頭戴式ANC耳機結(jié)構(gòu)設計研究

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摘要:耳機類型眾多，根據(jù)其佩戴方式可以分為“頭戴式”“入耳式”“耳掛式”和“后掛式”4種類型。頭戴式耳機是最常見的耳機類型，它通過具有彈性的頭帶并連接兩個發(fā)聲單元以形成一個立體聲道環(huán)境。而anc(ActiveNoiseCancellation)耳機是一種可以給用戶提供更好的噪音屏蔽體驗的耳機?？陀^地說，頭戴式ANC耳機結(jié)構(gòu)設計開發(fā)的難度不低，在設計的過程中有不少要關注的設計要點，不僅需要注重理論知識的應用，更要充分考慮滿足人們在審美、功能、佩戴舒適性及人機交互等方面的需求。這樣的產(chǎn)品才能得到大眾的認可，才有市場競爭力。

關鍵詞:頭戴式ANC耳機;結(jié)構(gòu)設計;設計要點

隨著社會的高速發(fā)展，不論是從休閑娛樂還是信息通信方面，耳機產(chǎn)品的需求越來越大，同時對其性能和質(zhì)量都表現(xiàn)出更高要求和標準。本文以Jabra新款頭戴式ANC耳機的開發(fā)實踐，探討一下這類耳機結(jié)構(gòu)設計的方法與要點，為后續(xù)相關產(chǎn)品設計與研究提供可行的參考依據(jù)。

一、耳機ID造型的設計要點

耳機ID造型設計應兼顧外觀美感及人體工程學設計(佩戴舒適性、操作便利性及便攜性)。以JabraElite系列頭戴耳機為例，在ID造型設計時充分考慮了外觀及人體工程學，體現(xiàn)如下:(1)整體造型圓滑順暢，選擇視覺沖擊力強的單色調(diào)或者雙色調(diào)，應用具有質(zhì)感的金屬及塑料，體現(xiàn)了外觀美感及現(xiàn)代科技感。(2)耳罩采用橢圓造型，選擇記憶海綿及透氣性好、柔軟耐用的人造蛋白皮套并在垂直方向上呈順時針15°旋轉(zhuǎn)與人耳廓輪廓相吻合，體現(xiàn)很好的佩戴舒適感。(3)音量調(diào)節(jié)按鍵排布于右聽筒7、8點鐘方向，方便大拇指操作。(4)設計中利用話筒臂“旋轉(zhuǎn)控制”靜音開/關;利用“佩戴偵測”傳感器控制音樂播放/暫停(方便用戶操作)。(5)可隱藏式話筒臂、可折疊收納聽筒設計，使產(chǎn)品有很好的便攜性。除上述設計考量外，耳機造型尺寸是個重要的設計要點，下文就從人體工程學角度出發(fā)，通過對市場調(diào)查及我司實踐的數(shù)據(jù)分析，來探討一下頭戴式耳機造型設計的幾個關鍵尺寸/夾緊力參數(shù)的確定。

(一)頭戴式耳機整體尺寸通過參考Roger、Tilley等對人體頭部度量的數(shù)據(jù)，總體得出人體頭部寬度為130～184mm，高度為109～137mm，及耳朵、夾角尺寸。而我司對于亞洲及歐美人體頭部普遍實踐統(tǒng)計得出人體頭部寬度為140～168mm;高度為112～147mm。機設計的人體頭部數(shù)據(jù)模型:寬度為132～169mm;高度為109～147mm(它基本上可以覆蓋99%人群)。由于耳機頭帶具有可調(diào)的伸縮臂(根據(jù)實踐經(jīng)驗，可調(diào)伸縮臂的范圍設計在0mm～40mm之間為佳)，因此最終設計的耳機可調(diào)節(jié)的尺寸范圍要能夠覆蓋上述人體頭部尺寸范圍。這是頭戴式耳機尺寸合理設計的關鍵要素!

(二)耳罩尺寸頭戴式耳機分為罩耳式(Around-the-ear)和非罩耳式(On-the-ear)。常見的音樂耳機基本都是罩耳式耳機，罩耳式耳機能夠保證較好地隔絕外界噪音，讓用戶更專注于耳機發(fā)出的聲音。罩耳式耳機的耳罩大小需要覆蓋人耳的基本尺寸，耳罩的長在74mm以上，寬在43mm以上為宜。對于非罩耳式耳機，耳罩的尺寸需要小于人耳的尺寸，因此耳罩的長在48mm以下，寬在28mm以下為宜。耳罩的形狀主要有圓形和橢圓形兩種，圓形最為常見。圓形和橢圓形的耳罩在被動降噪方面具有差異性，但是兩者的舒適性基本相同。

(三)耳罩角度耳罩的水平和垂直旋轉(zhuǎn)角度影響耳罩是否能夠較好地貼合用戶耳朵。在水平旋轉(zhuǎn)角度方面，大多數(shù)耳機都有180°的旋轉(zhuǎn)范圍，耳機較大的旋轉(zhuǎn)角度能夠便于耳機的收納攜帶，并適應耳朵與頭部傾斜角度較大的用戶。在垂直旋轉(zhuǎn)角度方面，為了較好地貼合耳朵不產(chǎn)生較強的應力，基于人體尺寸數(shù)據(jù)，耳機垂直旋轉(zhuǎn)角度需大于12°為宜。(具體參數(shù)詳見表2)

(四)耳機的夾緊力用戶佩戴耳機時的受力情況直接影響著舒適性。耳機各部件會對用戶的頭部不同區(qū)域產(chǎn)生壓力，頭頂受到的壓力由頭帶形狀和耳機質(zhì)量所決定，耳罩產(chǎn)生的夾緊力由頭帶材料的拉伸性能、拉伸長度等因素決定。根據(jù)對現(xiàn)有用戶反饋舒適度較高的耳機進行了測試。結(jié)果表明，當耳機的質(zhì)量小于200g，夾緊力在拉伸至145mm和155mm時低于3．5N時可以得到較好的舒適度(這可以作為合適加緊力設計的參考)。當按上述要點來確定頭戴式耳機所需的高度、寬度及耳罩大小、角度后，一個符合人體工程學的耳機輪廓就基本成形了，后繼再細化局部裝飾及用料，一個優(yōu)秀的頭戴式ANC耳機ID造型就基本完成了。

二、耳機降噪功能設計要點

(一)被動降噪PNC(PassiveNoiseCancellation)設計中要確保耳機佩戴時能和用戶的頭形有良好的貼合度及良好密封性，確保聲音傳輸通道盡量少的泄露。(這可以由上述耳機尺寸，耳罩大小、厚度、角度、頭帶夾緊力的合理定義來實現(xiàn)。)

(二)主動降噪ANC(ActiveNoiseCancellation)因為兩個頻率與振幅值相同，相位相差180度的正弦波相疊加后會互相抵消。主動降噪設計就利用聲波這一特性，在耳機聽筒內(nèi)部設置噪音拾取麥克風，當外界環(huán)境噪音產(chǎn)生時，此麥克風采集并檢測噪音聲波，再利用聽筒產(chǎn)生與噪音頻率和幅值相同、相位相差180度的音頻信號，將噪音聲波中和并相互抵消，最終達到降噪效果。相比較僅靠被動降噪的普通耳機而言，主動降噪設計的加入，大大過濾了環(huán)鏡噪音，戴ANC設計的耳機給能用戶提供了更寧靜、更高質(zhì)量的音頻服務。

(三)內(nèi)部聲腔及通道密封性的結(jié)構(gòu)設計考量ANC耳機對內(nèi)部聲腔及通道容積要求較高，結(jié)構(gòu)設計應滿足這些聲學設計要素，為了達到可靠的連接密封性，結(jié)構(gòu)設計中可以考慮點膠連接設計、超聲焊接、激光焊接設計，或“密封圈+螺絲”緊固設計來確保聲學相關要求。

三、有限元法(仿真)在設計上的應用要點

FEM(FiniteElementMethod)有限元法(模擬/仿真)在耳機設計中有著重要的輔助功效，通過FEM我們可以很有效的輔助耳機設計，便設計在舒適度、強度及結(jié)構(gòu)簡化方面做更好的優(yōu)化。

(一)頭帶加緊力仿真指導結(jié)構(gòu)設計以Elite85h金屬頭帶設計為例，通過對夾緊力的仿真，可知當前結(jié)構(gòu)下，頭帶材料厚度與連筋結(jié)構(gòu)寬度對頭帶夾緊力的影響，進而通過計算得到合理的頭帶截面尺寸，大大降低研發(fā)的時間成本及試驗成本。

(二)結(jié)構(gòu)件的強度仿真指導選材通過對“耳機話筒臂”結(jié)構(gòu)件的仿真，可以得到不同材料在當前結(jié)構(gòu)下的強度影響，在滿足設計強度下(此案例要求屈服強度不小于5N)，我們可以盡早確定合適的材料及成本。

(三)跌落仿真分析指導風險規(guī)避通過對已設計好的耳機主體進行跌落仿真，可以不等待實際產(chǎn)品開模完工，提前獲知設計缺陷及風險。以JabraElite85h開發(fā)實踐為例，在跌落仿真中發(fā)現(xiàn)薄弱的止位筋，我們及時更改設計避免了日后模具設計上變更的風險，提高了設計的成熟度及日后量產(chǎn)的信心度。

(四)拓撲仿真指導簡化結(jié)構(gòu)以JabraElite85h開發(fā)實踐為例，通過拓撲仿真，在不影響零件強度的前提下，可以去除部分無用材料，簡化此轉(zhuǎn)軸設計，減輕產(chǎn)品14%重量及成本，使產(chǎn)品更具競爭力。

四、耳機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計應該考慮的其他要點

(一)安全防護耳機設計中，應盡量避免有外露的銳角和銳邊機械零件。同時還應充分考慮到產(chǎn)品正常使用和非正常使用條件下不發(fā)生觸電事故，做到安全絕對可靠。

(二)裝配及維修便利性在設計中要充分考慮裝配工藝的便利性(要有良好的定位、防呆及合理的公差設計)，要考慮合理的裝配順序，盡量簡化裝配流程。還要考慮到日后維修的便利性，組件間的連接方式盡量考慮易拆的螺絲、卡扣裝配，應盡量避免手工焊接(多考慮插頭、彈片等連接方式)。連接線種類(單線或排線)，線材鋪設、固定及空間安排，都要考慮到裝配與維修的便利性。

(三)可靠性應多思考何種結(jié)構(gòu)最有利于產(chǎn)品經(jīng)久耐用，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)好壞，對產(chǎn)品的壽命有著直接的影響。通常要通過各項實驗測試(通過環(huán)境及加速老化測試等綜合驗證產(chǎn)品的可靠性)。

(四)經(jīng)濟效益、市場占有率為了獲得更好的經(jīng)濟效益，耳機設計者在滿足功效及合理質(zhì)量下，要盡可能考慮如何能降低產(chǎn)品的研發(fā)成本。要盡可能考慮提高產(chǎn)品市場的占有率，要在ID造型設計上多創(chuàng)新，多考慮人性化設計及時代潮流，這樣才會使耳機具有較高的認知度和較強的競爭力。

(五)可循環(huán)與環(huán)保耳機設計應當考慮到選材的可循環(huán)、可再利用性，這不但會讓企業(yè)在社會影響力、品牌形象得到良好的提升，也會加強客戶、消費者對企業(yè)的信任。(歐盟指令要求到2025年所有新產(chǎn)品原材料必須含有50%可回收材料，到2035年回收料的含量需達到至少75%)。設計過程中對于可回收、再生(生物基)的材料要盡量考慮選擇，同時在產(chǎn)品后處理方式上(如噴漆)，也盡量考慮環(huán)保的水性基材的涂料，來減少對環(huán)鏡的影響。

五、結(jié)語

實現(xiàn)頭戴式ANC耳機結(jié)構(gòu)設計需要綜合考慮的因素很多。但從總體上來看，應該把握好佩戴舒適性、音效、易用性、安全可靠性、組裝檢修的方便性，同時要兼顧環(huán)保及資源的節(jié)約、產(chǎn)品經(jīng)濟效益最大化等因素。這樣設計出來的耳機產(chǎn)品會更符合人們的綜合需求，使耳機設計/制造企業(yè)在激烈的市場競爭中處于不敗之地，獲得長足發(fā)展!

參考文獻:

［1］塑料模具技術手冊編委會．塑料模具技術手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2005．

［2］夏昆岡．選耳機從分類開始［J］．現(xiàn)代計算機，2010(1):104-107．

作者：張海煜 單位：大北歐通訊設備( 中國) 有限公司全球研發(fā)部