分析头部和躯干模拟器的声学

助听器，手机和耳机需要优质的声音生产以优化用户的体验。为了评估设计的性能，音频工程师用头部和躯干模拟器（帽子）创建原型，这是一种模仿成人人的听力环境的手感。对于更具成本效益的方法，一种选择是通过COMSOL®软件模拟此设置，以执行虚拟声学测量。

测量人耳的声学设备的性能

在开发诸如助听器和耳机之类的产品乐动体育app无法登录时，一个重要的因素是测试人类感知的音质。但是，使用主观经验来收集双耳分析的测量值混响等挑战，因为人与声音的互动非常复杂。为了衡量各种声学产品的整体声音质量，音频工程师使用帽子实际重现人类的声学行为。乐动体育app无法登录

帽子是带有内置耳朵和嘴巴模拟器的制造的手持蛋白，可提供普通的成年人头和躯干的逼真的声学特性，以测试产品以改进和其他功能。乐动体育app无法登录这些Manikins旨在执行原位以标准化方式进行精确3D测试的电声测量。为了执行重复测试并获得更快的结果，工程师可以将此设计环境与数值模拟相结合。

使用ComsolMultiphysics®软件和附加组件声学模块，您可以使用边界元素方法（BEM）直接在软件中的头部和躯干模拟器构建数学模型。借助模块中包含的功能，可以为声学应用程序创建虚拟原型，这些原型不仅具有成本效益，而且还提供了更及时的双耳分析的详细信息和验证。

3D帽模拟的示例，用于不同频率的SPL。频率越高，可视化的取消率就越多。

用边界元素方法对头和躯干模拟器进行建模

在这个帽子的示例中，大多数模型几何形状都是通用的，而只有耳朵是基于实际人类的3D扫描。两个麦克风位于耳道的入口。这种通用的几何形状代表整个上身，并包含人类的所有声学方面，例如听觉运河和口腔腔。

该模型使用BEM和压力声学，边界元素界面以分析通用帽子的半空间外部的声场，就好像它站在桌子上一样。与有限元方法（FEM）相比，使用声学和解决此类外部问题的求解并求解诸如此类的外部问题时，它仅在模型区域的边界上使用网格元素。因为此模型使用BEM，所以有一个无限空隙使用的代表围绕Manikin的单个无限区域。为了建模散射问题，背景压力场功能用于模拟飞机波向Manikin传播的平面波。

此示例也使用两个生理阻抗边界条件与没有pinna的人耳选项，如下图所示，以表示左耳和右耳道入口。生理模型包含人耳和人皮的实验验证模型，通常在声学应用中很重要。阻抗边界条件是像这样的局部反应表面的良好近似值，在任何点上，正常速度仅取决于精确点的压力。

示例生理阻抗边界条件与没有pinna的人耳选项，代表模型中的耳道入口。

您可以使用此模型分析三个不同的频域研究：

• 事件波分析
• 与头部相关的转移功能（HRTF）
• 口耳传递功能

事件波分析用于模拟飞机波（在给定方向上传播）的散射，并且可以评估总的声音压力水平（SPL）。HRTF测量了来自不同区域的声音如何到达耳朵 - 显示了从源到耳膜的声波的衍射和反射特性。口耳向转移函数是与头部相关的转移函数的更特定类型。这项研究是通过在口腔处施加速度来计算耳道入口和耳鼓的SPL来进行的，其中输入和输出之间的差异定义了传递函数。

评估频率响应

事件波分析

从入射波分析结果中，我们可以查看朝向Manikin传播的背景压力场的总SPL（在下面的图中）。波浪正直接向Manikin的前部传播。该图表明，随着施加的压力，在Manikin的前面发生了SPL堆积（这是经典的压力加倍）。如果您想在Manikin上测试一双耳机，那么灵敏度和SPL结果可以显示耳机与外部激发和噪音的隔离程度。不过，请警告说，在80 dB处或以上的噪声连续暴露会导致听力损害，因此在测试一对耳机时，执行此类分析对于找到适当的功率水平很重要。

入射波分析的总声压水平。

在下图中可以看到离轴入射波的散射声压力场。平面波的入射角可以在模型中修改。

入射波分析的散射声压场。

HRTF

下面的极地图，用辐射模式图生成，显示了帽子手基金右耳的水平平面HRTF。结果表明，在较高的频率下，出现了更复杂的模式。随着频率的增加和波长的降低，HRTF中的取消模式和缺口出现。使用互惠原理计算HRTF，该原理使我们能够在压力声学中互换源和接收器。

源位于耳道入口处，并在Manikin之外测量响应。通过这种方式，我们可以获得单个模拟（以给定频率）的完整空间HRTF。下面的SPL和压力图显示了位于耳道入口处的源的声场。该技术不用于实际测量中，其中源位于头部外部，并用探针麦克风在耳管入口处测量SPL。这是因为模仿测量方法在计算上是昂贵的，因为每个频率和每个方向都需要进行一个模拟。

HRTF的1米半径为125 Hz，250 Hz，500 Hz，1000 Hz，2000 Hz，4000 Hz和8000 Hz。

声压水平（左）和总声压力场（右）用于放置在耳道入口处的源。

口耳传递功能

在下图中描绘了口耳到嘴向耳的传递功能（此处仅使用了粗频率分辨率）。口对耳的传递函数（在某种程度上）表示麦克风在耳道入口附近放置并拾取语音信号的系统。嘴对毛线代表从口腔到听觉系统的完整路径。从结果来看，我们可以分析频率响应，并看到嘴向倾斜的入口转移函数的幅度小于口腔到毛门的幅度。两个传输函数之间的差异出现在高频范围内，约为2000-3000 Hz，这是耳道四分之一波共振的典型位置。

口耳 - 纳尔 - 输入转移函数（蓝色）和嘴向耳朵转移函数（绿色）。

从下面的声压动画中，您可以查看从速度从嘴到耳朵传播的声压波如何传播。

从嘴到耳朵传播的声音波的动画。

通过在Comsol多物理学中使用BEM功能，在测试设计性能时，您可以实现现实的声学测量。这种方法在计算上的贵关系较不昂贵，因此可以更快，更有效地进行声学建模模拟。

下一步

尝试通过单击下面的按钮来分析头部和躯干模拟器的声音。