耳机人机工程学10614110.docx

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耳机人机工程学10614110

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

TheergonomicdesignoftheHeadset

ABSTRACT

Becausetooclosetothem,soneglected,Headsetissuchaproduct。

Inthepresentlife,canseetheheadseteverywhere,athome,variouskindsofEnglishlisteningtestandsoonisincludedintheoutdoor,littlenottheheadset.

Earlyearphonewithoutconsideringhumancomfort,designofmultiangular,seriouslyaffectingthewearingcomfort,soalotoffriendsontheheadsetdisdain.Spongeaddedimprovethissituation,ontheearplugsleevedonthespongetocover,caneffectivelysolvetheedgedamagetotheear,butalsoenhancethelowfrequencyperformanceofearplugs.Withtheimprovementoftheprocess,inadditiontospongeearplugearoutside,withthecontactsurfaceshapedesignandthematerialisalsoquietlychanging.

Whentheheadsetproductsinthetechnologyandqualityhavenoessentialdifferenceofdemandforcomfort,appearanceandgraduallybecomeamajormanufacturerofdifferencesandadditionalvaluepursuit.Now,thehumanbodyengineeringdesignhasbecomeanimportanttopicofearplugdesign.

Keyword：

Headset/Ergonomics/materialquality

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。

EugenBeyer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，EugeBeyer把影院扬声器上使用的动圈换能器（dynamictransducer）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。

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。

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

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。

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。

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。

3.3.5.听觉的适应和疲劳

在声音连续作用的过程中，听觉敏感度会随时间的延长而降低，叫做“听觉适应”。

若声强不大，作用时间又不太久，一般在声刺激停止后的10-20s，听觉敏感度就会恢复到原来的水平。

若声强很大，作用的时间很长，就不仅是听觉适应问题，而会引起听觉疲劳。

听觉疲劳后，要经过几小时，直至几天才能恢复听觉敏感度、严重的引起听力减退或丧失。

音波在人-机通信中占统治地位，听觉的感知频率大约在20HZ~20000HZ,在1000HZ~4000HZ最高。

在500HZ以下和5000HZ以上在声音，需要大得多的强度才能被听到。

当音强超过140dB时，所引起的不再是听觉，而是痛觉。

人可以辨认的语音频率范围是260HZ~5600hz,电话只传送300HZ~3000HZ,对我们听清语言已足够。

我国科技人员经过研究，对平均年龄在二十三岁左右的受试者，每天使用耳塞型耳机1小时、1－2.5小时与对照组相比，有显著的听阈差异。

他提示使用耳塞型耳机可导致噪声性听力下降，特别是在高频区4000赫兹以上明显大于低频区。

而使用耳塞型耳机时间越长，听力损害越严重。

也有学者报道，常在噪音环境中可引起4000赫兹听力首先下降。

耳机的人机工程学分析及设计

4.1耳罩与耳塞的结构特性

耳罩是头部与发声单元接触的部件，它对于动圈式耳机是至关重要的，其功能是将低频反射回来，保证低频的重放。

根据人耳的外部形状，耳罩一般被设计成两种样式，一种压在耳朵上，叫压耳式耳罩，这种耳罩在调整头带长度时要注意：

头带短，对头顶的压力大，耳罩对头的压力就小，头带长时相反，三点的压力要取得平衡才是最舒适的。

另一种耳罩呈杯状，环绕着耳朵，叫绕耳式耳罩。

这两种设计都是为了使其贴住耳廓而不至于滑落。

另外在耳罩的内部一般填充海绵，使其尽量的柔软，并在外面蒙上皮革或绒布，使人耳感觉舒适。

而耳塞的外部形状、尺寸大小是根据人耳外耳道的特征而设定的，它能够适合多数人佩戴使用。

压耳式

绕耳式

4.2人机工程设计中耳塞材料选择

人体听觉的形成是由外界的声波通过外耳道传到鼓膜，引起鼓膜的振动，然后经杠杆系统的传递，引起耳蜗中淋巴液及其底膜的振动，使基底膜表面的科蒂氏器中的毛细胞产生兴奋。

科蒂氏器和其中所含的毛细胞，是真正的声音感受装置，听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中，机械能形式的声波就在此处转变为听觉神经纤维上的神经冲动，并以神经冲动的不同频率和组合形式对声音信息进行编码，然后被传到大脑皮层听觉中枢，从而产生听觉。

劣质的耳塞是听力健康的杀手，他过于尖锐的高音容易在瞬间使你的听力过度疲劳，导致听力衰退，而过于厚重，缺乏细节的低音好比慢性毒药很容易使耳朵酸痛，紧张敏感，头部满涨，造成听力水平的慢慢降低。

因此，耳塞的设计需充分利用人机工程学的原理，使其为人长期佩戴也不会对人体造成伤害。

在材料的选择上，塑料材质一般含有邻苯二甲酸盐，容易使皮肤产生过敏症状；而金属耳塞经过氧化处理，主要成分是三氧化铝水合物，同红宝石成分基本相同，对人体无不利影响。

另外，从环保角度，塑胶耳塞不利于回收，一般处理方式是任其变质；金属加工品则可以无限次回收循环使用，不会对环境造成污染。

4.3耳塞的舒适性

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。

在材质上，更多地运用防滑塑胶和橡胶，防滑塑胶能够使耳朵跟耳机之间更好的贴合，而橡胶的柔软特性，除更加舒适外还可进一步防止声音的外露，达到更好听音效果。

例如水珠型设计的正式面世，使耳塞前盖的设计得到了充实，而且由于在舒适度和密封性上比传统的圆形前盖更加优秀，无论是日系还是欧美系产品都多次使用，SONY更把这样的设计运用到其最顶级的8系列耳塞上，成为耳塞历史上最辉煌的一个经典。

4.4头箍及耳罩的设计

4.4．1头箍的人机工程设计

耳机的结构。

耳机头顶上的连接使得你在走动的时候不会随便掉落下来，宽大的耳罩以及粗实的横梁，整个耳机拿在手中有种很扎实的感觉。

头箍设计的舒适感。

头箍是将耳机固定在头部的重要部件，我们佩戴耳机头部与耳箍之间的松紧程度与头箍的大小有关。

头箍部件主要是起到一定的支撑作用，用于减少耳机带给耳朵的重力，求增加耳朵的舒适性。

横梁上也覆盖着和耳罩材质相仿的厚厚电子，可以减轻头箍对头顶的压迫感，更加有利于长时间佩戴外面覆盖着一层类似于纱布的布料。

很显然这种布料比人造皮革或者其他合成纤维材料来的天然、舒适。

头箍可调节性，人的头部大小都是不一样的，头箍设计成可调节性，有利于人们的使用。

头箍的可拉伸性

头箍的调节在具有舒适性的同时也可以带出自己的个性。

4.4.2耳罩的人机工程设计

耳罩由弓架连接的两个圆壳状体组成，壳内附有吸声材料和密封垫圈。

好的耳罩要求对人柔软、保护、不过敏 。

真皮、革、麻布都是很多厂家的选择。

耳罩

人的听觉特征——耳罩部件的设计

隔音罩的降噪量

4.4.3耳机的特性与人的听觉

听觉主要包括：

音调、响度、声强。

随着响度强度的变化，这三者会互相影响。

耳机主要包括：

声压级、频率响应、总谐波失真。

1.声压级：

声压级的定义是指：

待测的声压与参考声压的比值取常用对数，再乘以20的値，即是该待测声压的声压级。

单位是分贝（dB）

假如某一处的声压比参考声压大100倍，那么他们的比值就是100，即102，取常用对数（lg100=2）的数值是2,再乘以20，则该处的声压级为40dB。

可见，用声压级表示声音的大小，比采用声压来表示要简单的多。

2.耳机的频率响应

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。

听阀：

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.

痛阀：

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。

人耳所能听到声音频率是20-20，000Hz,大于这个范围，人耳就听不到了。

但可以感受的到。

就像阳光一样，我们能看到的色彩范围是“红橙黄绿青蓝紫”，叫可见光，但我们知道除此之外，还有红外线，和紫外线，这些光线，虽然我们看不到，但却可以感受到。

声音也是这样，一些超低频或者超高频，人耳是听不到，但却能感受的到。

所以，我们在耳机中会发现，同样是同一首曲子，用不同耳机，感受就会不同。

3.总谐波失真：

总谐波失真是指用信号源输入时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分，通常用百分数来表示。

一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。

所以测试总谐波失真时，是发出1KHz的声音来检测，这一个值越小越好。

不同的耳机材质不同。

但材质不好，耳机肯定不好，这些包括做工，耳机用料等。

比如，森海塞尔耳机线，里面会有防弹衣的纤维，抗拉和抗折性很强，耳机线就不容易断。

Apple的耳机所用的TPE材质也是其耳机线不易打结。

5.1Monster耳机分析与鉴赏

5.1.1分析例一

这款耳机的设计是根据人机工程学来说的，分别从下面几个方面来说一下。

视觉——耳机色彩的关系

红色有很强的视觉冲击力、特别有分量感，它透露着这样的信息：

坚定、坚强、热情而奔放 

它整体上是红灰色调，但耳罩内部边缘的红色圈勾勒出活泼的感觉，整体视觉效果沉稳不失活力，稳重不失时尚。

耳机的外部部件主要有头箍和耳罩。

 头箍的设计 

1.耳机的结构，耳机头顶上的连接使得你在走动时候不会随便掉落下来，宽大的耳罩以及粗实的横梁，整个耳机拿在手中有种很扎实的感觉。

2.头箍设计的舒适感，头箍是将耳机固定在头部的重要的部件，我们佩戴耳机头部与耳箍之间的松紧程度与头箍的大小有关。

头箍部件主要是起到一定的支撑作用，用于减少耳机带给耳朵的重力，来增加耳朵的舒适性。

横梁上也覆盖着和耳罩材质相仿的厚厚垫子，可以减轻头箍对头顶的压迫感，更加有利与长时间佩戴外面覆盖着一层类似于纱布的布料。

很显然这种布料比人造皮革或者其他合成纤维材料来的天然，来的舒服。

3.可调节性，

人的头部大小都是不一样的，头箍设计成可调节

性，有利于人们的使用。

从人体工程学的角度，听觉主要有以下两个功能：

1. 传递声音信息。

听觉对声音的信号的识别是人类高度发达的功能，是人类语言交流的基础。

2. 警报系统。

听觉通过网状激活系统刺激整个大脑皮层，使人；了解危险或更重要的情况。

 音乐调节 

音乐是声音的一种特殊形式。

音乐有鲜明的节奏，有规律的声强变化，其效果更为显著。

因此，对于一些以体力劳动为主的空间。

音乐不仅可以可以减轻工作的疲劳感，也是一种时尚…

耳罩的设计 

耳罩部件主要是将声音传达给大脑，起到一个中介作用

，而找的内轮廓设计的不规则，以及柔软度的加强，

增加了耳朵佩戴的舒适感。

耳罩部件的重量主要靠头箍部件来完成.   影响耳机性能的因素主要会有以下几种会影响耳机的使用

1.    头部的大小

2.    耳朵的大小

3.    耳朵的疲劳。

5.1.2分析例二

SoloHD

SoloHD耳机采用传统的头架设计，宽度适宜的头梁有效减小用户佩戴时的压力，更贴合您的面部轮廓，佩戴使用更加舒适。

SoloHD耳机柔软的耳罩采用减压记忆型皮革，贴合您的耳朵，佩带舒适，同时能隔离外部噪音。

SoloHD耳机的紧凑设计，轻量化设计，让它为你的运动休闲生活提供了方便。

可折叠设计可以收藏到一个很小的便携包里。

带给您前所未有的音乐体验。

集成线控和麦克

SoloHD耳机采取集成线控和麦克的音源线，这样你可以不用去掏出你的iPod就可以很轻松的操作你的iPod，同时Solo也支持换线功能，可以轻松简单的使用你的耳机。

集成的麦克功能可以让你不需要在欣赏音乐的时候担心电话的接听。

魔声采用主动式降音技术。

同外界发射与外界相等量的声波，从而降低杂音的影响。

让您静享音乐的美妙细节。

当然在耳机外部还有暂停快捷键

耳机采用防刮式光滑镜面设计，出色的表面设计让人爱不释手

时尚的外观出色的表面工艺

MonsterSoloHD耳机外观动感时尚、配色个性靓丽，出色的表面工艺让很多明星也爱不释手。

大单元大功放

SoloHD耳机配备声学博士Dr.Dre专门研发的Equalizer技术，低音下潜震撼力惊人，瞬态响应完美，特别适合Rock、POP、HipHop和R&B音乐。

经典的美国声

魔声SoloHD耳机为您带来经典风格的美国声：

强劲的低音效果、快速动态响应、人声完美靠前、现场感真实自然。

适合演绎热情奔放的音乐。

魔声SoloHD头戴式耳机采用AAA电池为主动降噪系统的电子设备供电，常用的AAA电池易于随时补充更换，让无干扰的美妙音乐时刻陪伴您。

6.1

随着中国城市化进程的加快，越来越多的人选择通过户外生活方式来缓解面临的各种压力，各种各样的影音娱乐产品成为不可缺少的助手，因此无论室内还是室外，耳机逐渐成为人们生活中的一件必需品。

2012年中国智能终端出货量达1.4亿台，实际移动终端出货总量达5.04亿台。

按照的增长速度，预计到2016年我国仅移动终端耳机需求量就将达到7.33亿只。

加上其他各个行业的需求，未来耳机市场仍将保持较快增速。

耳机的设计从某种角度来说已近饱和。

但同时它也在另一个维度上引导领着文化与潮流。

正如“Appleisnotanapple.”

justenjoyit

参考文献

[1]丁玉兰 人机工程学[M].北京：

北京理工大学出版社.2005. 

河南工程学院《人机工程学》考查课

专业论文

耳机的人机工程学

学生姓名：

201110614110

学院：

机械工程学院

专业班级：

机制1141

专业课程：

人机工程学

任课教师：

2015年12月12日