耳机人机工程学10614110Word下载.docx

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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

头部的大小

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