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在户外或运动场景中，风噪干扰通信信号，影响助听器和可穿戴听力设备（hearables）的功能。研究人员通过计算流体动力学（CFD）开展风噪物理驱动机制的研究。结果发现不同风速下头部周围流场特征、风噪产生规律等。该研究有助于优化设备设计，提升用户体验。
在日常生活中，很多人都有过这样的经历：在户外使用助听器或可穿戴听力设备时，呼啸的风声常常干扰正常的语音交流，让人听不清对方说话。据美国疾病控制与预防中心 2018 年报告，14% 的美国人存在一定程度的听力损失，而全球智能手机用户多达 69 亿 ，无论是听力受损者还是普通人，在户外通信时都深受风噪困扰。以往的研究虽然对风噪有了一些定性的认识，但在理解与人类头部周围主要流场特征相关的压力波动物理机制方面存在明显不足。为了深入探究这一问题，德国埃尔朗根 - 纽伦堡大学（Friedrich - Alexander - Universit?t Erlangen - Nürnberg）等机构的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Scientific Reports》上，为改善听力设备性能、提升用户体验提供了重要依据。
研究人员主要运用了计算流体动力学（CFD）和实验验证两种关键技术方法。在 CFD 模拟中，使用商业流动求解器 STAR - CCM + 求解不可压缩 Navier - Stokes 方程，采用壁面解析大涡模拟（LES）结合 WALE 亚网格模型，对不同头部模型在不同风速下的流场进行模拟。同时，通过风洞实验，以人工头部 KEMAR 为模型，测量耳内压力波动，对模拟结果进行验证。
研究结果如下：
- 流场特征与涡旋形成：通过分析压力系数（cp）和皮肤摩擦系数（cf）的分布，研究人员发现，当气流从正面中心接近头部时，在每个头部几何形状和风速下，停滞点都位于矢状平面上。KEMAR 在颧骨和蝶骨区域有大面积的负压系数，女性和男性头部在太阳穴区域也有类似情况，且所有头部在头顶区域都存在负压系数。对比不同风速，压力系数分布相似，但男性和女性头部在头骨后部的压力系数有所降低。在涡旋形成方面，所有头部在太阳穴区域都会产生初始的大规模涡旋分离，并向上方平面扩散至耳廓上缘；在下巴区域形成大涡旋，沿下颌骨向下游扩散；在耳廓附近会出现小规模涡旋分离，且风速增加时，小规模涡旋脱落位置更靠前。
- 风压波动：对头部表面和耳内的风压波动进行研究，发现所有头部几何形状在耳廓及其上方区域的压力波动都尤为明显。通过对不同监测点压力波动的傅里叶分析和 A 加权处理，结果表明，风速增加会导致压力水平升高，且在所有频率范围内，潜在的耳后式（BTE）助听器参考点PU的压力水平最高，耳道入口处的PL点次之。进入耳道后，在C01点压力水平会显著降低，不同头部在不同频率范围内压力水平下降情况各异，从C03点起，压力水平基本不再显著降低。计算 A 加权总声压级（LPA）后发现，20 km/h 时耳外记录的风噪压力水平比繁忙道路上的测量值还高。
- 耳道对湍流速度波动的影响：研究不同耳道内的湍流动能（TKE）发现，解剖学上精确建模的耳道比 KEMAR 延长的圆柱状耳道能更有效地衰减湍流速度波动。在 10 km/h 风速下，男性和女性生理耳道在C04点湍流波动已大幅衰减，而 KEMAR 耳道直到C11点才接近零。20 km/h 时，所有模型进入耳道的湍流动能初始值都增加，但自然耳道仍能强烈衰减速度波动，KEMAR 人工延长耳道的速度波动在C03 - C05点急剧下降，随后略有增加，直到C12点完全衰减。
研究结论和讨论部分指出，该研究首次利用 CFD 对人类头部周围的三维流场进行研究，通过风洞实验验证了模拟方法的有效性。研究揭示了不同头部几何形状在不同风速下的普遍流场特征，明确了风噪产生的关键区域和机制。这些结果有助于解释为什么耳后式助听器在风中性能较差，而深入耳道式的助听器表现更好。从流体力学角度为听力设备的设计提供了理论依据，建议现代听力设备应尽可能置于耳道内，以减少风噪影响。同时，研究也存在一定局限性，如未考虑头部毛发、帽子和胡须对风噪的影响，且仅研究了纯流体动力压力波动引起的风噪，后续研究将结合气动声学方法，进一步探究户外通信场景中的风噪问题，为改善虚拟现实、优化通信和医疗设备设计提供更深入的物理见解 。
