戴著耳機(jī)聽(tīng)音樂(lè)已經(jīng)成為了大家日常生活的一部分。工程師在設(shè)計(jì)耳機(jī)時(shí)必須保證耳機(jī)以下幾個(gè)方面的質(zhì)量：音質(zhì)、可靠性和安全性，不過(guò)這可能極具挑戰(zhàn)性。與普通揚(yáng)聲器不同，耳機(jī)的揚(yáng)聲器非?？拷?，因此無(wú)法使用自由場(chǎng)設(shè)置來(lái)測(cè)試耳機(jī)的靈敏度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，聲學(xué)工程師可以通過(guò) COMSOL Multiphysics? 軟件來(lái)進(jìn)行研究。

設(shè)計(jì)更安全的耳機(jī)，改善聆聽(tīng)體驗(yàn)

在嘈雜的世界中，便攜式設(shè)備的使用比以往任何時(shí)候都要多得多，耳機(jī)的使用更是無(wú)處不在。不管大家是喜歡戴有線耳機(jī)還是無(wú)線耳塞，都希望能有一個(gè)可靠、安全，并能帶給人以愉悅享受的耳機(jī)聆聽(tīng)體驗(yàn)。但隨著大家對(duì)耳機(jī)使用過(guò)于頻繁，永久性喪失聽(tīng)力的可能性也在急劇增加。這是因?yàn)槎鷻C(jī)與耳朵之間距離非常近，同時(shí)內(nèi)耳具有很高的敏感性。

大聲的噪音會(huì)對(duì)敏感的內(nèi)耳（具體說(shuō)，是對(duì)內(nèi)耳的毛細(xì)胞）造成損傷，內(nèi)耳的毛細(xì)胞負(fù)責(zé)向大腦傳遞電信號(hào)。一旦這些毛細(xì)胞丟失后，就無(wú)法重新生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致永久性聽(tīng)力損失。由于耳機(jī)離我們的耳朵非常近，因此不必太大聲就會(huì)造成損壞。通常，超過(guò) 85 dB 聲壓級(jí)的噪聲都被認(rèn)為對(duì)人體是有害的。同樣的，長(zhǎng)時(shí)間傾聽(tīng)低分貝的聲音對(duì)人體也是危險(xiǎn)的，并且可能導(dǎo)致永久性噪聲誘發(fā)的聽(tīng)力損失?，F(xiàn)在，許多聽(tīng)力設(shè)備可以達(dá)到一個(gè)很高的聲壓級(jí)水平（約 120 dB 聲壓級(jí)），并且據(jù)美國(guó)整骨療法協(xié)會(huì)稱，這種范圍的聲壓級(jí)在短短 15 分鐘內(nèi)就會(huì)對(duì)人體聽(tīng)力造成損害。

人類內(nèi)耳的解剖結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)自 BruceBlaus，Blausen.com 員工（2014）?！?2014 年布勞森醫(yī)學(xué)博物館”。維基醫(yī)學(xué)雜志1（2）。DOI：10.15347 / wjm / 2014.010。ISSN 2002-4436 —自己的工作。通過(guò)Wikimedia Commons在CC BY 3.0下獲得許可。

幸運(yùn)的是，聲學(xué)工程師和耳機(jī)、助聽(tīng)器等聲音設(shè)備設(shè)計(jì)師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了更安全的聆聽(tīng)方法。例如，降噪耳機(jī)就是一個(gè)很好的選擇。降噪耳機(jī)可以消除周圍的噪音，這樣聽(tīng)者就不需要為了聽(tīng)音樂(lè)或廣播而提高音量，而且有些耳機(jī)還具有自定義最大音量的功能。同時(shí)，音質(zhì)也同樣重要。如果我們想要收聽(tīng)音樂(lè)上的一些細(xì)節(jié)，高音質(zhì)的聲音可以使我們不必提高音量就能獲得。

然而，設(shè)計(jì)更安全的耳機(jī)也極具挑戰(zhàn)性。由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和耳機(jī)揚(yáng)聲器與耳朵的距離，工程師無(wú)法像普通揚(yáng)聲器那樣分析和測(cè)試其效果。為了對(duì)耳機(jī)進(jìn)行測(cè)試，工程師們使用了人造耳。為了測(cè)試新的設(shè)計(jì)并減少原型數(shù)量，工程師們通過(guò)仿真來(lái)測(cè)試人耳聲學(xué)設(shè)備的性能。就像頭部和軀干模擬器一樣，您可以使用多物理場(chǎng)仿真來(lái)評(píng)估人耳上聲學(xué)設(shè)備的真實(shí)屬性。

使用 COMSOL Multiphysics? 對(duì)耳機(jī)進(jìn)行建模

為了準(zhǔn)確測(cè)試耳機(jī)的使用情況，該模型使用了一個(gè)用耳罩式耳機(jī)的人工耳。

首先，讓我們關(guān)注耳朵（模型）部分的幾何建模。耳廓（耳朵的外部可見(jiàn)部分）取自真實(shí)的人耳 3D 掃描，耳道（中耳的一部分）像一個(gè)完美的圓柱體，耳膜（通向內(nèi)耳）在耳道的末端。特別地，耳膜的阻抗對(duì)于此仿真尤其重要。

聲域代表三個(gè)區(qū)域：

1. 壓力室（藍(lán)色）
2. 外部網(wǎng)域（淺藍(lán)色）

3. 完美匹配層（深藍(lán)色）

揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)集總等效元件（使用?“電路”?接口）添加，以便在振膜上（黃線）施加速度。這會(huì)導(dǎo)致穿過(guò)膜片的壓降，隨后該壓降耦合回電路。穿孔板（綠線）連接聲域的不同腔室。

對(duì)于耳機(jī)組件，外殼（灰色）是剛性的，但如果需要，也可以將其建模為彈性結(jié)構(gòu)。通過(guò)?多孔彈性波?接口，可以對(duì)泡沫（紅色）進(jìn)行建模，該泡沫固定在皮膚和耳機(jī)外殼的邊界上。由于其復(fù)雜性，沒(méi)有在此模型中考慮泡沫的可壓縮性，但是該模型可以讓您很好地了解到在現(xiàn)實(shí)中耳機(jī)是如何運(yùn)作的。

耳機(jī)在耳朵上的模型設(shè)置示意圖。

正如您所看到的，設(shè)置非常復(fù)雜，因此我們建議采用集總的方法對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行建模。許多聲學(xué)工程師熟悉驅(qū)動(dòng)器的集總表示法——您可能已經(jīng)在案例庫(kù)中看到了“?集總揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器”模型，該模型使用許多相同的參數(shù)來(lái)對(duì)耳機(jī)和耳塞揚(yáng)聲器的低頻性能進(jìn)行建模。（有關(guān)設(shè)置此耳掛式耳機(jī)模型的確切參數(shù)和條件，請(qǐng)參閱教程文檔。）

當(dāng)然，我們也可以對(duì)換能器及其在耳機(jī)中的相互作用進(jìn)行詳細(xì)的建模，對(duì)電磁場(chǎng)和振動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合。例如，換能器模型可以基于“?揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器-頻域分析”模型，或者基于低功率揚(yáng)聲器的微型換能器示例 OW 揚(yáng)聲器：仿真和與測(cè)量的相關(guān)性仿真與測(cè)量的關(guān)聯(lián)。

最后，具有耳朵和鼓膜的真實(shí)人體皮膚阻抗條件邊界如下圖所示。

具有皮膚阻抗的聲域邊界。

評(píng)估仿真結(jié)果

在建立并求解了模型之后，換能器仿真的第一個(gè)結(jié)果通常是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。在這種情況下，耳膜處的聲壓級(jí)（SPL）這個(gè)響應(yīng)被繪制于下圖（藍(lán)色曲線），同時(shí)耳機(jī)外 2 cm 處測(cè)得的聲壓級(jí)（綠色曲線）也在圖中有所展示。

您通常想要實(shí)現(xiàn)的是與自由場(chǎng)聆聽(tīng)體驗(yàn)相匹配的耳膜響應(yīng)，因?yàn)檫@將被視為一種自然的聲音體驗(yàn)。在這個(gè)模型中，我們僅考慮系統(tǒng)的線性（小信號(hào)）響應(yīng)。耳膜上的聲壓級(jí)曲線不是平順的，這不是必需的，因?yàn)槎涞淖杂蓤?chǎng)響應(yīng)不是平順的響應(yīng)。

請(qǐng)記住，耳機(jī)模型的幾何形狀和參數(shù)是發(fā)明設(shè)計(jì)的，而不是工程設(shè)計(jì)的。該模型的目的是展示如何執(zhí)行分析。

響應(yīng)會(huì)受到500 Hz以上的不同諧振的影響，而且看起來(lái)系統(tǒng)對(duì)外界非常開(kāi)放，這導(dǎo)致了低于500 Hz的滾降。如果你仔細(xì)觀察模型，會(huì)發(fā)現(xiàn)主要泄漏的是泡沫（您可以通過(guò)更改泡沫的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試），而不是模型中的穿孔板/網(wǎng)孔。藍(lán)色和綠色曲線之間的差異表明了耳機(jī)的隔音效果有多好。

在耳膜（藍(lán)色曲線）和耳機(jī)外2 cm處（綠色曲線）測(cè)得的系統(tǒng)響應(yīng)。使用仿真的好處之一是可以將聲場(chǎng)可視化。在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行測(cè)試是困難的，識(shí)別共振就是其中一大難點(diǎn)。下圖顯示了 5000 Hz 時(shí)的聲壓級(jí)分布。無(wú)論是揚(yáng)聲器后面的音量，還是耳機(jī)和皮膚之間的音量，都能清楚地看到共振（聲壓級(jí)較低的區(qū)域）。5000 Hz時(shí)折舊截面上的聲壓級(jí)。

您還可以對(duì)新設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬建模研究。例如，通過(guò)更改耳機(jī)的孔隙率和穿孔網(wǎng)格的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。您可以添加一些多孔材料來(lái)控制共振。通過(guò)模擬，您還可以在泡沫和皮膚之間引入泄漏，并研究它們對(duì)響應(yīng)的影響。你也可以將耳朵周圍和皮膚上不同頻率的聲壓級(jí)可視化(下圖)。從這些結(jié)果中，你可以研究泡沫的效果，泡沫的阻尼特性有助保護(hù)耳朵免受外界噪音的影響。下面，您可以清楚地看到泡沫在最低頻率下的效果，泡沫具有更好的阻尼特性。

皮膚上的聲壓級(jí)分布和泡沫在不同頻率下的位移。

通過(guò)仿真，設(shè)計(jì)人員可以準(zhǔn)確地測(cè)量耳機(jī)揚(yáng)聲器在聽(tīng)者耳朵附近的靈敏度，從而幫助他們優(yōu)化收聽(tīng)體驗(yàn)，同時(shí)最大程度地降低聽(tīng)力健康風(fēng)險(xiǎn)。

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