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如何定义可以代表普通人耳的实际形状？
2021-09-03 11:25:03· 来源：BK声学与振动
随着对便携式设备（例如手机、电话、耳机和音频流设备）具有更好的音频质量的需求不断增长，显然，传统711耦合器的8kHz带宽并不足够，因此需要一种新的方法，在
随着对便携式设备（例如手机、电话、耳机和音频流设备）具有更好的音频质量的需求不断增长，显然，传统“711”耦合器的8kHz带宽并不足够，因此需要一种新的方法，在整个音频范围内匹配人耳的声阻抗。
初步研究表明，3.3型耳模拟器的几何形状过于简单，因此无法将人耳的复数声阻抗复制到20kHz，需要更“拟人”的几何形状。
当然，问题在于，每个耳朵都不一样。那么，我们如何定义可以代表普通人耳的实际形状呢？
我们需要确定平均几何形状和阻抗，对平均几何形状的追求始于40多名志愿者的MRI扫描，他们来自不同年龄、种族和性别。初步的MRI扫描并未得到好的数据，因为图像中的耳道壁不够清晰。通过在耳道中添加造影剂，这个问题得以解决，这样就可以得到足够高质量的图像，以准确表征耳道。通过MRI扫描，他们能够创建耳道几何形状的准确3D画像，并可以将其转换为实体几何模型。
尽管志愿者耳道的总体形状大致相似，他们之间的细节差异很大。使用图像配准方法进行几何平均，用于确定沿耳道长度的平均轮廓，从而得到用作耳道设计基础的平均3D模型。此处，我们将几何平均值与测量的对象之一进行比较。如您所见，平均值保留了各个度量的关键特征，但消除了更多随机细节。
该过程的第二步是确定平均声阻抗。这需要使用专门设计的阻抗探头，该探头需要能在耳道中精确定位。为此，使用从MRI测量中提取的几何形状，为每个志愿者模制单独的耳塞。每个耳塞都设计为将探头尽可能地靠近距鼓膜19mm的公共参考平面。阻抗探头本身是使用两个传声器探头组件的，一个用于测量响应，另一个用于充当声源。测量探头外壳中的盘管可在探头尖端提供平滑的频率响应和高声阻抗。两个探头的尖端均与耳模的底部齐平并进行了正确的校准，并且只需一点数学运算，就可以测量中耳的阻抗。
尽管尽了最大的努力，但探针尖端从主体到主体的位置并非精确地为19mm，并且探针尖端至DRP（鼓膜参考点）之间的距离变化，导致测量阻抗曲线中的共振峰被模糊。但是，使用传输线理论可以计算正确的阻抗，以模拟在19mm公共参考平面上的结果。所得数据提供了一系列阻抗曲线，可以用来获得平均曲线。为了重现在10kHz以上正确阻抗建模的复杂性，需要重新设计带有¼英寸传声器的耦合腔，以匹配人耳鼓膜的大小。
通气孔的数量（称为分支）从2个增加到4个，以调节共振峰和相关的阻尼。
更复杂的问题是试图模仿从软组织到更靠近鼓膜的软骨状态的过渡。通过对各种材料和技术进行建模和测试，优化了过渡过程的平滑度和坚固性。调整的几次迭代与目标的平均测得阻抗非常匹配，并且完全在目标频响的工程公差范围内。
难题的最后一步是调整开放式耳朵的响应并整合到HATS结构中。耳廓的几何形状与ITU-P.58中标准化的版本相同，但是为了匹配早期标准的频率和阻尼，必须稍微增加外耳的深度。
最终我们得到了HATS的全新设计，它可以准确地测量近场音频设备在20kHz范围内的响应。几乎与人类一样重要的耳道几何形状可以更有效地测试正确安装的入耳式设备。
5128型高频头和躯干模拟器（HATS）于2017年发布，推动了测试可穿戴音频设备的世界标准。
初步研究表明，3.3型耳模拟器的几何形状过于简单，因此无法将人耳的复数声阻抗复制到20kHz，需要更“拟人”的几何形状。
当然，问题在于，每个耳朵都不一样。那么，我们如何定义可以代表普通人耳的实际形状呢？
我们需要确定平均几何形状和阻抗，对平均几何形状的追求始于40多名志愿者的MRI扫描，他们来自不同年龄、种族和性别。初步的MRI扫描并未得到好的数据，因为图像中的耳道壁不够清晰。通过在耳道中添加造影剂，这个问题得以解决，这样就可以得到足够高质量的图像，以准确表征耳道。通过MRI扫描，他们能够创建耳道几何形状的准确3D画像，并可以将其转换为实体几何模型。
尽管志愿者耳道的总体形状大致相似，他们之间的细节差异很大。使用图像配准方法进行几何平均，用于确定沿耳道长度的平均轮廓，从而得到用作耳道设计基础的平均3D模型。此处，我们将几何平均值与测量的对象之一进行比较。如您所见，平均值保留了各个度量的关键特征，但消除了更多随机细节。
该过程的第二步是确定平均声阻抗。这需要使用专门设计的阻抗探头，该探头需要能在耳道中精确定位。为此，使用从MRI测量中提取的几何形状，为每个志愿者模制单独的耳塞。每个耳塞都设计为将探头尽可能地靠近距鼓膜19mm的公共参考平面。阻抗探头本身是使用两个传声器探头组件的，一个用于测量响应，另一个用于充当声源。测量探头外壳中的盘管可在探头尖端提供平滑的频率响应和高声阻抗。两个探头的尖端均与耳模的底部齐平并进行了正确的校准，并且只需一点数学运算，就可以测量中耳的阻抗。
尽管尽了最大的努力，但探针尖端从主体到主体的位置并非精确地为19mm，并且探针尖端至DRP（鼓膜参考点）之间的距离变化，导致测量阻抗曲线中的共振峰被模糊。但是，使用传输线理论可以计算正确的阻抗，以模拟在19mm公共参考平面上的结果。所得数据提供了一系列阻抗曲线，可以用来获得平均曲线。为了重现在10kHz以上正确阻抗建模的复杂性，需要重新设计带有¼英寸传声器的耦合腔，以匹配人耳鼓膜的大小。
通气孔的数量（称为分支）从2个增加到4个，以调节共振峰和相关的阻尼。
更复杂的问题是试图模仿从软组织到更靠近鼓膜的软骨状态的过渡。通过对各种材料和技术进行建模和测试，优化了过渡过程的平滑度和坚固性。调整的几次迭代与目标的平均测得阻抗非常匹配，并且完全在目标频响的工程公差范围内。
难题的最后一步是调整开放式耳朵的响应并整合到HATS结构中。耳廓的几何形状与ITU-P.58中标准化的版本相同，但是为了匹配早期标准的频率和阻尼，必须稍微增加外耳的深度。
最终我们得到了HATS的全新设计，它可以准确地测量近场音频设备在20kHz范围内的响应。几乎与人类一样重要的耳道几何形状可以更有效地测试正确安装的入耳式设备。
5128型高频头和躯干模拟器（HATS）于2017年发布，推动了测试可穿戴音频设备的世界标准。
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