شبیه سازی آکوستیک کانال گوش ، مدل سازی آکوستیک کانال گوش برای بهینه سازی هندزفری صوتی داخل گوش آیا تا به حال متوجه شده اید که صدای شما هنگام صحبت کردن در حالی که هدفون یا هدفون استفاده می کنید، متفاوت به نظر می رسد؟ این پدیده که به اثر انسداد معروف است، بر عملکرد و راحتی ارائه شده توسط سمعک و به نوبه خود بر پذیرش آن توسط افراد کم شنوا نیز تأثیر می گذارد. بیایید ببینیم که چگونه نرم افزار COMSOL Multiphysics می تواند به محققان در به حداقل رساندن این تأثیر برای طراحی سمعک و هدفون بهتر کمک کند.
اثر انسداد چیست؟
هنگامی که قسمت خارجی مجرای گوش فرد مسدود می شود، منجر به شنیدن صدایی شبیه اکو از صدای خود می شود که به عنوان اثر انسداد شناخته می شود. این پدیده باعث افزایش صدای رسانای استخوانی با فرکانس پایین از مسیر گوش خارجی می شود و حتی می تواند فشار صدا را تا 20 دسی بل یا بیشتر در مقایسه با کانال گوش باز افزایش دهد. این مسائل باعث می‌شود که هنگام بهینه‌سازی طراحی سمعک و بلندگوهای هدفون، اثر انسداد عامل مهمی در نظر گرفته شود. به ویژه در سمعک، به اصطلاح “راه حل های باز” اغلب اجرا می شود. اینها تنظیماتی هستند که در آن قالب گوش (بخشی از سمعک که در گوش قرار می گیرد) تا حدی به اطراف باز می شود. در اکثر دستگاه‌های سمعک، از یک کانال تهویه یا به سادگی یک دریچه استفاده می‌شود.
کاربران سمعک اغلب بازخورد را تجربه می‌کنند، صدایی با فرکانس بالا که توسط این دستگاه‌ها منتشر می‌شود که حداکثر بهره سمعک را محدود می‌کند و سبک‌های احتمالی آن‌ها را محدود می‌کند. بازخورد همچنین می تواند اندازه دریچه سمعک را محدود کند، که باید در نظر گرفته شود زیرا کانال های گوش تهویه ضعیف می تواند باعث مشکلات سلامتی شود.
برای مهندسان مهم است که بتوانند شبیه سازی آکوستیک کانال گوش را بهترانچام دهند تا عملکرد طراحی سمعک و هدفون قابل تجزیه و تحلیل و بهینه سازی باشد و در عین حال راحتی را به حداکثر برساند. برای این کار، مدل‌سازی کانال گوش و فعل و انفعالات صوتی در یک کانال مسدود شده حیاتی‌تر می‌شود.
مدل سازی یک کانال گوش
راه های مختلفی وجود دارد که در COMSOL Multiphysics می توان به مسائل فوق الذکر پرداخت. در مثال اول، آکوستیک کانال گوش انسان را بررسی می کنیم.
هندسه کانال گوش از اندازه گیری افراد مورد آزمایش همانطور که در ادبیات گزارش شده است، به دست می آید. مدل‌های امپدانس فیزیولوژیکی داخلی برای پرده گوش انسان و پوست برای محاسبه امپدانس مرزهای کانال گوش استفاده می‌شوند. علاوه بر این، برای گنجاندن اثرات تلفات لایه مرزی ترموویسکوز، مدل به اصطلاح امپدانس لایه مرزی (BLI) راه اندازی شده است (متغیرهای از پیش تعریف شده از یک فایل متنی بارگذاری می شوند). اثر تلفات ترموویسکوز اندک است، زیرا هندسه نسبتاً بزرگ است، اما قابل چشم پوشی نیستند.
نتایج امپدانس ورودی و امپدانس انتقال و همچنین تغییر سطح از ورودی به پرده گوش را نشان می دهد. سطوح فشار در 20 کیلوهرتز در تصویر سمت چپ زیر مشاهده می شود. منحنی تبدیل سطح (فشار در ورودی کانال گوش نسبت به فشار پرده گوش) در سمت راست نشان داده شده است. رزونانس یک چهارم طول موج کانال گوش در حدود 3 کیلوهرتز به وضوح دیده می شود.
برای تجزیه و تحلیل بیشتر اثر نشتی های ناخواسته یا راه حل های باز برای هدف در تنظیم هدفون، می توان از یک مدل مفهومی استفاده کرد که تأثیر نشتی را بر پاسخ صوتی یک بلندگوی هدفون قرار داده شده در هندسه ای شبیه کانال گوش تجزیه و تحلیل می کند (نگاه کنید به تصویر سمت چپ زیر). از مدل‌های امپدانس داخلی مختلف برای ثبت اثرات موارد زیر استفاده می‌شود:
مش و صفحه های سوراخ دار
پوست
پرده گوش
در این مورد، مدل دارای یک شکاف کوچک است که نشان دهنده نشتی به بیرون است. تأثیر تغییرات در این نشت برای تحلیل حساسیت طراحی به میزان نشتی و پیش‌بینی به اصطلاح roll-off فرکانس پایین معرفی شده است. رول آف فرکانس پایین به عنوان کاهش معمولی در سطح (در فرکانس های پایین) در یک حجم بسته در هنگام وارد شدن یک دهانه یا دریچه کوچک دیده می شود.
SPL در پرده گوش در تصویر سمت راست بالا نشان داده شده است. رول آف با فرکانس پایین به وضوح برای افزایش اندازه نشت مشاهده می شود. اثر معکوس، یعنی تقویت SPL برای صدای بسته یا نیمه بسته، اغلب در هدفون‌ها به منظور ارائه تجربه صدای باس بهتر مورد نظر است. در اینجا، COMSOL Multiphysics برای موارد زیر استفاده شده است:
پیش‌بینی دقیق پاسخ یک سیستم صوتی پیچیده با استفاده از ویژگی‌های داخلی و مدل‌های امپدانس
تجزیه و تحلیل حساسیت سیستم در برابر تغییرات کوچک در طراحی، با دانستن اینکه کدام فرکانس ها بدون تغییر باقی می مانند و کدام فرکانس بستگی زیادی به پارامترهای مدل دارد.
تجزیه و تحلیل یک شبیه ساز کانال گوش مسدود شده
شبیه سازها یا جفت کننده های کانال گوش را می توان برای شبیه سازی آکوستیک یک کانال گوش استاندارد استفاده کرد. کوپلرها به طور گسترده در ساخت سمعک برای آزمایش و اندازه‌گیری عملکرد طرح‌های جدید استفاده می‌شوند و برای نمایش کانال‌های گوش بر روی انواع آدمک‌های صوتی برای ضبط صدای سه‌بعدی یا آزمایش هدفون‌ها و هدفون‌ها استفاده می‌شوند .
مدل مورد بحث در اینجا نمونه ای از شبیه ساز کانال گوش مسدود شده (شبیه به کوپلر 711 عمومی) است. هندسه استفاده شده مشابه شبیه ساز گوش Brüel & Kjær نوع 4157 است.
از آنجایی که پرده گوش انسان رفتار آکوستیک غیرمعمولی دارد، کوپلر باید هم برای تلفات انرژی صوتی در پرده گوش و هم آکوستیک سیلندر، مانند حجم مجرای گوش، حساب کند. گنجاندن حجم‌های جانبی و شکاف‌ها برای تقلید از تلفات مکانیکی پیچیده پرده گوش با استفاده از یک سیستم صوتی ضروری است.
در کوپلر تلفات عمدتاً به دلیل میرایی حرارتی و چسبناک زیاد در شکاف ها است. از آنجایی که تلفات حرارتی و ویسکوزیته در شکاف ها مهم هستند.
با توجه به تغییرات زیاد در کانال های گوش انسان، این شبیه سازها باید برای مطابقت با یک پاسخ خاص بهینه شوند. این مدل نشان می دهد که چگونه این بهینه سازی خودکار است. شبیه سازهای کانال گوش معمولاً برای محدوده فرکانس تنظیم می شوند، زیرا امکان تطبیق امپدانس برای کل محدوده فرکانس تنها با یک کوپلر وجود ندارد.
این مدل پاسخ را در محدوده فرکانس زیر بهینه می کند:
فرکانس پایین (100 هرتز–1 کیلوهرتز)
فرکانس متوسط (1-7 کیلوهرتز)
فرکانس بالا (7-20 کیلوهرتز)
در اینجا، امپدانس ورودی هدف، پاسخ صوتی یک گوش خاص را نشان می‌دهد (مدل کانال گوش که در بالا مورد بحث قرار گرفت)، اما همچنین می‌تواند بر اساس اندازه‌گیری‌ها یا پاسخ مشخص‌شده توسط یک استاندارد باشد.
