耳机人机工程学201110614110.

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耳机的人机工程学设计

摘 要

因为离自己太近，所以被忽视，耳机就是这样的一个产品。在现在的生活中，到处都可以看到耳机的身影，在家中、在室外、包括各种英语听力考试等等，都少不了耳机。

早期的耳机没有考虑到人体舒适性的问题，设计多棱角分明，严重影响佩带的舒适性，因此很多朋友都对耳机不屑一顾。海绵的加入改善了这种情况，在耳塞上套入海绵套，能够有效地解决棱角对耳朵的伤害，同时也增强了耳塞的低频表现。随着工艺的改进，除了海绵以外，耳塞跟耳朵接触面的形态设计和材质也在悄悄起着变化。

耳机产品在其技术和品质并无本质性差异化的时候，人们对外观和舒适性的需求逐渐成为各大厂商对差异性和附加价值的追求。现在，人体工程学设计已经成为耳塞设计的重要课题。

关键词: 耳机/人机工程学/材质

The ergonomic design of the Headset

ABSTRACT

Because too close to them, so neglected, Headset is such a product。In the present

life, can see the headset everywhere, at home, various kinds of English listening test and

so on is included in the outdoor, little not the headset.

Early earphone without considering human comfort, design of multi angular,

seriously affecting the wearing comfort, so a lot of friends on the headset disdain. Sponge

added improve this situation, on the earplug sleeved on the sponge to cover, can

effectively solve the edge damage to the ear, but also enhance the low frequency

performance of earplugs. With the improvement of the process, in addition to sponge

earplug ear outside, with the contact surface shape design and the material is also quietly

changing.

When the headset products in the technology and quality have no essential

difference of demand for comfort, appearance and gradually become a major 2 manufacturer of differences and additional value pursuit. Now, the human body

engineering design has become an important topic of earplug design.

Key word：Headset/ Ergonomics/ material quality

1．1 耳机简介

第二次工业革命带来了电子产品的飞速发展。Eugen Beyer先生1924年在柏林成立了一间电子公司，当时公司主要是为电影院开发和制造扬声器，从此开始了在音频领域的传奇。在1937年的8月18日，Euge Beyer把影院扬声器上使用的动圈换能器(dynamic transducer)并应用到类似产品中，他将声音直接传送到人类的听觉器官——耳朵, 发明了一种微型动圈换能器并把它镶嵌到一根可戴在头上的带子内, 由此诞生了世界上第一只耳机。

图1.1世界上第一只耳机

在30年代，德军情报部门和盖世太保使用这款耳机侦测到了其它耳机根本无法辨别的声音，获取了大量有价值的情报。DT48的频响范围达到了16到20kHz，这在30年代的技术来说，是个难以想象的指标，该耳机当时叫做柏林（Berlin）牌。1950年，Beyerdynamic推出了全球首只立体声耳机——DT48S，再次轰动世界，领先群雄。 3

图1.2全球首只立体声耳机——DT48S

最早的都是开放性的耳机产品，都是简单的放在耳廓里面，听的时候既不隔音又有着严重的漏音现象，但是由于当时的技术所限这种耳机仍然存在了很长的时间。后来出现了开放式、半开放式、封闭式（密闭式）等多种类型耳机样式和技术百花齐放。拜亚动力、Monster、森海塞尔、铁三角等耳机厂商做出了巨大的贡献。

图1.3著名耳机品牌商

1.2耳机的分类

从佩戴方式看，可分为三种：头戴式，耳塞式，挂耳式

从发生单元的原理看，可分为七种方式：压电、动铁、动圈、静电、气动、等磁、驻极体

其中对耳朵伤害最小的是头戴式和入耳式两种。入耳式耳机的好处在于贴近耳道，这样可以尽可能的隔绝外界的噪音，使得环境噪音尽可能的降低。所以，相对于入耳式耳机，头戴式耳机就要好的多。 4

2．1 基本耳机的工作原理

2.1.1动圈式耳机:

2.1--1 动圈式耳机结构图

动圈式耳机的单元，其实可以看作是喇叭的缩小版（不少耳机单元的外形，和音响上的喇叭是一样的）它的基本工作原理很简单，由钕铁硼磁体或常规的永磁体在单元底部建立一个磁场，而音圈，正是放置在这一磁场中。当音圈通电时，由于音圈产生的电磁场与磁体的磁场产生排斥或吸引，这样音圈就在磁场中运动起来，而音圈的顶部是振膜，这样音圈的运动引发振膜的震动，再由于振膜推动空气，这样就发出了声音。

不过，动圈式耳机的结构虽然简单，但想有优秀的效果，却不是件容易的事，前面我们已经粗略的谈到单元和耳机各部分对音质的影响，实际上耳塞的腔体设计，对音色也有很大的音响，在这张索尼ex700的拆解图中我们就可以看到，只是腔体内的一个小部件，甚至只是一个凸起或造型，都有调节改变音频。调节音色的作用，在这种情况下腔体设计实际上是考验厂家实力的另一个重要因素。

作为动圈耳机来说，它的每一个单元都有较宽的频响，因此绝大多数的耳机只要采用一个单元就可以满足需求。而在音色上，动圈耳机音色较暖。不过，由于振膜 5 音圈这样的振动机构质量较大，很难对微小的信号作出反应，运动速度较慢，因此其细节表现能力较差，而振膜的强度问题，又容易让其产生分分割失真。当然这只是动圈耳机的普遍表现，由于振膜声学机构等方面的区别，动圈耳机的音色区别还是比较大的。

2.1.2 动铁耳机

动铁耳机示意图

实际上动铁式耳机也是依靠电磁场作用进行发声的，但它的工作方式却不太一样。动铁耳塞的内部，驱动线圈是绕在一个被称为“平衡衔铁”的U形精密铁片上。这块铁片位于永磁场的中央，这样驱动线圈在通电后，在磁力的作用下U形贴片振动并通过驱动棒，将振动传递到振动板材的中心点，从而令振动板振动而发声。

动圈耳机的振动板很轻，也没有太多的附加机构，动铁耳机的瞬间表现能力和音乐细节都有较大提升，同时其灵敏度也可以做得很高，也就是说在较小功率下就有较大音量。再加上动铁耳机的腔体对音色影响较小，其音色也相对统一，这就令不少音乐迷们喜欢上动铁耳机。不过动铁耳机单个单元很难完美的重现出整个音频频率。所以大凡上点档次的动铁，都是多单元的。而在音色上，动铁耳机也较冷，听人声或温暖的声音时表现较差。再加上动辄上千元的价格，玩动铁还真不是件容易的事。

3.1 听觉刺激 6 听觉是仅次于视觉的重要感觉，其适宜的刺激是声音。振动的物体是声音的声源，振动 在弹性介质中以波的形式传播，所产生的弹性波称为声波。人的耳朵只能接受一定范围波频 率的声波，为20～20,000HZ。超出该范围的称为次声波、超声波。不为人耳所感觉。随着 年龄的增长，频率感受的上限逐年连续降低。可听声除取决于声音的频率外，还取决于声音 的强度。 人耳的听觉一般为“双耳效应”，或称“立体声效应”。 一个声音被另一个声音所掩 盖的现象，称为掩蔽。一个声音的听阈因另一个声音所掩蔽作用而提高的效应，称为掩蔽效 应

听力损失曲线

3.2 听觉系统

人耳为听觉器官，只有内耳的耳蜗起司听作用，外耳、中耳以及内耳的其他部分是听觉的辅助部 分。人耳的基本结构如图3.2—1所示，外耳包括耳廓及外耳道，是外界声波传入耳和内耳的通路。中耳包 括鼓膜和鼓室，鼓室中有锤骨、砧骨、镫骨三块听小骨以及与其相连的听小肌构成一杠杆系统；还有一 条通向喉部的耳咽管，其主要功能是维持中耳内部和外界气压的平衡及保持正常听力。内耳中的耳蜗是 感官器官，它是个盘旋的管道系统，有前庭阶、蜗管及鼓界阶三个并排盘旋的管道。 7 3.2—1人耳的构造

(a)人耳基本结构 （b）耳蜗

3.3听觉的物理特性

3.3.1．频率响应---可听范围 通常情况下，入耳接收声波传人的途径主要是靠空气传导。入耳的适宜刺激是 空气振动的疏密度,入耳能感知的频率范围应在

16-20000Hz 之间，其中对 500-4000Hz 的频率较敏感。 作为音响讯号显示的频率宜选在1000-3000Hz 之间.

*辨别声频能力 人耳对频率的辨别率较强,大于4000Hz 的频率,相差1％就能加以区别。

3.3.2. 动态范围（声音的强度）

听觉声强的动态范围=正好可忍受的声强 / 正好能听见的声强。

（1）听阈：在最佳的听闻频率范围内，一个听力正常的人刚刚能听到给定各频率的正弦式纯音的最 低声强Imin。

（2）痛阈：对于感受给定各频率的正弦式纯音，开始产生疼痛感的极限声强Imax。（1）与（2）都与频率有关系，是在某一频率下的听阈值或痛阈值。

听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区,见图。 8 听阀、痛阀与听觉区域

辨别声强能力 人耳对声强的辨别力不甚灵敏，声强与人的主观感觉的响度，不是比例关系，而是对数 关系。当声强增加 10 倍时，主观感觉的响度只增加 l 倍；声强增加100 倍时，响度只 增加2 倍，依次类推。

3.3.3. 方向敏感度（双耳效应）

（1）时差：Δt=t2-t1声源到两耳的时间差。人耳可觉察到的声 信号入射的最小偏角为3°。

（2）人耳对不同频率、不同方向的声音的感受能力不同，见图3-12。由于头部的掩蔽效应，造成声 音频谱的改变。 辨别声音的方向和距离 人可根据声音到达两耳的强度和时间先后为 58ms,人耳识别最短时间为 20~50ms,头的障碍作用降低声强,判断声源的方向。 距离靠主观经验和声压判断.距离每 增加一倍声压衰减6dB.

3.3.4.掩蔽效应 掩蔽：一个声音被另一个声音所掩盖的现象。

掩蔽效应：一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应。 声的掩蔽效应 强的声音可以掩盖另一个弱的声音，尽管弱的声强也远远超过听阈，但仍然听不见。 对于两个音调接近的声音，人耳所能听到的不是两种频率的声音，而是被低频调制了 的单频声音。