù)。兩種傳遞函數(shù)之間的差異出現(xiàn)在 2000-3000Hz左右的高頻范圍內(nèi)，這是耳道四分之一波共振的典型位置。

口-耳道入口傳遞函數(shù)（藍色）和口-耳-膜傳遞函數(shù)（綠色）。

從下面的聲壓動畫中，您可以看到聲波如何從口傳播到耳朵。

聲波從口傳播到耳朵的動畫。

通過使用 COMSOL Multiphysics 中的 BEM 功能，您可以在測試設計性能時獲得真實的聲學測量。與 FEM 相比，此方法的計算成本更低，從而可以更快，更有效地進行聲學建模。

作者： Dixita Patel

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作者：COMSOL 中國
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