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优化耳机设计实现自由聆听体验

2019年 12月 19日

戴着耳机听音乐已经成为了大家日常生活的一部分。工程师在设计耳机时必须保证耳机以下几个方面的质量：音质、可靠性和安全性，不过这可能极具挑战性。与普通扬声器不同，耳机的扬声器非常靠近耳朵，因此无法使用自由场设置来测试耳机的灵敏度。为了解决这个问题，声学工程师可以通过 COMSOL Multiphysics® 软件来进行研究。

设计更安全的耳机，改善聆听体验

在嘈杂的世界中，便携式设备的使用比以往任何时候都要多得多，耳机的使用更是无处不在。不管大家是喜欢戴有线耳机还是无线耳塞，都希望能有一个可靠、安全，并能带给人以愉悦享受的耳机聆听体验。但随着大家对耳机使用过于频繁，永久性丧失听力的可能性也在急剧增加。这是因为耳机与耳朵之间距离非常近，同时内耳具有很高的敏感性。

大声的噪音会对敏感的内耳（具体说，是对内耳的毛细胞）造成损伤，内耳的毛细胞负责向大脑传递电信号。一旦这些毛细胞丢失后，就无法重新生长，从而导致永久性听力损失。由于耳机离我们的耳朵非常近，因此不必太大声就会造成损坏。通常，超过85 dB 声压级的噪声都被认为对人体是有害的。同样的，长时间倾听低分贝的声音对人体也是危险的，并且可能导致永久性噪声诱发的听力损失。现在，许多听力设备可以达到一个很高的声压级水平（约 120 dB 声压级），并且据美国整骨疗法协会称，这种范围的声压级在短短15分钟内就会对人体听力造成损害。

A graphic showing the anatomy of a human internal ear.
人类内耳的解剖结构。图片来自 BruceBlaus，Blausen.com员工（2014）。“ 2014年布劳森医学博物馆”。维基医学杂志1（2）。DOI：10.15347 / wjm / 2014.010。ISSN 2002-4436 —自己的工作。通过Wikimedia Commons在CC BY 3.0下获得许可。

幸运的是，声学工程师和耳机、助听器等声音设备设计师已经开发出了更安全的聆听方法。例如，降噪耳机就是一个很好的选择。降噪耳机可以消除周围的噪音，这样听者就不需要为了听音乐或广播而提高音量，而且有些耳机还具有自定义最大音量的功能。同时，音质也同样重要。如果我们想要收听音乐上的一些细节，高音质的声音可以使我们不必提高音量就能获得。

然而，设计更安全的耳机也极具挑战性。由于人体结构的复杂性和耳机扬声器与耳朵的距离，工程师无法像普通扬声器那样分析和测试其效果。为了对耳机进行测试，工程师们使用了人造耳。为了测试新的设计并减少原型数量，工程师们通过仿真来测试人耳声学设备的性能。就像头部和躯干模拟器一样，您可以使用多物理场仿真来评估人耳上声学设备的真实属性。

使用COMSOL Multiphysics® 对耳机进行建模

为了准确测试耳机的使用情况，该模型使用了一个用耳罩式耳机的人工耳。

首先，让我们关注耳朵（模型）部分的几何建模。耳廓（耳朵的外部可见部分）取自真实的人耳 3D 扫描，耳道（中耳的一部分）像一个完美的圆柱体，耳膜（通向内耳）在耳道的末端。特别地，耳膜的阻抗对于此仿真尤其重要。

声域代表三个区域：

压力室（蓝色）
外部网域（浅蓝色）
完美匹配层（深蓝色）

扬声器驱动器作为一个集总等效元件（使用“电路”接口）添加，以便在振膜上（黄线）施加速度。这会导致穿过膜片的压降，随后该压降耦合回电路。穿孔板（绿线）连接声域的不同腔室。

对于耳机组件，外壳（灰色）是刚性的，但如果需要，也可以将其建模为弹性结构。通过多孔弹性波接口，可以对泡沫（红色）进行建模，该泡沫固定在皮肤和耳机外壳的边界上。由于其复杂性，没有在此模型中考虑泡沫的可压缩性，但是该模型可以让您很好地了解到在现实中耳机是如何运作的。

耳机模型设置上的彩色和带标签的耳机示意图。
耳机在耳朵上的模型设置示意图。

正如您所看到的，设置非常复杂，因此我们建议采用集总的方法对驱动程序进行建模。许多声学工程师熟悉驱动器的集总表示法——您可能已经在案例库中看到了“集总扬声器驱动器”模型，该模型使用许多相同的参数来对耳机和耳塞扬声器的低频性能进行建模。（有关设置此耳挂式耳机模型的确切参数和条件，请参阅教程文档。）

当然，我们也可以对换能器及其在耳机中的相互作用进行详细的建模，对电磁场和振动结构进行耦合。例如，换能器模型可以基于“扬声器驱动器-频域分析”模型，或者基于低功率扬声器的微型换能器示例OW 扬声器：仿真和与测量的相关性仿真与测量的关联。

最后，具有耳朵和鼓膜的真实人体皮肤阻抗条件边界如下图所示。

具有皮肤阻抗的声域边界。

评估仿真结果

在建立并求解了模型之后，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，耳膜处的声压级（SPL）这个响应被绘制于下图（蓝色曲线），同时耳机外 2cm 处测得的声压级（绿色曲线）也在图中有所展示。

您通常想要实现的是与自由场聆听体验相匹配的耳膜响应，因为这将被视为一种自然的声音体验。在这个模型中，我们仅考虑系统的线性（小信号）响应。耳膜上的声压级曲线不是平顺的，这不是必需的，因为耳朵的自由场响应不是平顺的响应。

请记住，耳机模型的几何形状和参数是发明设计的，而不是工程设计的。该模型的目的是展示如何执行分析。

响应会受到 500Hz 以上的不同谐振的影响，而且看起来系统对外界非常开放，这导致了低于 500Hz 的滚降。如果你仔细观察模型，会发现主要泄漏的是泡沫（您可以通过更改泡沫的性质进行测试），而不是模型中的穿孔板/网孔。蓝色和绿色曲线之间的差异表明了耳机的隔音效果有多好。

该图显示了在耳膜和耳机外2 cm处测得的系统响应。
在耳膜（蓝色曲线）和耳机外 2cm 处（绿色曲线）测得的系统响应。

使用仿真的好处之一是可以将声场可视化。在系统内部进行测试是困难的，识别共振就是其中一大难点。下图显示了5000 Hz时的声压级分布。无论是扬声器后面的音量，还是耳机和皮肤之间的音量，都能清楚地看到共振（声压级较低的区域）。

该图显示了耳机和皮肤的分布声压级的横截面。
5000 Hz时折旧截面上的声压级。

您还可以对新设计进行虚拟建模研究。例如，通过更改耳机的孔隙率和穿孔网格的设计来进行测试。您可以添加一些多孔材料来控制共振。通过模拟，您还可以在泡沫和皮肤之间引入泄漏，并研究它们对响应的影响。你也可以将耳朵周围和皮肤上不同频率的声压级可视化(下图)。从这些结果中，你可以研究泡沫的效果，泡沫的阻尼特性有助保护耳朵免受外界噪音的影响。下面，您可以清楚地看到泡沫在最低频率下的效果，泡沫具有更好的阻尼特性。