全球约有 7200 万个潜在助听器用户，每一个人都需要能够满足他们个性化需求的助听器设备。耳内测量可以确保这些设备的舒适性和有效性。测量这些设备需要使用麦克风，但其尺寸可能会引起一些问题。例如，设备尺寸可能太大而无法放入测量的声场中。或者，设备尺寸可能比波长大，从而会干扰声场。其中有一种解决方案是在麦克风上连接一根探管来测量……下面，来我们来了解一下如何通过声学仿真优化探管麦克风的设计。
探管麦克风的组成
为了使麦克风与被测声场保持一定距离，通常采取将探管连接到麦克风壳体的办法。安装助听器时，将探管插入耳道中，并将麦克风戴在耳外。这个测量系统可以校准和验证助听器的舒适性和有效性，特别是当助听器将信号放大到患者所需要的程度时。实际上，美国言语-听觉协会和美国听力学学会也表示，耳内测量是验证助听器性能的首选方法。
进行耳内测量的探管麦克风。图片由 Cstokesrees 提供自己的作品。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。
在将探管添加到麦克风时，我们必须考虑这两个组件是如何相互作用的。例如，我们需要了解探头如何影响麦克风的灵敏度，从而影响助听器的测量。本文，我们将通过多物理场仿真找到这些问题的答案。
探管麦克风设计的灵敏度分析
对于这个示例，我们使用了一个瞬态模型，该模型由通用的探管麦克风配置组成。包括：
- 外部声学域
- 探管
- 麦克风振膜前的空腔
其中，探管由弹性材料制成，杨氏模量为 0.1，泊松比为 0.4。下面的示意图中， L 代表管的长度， D0 表示其外径。麦克风前方的腔体是一个半径为 R 和高度为 H 的圆柱体。这个腔连接到一个圆锥体上，圆锥体的底部半径为 R，顶部半径为 D0。一个带有波矢量 k 的外部声场撞击探管。请注意，此正弦波沿 x 轴正方向传播，振幅为 1Pa。
探管麦克风配置。
为了对这种探管麦克风设计进行建模，我们使用了管道声学，瞬态 接口。在我们的分析中，将探管视为一维结构，这是一个有效的假设，只要我们忽略该组件与传入声场之间的相互作用就可以了。对于入射场是单色波的当前设置，我们可以假设在管内没有发生明显的热和黏性边界损失。由于振膜不是完全刚性的结构，因此我们假定阻性损耗与普通电容式麦克风的阻抗一致。由此可以获得一个全耦合的声学模拟，其中由探管连接两个独立的 3D 压力声学域。
分析探管麦克风时，需要考虑的重要参数是探头尖端的压力与膜片压力之间的关系。这是校准测量系统的必要步骤。下方左图显示，在初始瞬态效应之后，解在大约 4ms 后变为周期性。然后，系统获得约 1.4 倍的增益并发生相移。这两个因素取决于所施加信号的频率，这个频率是 500Hz 的纯谐波音。右图描绘了结束时间点 x-z 平面中的压力分布。
左：膜片压力与探头尖端压力的关系。右：x-z 平面中 8ms 处的压力分布。
以上结果表明，使用 COMSOL Multiphysics® 软件分析探管麦克风设计具有潜在优势。通过更好地了解探管和麦克风之间的相互作用，可以进一步改善这些系统的设计，有助于安装助听器和其他应用。
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