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如何定義可以代表普通人耳的實際形狀？
2021-09-03 11:25:03· 來源：BK聲學(xué)與振動
隨著對便攜式設(shè)備（例如手機、電話、耳機和音頻流設(shè)備）具有更好的音頻質(zhì)量的需求不斷增長，顯然，傳統(tǒng)711耦合器的8kHz帶寬并不足夠，因此需要一種新的方法，在
隨著對便攜式設(shè)備（例如手機、電話、耳機和音頻流設(shè)備）具有更好的音頻質(zhì)量的需求不斷增長，顯然，傳統(tǒng)“711”耦合器的8kHz帶寬并不足夠，因此需要一種新的方法，在整個音頻范圍內(nèi)匹配人耳的聲阻抗。
初步研究表明，3.3型耳模擬器的幾何形狀過于簡單，因此無法將人耳的復(fù)數(shù)聲阻抗復(fù)制到20kHz，需要更“擬人”的幾何形狀。
當(dāng)然，問題在于，每個耳朵都不一樣。那么，我們?nèi)绾味x可以代表普通人耳的實際形狀呢？
我們需要確定平均幾何形狀和阻抗，對平均幾何形狀的追求始于40多名志愿者的MRI掃描，他們來自不同年齡、種族和性別。初步的MRI掃描并未得到好的數(shù)據(jù)，因為圖像中的耳道壁不夠清晰。通過在耳道中添加造影劑，這個問題得以解決，這樣就可以得到足夠高質(zhì)量的圖像，以準確表征耳道。通過MRI掃描，他們能夠創(chuàng)建耳道幾何形狀的準確3D畫像，并可以將其轉(zhuǎn)換為實體幾何模型。
盡管志愿者耳道的總體形狀大致相似，他們之間的細節(jié)差異很大。使用圖像配準方法進行幾何平均，用于確定沿耳道長度的平均輪廓，從而得到用作耳道設(shè)計基礎(chǔ)的平均3D模型。此處，我們將幾何平均值與測量的對象之一進行比較。如您所見，平均值保留了各個度量的關(guān)鍵特征，但消除了更多隨機細節(jié)。
該過程的第二步是確定平均聲阻抗。這需要使用專門設(shè)計的阻抗探頭，該探頭需要能在耳道中精確定位。為此，使用從MRI測量中提取的幾何形狀，為每個志愿者模制單獨的耳塞。每個耳塞都設(shè)計為將探頭盡可能地靠近距鼓膜19mm的公共參考平面。阻抗探頭本身是使用兩個傳聲器探頭組件的，一個用于測量響應(yīng)，另一個用于充當(dāng)聲源。測量探頭外殼中的盤管可在探頭尖端提供平滑的頻率響應(yīng)和高聲阻抗。兩個探頭的尖端均與耳模的底部齊平并進行了正確的校準，并且只需一點數(shù)學(xué)運算，就可以測量中耳的阻抗。
盡管盡了最大的努力，但探針尖端從主體到主體的位置并非精確地為19mm，并且探針尖端至DRP（鼓膜參考點）之間的距離變化，導(dǎo)致測量阻抗曲線中的共振峰被模糊。但是，使用傳輸線理論可以計算正確的阻抗，以模擬在19mm公共參考平面上的結(jié)果。所得數(shù)據(jù)提供了一系列阻抗曲線，可以用來獲得平均曲線。為了重現(xiàn)在10kHz以上正確阻抗建模的復(fù)雜性，需要重新設(shè)計帶有¼英寸傳聲器的耦合腔，以匹配人耳鼓膜的大小。
通氣孔的數(shù)量（稱為分支）從2個增加到4個，以調(diào)節(jié)共振峰和相關(guān)的阻尼。
更復(fù)雜的問題是試圖模仿從軟組織到更靠近鼓膜的軟骨狀態(tài)的過渡。通過對各種材料和技術(shù)進行建模和測試，優(yōu)化了過渡過程的平滑度和堅固性。調(diào)整的幾次迭代與目標的平均測得阻抗非常匹配，并且完全在目標頻響的工程公差范圍內(nèi)。
難題的最后一步是調(diào)整開放式耳朵的響應(yīng)并整合到HATS結(jié)構(gòu)中。耳廓的幾何形狀與ITU-P.58中標準化的版本相同，但是為了匹配早期標準的頻率和阻尼，必須稍微增加外耳的深度。
最終我們得到了HATS的全新設(shè)計，它可以準確地測量近場音頻設(shè)備在20kHz范圍內(nèi)的響應(yīng)。幾乎與人類一樣重要的耳道幾何形狀可以更有效地測試正確安裝的入耳式設(shè)備。
5128型高頻頭和軀干模擬器（HATS）于2017年發(fā)布，推動了測試可穿戴音頻設(shè)備的世界標準。
初步研究表明，3.3型耳模擬器的幾何形狀過于簡單，因此無法將人耳的復(fù)數(shù)聲阻抗復(fù)制到20kHz，需要更“擬人”的幾何形狀。
當(dāng)然，問題在于，每個耳朵都不一樣。那么，我們?nèi)绾味x可以代表普通人耳的實際形狀呢？
我們需要確定平均幾何形狀和阻抗，對平均幾何形狀的追求始于40多名志愿者的MRI掃描，他們來自不同年齡、種族和性別。初步的MRI掃描并未得到好的數(shù)據(jù)，因為圖像中的耳道壁不夠清晰。通過在耳道中添加造影劑，這個問題得以解決，這樣就可以得到足夠高質(zhì)量的圖像，以準確表征耳道。通過MRI掃描，他們能夠創(chuàng)建耳道幾何形狀的準確3D畫像，并可以將其轉(zhuǎn)換為實體幾何模型。
盡管志愿者耳道的總體形狀大致相似，他們之間的細節(jié)差異很大。使用圖像配準方法進行幾何平均，用于確定沿耳道長度的平均輪廓，從而得到用作耳道設(shè)計基礎(chǔ)的平均3D模型。此處，我們將幾何平均值與測量的對象之一進行比較。如您所見，平均值保留了各個度量的關(guān)鍵特征，但消除了更多隨機細節(jié)。
該過程的第二步是確定平均聲阻抗。這需要使用專門設(shè)計的阻抗探頭，該探頭需要能在耳道中精確定位。為此，使用從MRI測量中提取的幾何形狀，為每個志愿者模制單獨的耳塞。每個耳塞都設(shè)計為將探頭盡可能地靠近距鼓膜19mm的公共參考平面。阻抗探頭本身是使用兩個傳聲器探頭組件的，一個用于測量響應(yīng)，另一個用于充當(dāng)聲源。測量探頭外殼中的盤管可在探頭尖端提供平滑的頻率響應(yīng)和高聲阻抗。兩個探頭的尖端均與耳模的底部齊平并進行了正確的校準，并且只需一點數(shù)學(xué)運算，就可以測量中耳的阻抗。
盡管盡了最大的努力，但探針尖端從主體到主體的位置并非精確地為19mm，并且探針尖端至DRP（鼓膜參考點）之間的距離變化，導(dǎo)致測量阻抗曲線中的共振峰被模糊。但是，使用傳輸線理論可以計算正確的阻抗，以模擬在19mm公共參考平面上的結(jié)果。所得數(shù)據(jù)提供了一系列阻抗曲線，可以用來獲得平均曲線。為了重現(xiàn)在10kHz以上正確阻抗建模的復(fù)雜性，需要重新設(shè)計帶有¼英寸傳聲器的耦合腔，以匹配人耳鼓膜的大小。
通氣孔的數(shù)量（稱為分支）從2個增加到4個，以調(diào)節(jié)共振峰和相關(guān)的阻尼。
更復(fù)雜的問題是試圖模仿從軟組織到更靠近鼓膜的軟骨狀態(tài)的過渡。通過對各種材料和技術(shù)進行建模和測試，優(yōu)化了過渡過程的平滑度和堅固性。調(diào)整的幾次迭代與目標的平均測得阻抗非常匹配，并且完全在目標頻響的工程公差范圍內(nèi)。
難題的最后一步是調(diào)整開放式耳朵的響應(yīng)并整合到HATS結(jié)構(gòu)中。耳廓的幾何形狀與ITU-P.58中標準化的版本相同，但是為了匹配早期標準的頻率和阻尼，必須稍微增加外耳的深度。
最終我們得到了HATS的全新設(shè)計，它可以準確地測量近場音頻設(shè)備在20kHz范圍內(nèi)的響應(yīng)。幾乎與人類一樣重要的耳道幾何形狀可以更有效地測試正確安裝的入耳式設(shè)備。
5128型高頻頭和軀干模擬器（HATS）于2017年發(fā)布，推動了測試可穿戴音頻設(shè)備的世界標準。
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