فناوری انتقال استخوانی در هدفون ها یا فناوری گوش باز

مقدمه
فناوری انتقال استخوانی (Bone Conduction) در هدفونها یک روش خاص برای انتقال صداست که برخلاف هدفونهای سنتی، صدا را از طریق ارتعاش استخوانهای جمجمه (معمولاً استخوان گونه یا فک) به گوش داخلی (cochlea) منتقل میکند، بدون اینکه نیازی به عبور امواج صوتی از طریق پرده گوش باشد.
فناوری هدایت استخوانی در هدفون ها که ارتعاشات را مستقیماً به گوش داخلی می فرستد و پرده گوش را دور می زند، در حال استفاده روزافزون است، که از منشأ آن در دستگاه های شنوایی پزشکی، به سمت مصرف کنندگان اصلی و برنامه های ارتباطی استراتژیک تکامل یافته است.
پیشینه تاریخی:
شاید بتوان گفت نخستین اشاره به انتقال استخوانی به قرن 18 میلادی برمیگردد، زمانیکه لودویگ فان بتهوون، آهنگساز معروف که دچار ناشنوایی شده بود، با قرار دادن چوب روی پیانو و دندانهایش میتوانست ارتعاشات را احساس کرده و موسیقی را بشنود.
استفاده اولیه در چه حوزههایی بود؟
قبل از استفاده تجاری:
- در ورزشهای فضای باز و ورزشکاران برای حفظ ایمنی و شنیدن محیط.
- در ارتش برای ارتباطهای بدون مسدود کردن شنوایی محیطی (مثلاً در کلاهخودهای نظامی).
- در پزشکی، بهویژه برای کمک به افراد ناشنوا یا دارای کمشنوایی رسانشی.
نحوه کار

در حالت معمولی، صدا از طریق هوا حرکت کرده و پردهی گوش را به ارتعاش درمیآورد. اما در فناوری انتقال استخوانی:
- بلندگوهای هدفون روی استخوان گونه یا نزدیک گوش قرار میگیرند.
- ارتعاشات صوتی مستقیماً به استخوان منتقل میشوند.
- این ارتعاشات از طریق استخوان به حلزون گوش (cochlea) میرسند.
- مغز این سیگنالها را بهعنوان صدا تفسیر میکند، مثل همیشه.
پیشنهاد ویژه:
« اولین و کاملترین دوره آموزشی نرم افزار اودئون ODEON برای طراحی آکوستیک »
ثبت نام دوره آموزشی نرم افزار اودئون ODEON
مزایا:
- حفظ شنوایی طبیعی: چون کانال گوش باز میماند، کاربر هنوز میتواند صدای محیط را بشنود (ایدهآل برای دوچرخهسواران، دوندهها، یا کاربران در فضاهای شهری).
- گزینهای برای افراد با مشکلات شنوایی: افرادی که در بخش میانی گوش (مثل پردهی گوش) آسیب دارند، میتوانند با این فناوری صدا را بشنوند.
- بهداشت بیشتر: چون داخل گوش قرار نمیگیرد، احتمال رشد باکتری یا عفونت کاهش مییابد.
معایب:
- کیفیت پایینترصدا نسبت به هدفونهای سنتی، مخصوصاً در بیس (Bass).
- نشت صدا در مکانهای آرام ممکن است اطرافیان صدای هدفون را بشنوند.
- احساس لرزش روی استخوان، که برای بعضیها ناراحتکننده است.
- کاهش عملکرد در محیطهای بسیار پر سر و صدا.
برندهای معروف:
- Shokz/ (Aftershokz سابق) – معروفترین برند در این زمینه.
- H2O Audio – برای شناگران با مدلهای ضد آب.
- Mojawa – مدلهای با بیس تقویتشده.
اولین شرکت تولیدکننده:
- شرکت AfterShokz (که بعدها به Shokz تغییر نام داد) در سال 2011 بهعنوان نخستین برند تجاری شناخته میشود که هدفونهای انتقال استخوانی را برای عموم مردم تولید و روانه بازار کرد.
- این شرکت در ابتدا در چین تأسیس شد، اما با تیم توسعهدهندهای در ایالات متحده کار میکرد.
- فناوری پایه توسط چند مهندس و فناور چینی و آمریکایی با استفاده از مجوزهای ثبتشده در حوزه نظامی و پزشکی توسعه یافت.
پتنتها و ثبت اختراعات مهم در این خصوص:
در آخر به بررسی چند ثبت اختراع مهم در این زمینه می پردازیم:
- اختراعات مربوط به انتقال استخوانی در دهههای 1980 و 1990 در ژورنالهای علمی و ثبتاختراعات صنعتی ثبت شدهاند.
- یکی از ثبتهای مهم:
- US Patent No. 5,867,580: مربوط به دستگاه صوتی انتقال استخوان، ثبتشده در دهه 90 میلادی.
کمک کرده تا طراحی هدفونهای استخوانی دقیقتر شود.
شبیه سازی مدل اجزاء محدود (FEM) برای این فناوری
قطعاً! شبیهسازی با مدل اجزاء محدود (FEM – Finite Element Modeling) در فناوری انتقال استخوانی یکی از پیشرفتهترین ابزارهای تحلیل برای درک چگونگی انتقال صوت از طریق ساختار استخوانی جمجمه انسان است.
چرا از FEM استفاده میشود؟
فناوری انتقال استخوانی پیچیده است، چون:
- صدا نه از طریق هوا، بلکه از طریق ارتعاشات مکانیکی استخوان منتقل میشود.
- جمجمه انسان ساختاری پیچیده دارد که شامل استخوان، بافت نرم، مایع مغزینخاعی، و گوش داخلی است.
مدلسازی ریاضی و تحلیلی این پدیده بسیار دشوار است، بنابراین از FEM استفاده میشود تا با ساخت یک مدل دیجیتال از سر انسان، رفتار فیزیکی آن را در برابر ارتعاشات بررسی کنیم.
مراحل انجام FEM برای انتقال استخوانی:
1. مدلسازی هندسه جمجمه
- استفاده از دادههای تصویربرداری پزشکی مانند MRI یا CT Scan برای ساخت یک مدل سهبعدی دقیق از سر و جمجمه.
2. مشبندی (Meshing)
- تقسیم کل حجم جمجمه و بافتها به هزاران یا میلیونها «المان کوچک» برای انجام محاسبات عددی.
3. تعریف خواص مواد
هر قسمت سر باید ویژگیهای خاص خودش را داشته باشد:
- استخوان: چگالی و مدول یانگ بالا
- مغز: نرم و ویسکوالاستیک
- بافت نرم: جذبکننده ارتعاش
4. اعمال تحریک صوتی
- شبیهسازی اعمال ارتعاش در ناحیهای مثل گیجگاه یا گونه، مانند عملکرد یک مبدل استخوانی واقعی (Transducer).
5. تحلیل دینامیکی
- بررسی انتشار موجهای ارتعاشی در فرکانسهای مختلف (مثلاً از 100 هرتز تا 8 کیلوهرتز).
- اندازهگیری پاسخ سیستم در بخشهایی مانند حلزون گوش (Cochlea).
خروجیهای کلیدی شبیهسازی:
- نقشه توزیع ارتعاش در جمجمه
- پاسخ فرکانسی (فرکانسهایی که بهتر یا ضعیفتر منتقل میشوند)
- بررسی اینکه کدام مسیرها یا بخشهای سر مؤثرترند در رساندن ارتعاش به گوش داخلی
- مقایسه مکانهای مختلف برای نصب مبدل (Transducer Placement Optimization)
برای شبیهسازی انتقال صوت از طریق استخوان در فناوری انتقال استخوانی (Bone Conduction) با روش مدل اجزاء محدود (FEM)، معمولاً از نرمافزارهای تحلیل عددی پیشرفته استفاده میشود که بتوانند:
- هندسه پیچیده جمجمه را مدلسازی کنند
- ویژگیهای مواد بیولوژیکی (استخوان، بافت نرم، مغز، مایعات) را وارد کنند
- تحریک ارتعاشی (صوتی) با فرکانسهای متغیر را شبیهسازی کنند
در ادامه لیستی از رایجترین و معتبرترین نرمافزارهای مورد استفاده در این زمینه آمده است:
نرمافزارهای تخصصی برای شبیهسازی FEM در انتقال استخوانی:
1. COMSOL Multiphysics

- یکی از پرکاربردترین نرمافزارها در این حوزه.
- دارای ماژولهای تخصصی برای Biomechanics و Acoustics.
- پشتیبانی از کوپل همزمان مکانیکی–صوتی–حرارتی.
- امکان وارد کردن مدلهای CT/MRI.
مناسب برای:
- شبیهسازی پاسخ جمجمه به تحریک صوتی
- بررسی مسیرهای انتقال
- طراحی مبدل استخوانی
پیشنهاد ویژه:
دوره آموزش ماژول آکوستیک ساختمانی نرم افزار کامسول
ثبت نام دوره آموزشی نرم افزار کامسول
2. ANSYS Mechanical / ANSYS Multiphysics
- نرمافزاری بسیار قدرتمند برای تحلیل ساختارها، صوت، ویسکوالاستیسیته و دینامیک.
- در پژوهشهای پیشرفته آکادمیک بسیار مورد استفاده است.
مناسب برای:
- تحلیل ارتعاشی (modal analysis)
- مقایسه مواد جایگزین استخوان
- تست طراحی قطعات هدفون استخوانی
3. Abaqus (by Dassault Systèmes)
- استفاده گسترده در بیومکانیک پزشکی.
- قابلیت بالا در مدلسازی رفتار غیرخطی، بافت نرم، و تماس بین اجزا.
مناسب برای:
- مدلسازی واقعی رفتار پوست، چربی، مغز
- تحلیل تماس بین مبدل و استخوان
4. Sim4Life (by ZMT Zurich MedTech)
- تخصصی برای مدلسازیهای پزشکی، شامل MRI، EEG، و bone conduction.
- امکان استفاده از مدلهای انسانی واقعی از پایگاه دادههای بیولوژیکی.
مناسب برای:
- شبیهسازی تمام بدن با دقت بالا