第二章 以有限元素法分析活人體外耳道聲壓特性
2.5 討論
軟骨部與顳骨的物理特性，及聲音的頻率特性，致使在耳道內產生駐波，而導 致其頻率及振幅特性改變。在臨床上為了解耳道內聲場，需利用真耳測試法進行耳 道內聲場量測，但只能控制探管式麥克風在耳道內的深度位置，並無法準確量測耳 道內任意點的聲壓，且無法考量到耳道內反射係數影響耳道內聲場量測的差異值。
在 REM 方面，發現增益量最容易在 2 kHz 到 4 kHz 之間發生，如圖 2-16 所示。
給予右耳 60 dB SPL 刺激音其 0.5 kHz、1 kHz、2 kHz、4 kHz 之值，可得知於 0.5 kHz 及 1 kHz 無明顯增益，2 kHz 到 4 kHz 為主要增益頻率，其中最接近耳膜之 2.0 cm 處，4 kHz 之增益量為最大。在 FEM 中，由圖 2-17 到圖 2-20 的聲壓分佈圖，可觀 察出當頻率高於 1 kHz 的時候，最大聲壓分佈區域開始往耳道口移動，並發現聲壓 方向性的不同；當聲音在低於 1 kHz 時，雖然 REM 與 FEM 皆無明顯增益量之變化，
但 REM 是無法量測聲壓之方向性，卻可由 FEM 的聲壓分佈圖中，獲知聲壓的方向 性。當頻率為 2 kHz 到 4 kHz 時，REM 與 FEM 皆可得知聲壓分佈呈現穩態趨勢，
越靠近耳膜的地方聲壓越大。在外耳道內 2.0 cm 處頻率 2 kHz 時，由 REM 和 FEM 得知之增益量，相差 6.94 dB，在 4 kHz 時，差距縮減為 1.51 dB。而在外耳道內 0.5、
1.0 和 1.5 cm 處，頻率為 2 kHz 到 4 kHz 時，增益量差距都略有不同，但趨勢是相 同的，如圖 2-21 到圖 2-24 所示。本研究在 FEM 中使用一般空氣流體之材料參數，
而真實活人體耳道內空氣材料參數尚未得知是否有變異，可能是產生以上變數原因。
由結果可知有限元素法除了可模擬耳道內聲壓分佈，更能分析耳道內聲音傳遞 的方向特性，由於在當聲音經過外耳道內時，會造成耳道共振效應，而產生增益量，
並將放大傳聲壓遞至耳膜。但在高頻時，由於聲音頻率特性，耳道內最大聲壓開始 往耳道口移動。在 FEM 中，可呈現 3D 視覺化的分佈，且在 1 kHz 以下可以量測到
當硬骨部吸收率固定時，軟骨部吸收率越小，增益量越大，如表 2-5 至表 2-7 所示。以 4 kHz 來說，硬骨部吸收率 0.1，軟骨部吸收率在最小 0.5 時，其增益量為 14.49 dB；當硬骨部吸收率為 0.2 時，軟骨部吸收率在最小 0.5 時，其增益量為 12.03 dB；當硬骨部吸收率為 0.3 時，軟骨部吸收率在最小 0.5 時，其增益量為 11.29 dB 。 由此可知，硬骨部吸收率越小，增益量同樣也會越大。
在圖 2-25 至圖 2-28 可以清楚看到軟硬骨部之吸收率在外耳道內不同深度，其 增益量的變化。吸收率越小代表其材料性質越硬，硬骨部材料特性越硬，其耳道內 增益量越大；當軟骨部材料特性越硬，其耳道內聲場增益量同樣提高。因此，硬骨 部與軟骨部之材料特性對耳道內聲場的增益量是會影響的。此外，藉由有限元素模 型之分析，可更進一步得知，當耳道壁組織之材料特性的改變，是會影響其對聲音 之吸收率，進而改變耳道內聲場之增益量。故建立有限元素模型，用以分析活人體 外耳道內之聲壓特性，是可用來彌補 REM 之不足。
圖 2- 16 右耳道不同位置增益
1
MN
MX
-.350E-08 -.253E-08
-.156E-08 -.597E-09
.370E-09 .134E-08
.230E-08 .327E-08
.424E-08 .520E-08 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =8 FREQ=1000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0
DMX =.125E-10 SMN =-.350E-08 SMX =.520E-08
1 kHz
1
MN
MX
-.271E-07 -.201E-07
-.131E-07 -.614E-08
.857E-09 .785E-08
.148E-07 .218E-07
.288E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =16 FREQ=2000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0
DMX =.250E-10 SMN =-.271E-07 SMX =.358E-07
.358E-07
2 kHz
圖 2- 17 硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5，刺激頻率為 1 kHz 到 2 kHz 時 之耳道內聲壓分佈
1
MN
MX
-.823E-07 -.641E-07
-.459E-07 -.277E-07
-.956E-08 .863E-08
.268E-07 .450E-07
.632E-07 .814E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =24 FREQ=3000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0
DMX =.375E-10 SMN =-.823E-07 SMX =.814E-07
3 kHz
1
MN
MX
-.162E-06 -.133E-06
-.103E-06 -.731E-07
-.433E-07 -.135E-07
.163E-07 .461E-07
.758E-07 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =32 FREQ=4000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0
DMX =.500E-10 SMN =-.162E-06 SMX =.106E-06
.106E-06
4 kHz
圖 2- 18 硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5，刺激頻率為 3 kHz 到 4 kHz 時 之耳道內聲壓分佈
1
MN MX
-.261E-06 -.216E-06
-.171E-06 -.126E-06
-.810E-07 -.359E-07
.926E-08 .544E-07
.995E-07 .145E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =40 FREQ=5000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0
DMX =.625E-10 SMN =-.261E-06 SMX =.145E-06
5 kHz
1
MN
MX
-.385E-06 -.315E-06
-.244E-06 -.174E-06
-.104E-06 -.334E-07
.369E-07 .107E-06
.178E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =48 FREQ=6000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0
DMX =.750E-10 SMN =-.385E-06 SMX =.248E-06
.248E-06
6 kHz
圖 2- 19 硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5，刺激頻率為 5 kHz 到 6 kHz 時 之耳道內聲壓分佈
1
MN
MX
-.536E-06 -.432E-06
-.329E-06 -.225E-06
-.121E-06 -.174E-07
.864E-07 .190E-06
.294E-06 .398E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =56 FREQ=7000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0
DMX =.875E-10 SMN =-.536E-06 SMX =.398E-06
7 kHz
1
MN
MX
-.703E-06 -.562E-06
-.420E-06 -.279E-06
-.137E-06 .410E-08
.146E-06 .287E-06
.429E-06 NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB =64 FREQ=8000 REAL ONLY PRES (AVG) RSYS=0
DMX =.100E-09 SMN =-.703E-06 SMX =.570E-06
.570E-06
8 kHz
圖 2- 20 硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5，刺激頻率為 7 kHz 到 8 kHz 時 之耳道內聲壓分佈
0 2000 4000 6000 8000 Frequence (Hz)
-80 -60 -40 -20 0 20 40
Gain ( d B)
2.0 cm
Temporal bone_0.1 Cartage part_0.5 Real ear measurement
圖 2- 21 當硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5 時，FEM 分析及 REM 量測耳 道內 2.0 cm 處之增益量
-80 -60 -40 -20 0 20
Gain ( d B)
1.5 cm
Temporal bone_0.1 Cartage part_0.5 Real ear measurement
0 2000 4000 6000 8000
Frequence (Hz)
圖 2- 22 當硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5 時，FEM 分析及 REM 量測耳 道內 1.5 cm 處之增益
0 2000 4000 6000 8000 Frequence (Hz)
-80 -60 -40 -20 0 20 40
Gain ( d B)
1.0 cm
Temporal bone_0.1 Cartage part_0.5 Real ear measurement
圖 2- 23 當硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5 時，FEM 分析及 REM 量測耳 道內 1.0 cm 處之增益量
-80 -60 -40 -20 0 20 40
Gain ( d B)
0.5 cm
Temporal bone_0.1 Cartage part_0.5 Real ear measurement
0 2000 4000 6000 8000
Frequence (Hz)
圖 2- 24 當硬骨部吸收率為 0.1 及軟骨部吸收率為 0.5 時，FEM 分析及 REM 量測耳 道內 0.5 cm 處之增益量
表 2- 5 硬骨部吸收率為 0.1 之頻率最大增益量 (dB)
頻率 軟骨部吸收率 0.5 軟骨部吸收率 0.7 軟骨部吸收率 0.9
125 Hz
-65.6 -67.37 -68.72250 Hz
-47.55 -49.33 -50.68500 Hz
-29.53 -31.32 -32.71750 Hz
-19.05 -20.86 -22.271 kHz
-11.70 -13.56 -15.022 kHz
5.06 2.86 1.063 kHz
12.19 9.38 7.024 kHz
14.49 11.39 8.935 kHz
17.21 14.73 13.036 kHz
21.87 19.33 17.277 kHz
25.98 22.95 20.598 kHz
29.10 25.77 23.11表 2- 6 硬骨部吸收率為 0.2 之頻率最大增益量 (dB)
頻率 軟骨部吸收率 0.5 軟骨部吸收率 0.7 軟骨部吸收率 0.9
125 Hz
-64.29 -65.43 -66.38250 Hz
-46.34 -47.47 -48.45500 Hz
-28.66 -29.88 -30.93750 Hz
-18.71 -20.04 -21.251 kHz
-12.01 -13.56 -14.892 kHz
1.10 -1.31 -3.293 kHz
6.77 4.32 2.384 kHz
12.03 9.62 7.865 kHz
17.14 14.73 12.976 kHz
21.47 18.94 16.967 kHz
25.23 22.38 20.098 kHz
28.21 25.18 22.67表 2- 7 硬組織吸收率為 0.3 之頻率最大增益量 (dB)
頻率 軟骨部吸收率 0.5 軟骨部吸收率 0.7 軟骨部吸收率 0.9
125 Hz
-63.94 -64.66 -65.35250 Hz
-46.05 -46.80 -47.54500 Hz
-28.68 -29.63 -30.52750 Hz
-19.21 -20.45 -21.511 kHz
-13.13 -14.66 -16.002 kHz
-2.21 -4.36 -6.053 kHz
4.93 2.86 1.214 kHz
11.29 9.11 7.535 kHz
16.59 14.32 12.606 kHz
20.94 18.49 16.597 kHz
24.66 22.01 19.788 kHz
27.78 24.89 22.480 2000 4000 6000 8000 Frequence (Hz)
-60 0 20
Gai n ( d B)
hard_tissue_absorption 0.1 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
hard_tissue_absorption 0.2 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
hard_tissue_absorption 0.3 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
2.0 cm
圖 2- 25 硬骨部與軟骨部之吸收率對外耳道內 2.0 cm 處之增益量的影響
0 2000 4000 6000 8000
Frequence (Hz) -60
-40 -20 0 20
Ga in (d B)
hard_tissue_absorption 0.1 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
hard_tissue_absorption 0.2 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
hard_tissue_absorption 0.3 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
1.5 cm
0 2000 4000 6000 8000 Frequence (Hz)
-60 0 20
Gai n ( d B )
hard_tissue_absorption 0.1 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
hard_tissue_absorption 0.2 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
hard_tissue_absorption 0.3 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
1.0 cm
圖 2- 27 硬骨部與軟骨部之吸收率對外耳道內 1.0 cm 處之增益量的影響
0 2000 4000 6000 8000
Frequence (Hz) -100
-80 -60 0 20
Ga in (dB )
hard_tissue_absorption 0.1 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
hard_tissue_absorption 0.2 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
hard_tissue_absorption 0.3 soft_tissue_absorption 0.5 soft_tissue_absorption 0.7 soft_tissue_absorption 0.9
0.5 cm
圖 2- 28 硬骨部與軟骨部之吸收率對外耳道內 0.5 cm 處之增益量的影響