头戴式ANC耳机结构设计研究

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摘要:耳机类型众多，根据其佩戴方式可以分为“头戴式”“入耳式”“耳挂式”和“后挂式”4种类型。头戴式耳机是最常见的耳机类型，它通过具有弹性的头带并连接两个发声单元以形成一个立体声道环境。而anc(ActiveNoiseCancellation)耳机是一种可以给用户提供更好的噪音屏蔽体验的耳机。客观地说，头戴式ANC耳机结构设计开发的难度不低，在设计的过程中有不少要关注的设计要点，不仅需要注重理论知识的应用，更要充分考虑满足人们在审美、功能、佩戴舒适性及人机交互等方面的需求。这样的产品才能得到大众的认可，才有市场竞争力。

关键词:头戴式ANC耳机;结构设计;设计要点

随着社会的高速发展，不论是从休闲娱乐还是信息通信方面，耳机产品的需求越来越大，同时对其性能和质量都表现出更高要求和标准。本文以Jabra新款头戴式ANC耳机的开发实践，探讨一下这类耳机结构设计的方法与要点，为后续相关产品设计与研究提供可行的参考依据。

一、耳机ID造型的设计要点

耳机ID造型设计应兼顾外观美感及人体工程学设计(佩戴舒适性、操作便利性及便携性)。以JabraElite系列头戴耳机为例，在ID造型设计时充分考虑了外观及人体工程学，体现如下:(1)整体造型圆滑顺畅，选择视觉冲击力强的单色调或者双色调，应用具有质感的金属及塑料，体现了外观美感及现代科技感。(2)耳罩采用椭圆造型，选择记忆海绵及透气性好、柔软耐用的人造蛋白皮套并在垂直方向上呈顺时针15°旋转与人耳廓轮廓相吻合，体现很好的佩戴舒适感。(3)音量调节按键排布于右听筒7、8点钟方向，方便大拇指操作。(4)设计中利用话筒臂“旋转控制”静音开/关;利用“佩戴侦测”传感器控制音乐播放/暂停(方便用户操作)。(5)可隐藏式话筒臂、可折叠收纳听筒设计，使产品有很好的便携性。除上述设计考量外，耳机造型尺寸是个重要的设计要点，下文就从人体工程学角度出发，通过对市场调查及我司实践的数据分析，来探讨一下头戴式耳机造型设计的几个关键尺寸/夹紧力参数的确定。

(一)头戴式耳机整体尺寸通过参考Roger、Tilley等对人体头部度量的数据，总体得出人体头部宽度为130～184mm，高度为109～137mm，及耳朵、夹角尺寸。而我司对于亚洲及欧美人体头部普遍实践统计得出人体头部宽度为140～168mm;高度为112～147mm。机设计的人体头部数据模型:宽度为132～169mm;高度为109～147mm(它基本上可以覆盖99%人群)。由于耳机头带具有可调的伸缩臂(根据实践经验，可调伸缩臂的范围设计在0mm～40mm之间为佳)，因此最终设计的耳机可调节的尺寸范围要能够覆盖上述人体头部尺寸范围。这是头戴式耳机尺寸合理设计的关键要素!

(二)耳罩尺寸头戴式耳机分为罩耳式(Around-the-ear)和非罩耳式(On-the-ear)。常见的音乐耳机基本都是罩耳式耳机，罩耳式耳机能够保证较好地隔绝外界噪音，让用户更专注于耳机发出的声音。罩耳式耳机的耳罩大小需要覆盖人耳的基本尺寸，耳罩的长在74mm以上，宽在43mm以上为宜。对于非罩耳式耳机，耳罩的尺寸需要小于人耳的尺寸，因此耳罩的长在48mm以下，宽在28mm以下为宜。耳罩的形状主要有圆形和椭圆形两种，圆形最为常见。圆形和椭圆形的耳罩在被动降噪方面具有差异性，但是两者的舒适性基本相同。

(三)耳罩角度耳罩的水平和垂直旋转角度影响耳罩是否能够较好地贴合用户耳朵。在水平旋转角度方面，大多数耳机都有180°的旋转范围，耳机较大的旋转角度能够便于耳机的收纳携带，并适应耳朵与头部倾斜角度较大的用户。在垂直旋转角度方面，为了较好地贴合耳朵不产生较强的应力，基于人体尺寸数据，耳机垂直旋转角度需大于12°为宜。(具体参数详见表2)

(四)耳机的夹紧力用户佩戴耳机时的受力情况直接影响着舒适性。耳机各部件会对用户的头部不同区域产生压力，头顶受到的压力由头带形状和耳机质量所决定，耳罩产生的夹紧力由头带材料的拉伸性能、拉伸长度等因素决定。根据对现有用户反馈舒适度较高的耳机进行了测试。结果表明，当耳机的质量小于200g，夹紧力在拉伸至145mm和155mm时低于3．5N时可以得到较好的舒适度(这可以作为合适加紧力设计的参考)。当按上述要点来确定头戴式耳机所需的高度、宽度及耳罩大小、角度后，一个符合人体工程学的耳机轮廓就基本成形了，后继再细化局部装饰及用料，一个优秀的头戴式ANC耳机ID造型就基本完成了。

二、耳机降噪功能设计要点

(一)被动降噪PNC(PassiveNoiseCancellation)设计中要确保耳机佩戴时能和用户的头形有良好的贴合度及良好密封性，确保声音传输通道尽量少的泄露。(这可以由上述耳机尺寸，耳罩大小、厚度、角度、头带夹紧力的合理定义来实现。)

(二)主动降噪ANC(ActiveNoiseCancellation)因为两个频率与振幅值相同，相位相差180度的正弦波相叠加后会互相抵消。主动降噪设计就利用声波这一特性，在耳机听筒内部设置噪音拾取麦克风，当外界环境噪音产生时，此麦克风采集并检测噪音声波，再利用听筒产生与噪音频率和幅值相同、相位相差180度的音频信号，将噪音声波中和并相互抵消，最终达到降噪效果。相比较仅靠被动降噪的普通耳机而言，主动降噪设计的加入，大大过滤了环镜噪音，戴ANC设计的耳机给能用户提供了更宁静、更高质量的音频服务。

(三)内部声腔及通道密封性的结构设计考量ANC耳机对内部声腔及通道容积要求较高，结构设计应满足这些声学设计要素，为了达到可靠的连接密封性，结构设计中可以考虑点胶连接设计、超声焊接、激光焊接设计，或“密封圈+螺丝”紧固设计来确保声学相关要求。

三、有限元法(仿真)在设计上的应用要点

FEM(FiniteElementMethod)有限元法(模拟/仿真)在耳机设计中有着重要的辅助功效，通过FEM我们可以很有效的辅助耳机设计，便设计在舒适度、强度及结构简化方面做更好的优化。

(一)头带加紧力仿真指导结构设计以Elite85h金属头带设计为例，通过对夹紧力的仿真，可知当前结构下，头带材料厚度与连筋结构宽度对头带夹紧力的影响，进而通过计算得到合理的头带截面尺寸，大大降低研发的时间成本及试验成本。

(二)结构件的强度仿真指导选材通过对“耳机话筒臂”结构件的仿真，可以得到不同材料在当前结构下的强度影响，在满足设计强度下(此案例要求屈服强度不小于5N)，我们可以尽早确定合适的材料及成本。

(三)跌落仿真分析指导风险规避通过对已设计好的耳机主体进行跌落仿真，可以不等待实际产品开模完工，提前获知设计缺陷及风险。以JabraElite85h开发实践为例，在跌落仿真中发现薄弱的止位筋，我们及时更改设计避免了日后模具设计上变更的风险，提高了设计的成熟度及日后量产的信心度。

(四)拓扑仿真指导简化结构以JabraElite85h开发实践为例，通过拓扑仿真，在不影响零件强度的前提下，可以去除部分无用材料，简化此转轴设计，减轻产品14%重量及成本，使产品更具竞争力。

四、耳机产品结构设计应该考虑的其他要点

(一)安全防护耳机设计中，应尽量避免有外露的锐角和锐边机械零件。同时还应充分考虑到产品正常使用和非正常使用条件下不发生触电事故，做到安全绝对可靠。

(二)装配及维修便利性在设计中要充分考虑装配工艺的便利性(要有良好的定位、防呆及合理的公差设计)，要考虑合理的装配顺序，尽量简化装配流程。还要考虑到日后维修的便利性，组件间的连接方式尽量考虑易拆的螺丝、卡扣装配，应尽量避免手工焊接(多考虑插头、弹片等连接方式)。连接线种类(单线或排线)，线材铺设、固定及空间安排，都要考虑到装配与维修的便利性。

(三)可靠性应多思考何种结构最有利于产品经久耐用，产品的结构好坏，对产品的寿命有着直接的影响。通常要通过各项实验测试(通过环境及加速老化测试等综合验证产品的可靠性)。

(四)经济效益、市场占有率为了获得更好的经济效益，耳机设计者在满足功效及合理质量下，要尽可能考虑如何能降低产品的研发成本。要尽可能考虑提高产品市场的占有率，要在ID造型设计上多创新，多考虑人性化设计及时代潮流，这样才会使耳机具有较高的认知度和较强的竞争力。

(五)可循环与环保耳机设计应当考虑到选材的可循环、可再利用性，这不但会让企业在社会影响力、品牌形象得到良好的提升，也会加强客户、消费者对企业的信任。(欧盟指令要求到2025年所有新产品原材料必须含有50%可回收材料，到2035年回收料的含量需达到至少75%)。设计过程中对于可回收、再生(生物基)的材料要尽量考虑选择，同时在产品后处理方式上(如喷漆)，也尽量考虑环保的水性基材的涂料，来减少对环镜的影响。

五、结语

实现头戴式ANC耳机结构设计需要综合考虑的因素很多。但从总体上来看，应该把握好佩戴舒适性、音效、易用性、安全可靠性、组装检修的方便性，同时要兼顾环保及资源的节约、产品经济效益最大化等因素。这样设计出来的耳机产品会更符合人们的综合需求，使耳机设计/制造企业在激烈的市场竞争中处于不败之地，获得长足发展!

参考文献:

［1］塑料模具技术手册编委会．塑料模具技术手册［M］．北京:机械工业出版社，2005．

［2］夏昆冈．选耳机从分类开始［J］．现代计算机，2010(1):104-107．

作者：张海煜 单位：大北欧通讯设备( 中国) 有限公司全球研发部