你有沒有註意到當你戴著耳機或耳塞式耳機說話時，你自己的聲音聽起來有什麽不同？這種現象被稱為閉塞效應，它會影響助聽器的效能和舒適度，進而影響聽障人士對助聽器的接受程度。今天讓我們看看如何使用 COMSOL Multiphysics 軟件幫助研究人員最大程度的減小這種影響，從而設計出更好的助聽器和耳塞式耳機。
什麽是閉塞效應？
當一個人的耳道外部被堵塞時，會導致這個人聽到一種類似回聲的聲音，這種聲音被稱為閉塞效應。與開放式耳道相比，這種現象會導致來自外耳道的低頻骨導聲音增加，可以使聲壓提高 20dB 或更多。這些問題使得閉塞效應成為最佳化助聽器和耳塞喇叭設計時需要考慮的重要因素。特別是在助聽器設計中，經常會采用所謂的「開放式解決方案」。在這些設定中，耳模(助聽器插入耳朵的部份)向周圍環境部份開放。在大多數助聽器設定中，使用通風道或簡單的通風孔。
助聽器使用者經常體驗到 反饋 ，這些器材發出的高頻音調聲音限制了助聽器的最大增益，也限制了它們的樣式。反饋也可以限制助聽器通風口的大小，這一點很重要，因為通風不良的耳道會導致健康問題。
對於工程師來說，重要的是能夠精確地模擬這些現象，以便分析和最佳化助聽器和耳塞設計的效能，同時最大程度地提高舒適度。為此，更為關鍵的是對耳道和閉塞耳道中的聲音相互作用進行建模。
在 COMSOL Multiphysics® 中模擬耳道
在 COMSOL Multiphysics® 中，有多種方法可以解決上述問題。在第一個範例中，我們研究了人耳道的聲學特性。
耳道的幾何形狀示源自文獻報道的受試者的測量結果。軟件中內建的模擬 人體耳膜 和 皮膚的 生理阻抗模型用於解釋耳道邊界的阻抗。此外，為了包括熱黏性邊界層損失的影響，建立了所謂的邊界層阻抗(BLI)模型(從文字檔案載入預定變量)。熱黏性損失的影響很小，因為幾何形狀相對較大，但它們不可忽略。
結果顯示了輸入阻抗和傳輸阻抗，以及從入口到耳膜的等值面分布。下圖顯示了 20kHz 的壓力等值面。右側顯示了數值變換曲線(耳道入口處的壓力相對於耳膜處的壓力)。在3 kHz左右的第一個1/4波長耳道共振清晰可見。
為了進一步分析耳塞設定中不必要的泄漏或有目的的開放的解決方案的影響，可以使用一個概念模型來分析泄漏對放置在類似耳道幾何形狀中的耳塞喇叭的聲學響應的影響 (見下圖)。不同的內建阻抗模型用於捕捉以下因素的影響:
在這種情況下，模型包含一個小間隙，代表向外部泄漏。引入泄漏變化的影響是為了分析設計對泄漏程度的敏感度，並預測所謂的低頻衰減。當引入一個小開口或通風口時，低頻滾降被視為封閉區域內壓力水平的典型下降(在低頻時)。
右上圖顯示了耳膜處的聲壓級。隨著泄漏量的增加，低頻衰減明顯可見。相反的，在關閉或部份關閉耳機時提高聲壓，耳塞式耳機可以幫助獲得更好的低音體驗。在這裏，COMSOL Multiphysics 已經被用來:
對閉塞耳道模擬器進行分析
耳道模擬器或耦合器可用於模擬標準人耳道的聲學特性。耦合器被廣泛套用於助聽器開發，用來測試和測量新設計的效能，並在各種聲學模型上表示耳道，用於3D錄音或測試耳機和耳塞(詳細可以檢視戴在仿真人耳上的耳機教程模型)。
這裏討論的模型是一個閉塞式耳道模擬器的範例(類似於通用 711 耦合器).所用的幾何形狀類似於 Brüel & Kjær 4157 耳模擬器。
由於人的耳膜具有重要的聲學特性，耦合器必須考慮耳膜處的聲能損失和圓柱體的聲學，如耳道的體積。並且使用聲學系統模擬復雜耳膜的機械損失，包括側體積和狹縫也是很有必要的。
在耦合器中，損耗主要是由於狹縫中的高熱阻尼和黏性阻尼所致。由於狹縫中的熱損失和黏性損失很重要，因此，在 COMSOL Multiphysics 中使用了兩種不同的方法建立了有限元模型，進行比較:
- 使用熱黏性聲學，頻域 介面的模型
- 使用壓力聲學，頻域 介面和狹窄區域聲學 特征(考慮狹縫中的損耗)的模型
由於人類耳道存在巨大差異，需要對這些模擬器進行最佳化以匹配特定的響應。這個模型展示了這種最佳化是如何自動執行的。耳道模擬器通常在頻率範圍進行調諧，因為僅用一個耦合器不可能匹配整個頻率範圍的阻抗。
該模型在以下頻率範圍內最佳化響應:
這裏，目標輸入阻抗表示特定耳朵(上述耳道模型)的聲學響應，但它也可以基於測量值或標準規定的響應。
後續步驟
如果你對研究人類耳道感興趣，請點選下列連結，下載文中介紹的案例模型自己動手嘗試模擬:
