本發(fā)明涉及人耳生物力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種人耳生物力學(xué)模型的建模、驗證及應(yīng)用于軌道車輛噪聲對人耳舒適性評價及耳氣壓傷預(yù)測的研究方法。

背景技術(shù)：

我國高速鐵路及城市軌道交通裝備的發(fā)展和核心技術(shù)的突破使其在國際競爭與合作中保持主動的優(yōu)勢地位，提高乘員舒適性是軌道交通技術(shù)研究的重要課題之一。目前，高速列車車內(nèi)噪聲品質(zhì)的評價指標(biāo)多以所測實際噪聲聲場分布或乘員主觀評價為主，缺乏更為直觀深入的評價方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于公開一種軌道車輛的人耳生物力學(xué)研究、建模、驗證及應(yīng)用方法，為軌道交通裝備噪聲舒適性的設(shè)計和評價提供思路和依據(jù)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開的軌道車輛的人耳生物力學(xué)研究方法，包括：

采用MIMICS醫(yī)學(xué)三維重建技術(shù)，建立完整的人耳聽力系統(tǒng)三維模型，該人耳聽力系統(tǒng)包括外耳廓、外耳道、鼓膜、聽小骨及其附屬的各肌肉韌帶、錘砧骨關(guān)節(jié)、砧鐙骨關(guān)節(jié)，其中聽小骨包括錘骨、砧骨、鐙骨；

將人耳聽力系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義自鼓膜到鐙骨為結(jié)構(gòu)域，外耳所處聲場及中耳腔為流體域，外耳道與中耳腔之間具有縫隙，該位置為鼓膜所在位置，其中鼓膜采用各向異性的三角形殼單元，厚度為0.1mm，外耳流體域、聽小骨、中耳腔流體域均采用四面體單元，得到網(wǎng)格質(zhì)量在0.5及以上的人耳有限元模型及流體域有限元模型；

采用共節(jié)點形式建立鼓膜-錘骨柄部、聽小骨-韌帶、錘骨-砧骨及砧骨-鐙骨處的連接，約束韌帶頂部所有節(jié)點X/Y/Z三個方向的平動自由度與旋轉(zhuǎn)自由度，將試驗和文獻(xiàn)中獲得的人耳組織的材料屬性特征賦予相應(yīng)的部件；

在外耳處建立一個平面波聲源作為聲學(xué)激勵，在外耳處施加一系列不同頻率、不同聲壓值的純音色聲波，通過外耳聲模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)域模態(tài)分析得出人耳有限元模型及流體域有限元模型的聲音敏感頻段，并比較該頻段與人耳聽力系統(tǒng)實際敏感頻段的匹配性；以及

通過聲固耦合法和模態(tài)疊加法分別得到該人耳有限元模型中鼓膜及鐙骨底板的聲壓響應(yīng)，并與ANSI曲線對比；

結(jié)合上述兩次比較結(jié)果判斷所述人耳有限元模型及流體域有限元模型的可靠性；

利用已建立并驗證的人耳有限元模型及流體域有限元模型，研究鼓膜及鐙骨底板在時域內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)和頻域內(nèi)的響應(yīng)，獲得鼓膜穿孔造成聽力損傷的氣壓變化率閥值以及人耳對聲音最敏感的頻帶區(qū)域；并研究鼓膜及鐙骨底板在咽鼓管通氣不良的情況下的聲壓響應(yīng)；

根據(jù)上述兩類研究結(jié)果，分析高速列車或地鐵車輛在實際運行環(huán)境下車廂內(nèi)噪聲對人耳舒適性的影響，并進(jìn)行損傷預(yù)測。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還公開一種人耳生物力學(xué)模型的建模方法，包括：

采用MIMICS醫(yī)學(xué)三維重建技術(shù)，建立完整的人耳聽力系統(tǒng)三維模型，該人耳聽力系統(tǒng)包括外耳廓、外耳道、鼓膜、聽小骨及其附屬的各肌肉韌帶、錘砧骨關(guān)節(jié)、砧鐙骨關(guān)節(jié)，其中聽小骨包括錘骨、砧骨、鐙骨；

將人耳聽力系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義自鼓膜到鐙骨為結(jié)構(gòu)域，外耳所處聲場及中耳腔為流體域，外耳道與中耳腔之間具有縫隙，該位置為鼓膜所在位置，其中鼓膜采用各向異性的三角形殼單元，厚度為0.1mm，外耳流體域、聽小骨、中耳腔流體域均采用四面體單元，得到網(wǎng)格質(zhì)量在0.5及以上的人耳有限元模型及流體域有限元模型；

采用共節(jié)點形式建立鼓膜-錘骨柄部、聽小骨-韌帶、錘骨-砧骨及砧骨-鐙骨處的連接，約束韌帶頂部所有節(jié)點X/Y/Z三個方向的平動自由度與旋轉(zhuǎn)自由度，將試驗和文獻(xiàn)中獲得的人耳組織的材料屬性特征賦予相應(yīng)的部件。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還公開一種人耳生物力學(xué)模型的驗證方法，包括：

建立人耳有限元模型及流體域有限元模型，采用共節(jié)點形式建立鼓膜-錘骨柄部、聽小骨-韌帶、錘骨-砧骨及砧骨-鐙骨處的連接；

在外耳處建立一個平面波聲源作為聲學(xué)激勵，在外耳處施加一系列不同頻率、不同聲壓值的純音色聲波，通過外耳聲模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)域模態(tài)分析得出人耳有限元模型及流體域有限元模型的聲音敏感頻段，并比較該頻段與人耳聽力系統(tǒng)實際敏感頻段的匹配性；以及

通過聲固耦合法和模態(tài)疊加法分別得到該人耳有限元模型中鼓膜及鐙骨底板的聲壓響應(yīng)，并與ANSI曲線對比；

結(jié)合上述兩次比較結(jié)果判斷所述人耳有限元模型及流體域有限元模型的可靠性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還公開一種人耳生物力學(xué)模型的應(yīng)用方法于，包括：

建立人耳有限元模型及流體域有限元模型，采用共節(jié)點形式建立鼓膜-錘骨柄部、聽小骨-韌帶、錘骨-砧骨及砧骨-鐙骨處的連接；

利用已建立并驗證的人耳有限元模型及流體域有限元模型，研究鼓膜及鐙骨底板在時域內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)和頻域內(nèi)的響應(yīng)，獲得鼓膜穿孔造成聽力損傷的氣壓變化率閥值以及人耳對聲音最敏感的頻帶區(qū)域；并研究鼓膜及鐙骨底板在咽鼓管通氣不良的情況下的聲壓響應(yīng)；

根據(jù)上述兩類研究結(jié)果，分析高速列車或地鐵車輛在實際運行環(huán)境下車廂內(nèi)噪聲對人耳舒適性的影響，并進(jìn)行損傷預(yù)測。

本發(fā)明具有以下有益效果：

從生物力學(xué)角度出發(fā)，建立人耳有限元模型及流體域有限元模型，并對其施加軌道車輛車內(nèi)實際聲場分布作為邊界條件，分析鼓膜與鐙骨底板的聲壓響應(yīng)，進(jìn)而形成乘員噪聲環(huán)境下的舒適性評價方法，預(yù)測造成聽力損傷的因素及耳氣壓傷的損傷機(jī)理，為我國軌道交通裝備噪聲舒適性的設(shè)計和評價提供思路和依據(jù)。

下面將參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

表1是人耳不同組織材料屬性；

圖1是本發(fā)明實施例公開的人耳生物力學(xué)模型的建模、驗證及應(yīng)用方法；

圖2是本發(fā)明實施例公開的志愿者頭部斷層CT圖像；

圖3是本發(fā)明實施例公開的志愿者人耳聽力系統(tǒng)三維模型；

圖4是本發(fā)明實施例公開的聲固耦合結(jié)構(gòu)域有限元模型；

圖5是本發(fā)明實施例公開的聲固耦合流體域有限元模型；

圖6(1)-(4)是本發(fā)明實施例公開的共振頻率分別為2000Hz、4000Hz、5000Hz及8000Hz條件下的外耳聲模態(tài)共振頻率分析；

圖7(1)-(4)是本發(fā)明實施例公開的頻率分別為2000Hz、4000Hz、5000Hz及8000Hz等不同頻率時鼓膜與鐙骨底板聲壓響應(yīng)；

圖8是本發(fā)明實施例的公開的仿真所得的鼓膜與鐙骨底板聲壓響應(yīng)與ANSI曲線對比結(jié)果。

圖中各標(biāo)號表示：

a、外耳廓，b、外耳道，c、鼓膜，d、錘骨前韌帶，e、錘骨側(cè)韌帶，f、錘骨上韌帶，g、錘骨頭部，h、砧骨上韌帶，i、砧骨體，j、砧骨后韌帶，k、砧骨短腳，l、錘砧骨關(guān)節(jié)，m、砧骨長腳，n、砧鐙骨關(guān)節(jié)，o、鐙骨張肌，p、鐙骨，q、錘骨柄，r、錘骨頸。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

實施例1

本實施例首先公開一種軌道車輛的人耳生物力學(xué)研究方法，如圖1所示，包括：

步驟S1、采用MIMICS(Materialise's Interactive Medical Image Control System，Materialise公司發(fā)明的一種醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng))醫(yī)學(xué)三維重建技術(shù)，建立完整的人耳聽力系統(tǒng)三維模型，該人耳聽力系統(tǒng)包括外耳廓、外耳道、鼓膜、聽小骨及其附屬的各肌肉韌帶、錘砧骨關(guān)節(jié)、砧鐙骨關(guān)節(jié)，其中聽小骨包括錘骨、砧骨、鐙骨。

步驟S2、將人耳聽力系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義自鼓膜到鐙骨為結(jié)構(gòu)域，外耳所處聲場及中耳腔為流體域，外耳道與中耳腔之間具有縫隙，該位置為鼓膜所在位置，其中鼓膜采用各向異性的三角形殼單元，厚度為0.1mm，外耳流體域、聽小骨、中耳腔流體域均采用四面體單元，得到網(wǎng)格質(zhì)量在0.5及以上的人耳有限元模型及流體域有限元模型。

步驟S3、采用共節(jié)點形式建立鼓膜-錘骨柄部、聽小骨-韌帶、錘骨-砧骨及砧骨-鐙骨處的連接，約束韌帶頂部所有節(jié)點的X/Y/Z三個方向的平動自由度與旋轉(zhuǎn)自由度，將試驗和文獻(xiàn)中獲得的人耳組織的材料屬性特征賦予相應(yīng)的部件。具體的材料屬性特征賦予如表1所示：

表1：

本發(fā)明中，上述步驟S1-步驟S3為本發(fā)明實施例所公開的人耳生物力學(xué)模型的建模方法，驗證該模型的可靠性則可以通過下述步驟S4-步驟S6進(jìn)行驗證。

步驟S4、在外耳處建立一個平面波聲源作為聲學(xué)激勵，在外耳處施加一系列不同頻率、不同聲壓值的純音色聲波，通過外耳聲模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)域模態(tài)分析得出人耳有限元模型及流體域有限元模型的聲音敏感頻段，并比較該頻段與人耳聽力系統(tǒng)實際敏感頻段的匹配性。

步驟S5、通過聲固耦合法和模態(tài)疊加法分別得到該人耳有限元模型中鼓膜及鐙骨底板的聲壓響應(yīng)，并與ANSI(American National Standards Institute，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會)曲線對比。

步驟S6、結(jié)合上述兩次比較結(jié)果判斷所述人耳有限元模型及流體域有限元模型的可靠性。如果驗證結(jié)果為可靠性欠佳，返回上述步驟S1-步驟S3對人耳有限元模型及流體域有限元模型進(jìn)行修正。本實施例中，可以將平面波聲源置換為實際測試獲取的噪聲數(shù)據(jù)作為聲學(xué)邊界條件，該人耳有限元模型可用于評價軌道列車車內(nèi)噪聲對人耳舒適性的影響。

本發(fā)明中，在通過上述步驟S4-步驟S6驗證上述步驟S1-步驟S3所建模型的可靠性之后，可通過下述步驟S7-步驟S8對該模型做相關(guān)應(yīng)用。

步驟S7、利用已建立并驗證的人耳有限元模型及流體域有限元模型，研究鼓膜及鐙骨底板在時域內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)和頻域內(nèi)的響應(yīng)，獲得鼓膜穿孔造成聽力損傷的氣壓變化率閥值以及人耳對聲音最敏感的頻帶區(qū)域；并研究鼓膜及鐙骨底板在咽鼓管通氣不良的情況下的聲壓響應(yīng)。

步驟S8、根據(jù)上述兩類研究結(jié)果，分析高速列車或地鐵車輛在實際運行環(huán)境下車廂內(nèi)噪聲對人耳舒適性的影響，并進(jìn)行損傷預(yù)測。首先，采用噪聲測試設(shè)備與聲壓傳感器收集高速列車或地鐵車輛在不同線路、不同時速、隧道內(nèi)、交會工況下列車車內(nèi)噪聲場分布及聲壓變化，作為邊界條件施加在外耳流體域入口處；其次，通過有限元法、聲固耦合法獲取的骨膜與鐙骨地板的聲壓值及位移作為評價人耳噪聲舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。同時，利用聲壓變化測試數(shù)據(jù)可研究具有各向異性的骨膜產(chǎn)生穿孔、破裂等病理學(xué)特征的損傷閾值；最后，該人耳有限元模型可推廣至不同領(lǐng)域噪聲舒適性的研究。

綜上，本發(fā)明公開的人耳生物力學(xué)模型的建模、驗證及應(yīng)用方法，從生物力學(xué)角度出發(fā)，建立人耳有限元模型及流體域有限元模型，并對其施加實際聲場分布邊界條件，分析鼓膜與鐙骨底板的聲壓響應(yīng)，進(jìn)而形成乘員噪聲環(huán)境下的舒適性評價方法，預(yù)測造成聽力損傷的因素及耳氣壓傷的損傷機(jī)理，為我國軌道交通裝備噪聲舒適性的設(shè)計和評價提供思路和依據(jù)。

實施例2

為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明方案，本實施例結(jié)合具體場景對上述實施例1做進(jìn)一步補充說明。

本實施例中，評價軌道交通車輛車內(nèi)噪聲舒適性及高速列車通過隧道時引起的耳氣壓傷的損傷機(jī)理與指標(biāo)的研究方法，以成年健康男性志愿者的人耳聽力模型為研究對象，具體實施步驟如下：

(1)、根據(jù)志愿者如圖2所示的頭部斷層掃描數(shù)據(jù)，采用MIMICS醫(yī)學(xué)三維重建技術(shù)，建立如圖3所示的完整的人耳聽力系統(tǒng)三維模型，包括外耳廓、外耳道、鼓膜、錘骨、砧骨、鐙骨及其附屬的各肌肉韌帶、錘砧骨關(guān)節(jié)、砧鐙骨關(guān)節(jié)。

(2)、將人耳聽力系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義自鼓膜到鐙骨為結(jié)構(gòu)域，如圖4；外耳所處聲場及中耳腔為流體域，如圖5；外耳道與中耳腔之間的具有一定寬度的縫隙，該位置為鼓膜所在位置，其中鼓膜采用各向異性的三角形殼單元，厚度為0.1mm；外耳流體域、聽小骨、中耳腔流體域均采用四面體單元，得到網(wǎng)格質(zhì)量在0.5及以上的人耳有限元模型及流體域有限元模型，其有限元模型如圖5。

(3)、采用共節(jié)點形式建立鼓膜-錘骨柄部、聽小骨-韌帶、錘骨-砧骨及砧骨-鐙骨處的連接，約束韌帶頂部所有節(jié)點X/Y/Z三個方向的平動自由度與旋轉(zhuǎn)自由度，將試驗和文獻(xiàn)中獲得的人耳組織的材料屬性特征賦予相應(yīng)的部件；并計算結(jié)構(gòu)域的前20階模態(tài)響應(yīng)(對于結(jié)構(gòu)模態(tài)，對運動起主導(dǎo)作用的只有低階模態(tài)，同時為觀察20000Hz以內(nèi)的模態(tài)振型，固取前20階)。本實施例中，可利用NASTRAN計算結(jié)構(gòu)域在20～20000Hz之間的模態(tài)響應(yīng)。其中流體域的模態(tài)分析則主要用于從聲學(xué)角度驗證了所建立的外耳流體域的有效性和正確性。

(4)、在外耳處建立一個平面波聲源作為聲學(xué)激勵，聲壓參照ANSI所采用的測試方法，即在外耳處施加一系列不同頻率、不同聲壓值的純音色聲波，通過外耳聲模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)域模態(tài)分析，如圖6，驗證的該人耳模型對頻率在250～8000Hz的聲音最敏感的結(jié)論與前期實驗(文獻(xiàn))得到的200～8000Hz頻帶范圍匹配良好。通過聲固耦合法和模態(tài)疊加法分別得到如圖7所示的鼓膜(tympanic membrane)及鐙骨底板(stapes footplate)的聲壓響應(yīng)，與ANSI曲線對比結(jié)果如圖8所示，充分驗證了上述步驟(1)至步驟(3)所建人耳有限元模型及流體域有限元模型的可靠性。

(5)、根據(jù)(4)中所建立的人耳有限元模型，可研究人耳在不同氣壓變化梯度、不同鼓膜內(nèi)外靜壓差、不同頻率及聲壓條件下的瞬態(tài)和頻率響應(yīng)，確定人耳最敏感的頻帶區(qū)間及造成人耳聽力損傷的氣壓變化梯度閥值，形成人耳舒適性評價方法及耳氣壓傷的預(yù)測方法。

(6)、根據(jù)(4)和(5)中所述的內(nèi)容，依據(jù)高速列車或城市軌道列車在實際運行環(huán)境下所測得的車廂內(nèi)噪聲聲場分布為邊界條件，研究人耳有限元模型的動力學(xué)響應(yīng)，評價人耳在該環(huán)境中的舒適性指數(shù)及預(yù)測人耳在高速列車通過隧道時可能引起的耳氣壓傷。

綜上，本發(fā)明公開的人耳生物力學(xué)研究、建模、驗證及應(yīng)用方法，從生物力學(xué)角度出發(fā)，建立人耳有限元模型及流體域有限元模型，并對其施加軌道車輛車內(nèi)實際聲場分布作為邊界條件，分析鼓膜與鐙骨底板的聲壓響應(yīng)，進(jìn)而形成乘員噪聲環(huán)境下的舒適性評價方法，預(yù)測造成聽力損傷的因素及耳氣壓傷的損傷機(jī)理，為我國軌道交通裝備噪聲舒適性的設(shè)計和評價提供思路和依據(jù)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。