助聽(tīng)器、監(jiān)聽(tīng)音箱、耳塞式耳機(jī)、頭戴式耳機(jī)以及其他流行的音頻技術(shù)產(chǎn)品通常都只標(biāo)注一個(gè)品牌名稱，但這些產(chǎn)品大多采用來(lái)自多家公司設(shè)計(jì)和制造的組件。例如，全球六大助聽(tīng)器公司中有五家都采用了由 Sonion 公司開(kāi)發(fā)的換能器。Sonion 是一家為助聽(tīng)器和專業(yè)音響制造商設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)微型元器件（如平衡電樞接收器、高端麥克風(fēng)、拾音傳感器和其他機(jī)電元件）的全球性公司。

該公司接收器和受話器外置式助聽(tīng)器（Re- ceiver-In-Canal，RIC）的技術(shù)開(kāi)發(fā)主管Michele Colloca 介紹說(shuō)：“我們的目標(biāo)是成為客戶的合作伙伴，與他們共同開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，而不僅僅是他們的供應(yīng)商。”

Colloca 的工作是帶領(lǐng)荷蘭和越南的仿真工程師團(tuán)隊(duì)，為 Sonion 公司不同的研發(fā)部門(mén)及其客戶提供現(xiàn)有產(chǎn)品和新的概念產(chǎn)品的仿真支持，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型，并解釋傳感器產(chǎn)品的運(yùn)行機(jī)理。“我們認(rèn)為仿真是一個(gè)可以交流信息、解決問(wèn)題和相互促進(jìn)的平臺(tái)，而仿真模型將我們和客戶緊密聯(lián)系起來(lái)，共同攜手改善產(chǎn)品最終的用戶體驗(yàn)。”Colloca補(bǔ)充道。

助聽(tīng)器技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

推動(dòng)助聽(tīng)器技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)是什么？消費(fèi)者又有哪些需求？Colloca認(rèn)為，助聽(tīng)器旨在幫助人們?cè)谌魏苇h(huán)境下都能暢聽(tīng)無(wú)阻，包括提高這類設(shè)備的音頻質(zhì)量，尤其是在嘈雜環(huán)境中的語(yǔ)音理解能力。此外，還需要提高助聽(tīng)器的穩(wěn)健性，并且使助聽(tīng)器更小、更不顯眼來(lái)改善其視覺(jué)外觀，這樣人們才更愿意佩戴助聽(tīng)器。最后，還包括使聽(tīng)力保健更易獲取，價(jià)格更親民，這樣就有更多的人能夠使用助聽(tīng)器。

圖1. Sonion公司設(shè)計(jì)的平衡電樞接收器（上）、預(yù)制的鋼制受話器外置式助聽(tīng)器系統(tǒng)（中），

以及微型駐極體和MEMS麥克風(fēng)（下）。

在設(shè)計(jì)助聽(tīng)器組件時(shí)，面臨著諸多挑戰(zhàn)。在Sonion，他們?cè)O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)適用于各種助聽(tīng)器功率水平和應(yīng)用的平衡電樞接收器，包括單路和雙路配置；適用于特殊應(yīng)用和專業(yè)應(yīng)用的混合式接收器和靜電接收器；適用于助聽(tīng)器的預(yù)制鋼或塑料材質(zhì)的受話器外置式助聽(tīng)器系統(tǒng)；適用于高性能和低功率助聽(tīng)器的微型駐極體和MEMS麥克風(fēng)（圖 1）。

因此，他們需要處理多個(gè)關(guān)鍵的平衡問(wèn)題。例如，換能器必須足夠小以能夠適配助聽(tīng)器，同時(shí)還需要滿足低功耗、低失真的性能要求；平衡電樞接收器必須盡可能減少機(jī)械振動(dòng)、磁反饋和聲反饋產(chǎn)生的干擾；MEMS麥克風(fēng)必須對(duì)聲音高度敏感，但對(duì)振動(dòng)不敏感。此外，這些元器件必須性能可靠并堅(jiān)固耐用，能夠抵御溫度、濕度的影響，以及耳垢和灰塵造成的污染。

從仿真的角度來(lái)看，這些設(shè)備本質(zhì)上是多物理場(chǎng)的，并且具有很強(qiáng)的非線性特征。例如，優(yōu)化模型的電場(chǎng)域可能會(huì)對(duì)聲場(chǎng)域產(chǎn)生負(fù)面影響，反之亦然。找到恰當(dāng)?shù)钠胶馐冀K是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)而又極具吸引力的任務(wù)。

考慮到這項(xiàng)工作的利害關(guān)系，設(shè)計(jì)失誤會(huì)有什么后果？Colloca指出，如果不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，就需要進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代，這會(huì)造成開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)、研發(fā)成本增加，進(jìn)而導(dǎo)致原始設(shè)備制造商（OEM）的產(chǎn)品發(fā)布及投入市場(chǎng)的時(shí)間延遲，以及在投標(biāo)階段錯(cuò)失設(shè)計(jì)制勝的機(jī)會(huì)。
 
建模與仿真在助聽(tīng)器元件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

Sonion使用建模和仿真技術(shù)幫助開(kāi)發(fā)助聽(tīng)器元件，這使他們能夠在開(kāi)始原型設(shè)計(jì)階段之前更有效地利用時(shí)間和資源。使用COMSOL Multiphysics®軟件建立虛擬原型，也使他們能夠更快地對(duì)設(shè)計(jì)概念進(jìn)行迭代。此外，利用該軟件提供的有限元分析技術(shù)，還能深入研究那些很難在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)量或觀察清楚的產(chǎn)品特性。

圖2. 充電盒外部磁鐵和平衡電樞接收器內(nèi)部磁鐵產(chǎn)生的磁通密度。

在談到建模和仿真的重要作用時(shí)，Colloca 分享了一個(gè)平衡電樞接收器的例子。在許多應(yīng)用中，平衡電樞接收器可能會(huì)進(jìn)入強(qiáng)外部磁場(chǎng)環(huán)境，例如，將耳塞等聽(tīng)力設(shè)備放入充電盒時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況。充電盒內(nèi)可內(nèi)置磁體，用于引導(dǎo)插入的設(shè)備就位。但這可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)橥獠看艌?chǎng)會(huì)穿透平衡電樞接收器中的高磁導(dǎo)率元件，干擾其磁性工作狀態(tài)。這些外部和內(nèi)部磁場(chǎng)之間的相互作用可能會(huì)阻礙平衡電樞接收器產(chǎn)生聲音，或使聲音高度失真，導(dǎo)致助聽(tīng)器或耳塞出現(xiàn)故障（圖 2）。

為了分析這種相互作用，他們?cè)贑OMSOL®中建立了一個(gè)模型，用于分析外部磁鐵產(chǎn)生的磁通量與平衡電樞接收器（用于使電樞移動(dòng)）產(chǎn)生的磁通量之間的干擾。仿真結(jié)果表明，當(dāng)外部磁體使得內(nèi)部接收器的磁路增加額外磁通量時(shí)，會(huì)改變整個(gè)磁路的磁阻，導(dǎo)致接收器磁鐵退磁。

圖3. 仿真表明聲道向外部環(huán)境開(kāi)放時(shí)，空氣（聲粒子）在Z方向的速度分布，其中包含熱黏性效應(yīng)。通過(guò)此仿真，Sonion能夠精確量化由于聲波輻射到開(kāi)放環(huán)境而產(chǎn)生的末端修正。

另一個(gè)應(yīng)用案例涉及集總單元模型。在專業(yè)音頻和助聽(tīng)器技術(shù)中，集總單元模型常被作為一種快速且便捷的方法，用于預(yù)測(cè)音頻換能器（如MEMS麥克風(fēng)）的性能。為了提高這些模型的準(zhǔn)確性，需要在聲道長(zhǎng)度上添加聲音入口或出口的末端修正，用于描述聲道如何對(duì)外部環(huán)境開(kāi)放。用于表示出口或入口聲學(xué)質(zhì)量的末端修正系數(shù)是眾所周知的，通?？梢约僭O(shè)聲阻抗實(shí)部的末端修正系數(shù)（相當(dāng)于通道聲阻抗）與聲質(zhì)量的末端修正系數(shù)相同。通過(guò)使用 COMSOL 中的熱黏性聲學(xué)引入并量化聲阻抗的末端修正，他們發(fā)現(xiàn)聲質(zhì)量的末端修正可能與聲阻抗的末端修正不同（圖 3）。

集總單元模型與仿真提升研發(fā)效率

接收器的一些關(guān)鍵性能指標(biāo)，如電阻抗、聲壓級(jí)和振動(dòng)，很大程度上取決于傳感器本身的設(shè)計(jì)以及與其相連的聲負(fù)載。在這種情況下，聲負(fù)載代表人耳和連接的聲道。用于模擬普通人耳的典型設(shè)備是耳道模擬器，即711耦合器。然而，如果考慮此耳道模擬器的完整體積和特殊條件，以及連接接收器和耳道模擬器所需的聲學(xué)管道結(jié)構(gòu)，最終會(huì)得到一個(gè)非常復(fù)雜的全耦合有限元分析模型，計(jì)算成本非常高。

Colloca團(tuán)隊(duì)采用的方法是將聲導(dǎo)管和711耦合器模擬為二端口網(wǎng)絡(luò)，而不是全耦合的有限元分析模型。這種方法可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。他們使用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)換能器、導(dǎo)管和耦合器進(jìn)行了完整的有限元分析，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)移矩陣法。通過(guò)采用轉(zhuǎn)移矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)管和耦合器進(jìn)行集總表示，大大降低了模型的復(fù)雜性和計(jì)算時(shí)間。最終，團(tuán)隊(duì)能夠測(cè)試不同的設(shè)計(jì)概念，快速選擇虛擬原型，并將其開(kāi)發(fā)為可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試的真實(shí)物理原型。

仿真如何改進(jìn)Sonion的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)？Colloca表示，虛擬原型不能取代真實(shí)原型，他們始終需要建立一個(gè)物理原型，用于測(cè)量并驗(yàn)證模型。但是，只要模型得到驗(yàn)證，虛擬原型就足夠強(qiáng)大，可以用于選擇正確的設(shè)計(jì)概念。為了進(jìn)一步說(shuō)明這一點(diǎn)，他舉了一個(gè)原型設(shè)計(jì)過(guò)程的案例：每一個(gè)設(shè)計(jì)概念的測(cè)試，需要花費(fèi)大約7個(gè)小時(shí)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)虛擬原型。然而，如果沒(méi)有虛擬原型，則需要為每個(gè)概念制作至少5個(gè)原型試樣，并對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量，這平均需要40個(gè)小時(shí)。因此，仿真將測(cè)試一個(gè)設(shè)計(jì)概念所需的時(shí)間縮短了至少5.7倍。在這種情況下，采用虛擬原型技術(shù)使每歐元的投入可獲得的產(chǎn)出數(shù)量成倍增加。

展望未來(lái)：助聽(tīng)器技術(shù)的發(fā)展

為了迎合助聽(tīng)器市場(chǎng)的主要趨勢(shì)，Sonion始終致力于改進(jìn)產(chǎn)品性能，提升音頻質(zhì)量，并且不斷挑戰(zhàn)產(chǎn)品可靠性的極限，以使助聽(tīng)器性能更好、更耐用。他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)充分考慮了助聽(tīng)器的整體性，從而使制造商能夠制造出更加小巧的助聽(tīng)器，Sonion專注于提供能夠帶來(lái)高成本效益的設(shè)計(jì)方案，以支持更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的聽(tīng)力保健服務(wù)。

他們將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)多物理場(chǎng)模型，通過(guò)更多元器件尺寸的變化來(lái)提高虛擬原型的精度，大幅縮短計(jì)算時(shí)間，并計(jì)劃通過(guò)有限元分析研究來(lái)改進(jìn)基于集總單元模型電路的參數(shù)向量。

展望未來(lái)，仿真在助聽(tīng)器技術(shù)發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。虛擬原型將更加精確，與真實(shí)原型之間的差距將縮至最小。而且，由于計(jì)算機(jī)處理速度的提高，從設(shè)計(jì)到測(cè)試，再到產(chǎn)品發(fā)布的轉(zhuǎn)變將變得非常迅速。

Colloca提出，未來(lái)助聽(tīng)器技術(shù)將涉及先進(jìn)的信號(hào)處理功能，可以提高不同環(huán)境下的語(yǔ)音清晰度、連接性、音質(zhì)和穩(wěn)定性，并減小體積。新的助聽(tīng)器平臺(tái)將包含越來(lái)越多的人工智能技術(shù)，用于提高噪聲中的語(yǔ)音識(shí)別能力，同時(shí)在功耗方面做出完美平衡。

來(lái)源：COMSOL
作者：JOSEPH CAREW

來(lái)源：榮格-《醫(yī)療設(shè)備商情》

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