轨道车辆的人耳生物力学研究、建模、验证及应用方法

摘要

本发明公开了一种轨道车辆的人耳生物力学研究、建模、验证及应用方法，为轨道交通装备噪声舒适性的设计和评价提供思路和依据。其中，该验证方法包括：在外耳处建立一个平面波声源作为声学激励，在外耳处施加一系列不同频率、不同声压值的纯音色声波，通过外耳声模态分析与结构域模态分析得出人耳有限元模型及流体域有限元模型的声音敏感频段，并比较该频段与人耳听力系统实际敏感频段的匹配性；以及通过声固耦合法和模态叠加法分别得到该人耳有限元模型中鼓膜及镫骨底板的声压响应，并与ANSI曲线对比；结合上述两次比较结果判断所述人耳有限元模型及流体域有限元模型的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及人耳生物力学技术领域，尤其涉及一种人耳生物力学模型的建模、验证及应用于轨道车辆噪声对人耳舒适性评价及耳气压伤预测的研究方法。

背景技术

我国高速铁路及城市轨道交通装备的发展和核心技术的突破使其在国际竞争与合作中保持主动的优势地位，提高乘员舒适性是轨道交通技术研究的重要课题之一。目前，高速列车车内噪声品质的评价指标多以所测实际噪声声场分布或乘员主观评价为主，缺乏更为直观深入的评价方法。

发明内容

本发明目的在于公开一种轨道车辆的人耳生物力学研究、建模、验证及应用方法，为轨道交通装备噪声舒适性的设计和评价提供思路和依据。

为实现上述目的，本发明公开的轨道车辆的人耳生物力学研究方法，包括：

采用MIMICS医学三维重建技术，建立完整的人耳听力系统三维模型，该人耳听力系统包括外耳廓、外耳道、鼓膜、听小骨及其附属的各肌肉韧带、锤砧骨关节、砧镫骨关节，其中听小骨包括锤骨、砧骨、镫骨；

将人耳听力系统三维模型导入Hypermesh中进行网格划分，定义自鼓膜到镫骨为结构域，外耳所处声场及中耳腔为流体域，外耳道与中耳腔之间具有缝隙，该位置为鼓膜所在位置，其中鼓膜采用各向异性的三角形壳单元，厚度为0.1mm，外耳流体域、听小骨、中耳腔流体域均采用四面体单元，得到网格质量在0.5及以上的人耳有限元模型及流体域有限元模型；

采用共节点形式建立鼓膜-锤骨柄部、听小骨-韧带、锤骨-砧骨及砧骨-镫骨处的连接，约束韧带顶部所有节点X/Y/Z三个方向的平动自由度与旋转自由度，将试验和文献中获得的人耳组织的材料属性特征赋予相应的部件；

在外耳处建立一个平面波声源作为声学激励，在外耳处施加一系列不同频率、不同声压值的纯音色声波，通过外耳声模态分析与结构域模态分析得出人耳有限元模型及流体域有限元模型的声音敏感频段，并比较该频段与人耳听力系统实际敏感频段的匹配性；以及

通过声固耦合法和模态叠加法分别得到该人耳有限元模型中鼓膜及镫骨底板的声压响应，并与ANSI曲线对比；

结合上述两次比较结果判断所述人耳有限元模型及流体域有限元模型的可靠性；

利用已建立并验证的人耳有限元模型及流体域有限元模型，研究鼓膜及镫骨底板在时域内的瞬态响应和频域内的响应，获得鼓膜穿孔造成听力损伤的气压变化率阀值以及人耳对声音最敏感的频带区域；并研究鼓膜及镫骨底板在咽鼓管通气不良的情况下的声压响应；

根据上述两类研究结果，分析高速列车或地铁车辆在实际运行环境下车厢内噪声对人耳舒适性的影响，并进行损伤预测。

为实现上述目的，本发明还公开一种人耳生物力学模型的建模方法，包括：

采用MIMICS医学三维重建技术，建立完整的人耳听力系统三维模型，该人耳听力系统包括外耳廓、外耳道、鼓膜、听小骨及其附属的各肌肉韧带、锤砧骨关节、砧镫骨关节，其中听小骨包括锤骨、砧骨、镫骨；

将人耳听力系统三维模型导入Hypermesh中进行网格划分，定义自鼓膜到镫骨为结构域，外耳所处声场及中耳腔为流体域，外耳道与中耳腔之间具有缝隙，该位置为鼓膜所在位置，其中鼓膜采用各向异性的三角形壳单元，厚度为0.1mm，外耳流体域、听小骨、中耳腔流体域均采用四面体单元，得到网格质量在0.5及以上的人耳有限元模型及流体域有限元模型；

采用共节点形式建立鼓膜-锤骨柄部、听小骨-韧带、锤骨-砧骨及砧骨-镫骨处的连接，约束韧带顶部所有节点X/Y/Z三个方向的平动自由度与旋转自由度，将试验和文献中获得的人耳组织的材料属性特征赋予相应的部件。

为实现上述目的，本发明还公开一种人耳生物力学模型的验证方法，包括：

建立人耳有限元模型及流体域有限元模型，采用共节点形式建立鼓膜-锤骨柄部、听小骨-韧带、锤骨-砧骨及砧骨-镫骨处的连接；

在外耳处建立一个平面波声源作为声学激励，在外耳处施加一系列不同频率、不同声压值的纯音色声波，通过外耳声模态分析与结构域模态分析得出人耳有限元模型及流体域有限元模型的声音敏感频段，并比较该频段与人耳听力系统实际敏感频段的匹配性；以及

通过声固耦合法和模态叠加法分别得到该人耳有限元模型中鼓膜及镫骨底板的声压响应，并与ANSI曲线对比；

结合上述两次比较结果判断所述人耳有限元模型及流体域有限元模型的可靠性。

为实现上述目的，本发明还公开一种人耳生物力学模型的应用方法于，包括：

建立人耳有限元模型及流体域有限元模型，采用共节点形式建立鼓膜-锤骨柄部、听小骨-韧带、锤骨-砧骨及砧骨-镫骨处的连接；

利用已建立并验证的人耳有限元模型及流体域有限元模型，研究鼓膜及镫骨底板在时域内的瞬态响应和频域内的响应，获得鼓膜穿孔造成听力损伤的气压变化率阀值以及人耳对声音最敏感的频带区域；并研究鼓膜及镫骨底板在咽鼓管通气不良的情况下的声压响应；

根据上述两类研究结果，分析高速列车或地铁车辆在实际运行环境下车厢内噪声对人耳舒适性的影响，并进行损伤预测。

本发明具有以下有益效果：

从生物力学角度出发，建立人耳有限元模型及流体域有限元模型，并对其施加轨道车辆车内实际声场分布作为边界条件，分析鼓膜与镫骨底板的声压响应，进而形成乘员噪声环境下的舒适性评价方法，预测造成听力损伤的因素及耳气压伤的损伤机理，为我国轨道交通装备噪声舒适性的设计和评价提供思路和依据。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

表1是人耳不同组织材料属性；

图1是本发明实施例公开的人耳生物力学模型的建模、验证及应用方法；

图2是本发明实施例公开的志愿者头部断层CT图像；

图3是本发明实施例公开的志愿者人耳听力系统三维模型；

图4是本发明实施例公开的声固耦合结构域有限元模型；

图5是本发明实施例公开的声固耦合流体域有限元模型；

图6(1)-(4)是本发明实施例公开的共振频率分别为2000Hz、4000Hz、5000Hz及8000Hz条件下的外耳声模态共振频率分析；

图7(1)-(4)是本发明实施例公开的频率分别为2000Hz、4000Hz、5000Hz及8000Hz等不同频率时鼓膜与镫骨底板声压响应；

图8是本发明实施例的公开的仿真所得的鼓膜与镫骨底板声压响应与ANSI曲线对比结果。

图中各标号表示：

a、外耳廓，b、外耳道，c、鼓膜，d、锤骨前韧带，e、锤骨侧韧带，f、锤骨上韧带，g、锤骨头部，h、砧骨上韧带，i、砧骨体，j、砧骨后韧带，k、砧骨短脚，l、锤砧骨关节，m、砧骨长脚，n、砧镫骨关节，o、镫骨张肌，p、镫骨，q、锤骨柄，r、锤骨颈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例首先公开一种轨道车辆的人耳生物力学研究方法，如图1所示，包括：

步骤S1、采用MIMICS(Materialise's Interactive Medical Image Control System，Materialise公司发明的一种医学影像控制系统)医学三维重建技术，建立完整的人耳听力系统三维模型，该人耳听力系统包括外耳廓、外耳道、鼓膜、听小骨及其附属的各肌肉韧带、锤砧骨关节、砧镫骨关节，其中听小骨包括锤骨、砧骨、镫骨。

步骤S2、将人耳听力系统三维模型导入Hypermesh中进行网格划分，定义自鼓膜到镫骨为结构域，外耳所处声场及中耳腔为流体域，外耳道与中耳腔之间具有缝隙，该位置为鼓膜所在位置，其中鼓膜采用各向异性的三角形壳单元，厚度为0.1mm，外耳流体域、听小骨、中耳腔流体域均采用四面体单元，得到网格质量在0.5及以上的人耳有限元模型及流体域有限元模型。

步骤S3、采用共节点形式建立鼓膜-锤骨柄部、听小骨-韧带、锤骨-砧骨及砧骨-镫骨处的连接，约束韧带顶部所有节点的X/Y/Z三个方向的平动自由度与旋转自由度，将试验和文献中获得的人耳组织的材料属性特征赋予相应的部件。具体的材料属性特征赋予如表1所示：

表1：

本发明中，上述步骤S1-步骤S3为本发明实施例所公开的人耳生物力学模型的建模方法，验证该模型的可靠性则可以通过下述步骤S4-步骤S6进行验证。

步骤S4、在外耳处建立一个平面波声源作为声学激励，在外耳处施加一系列不同频率、不同声压值的纯音色声波，通过外耳声模态分析与结构域模态分析得出人耳有限元模型及流体域有限元模型的声音敏感频段，并比较该频段与人耳听力系统实际敏感频段的匹配性。

步骤S5、通过声固耦合法和模态叠加法分别得到该人耳有限元模型中鼓膜及镫骨底板的声压响应，并与ANSI(American National Standards Institute，美国国家标准学会)曲线对比。

步骤S6、结合上述两次比较结果判断所述人耳有限元模型及流体域有限元模型的可靠性。如果验证结果为可靠性欠佳，返回上述步骤S1-步骤S3对人耳有限元模型及流体域有限元模型进行修正。本实施例中，可以将平面波声源置换为实际测试获取的噪声数据作为声学边界条件，该人耳有限元模型可用于评价轨道列车车内噪声对人耳舒适性的影响。

本发明中，在通过上述步骤S4-步骤S6验证上述步骤S1-步骤S3所建模型的可靠性之后，可通过下述步骤S7-步骤S8对该模型做相关应用。

步骤S7、利用已建立并验证的人耳有限元模型及流体域有限元模型，研究鼓膜及镫骨底板在时域内的瞬态响应和频域内的响应，获得鼓膜穿孔造成听力损伤的气压变化率阀值以及人耳对声音最敏感的频带区域；并研究鼓膜及镫骨底板在咽鼓管通气不良的情况下的声压响应。

步骤S8、根据上述两类研究结果，分析高速列车或地铁车辆在实际运行环境下车厢内噪声对人耳舒适性的影响，并进行损伤预测。首先，采用噪声测试设备与声压传感器收集高速列车或地铁车辆在不同线路、不同时速、隧道内、交会工况下列车车内噪声场分布及声压变化，作为边界条件施加在外耳流体域入口处；其次，通过有限元法、声固耦合法获取的骨膜与镫骨地板的声压值及位移作为评价人耳噪声舒适性的标准。同时，利用声压变化测试数据可研究具有各向异性的骨膜产生穿孔、破裂等病理学特征的损伤阈值；最后，该人耳有限元模型可推广至不同领域噪声舒适性的研究。

综上，本发明公开的人耳生物力学模型的建模、验证及应用方法，从生物力学角度出发，建立人耳有限元模型及流体域有限元模型，并对其施加实际声场分布边界条件，分析鼓膜与镫骨底板的声压响应，进而形成乘员噪声环境下的舒适性评价方法，预测造成听力损伤的因素及耳气压伤的损伤机理，为我国轨道交通装备噪声舒适性的设计和评价提供思路和依据。

实施例2

为便于本领域技术人员进一步理解本发明方案，本实施例结合具体场景对上述实施例1做进一步补充说明。

本实施例中，评价轨道交通车辆车内噪声舒适性及高速列车通过隧道时引起的耳气压伤的损伤机理与指标的研究方法，以成年健康男性志愿者的人耳听力模型为研究对象，具体实施步骤如下：

(1)、根据志愿者如图2所示的头部断层扫描数据，采用MIMICS医学三维重建技术，建立如图3所示的完整的人耳听力系统三维模型，包括外耳廓、外耳道、鼓膜、锤骨、砧骨、镫骨及其附属的各肌肉韧带、锤砧骨关节、砧镫骨关节。

(2)、将人耳听力系统三维模型导入Hypermesh中进行网格划分，定义自鼓膜到镫骨为结构域，如图4；外耳所处声场及中耳腔为流体域，如图5；外耳道与中耳腔之间的具有一定宽度的缝隙，该位置为鼓膜所在位置，其中鼓膜采用各向异性的三角形壳单元，厚度为0.1mm；外耳流体域、听小骨、中耳腔流体域均采用四面体单元，得到网格质量在0.5及以上的人耳有限元模型及流体域有限元模型，其有限元模型如图5。

(3)、采用共节点形式建立鼓膜-锤骨柄部、听小骨-韧带、锤骨-砧骨及砧骨-镫骨处的连接，约束韧带顶部所有节点X/Y/Z三个方向的平动自由度与旋转自由度，将试验和文献中获得的人耳组织的材料属性特征赋予相应的部件；并计算结构域的前20阶模态响应(对于结构模态，对运动起主导作用的只有低阶模态，同时为观察20000Hz以内的模态振型，固取前20阶)。本实施例中，可利用NASTRAN计算结构域在20～20000Hz之间的模态响应。其中流体域的模态分析则主要用于从声学角度验证了所建立的外耳流体域的有效性和正确性。

(4)、在外耳处建立一个平面波声源作为声学激励，声压参照ANSI所采用的测试方法，即在外耳处施加一系列不同频率、不同声压值的纯音色声波，通过外耳声模态分析与结构域模态分析，如图6，验证的该人耳模型对频率在250～8000Hz的声音最敏感的结论与前期实验(文献)得到的200～8000Hz频带范围匹配良好。通过声固耦合法和模态叠加法分别得到如图7所示的鼓膜(tympanic membrane)及镫骨底板(stapes footplate)的声压响应，与ANSI曲线对比结果如图8所示，充分验证了上述步骤(1)至步骤(3)所建人耳有限元模型及流体域有限元模型的可靠性。

(5)、根据(4)中所建立的人耳有限元模型，可研究人耳在不同气压变化梯度、不同鼓膜内外静压差、不同频率及声压条件下的瞬态和频率响应，确定人耳最敏感的频带区间及造成人耳听力损伤的气压变化梯度阀值，形成人耳舒适性评价方法及耳气压伤的预测方法。

(6)、根据(4)和(5)中所述的内容，依据高速列车或城市轨道列车在实际运行环境下所测得的车厢内噪声声场分布为边界条件，研究人耳有限元模型的动力学响应，评价人耳在该环境中的舒适性指数及预测人耳在高速列车通过隧道时可能引起的耳气压伤。

综上，本发明公开的人耳生物力学研究、建模、验证及应用方法，从生物力学角度出发，建立人耳有限元模型及流体域有限元模型，并对其施加轨道车辆车内实际声场分布作为边界条件，分析鼓膜与镫骨底板的声压响应，进而形成乘员噪声环境下的舒适性评价方法，预测造成听力损伤的因素及耳气压伤的损伤机理，为我国轨道交通装备噪声舒适性的设计和评价提供思路和依据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。