超材料耳塞：近乎完美的宽带吸收降低耳塞引起的阻塞效应

被动耳塞用于防止工人因噪声引起的听力损失。然而，耳塞通常会引起听觉上的不适，即阻塞效应。这一现象与骨传导部分低频生理噪声的听觉感知增强相对应，并且与阻塞耳道中声压的增加有关。

比翱研究院和比翱工程实验室的两位国际专家，魁北克高等技术学院（ÉTS）Olivier Doutres教授、魁北克职业安全健康研究所（IRSST）Franck Sgard教授在《Scientific Reports》上，报告了一种新的被动耳塞概念，用于缓解100 Hz到1kHz之间的阻塞效应。该策略包括通过使用源自超材料领域的近乎完美的宽带吸收器来降低耳塞从耳道观察到的输入阻抗。

拟议的“超耳塞”（Meta-Earplug）由4个平行排列的临界耦合亥姆霍兹谐振器组成。它们的几何形状是通过与Meta耳塞输入阻抗理论模型相关的进化算法进行优化的。后者通过有限元方法和阻抗传感器测量进行验证。Meta耳塞由3D打印制成。人工测试夹具用于评估闭塞效应和插入损耗。结果表明，Meta耳塞比泡沫耳塞和硅胶耳塞的遮挡效果低约10 dB，而插入损耗与硅胶耳塞类似，高达5 kHz。

创新研究

本文对Meta耳塞内表面的声学特性以及Meta耳塞引起的闭塞效应和声音衰减进行研究和讨论。

为了减轻被动耳塞引起的阻塞效应，研究团队在此提出了一种解决方案，而不是现有的通风或开放式配件系统。该解决方案包括修改耳塞的中间表面声阻抗，使其与空气的特征阻抗相匹配，以减少耳道壁看到的声阻抗。这是通过使用声学超材料领域开发的近乎完美的宽带吸收器实现的，这些吸收器适用于第一个“Meta耳塞”的设计。近乎完美的宽带吸收可以通过使用串联或并联的临界耦合谐振系统来实现。临界耦合对应于从谐振器到环境的能量泄漏与谐振器中的能量耗散之间的完美平衡，从而导致完美的吸收。与使用通风口相比，建议的解决方案可以减少客观遮挡效应，同时确保声音衰减适应听力保护目的。

（a）3D打印的Meta耳塞和Meta耳塞的示意图（b）3D视图和 (c,d) 2D平面。数字1到4标识每个HR

上图所示的Meta耳塞由平行排列的4个临界耦合亥姆霍兹谐振器（HR）组成。每个HR包括一个颈部和一个空腔，部分由声学泡沫填充。谐振器的颈部聚集在一个薄圆柱形结构中，插入耳道软骨部分（插入深度约为10mm）。该结构周围环绕着Comply®泡沫耳塞，可适应不同的耳道尺寸，并密封入口，以确保声音衰减并保持Meta耳塞的位置。HR的空腔包含在一个限制为约7cm3的平行六面体体积中。因此，Meta耳塞的空腔可以部分适合耳壳（约4cm），并在耳廓状商用耳塞（包括主动消声装置）外略微突出。本文中，Meta耳塞的几何形状保持简单，重点在于了解其振动声学行为及其在提供适当的声音衰减的同时降低遮挡效应的能力。

Meta耳塞几何结构的优化过程基于进化算法，该算法与内侧表面反射系数R的理论模型相关联。优化过程中使用的成本函数为：

其中f是频率，以最小化从finit=200 Hz到fend=900 Hz的宽带频率范围内的反射系数。这涵盖了遮挡效应显著的大部分频率。

两个几何参数

定义了谐振器的拓扑结构，并且对于每个谐振器的泡沫层厚度（lfoam）和颈部半径（rneck）进行了优化。优化过程产生的几何参数总结在下表中。

通过Meta耳塞优化过程获得的几何参数（单位：mm）。上标1至4表示每个HR

图文快览

（a）反射系数和（b）内侧表面SEC Meta耳塞的归一化声阻抗，通过传递矩阵法分析和有限元计算并使用阻抗传感器进行实验测量。垂直彩色线表示Meta耳塞吸收峰的频率，即f₁=245 Hz，f₂=367 Hz，f₃=565 Hz，f₄=803 Hz。（c）使用TMM解析计算Meta耳塞在复频率平面的反射系数。白色连续（分别为虚线）线表示等值线|R|2=0.01（分别为|R|2=0.1）。菱形和圆形符号表示相互隔离的HR的极点和零点（即，单独获取）。符号R和I分别表示实部和虚部

（a–d）每个HR在颈部和腔体内耗散的声功率占总声功率的比例。在每个空腔区域，泡沫层控制着声学耗散。垂直彩色线表示Meta耳塞的吸收峰频率，即f₁=245 Hz、f₂=367 Hz、f₃=565 Hz、f₄=803 Hz。（e–h）在Meta耳塞吸收峰频率下，每个谐振器内的声压场。使用数值模型计算结果

（a）与硅胶和泡沫耳塞相比，由Meta耳塞引起的阻塞效应（平均值 ± 标准偏差）。 （b）由所有HR都处于活性状态或没有HR处于活性状态的Meta耳塞引起的闭塞效应（平均 ± 标准差）。垂直彩色线表示Meta耳塞的吸收峰频率，即f₁=245 Hz、f₂=367 Hz、f₃=565 Hz和f₄=803 Hz

（a）与硅胶和泡沫耳塞相比，Meta耳塞提供的插入损耗（平均 ± 标准偏差）。（b）由Meta耳塞提供的插入损耗（平均 ± 标准偏差），所有HR都处于活性状态或没有HR处于活性状态。垂直彩色线表示元耳塞的吸收峰频率，即f₁=245 Hz、f₂=367 Hz、f₃=565 Hz和f₄=803 Hz

（a）Meta耳塞的侧视图和（b）内侧视图，包括阻抗传感器测量的内置支架，并显示在粘合背板之前在HR腔中插入三聚氰胺泡沫。（c） 设计用于阻塞效应测量的人工耳和（d）在水平面上进行的CT扫描，显示人工耳道及其周围组织的几何形状（红色虚线矩形表示耳道周围软骨环的位置，但难以与皮肤组织区分）。（e）使用Mecanum QMA准静态力学分析仪评估遮挡效果。（f） 使用放置在混响室中的人工测试夹具测量耳塞插入损耗的实验装置。（g）Meta耳塞插入人工测试夹具的耳道中。（h）当前工作中使用的Meta耳塞（左）、泡沫耳塞（中）和硅胶耳塞（右）之间的尺寸比较

讨论与总结

在本文中，研究团队展示了第一个能够减少阻塞效应的Meta耳塞，同时利用其自身的振动声学行为以被动方式提供合适的声音衰减。通过耳塞内侧表面与空气特性阻抗的阻抗匹配，确保了阻塞效应的降低。阻抗匹配基于Meta耳塞内侧表面在200-900 Hz频率范围内的近乎完美的宽带吸收行为，该频率范围涵盖了闭塞效应显著的大多数频率。因此，团队在此展示了一种新的被动听觉解决方案，以减少客观遮挡效应，而无需使用深部配件，深部配件可能会导致机械不适，或通气/开放式配件，不适合听力保护目的。

除了提供合适的声音衰减（类似于硅胶耳塞）外，Meta耳塞还可以改善双重护听器（DHP）的声音衰减，即耳塞和耳罩的组合。当结合使用时，耳塞和耳罩提供的整体声音衰减小于它们各自的声音衰减的总和：这种现象称为DHP效应。最近，这种现象已经被解释为由外部声学激励引起的外耳结构传播的声音传播，由于耳罩的存在，绕过了通过耳塞的空气传播路径。外耳结构传播通路对应耳道壁的振动，这也是闭塞效应的来源。因此，降低闭塞效应的Meta耳塞内侧表面的低声阻抗也可能降低DHP效应。

总而言之，这里介绍的Meta耳塞为开发下一代被动耳塞开辟了多种途径。在未来的工作中，应在人体受试者身上研究Meta耳塞减少阻塞效应不适的有效效率。这项具有挑战性的任务将需要使Meta耳塞的几何形状适应真实的人类外耳。此外，其他类型的谐振器（例如质量膜系统或多孔弹性板）可用于扩展近乎完美的宽带吸收的频率范围或最小化当前Meta耳塞的尺寸或质量，从而降低阻塞效应。此外，Meta耳塞的声学特性可以针对不同的目的进行优化，例如平坦的宽带声音衰减或声音衰减的选择性频带。

原文来源：Scientific Reports volume 12, Article number: 15336 (2022)；Reduction of the occlusion effect induced by earplugs using quasi perfect broadband absorption；https://www.nature.com/articles/s41598-022-19641-3

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内容来源：比翱科技集团