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

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

Colloca 的工作是帶領荷蘭和越南的仿真工程師團隊，為 Sonion 公司不同的研發(fā)部門及其客戶提供現(xiàn)有產(chǎn)品和新的概念產(chǎn)品的仿真支持，通過實驗驗證模型，并解釋傳感器產(chǎn)品的運行機理。“我們認為仿真是一個可以交流信息、解決問題和相互促進的平臺，而仿真模型將我們和客戶緊密聯(lián)系起來，共同攜手改善產(chǎn)品最終的用戶體驗。”Colloca補充道。

助聽器技術發(fā)展的新趨勢與挑戰(zhàn)

推動助聽器技術發(fā)展的新趨勢是什么？消費者又有哪些需求？Colloca認為，助聽器旨在幫助人們在任何環(huán)境下都能暢聽無阻，包括提高這類設備的音頻質(zhì)量，尤其是在嘈雜環(huán)境中的語音理解能力。此外，還需要提高助聽器的穩(wěn)健性，并且使助聽器更小、更不顯眼來改善其視覺外觀，這樣人們才更愿意佩戴助聽器。最后，還包括使聽力保健更易獲取，價格更親民，這樣就有更多的人能夠使用助聽器。

圖1. Sonion公司設計的平衡電樞接收器（上）、預制的鋼制受話器外置式助聽器系統(tǒng)（中），

以及微型駐極體和MEMS麥克風（下）。

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

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

從仿真的角度來看，這些設備本質(zhì)上是多物理場的，并且具有很強的非線性特征。例如，優(yōu)化模型的電場域可能會對聲場域產(chǎn)生負面影響，反之亦然。找到恰當?shù)钠胶馐冀K是一項充滿挑戰(zhàn)而又極具吸引力的任務。

考慮到這項工作的利害關系，設計失誤會有什么后果？Colloca指出，如果不能實現(xiàn)最優(yōu)設計，就需要進行多次設計迭代，這會造成開發(fā)時間延長、研發(fā)成本增加，進而導致原始設備制造商（OEM）的產(chǎn)品發(fā)布及投入市場的時間延遲，以及在投標階段錯失設計制勝的機會。
 
建模與仿真在助聽器元件開發(fā)中的應用

Sonion使用建模和仿真技術幫助開發(fā)助聽器元件，這使他們能夠在開始原型設計階段之前更有效地利用時間和資源。使用COMSOL Multiphysics®軟件建立虛擬原型，也使他們能夠更快地對設計概念進行迭代。此外，利用該軟件提供的有限元分析技術，還能深入研究那些很難在實驗中進行測量或觀察清楚的產(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，Colloca 分享了一個平衡電樞接收器的例子。在許多應用中，平衡電樞接收器可能會進入強外部磁場環(huán)境，例如，將耳塞等聽力設備放入充電盒時就會發(fā)生這種情況。充電盒內(nèi)可內(nèi)置磁體，用于引導插入的設備就位。但這可能會產(chǎn)生負面影響，因為外部磁場會穿透平衡電樞接收器中的高磁導率元件，干擾其磁性工作狀態(tài)。這些外部和內(nèi)部磁場之間的相互作用可能會阻礙平衡電樞接收器產(chǎn)生聲音，或使聲音高度失真，導致助聽器或耳塞出現(xiàn)故障（圖 2）。

為了分析這種相互作用，他們在COMSOL®中建立了一個模型，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）產(chǎn)生的磁通量之間的干擾。仿真結果表明，當外部磁體使得內(nèi)部接收器的磁路增加額外磁通量時，會改變整個磁路的磁阻，導致接收器磁鐵退磁。

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

另一個應用案例涉及集總單元模型。在專業(yè)音頻和助聽器技術中，集總單元模型常被作為一種快速且便捷的方法，用于預測音頻換能器（如MEMS麥克風）的性能。為了提高這些模型的準確性，需要在聲道長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外部環(huán)境開放。用于表示出口或入口聲學質(zhì)量的末端修正系數(shù)是眾所周知的，通常可以假設聲阻抗實部的末端修正系數(shù)（相當于通道聲阻抗）與聲質(zhì)量的末端修正系數(shù)相同。通過使用 COMSOL 中的熱黏性聲學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

接收器的一些關鍵性能指標，如電阻抗、聲壓級和振動，很大程度上取決于傳感器本身的設計以及與其相連的聲負載。在這種情況下，聲負載代表人耳和連接的聲道。用于模擬普通人耳的典型設備是耳道模擬器，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管道結構，最終會得到一個非常復雜的全耦合有限元分析模型，計算成本非常高。

Colloca團隊采用的方法是將聲導管和711耦合器模擬為二端口網(wǎng)絡，而不是全耦合的有限元分析模型。這種方法可以大大節(jié)省計算時間。他們使用COMSOL Multiphysics軟件對換能器、導管和耦合器進行了完整的有限元分析，驗證了轉移矩陣法。通過采用轉移矩陣實現(xiàn)對導管和耦合器進行集總表示，大大降低了模型的復雜性和計算時間。最終，團隊能夠測試不同的設計概念，快速選擇虛擬原型，并將其開發(fā)為可在實驗室進行測試的真實物理原型。

仿真如何改進Sonion的產(chǎn)品開發(fā)？Colloca表示，虛擬原型不能取代真實原型，他們始終需要建立一個物理原型，用于測量并驗證模型。但是，只要模型得到驗證，虛擬原型就足夠強大，可以用于選擇正確的設計概念。為了進一步說明這一點，他舉了一個原型設計過程的案例：每一個設計概念的測試，需要花費大約7個小時來創(chuàng)建一個虛擬原型。然而，如果沒有虛擬原型，則需要為每個概念制作至少5個原型試樣，并對它們進行測試和測量，這平均需要40個小時。因此，仿真將測試一個設計概念所需的時間縮短了至少5.7倍。在這種情況下，采用虛擬原型技術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：助聽器技術的發(fā)展

為了迎合助聽器市場的主要趨勢，Sonion始終致力于改進產(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，以使助聽器性能更好、更耐用。他們的產(chǎn)品設計充分考慮了助聽器的整體性，從而使制造商能夠制造出更加小巧的助聽器，Sonion專注于提供能夠帶來高成本效益的設計方案，以支持更經(jīng)濟實惠的聽力保健服務。

他們將進一步開發(fā)多物理場模型，通過更多元器件尺寸的變化來提高虛擬原型的精度，大幅縮短計算時間，并計劃通過有限元分析研究來改進基于集總單元模型電路的參數(shù)向量。

展望未來，仿真在助聽器技術發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。虛擬原型將更加精確，與真實原型之間的差距將縮至最小。而且，由于計算機處理速度的提高，從設計到測試，再到產(chǎn)品發(fā)布的轉變將變得非常迅速。

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

來源：COMSOL
作者：JOSEPH CAREW

來源：榮格-《醫(yī)療設備商情》

原創(chuàng)聲明：
本站所有原創(chuàng)內(nèi)容未經(jīng)允許，禁止任何網(wǎng)站、微信公眾號等平臺等機構轉載、摘抄，否則榮格工業(yè)傳媒保留追責權利。任何此前未經(jīng)允許，已經(jīng)轉載本站原創(chuàng)文章的平臺，請立即刪除相關文章。