分析耳朵上耳机的音压水平

2019年12月19日

使用耳机聆听已成为日常生活的一部分，因此，重要的是要考虑一下耳机的基础知识：声音质量，可靠性和安全性。这可能比听起来要难 - 与扬声器不同，由于扬声器与耳朵的接近，因此无法使用自由场设置来测量耳机的灵敏度。为此，声学工程师可以转向ComsolMultiphysics®软件。188金宝搏优惠

设计更安全的耳机，以改善听力体验

在一个比以往任何时候都更便携的嘈杂世界中，到处都是耳机。听众不喜欢耳朵上的有线套件还是无线耳朵芽，聆听体验都应该舒适；可靠的;当然，安全。但是随着耳机使用的增加，永久性听力损失的潜力也随之增加。这是因为耳机与耳朵的紧密距离以及内耳的敏感性。

响亮的声音会损害敏感的内耳 - 即，耳蜗的毛细胞允许将电信号传输到大脑。当丢失时，这些毛细胞无法恢复，从而导致永久性听力损失。由于耳机非常靠近我们的耳朵，因此不必那么大声就会造成损坏。超过85 dB SPL的任何噪声都被认为是有害的，但这只是问题的一部分：在较低水平上长时间的噪声暴露也可能是危险的，并且可能导致永久性噪声引起的听力损失。许多设备可以上升到更高的水平，大约120 dB SPL，并且根据美国骨病协会，这种范围可能会在短短15分钟内损害听力。

图形显示人内耳的解剖结构。
人内耳的解剖学。Bruceblaus的图片，Blausen.com员工（2014年）。“ Blausen Medical 2014的医学画廊”。Wikijournal of Medicine 1（2）。doi：10.15347/wjm/2014.010。ISSN 2002-4436 - 自己的工作。获得许可CC由3.0，通过Wikimedia Commons。

幸运的是，耳机，助听器和其他声音设备的声学工程师和设计师已经开发了更安全的听力方法。例如，噪音遇到的耳机淹没了周围的噪音，因此用户不必为了听到音乐或播客而摇动音量，而某些耳机则包含诸如设置自定义最大音量的功能。声音质量的概念同样重要。高质量的声音再现通常会限制用户调高音量以获取正在播放的音乐的所有细节的需求。

但是，设计更安全的耳机并非没有挑战：由于人体解剖结构的复杂性以及耳机扬声器与耳朵的接近性，工程师无法像典型的扬声器那样分析和测试其效果。为了进行测试，工程师转向使用标准化的人造耳朵。为了测试新的设计和概念并减少原型的数量，转向模拟以测量人耳的声学设备的性能是有帮助的。很像头和躯干模拟器，您可以使用多物理模型来评估人耳朵上声学设备的现实性能。

用comsolMultiphysics®在人造人耳上建模耳机188金宝搏优惠

为了准确表示测量设置的使用条件，该模型使用了与圆周耳机相连的人造耳朵。

首先，让我们专注于模型几何形状的耳朵部分。PINNA（耳朵的外部，可见部分）取自实际人耳的3D扫描，耳道（中耳的一部分）形状为完美的圆柱体，带有耳膜（通往内部耳朵）在运河的尽头。耳膜的阻抗对于该模拟很重要。

声学域代表三个区域：

压力室（蓝色）
外部域（浅蓝色）
完美匹配的层（深蓝色）

扬声器驱动程序被添加为一个相当的等效物（使用电路接口），以便在隔膜上执行速度（黄线）。这会导致隔膜上的压降，然后将压降耦合回电路。穿孔的板（绿线）连接了声学域的不同腔室。

对于耳机组件，出于我们的目的，外壳（灰色）是刚性的，但是如果需要，它也可以将其建模为弹性结构。这孔隙弹性波界面使得对泡沫（红色）进行建模，该泡沫（红色）固定在附着在皮肤和耳机外壳上的边界上。由于其复杂性，在此模型中不考虑泡沫的压缩，但是该模型使您可以很好地了解这种设置如何在现实生活中起作用。

耳机设置上的耳机的彩色和标记的示意图。
耳机设置上的耳机示意图。

如您所见，设置相当复杂，因此我们建议采用集团方法对驾驶员进行建模。许多声学工程师都熟悉驾驶员的总体表示 - 您可能已经看到了集结扬声器驱动器模型在应用程序库中可用，该应用程序使用了许多相同的参数，这些参数表征了扬声器的低频性能，用于此处的耳机和耳朵。（有关设置此耳机模型的确切参数和条件，请参见教程文档。）

当然，也可以详细地在耳机中对传感器及其相互作用进行建模，将电磁场耦合和振动结构进行建模。例如，传感器模型可以基于扬声器驱动器 - 频域分析模型或用于微型传感器示例OW Microspeaker：与测量模型的模拟和相关性。

最后，下面显示了耳朵和耳膜的逼真的人类皮肤阻抗条件的边界。

具有皮肤阻抗的声学结构域的边界。

评估模拟结果

设置和求解模型后，查看换能器仿真的第一个结果通常是系统的频率响应。在这种情况下，耳塞处的声压水平（SPL）。此响应在下图（蓝色曲线）中绘制在耳机外（绿色曲线）外2厘米的SPL。

您通常想要实现的是在耳膜上与自由场聆听体验相匹配的响应，因为这将被视为自然的声音体验。在此模型中，我们仅考虑系统的线性（小信号）响应。耳膜曲线的SPL不是平坦的，这不是必需的，因为耳朵的自由场响应不是平坦的响应。

请记住，耳机型号的几何形状和参数是发明而不是设计的。该模型的目的是展示如何执行分析。

响应受到500 Hz以上的不同共振的影响，看起来该系统对外部非常开放，这导致滚动下降到500 Hz以下。如果您查看模型，事实证明，主要泄漏是泡沫（您可以通过更改泡沫的属性来测试），而不是模型中的穿孔板/网格。蓝色曲线和绿色曲线之间的差异表明耳机的隔音性如何。

一个图表显示了在耳膜上测量的系统响应，耳机外面的2厘米。
在耳塞（蓝色曲线）和耳机外2厘米（绿色曲线）的系统响应。

使用模拟的一个优点是您可以可视化声场。查看系统内部可能困难的系统内；例如，确定共鸣。下图显示了5000 Hz的SPL分布。在扬声器后面的音量以及耳机和皮肤之间的体积中，都可以清楚地看到共振（声压水平低的区域）。

一个图形，显示耳机和皮肤的分布声音水平的横截面。
SPL分布折旧截面为5000 Hz。

您还可以通过更改耳机中穿孔网格的孔隙率和设计来实际上测试新设计。您可能还需要添加多孔材料的补丁以控制共振。使用仿真，您还可以引入泡沫和皮肤之间的泄漏，并研究它们对反应的影响。您还可以以不同的频率（下图）可视化耳朵上和耳朵周围的皮肤上的SPL。从这些结果中，您可以研究泡沫的效果，该泡沫具有阻尼特性，有助于保护耳朵免受外部噪声的影响。在下面，您可以清楚地看到泡沫在最低频率下的效果，其中泡沫具有更好的阻尼特性。