Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird ein Finite-Elemente-Modell eines In-Ear-Kopfhörers in einem genormten Ohrsimulator (IEC 60318-4) vorgestellt. Zur Simulation wird die Software Comsol Multiphysics 5.6 verwendet. Das Modell bildet den typischen Messaufbau zur Beurteilung von In-Ear-Kopfhörern nach und dient als Grundlage für eine Kopfhörer-Entwicklungsanwendung. Die Kopfhörergeometrie muss deshalb leicht austauschbar sein. Untermodelle für ein Belüftungsloch und ein akustisches Vlies werden unter Berücksichtigung dieser Vorgabe eingebunden. Simuliert wird die Wellenausbreitung im Luftvolumen zwischen der Lautsprechermembran im Kopfhörer und der Mikrofonmembran im Ohrsimulator. Der Ohrsimulator wird dabei durch seine Eingangimpedanz und Übertragungsfunktion ersetzt. Die Ergebnisse des vereinfachten Impedanzmodells stimmen perfekt mit dem vollständigen Modellüberein. Die Eingangsgröße des Modells ist die Membranschnelle des Lautsprechers. Diese wird durch Messungen am Laser-Doppler-Vibrometer bestimmt. Validiert wird das Modell anhand von Messungen im Ohrsimulator mit verschiedenen Einstecktiefen des Kopfhörers, verschiedenen Belüftungslöchern und verschiedenen Akustik-Vliesen. Der Abgleich von Simulation und Messung bestätigt das Modell weitgehend. Für das dünnste Belüftungsloch wird ein Korrekturfaktor ermittelt. Weitere Untersuchungen mit anderen Lochgrößen sind notwendig. Das Untermodell für das Akustikvlies könnte durch die Bestimmung weiterer Materialparameter verbessert werden.

Abstract

In this work, a finite element model of an in-ear headphone in a standardized ear simulator (IEC 60318-4) is presented. The Comsol Multiphysics 5.6 software is used for simulation. The model replicates the typical measurement setup used to evaluate in-ear headphones and serves as the basis for a headphone development application. The headphone geometry must therefore be easily interchangeable. Submodels for a venting hole and an acoustic fleece are included considering this requirement. Wave propagation in the air volume between the loudspeaker membrane in the headphone and the microphone membrane in the ear simulator is modelled. The ear simulator is replaced by its input impedance and transfer function. The results of the simplified impedance model match perfectly with the full model. The model’s input is the membrane velocity of the loudspeaker. It is determined by measurements on a laser Doppler vibrometer. The model is validated by measurements in the ear simulator with different insertion depths of the headphone, different venting holes and different acoustic fleeces. The comparison of simulation and measurement mostly confirms the model. For the thinnest venting hole, a correction factor is established. Further investigations with other hole sizes are necessary. The submodel for the acoustic fleece could be improved by determining further material parameters.

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