Mô phỏng đa vật lý để nâng cao tính cá nhân hóa máy trợ thính

Kỹ sư Martin Larsen, Bộ phận nghiên cứu phát triển, Oticon, Copenhagen, Denmark, Tiến sĩ Stine Harder, Đại học kỹ thuật Denmark, Copenhagen, Denmark

Bộ lọc định hướng của thiết bị trợ thính thường được thiết kế nhằm mang đến hiệu năng tối ưu cho người dùng. Tuy nhiên, hiệu năng định hướng thực sự phụ thuộc vào phần đầu và thân trên của từng người. Hãng Oticon sử dụng mô phỏng đa vật lí để nâng cao tính cá nhân hóa hiệu suất của máy trợ thính.

Mô phỏng có thể nhanh chóng giúp xác định các thiết lập cá nhân cho máy trợ thính để giảm tiếng ồn và cho phép người đeo tập trung hơn vào những âm thanh liên quan.

Tầm quan trọng của mô phỏng kỹ thuật trong phát triển máy trợ thính

Để triệt tiêu tạp âm đến từ các hướng khác thiết bị trợ thính thông thường sử dụng màng lọc số. Bởi vì người dùng thường nhìn vào hướng của người nói, hoặc hướng tới một vài âm thanh họ muốn nghe, các kĩ sư thiết kế thiết bị để hướng tới âm thanh bắt nguồn từ phía trước.

Mỗi lần thiết kế cho một loại thiết bị, các kĩ sư đã phát triển những màng lọc số bằng cách ghép chúng vào một mô hình vật lí của đầu và phần trên cơ thể với thiết bị trợ thính đặc biệt và đo những thông số từ hàng loạt loa bao quanh.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng, hiệu suất định hướng của máy trợ thính phụ thuộc vào hình dạng đặc trưng phần trên cơ thể và đầu của con người,vì thế những người có kích cỡ đầu và hình dạng khác tiêu chuẩn thường đạt được ít lợi ích hơn từ micro định hướng.

Thật lí tưởng khi có thể thiết kế màng lọc số tùy chỉnh cho từng người dùng một. Tuy nhiên, hướng tiếp cận trên quá tốn kém và rườm rà vì thế hãng Oticon đã phát triển một hướng tiếp cận mới là sử dụng mô hình 3D phần đầu và trên cơ thể của từng người để tiến hành mô phỏng cho việc tối ưu hóa màng lọc định hướng cho từng dạng cơ thể người đeo.

Mô phỏng có thể nhanh chóng giúp xác định cách cài đặt máy trợ thính cho từng cá nhân để giảm tiếng ồn và cho phép người đeo tập trung hơn vào những âm thanh liên quan.

Việc tối ưu màng lọc định hướng cho từng người dùng cung cấp những cải tiến có thể tạo nên sự khác biệt giữa việc hiểu hoặc không hiểu một câu nói.

Không gian trống xung quanh đầu và thân mình dùng để mô phỏng âm thanh

Mô hinh lưới cho không khí xung quanh đầu

Đo hiệu năng định hướng

Máy trợ thính thông thường có một micro phía trước và phía sau; màng lọc số sẽ lọc bớt một phiên bản trễ của tín hiệu micro sau từ âm thanh của micro trước. Hiệu suất định hướng micro của thiết bị được đo bởi chỉ số định dướng (DI), chỉ số này mô tả độ nhạy âm thanh đến từ mặt trước so với âm thanh đến từ mọi hướng.

Hiệu suất lọc định hướng thường được tính bằng hàm truyền liên quan tới đầu (HRTFs), được đo trên một mô hình vật lí của đầu và phần thân trên. Một HRTF mô tả cách mà âm thanh đi từ một điểm sẽ bị ảnh hưởng thế nào khi truyền qua không khí đến điểm ra cuối của ống nghe. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra nhiều lợi ích từ các micro định hướng, và đã chứng minh rằng rất nhiều người có thể được hưởng lợi từ màng lọc định hướng được tối ưu hóa cho riêng họ.

Hãng Oticon gần đây đã tập trung vào dự án nghiên cứu kết hợp với đại học công nghệ Denmark để xác định liệu nó có khả quan không khi mô phỏng các bài kiểm tra vật lý được mô tả phía trên để mô phỏng chính xác HRTFs trên phần đầu và thân trên từng người. Mục tiêu là để phát triển một màng lọc số được tối ưu hóa cho người dùng.

Điểm cải tiến của hướng đi này là một mô hình 3D có thể tạo ra được trong thời gian ngắn hơn rất nhiều và tốn ít chi phí hơn so với việc tiến hành kiểm tra vật lí. Oticon lựa chọn công cụ mô phỏng ANSYS bởi vì khả năng phân tích đa môi trường của công cụ này cho phép có thể tiến hành các mô phỏng về vật lí và âm thanh trong cùng một môi trường với ít thông tin phải điều chỉnh.

Các nhà nghiên cứu tại đại học Công nghệ Denmark sử dụng ANSYS Mechanical để mô phỏng độ kém của tai khi thiết bị trợ thính bị hỏng, và để tính toán HRTFs sinh ra bên trong tai từ một dải loa được cài đặt theo cách thông thường. Mô hình cá nhân hóa của đầu và phần thân trên sử dụng trong mô phỏng được tạo bằng cách quét mẫu 3D.

Nó cho phép kết quả mô phỏng được điều chỉnh để phù hợp với các thông số vật lí từ những người tham gia thử nghiệm.

Vị trí ban đầu cho mô phỏng độ lệch tai	Vị trí cuối cùng cho mô phỏng lệch hướng tai

Mô phỏng đa vật lý

Các nhà nghiên cứu tạo một lưới để mô phỏng với 25 580 nút cho tai và 4754 nút cho máy trợ thính, sau đó mô phỏng bằng cách thiết lập những thay đổi về vị trí cho thiết bị, những thiết lập sau đó được bỏ đi và thiết bị trở lại vị trí ban đầu.

Những biến dạng lưới của tai và thiết bị được thay thế để hình ảnh bình thường của tai có thể tạo hệ thống mô hình hoàn chỉnh của vị trí thiết bị trợ thính. Mô hình đầu mô phỏng mới, sau đó được đặt vào bên trong một hộp với kích thước 420 x 700 x 250 mm. Mô hình được trừ đi, bỏ lại khoảng trống không khí xung quanh mô hình.

Âm thanh đi đến tai nhờ sự thay đổi áp suất trong môi trường chứa không khí. Không khí xung quanh mẫu mô phỏng đầu được tạo lưới với các phần tửbậc nhất. Để giảm thời gian tính toán, một kiểu lưới đã được tạo với các tần số dưới 7,5 kHz và một kiểu lưới khác cho các tần số nhỏ hơn 10 kHz.

Lưới tần số thấp đã được sử dụng để tính toán nhanh các trường hợp thay đổi, trong khi lưới có tần số cao hơn được sử dụng cho các mục đích về thẩm định.

Việc đo các thông số âm thanh được thực hiện trong một phòng bán kính với những bề mặt đặt biệt có thể triệt tiêu các tiếng vọng mà có thể tương tác với các thiết bị đo lường. Trong mô phỏng, một hiệu ứng tương tự đạt được nhờ thêm một lớp PLM 40 mm vào bên ngoài của mô hình.

Lớp PLM không phản chiếu mà hấp thụ tất cả các sóng âm thanh đi ra ngoài vùng biên, và được sử dụng để tính áp lực âm thanh phía xa ngoài hộp. Ưu điểm chính của việc sử dụng PLM chính là nó yêu cầu duy nhất một lượng nhỏ tài nguyên tính toán.

Kết quả mô phỏng HRTF đã được so sánh với các thông số đo được với thiết bị trợ thính. Các kĩ sư kết luận rằng mô phỏng và các thí nghiệm vật lí có xu hướng chung giống nhau. Các kĩ sư Oticon tối ưu hóa màng lọc định hướng dựa trên kết quả mô phỏng. Các thông số đo có thể chỉ ra rằng micro định hướng có kết quả như micro đã được tối ưu hóa được sử dụng trong kiểm tra vật lí.

Họ kết luận rằng độ chính xác của mô phỏng đã đủ để tối ưu hóa hiệu quả định hướng cho từng người dùng.

Tối ưu hóa màng lọc định hướng cho từng người dùng làm tăng hiệu quả định hướng từ 2 dB lên 3 dB, trong nhiều trường hợp có thể tạo ra sự khác biệt trong việc hiểu ý nghĩa của một câu nói. Thực hiện tối ưu hóa nhờ kiểm tra vật lí có thể cần bệnh nhân tới một trong vài cơ sở có trang thiết bị phù hợp trên thế giới để kiểm tra và có thể tiêu tốn ít nhất 500 USD.

Mục tiêu hiện tại là đạt được hiểu biết hơn về việc cá nhân hóa việc nghe định hướng nhờ vào mô phỏng. Vào một vài điểm trong tương lai, nó có thể cho phép người bệnh tới một phòng bệnh, quét và sau đó đưa một màng lọc định hướng tùy chọn dựa vào tính toán mô phỏng.

Bộ lọc hướng tối ưu hóa với mô phỏng (đường đỏ) cho thấy sự cải thiện

 từ 2 dB đến 3 dB so với bộ lọc hướng tiêu chuẩn (đường màu xanh)

OTICON tích hợp mô phỏng vào quá trình phát triển sản phẩm

Nhằm cắt giảm thời gian nghiên cứu, Oticon đã tích hợp chặt chẽ ANSYS vào quá trình phát triển sản phẩm. Đối mặt với sự phức tạp của sản phẩm và việc cần thiết để giữ tính cạnh tranh trong thị trường biến động, công ty đã phổ biến việc sử dụng mô phỏng trong toàn bộ các khâu.

Oticon đang sử dụng lợi thế của ANSYS ACT, một công cụ phát triển sử dụng ngôn ngữ chung để thiết lập và tối ưu giao diện người dùng mô phỏng, quá trình mô phỏng cũng như các giải pháp tiện ích. Công ty đã đưa công nghệ mô phỏng tiên tiến tới các nhà thiết kế không theo cách thông thường mà bằng cách tích hợp những thực tiễn về phát triển sản phẩm trực tiếp vào giao diện người dùng của ANSYS.

Các nhà phân tích Oticon đã phát triển mô hình mô phỏng của thiết bị trợ thính quan trọng, như là bộ thu và microphone. Nhờ đó, tới 75% công việc truyền thống được hoàn thành bởi các chuyên gia đã được chuyển cho các kĩ sư, làm giảm thời gian để các kĩ sư có thể nhanh chóng tạo những sản phẩm tin cậy và sáng tạo hơn

Nguồn: ANSYS Advantage V10I2, 2016

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này