頭戴式ANC耳機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計研究
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摘要:耳機(jī)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(jī)是最常見的耳機(jī)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(jī)是一種可以給用戶提供更好的噪音屏蔽體驗的耳機(jī)?？陀^地說，頭戴式ANC耳機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)的難度不低，在設(shè)計的過程中有不少要關(guān)注的設(shè)計要點(diǎn)，不僅需要注重理論知識的應(yīng)用，更要充分考慮滿足人們在審美、功能、佩戴舒適性及人機(jī)交互等方面的需求。這樣的產(chǎn)品才能得到大眾的認(rèn)可，才有市場競爭力。
關(guān)鍵詞:頭戴式ANC耳機(jī);結(jié)構(gòu)設(shè)計;設(shè)計要點(diǎn)
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(jī)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(biāo)準(zhǔn)。本文以Jabra新款頭戴式ANC耳機(jī)的開發(fā)實(shí)踐，探討一下這類耳機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與要點(diǎn)，為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計與研究提供可行的參考依據(jù)。
一、耳機(jī)ID造型的設(shè)計要點(diǎn)
耳機(jī)ID造型設(shè)計應(yīng)兼顧外觀美感及人體工程學(xué)設(shè)計(佩戴舒適性、操作便利性及便攜性)。以JabraElite系列頭戴耳機(jī)為例，在ID造型設(shè)計時充分考慮了外觀及人體工程學(xué)，體現(xiàn)如下:(1)整體造型圓滑順暢，選擇視覺沖擊力強(qiáng)的單色調(diào)或者雙色調(diào)，應(yīng)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(diǎn)鐘方向，方便大拇指操作。(4)設(shè)計中利用話筒臂“旋轉(zhuǎn)控制”靜音開/關(guān);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(shè)計，使產(chǎn)品有很好的便攜性。除上述設(shè)計考量外，耳機(jī)造型尺寸是個重要的設(shè)計要點(diǎn)，下文就從人體工程學(xué)角度出發(fā)，通過對市場調(diào)查及我司實(shí)踐的數(shù)據(jù)分析，來探討一下頭戴式耳機(jī)造型設(shè)計的幾個關(guān)鍵尺寸/夾緊力參數(shù)的確定。
(一)頭戴式耳機(jī)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(shí)踐統(tǒng)計得出人體頭部寬度為140～168mm;高度為112～147mm。機(jī)設(shè)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(jī)頭帶具有可調(diào)的伸縮臂(根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗，可調(diào)伸縮臂的范圍設(shè)計在0mm～40mm之間為佳)，因此最終設(shè)計的耳機(jī)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(jī)尺寸合理設(shè)計的關(guān)鍵要素!
(二)耳罩尺寸頭戴式耳機(jī)分為罩耳式(Around-the-ear)和非罩耳式(On-the-ear)。常見的音樂耳機(jī)基本都是罩耳式耳機(jī)，罩耳式耳機(jī)能夠保證較好地隔絕外界噪音，讓用戶更專注于耳機(jī)發(fā)出的聲音。罩耳式耳機(jī)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(jī)，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(jī)都有180°的旋轉(zhuǎn)范圍，耳機(jī)較大的旋轉(zhuǎn)角度能夠便于耳機(jī)的收納攜帶，并適應(yīng)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(qiáng)的應(yīng)力，基于人體尺寸數(shù)據(jù)，耳機(jī)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(jī)的夾緊力用戶佩戴耳機(jī)時的受力情況直接影響著舒適性。耳機(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，當(dāng)耳機(jī)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(shè)計的參考)。當(dāng)按上述要點(diǎn)來確定頭戴式耳機(jī)所需的高度、寬度及耳罩大小、角度后，一個符合人體工程學(xué)的耳機(jī)輪廓就基本成形了，后繼再細(xì)化局部裝飾及用料，一個優(yōu)秀的頭戴式ANC耳機(jī)ID造型就基本完成了。
二、耳機(jī)降噪功能設(shè)計要點(diǎn)
(一)被動降噪PNC(PassiveNoiseCancellation)設(shè)計中要確保耳機(jī)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(jī)尺寸，耳罩大小、厚度、角度、頭帶夾緊力的合理定義來實(shí)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(shè)計就利用聲波這一特性，在耳機(jī)聽筒內(nèi)部設(shè)置噪音拾取麥克風(fēng)，當(dāng)外界環(huán)境噪音產(chǎn)生時，此麥克風(fēng)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(dá)到降噪效果。相比較僅靠被動降噪的普通耳機(jī)而言，主動降噪設(shè)計的加入，大大過濾了環(huán)鏡噪音，戴ANC設(shè)計的耳機(jī)給能用戶提供了更寧靜、更高質(zhì)量的音頻服務(wù)。
(三)內(nèi)部聲腔及通道密封性的結(jié)構(gòu)設(shè)計考量ANC耳機(jī)對內(nèi)部聲腔及通道容積要求較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足這些聲學(xué)設(shè)計要素，為了達(dá)到可靠的連接密封性，結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以考慮點(diǎn)膠連接設(shè)計、超聲焊接、激光焊接設(shè)計，或“密封圈+螺絲”緊固設(shè)計來確保聲學(xué)相關(guān)要求。
三、有限元法(仿真)在設(shè)計上的應(yīng)用要點(diǎn)
FEM(FiniteElementMethod)有限元法(模擬/仿真)在耳機(jī)設(shè)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(jī)設(shè)計，便設(shè)計在舒適度、強(qiáng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計以Elite85h金屬頭帶設(shè)計為例，通過對夾緊力的仿真，可知當(dāng)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(jìn)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(qiáng)度仿真指導(dǎo)選材通過對“耳機(jī)話筒臂”結(jié)構(gòu)件的仿真，可以得到不同材料在當(dāng)前結(jié)構(gòu)下的強(qiáng)度影響，在滿足設(shè)計強(qiáng)度下(此案例要求屈服強(qiáng)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(dǎo)風(fēng)險規(guī)避通過對已設(shè)計好的耳機(jī)主體進(jìn)行跌落仿真，可以不等待實(shí)際產(chǎn)品開模完工，提前獲知設(shè)計缺陷及風(fēng)險。以JabraElite85h開發(fā)實(shí)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(shè)計避免了日后模具設(shè)計上變更的風(fēng)險，提高了設(shè)計的成熟度及日后量產(chǎn)的信心度。
(四)拓?fù)浞抡嬷笇?dǎo)簡化結(jié)構(gòu)以JabraElite85h開發(fā)實(shí)踐為例，通過拓?fù)浞抡?，在不影響零件?qiáng)度的前提下，可以去除部分無用材料，簡化此轉(zhuǎn)軸設(shè)計，減輕產(chǎn)品14%重量及成本，使產(chǎn)品更具競爭力。
四、耳機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該考慮的其他要點(diǎn)
(一)安全防護(hù)耳機(jī)設(shè)計中，應(yīng)盡量避免有外露的銳角和銳邊機(jī)械零件。同時還應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)、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(yīng)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(shí)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(jì)效益、市場占有率為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，耳機(jī)設(shè)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(shè)計上多創(chuàng)新，多考慮人性化設(shè)計及時代潮流，這樣才會使耳機(jī)具有較高的認(rèn)知度和較強(qiáng)的競爭力。
(五)可循環(huán)與環(huán)保耳機(jī)設(shè)計應(yīng)當(dāng)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(qiáng)客戶、消費(fèi)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(dá)到至少75%)。設(shè)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(shí)現(xiàn)頭戴式ANC耳機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮的因素很多。但從總體上來看，應(yīng)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(jì)效益最大化等因素。這樣設(shè)計出來的耳機(jī)產(chǎn)品會更符合人們的綜合需求，使耳機(jī)設(shè)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(xiàn):
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［2］夏昆岡．選耳機(jī)從分類開始［J］．現(xiàn)代計算機(jī)，2010(1):104-107．
作者：張海煜 單位：大北歐通訊設(shè)備( 中國) 有限公司全球研發(fā)部