文章编号：1002-8684（2011）10-0025-05
耳机的人机关系及声学设计
杨
磊
（美特科技有限公司研发部，江苏苏州215131）
【摘
要】介绍了今后耳机的发展方向，阐述了耳机的人机关系，它关系到耳朵佩戴的舒适性。利用声学电路图详
细说明了耳机的声学设计，以使对耳机腔体的设计有更深的了解，最后给出了耳机的声学参数和音质的关系。【关键词】人机关系；声学设计；音质评价【中图分类号】TN876.35
【文献标识码】A
Man-machine Relationship and Acoustic Design of Headset
YANG Lei
（R&D Department ，Merry Electronics （Suzhou ）Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215131，China ）
【Abstract 】The development of the future direction of the headset is introduced.And the man-machine relationship of the headset is described ，which relates to ear wearing comfort.The acoustic design of the headset is described in detail by using acoustic circuit.So that the design of the headset cavity is better understood.Finally ，the relationships between sound quality and headset acoustic parameters are given.
【Key words 】man-machine relationship ；acoustic design ；sound evaluation
·产品设计·
1小型耳机的发展方向
（1）耳机产品更加时尚。现在时尚已经是一个
流行的话题，年轻人越来越追求外观靓丽的产品，耳机厂商也看到了这点，大量的“漂亮”耳机不断登场，来满足他们的视觉需求。不过通常这类产品的售价与音质不成正比，回放效果也只能算说得过去而已。
（2）降噪耳机。很多耳机都存在漏音的情况，在较为安静的环境下听没有问题，而一旦在嘈杂的环境下使用，人们听到的就不仅仅是美妙的声音了，其他声音就会趁虚而入。尽管目前也有不少隔声效果出众的耳机，但这些产品的价格都异常昂贵，随着技术的不断发展，降噪技术也会应用到中低端的耳机之中。
（3）耳机的舒适性。耳机的舒适性也是相当重要的，使用耳机的同时如还有其他的活动也要考虑进去，一副耳机不能太紧也不能太松，应可以长时间佩戴。头带和单元的可调整性可以保证不同头部形状和不同用途的使用，专业音频人员有时需要单只单元监听，单元就需要能够旋转，另外线的长度和单元的入线方式也是影响使用的一个因素。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，对于自适应头带这个问题就不存在了[1-2]。
2耳机的人机关系
耳机的人机关系主要关系到耳朵佩戴的舒适性，
因此市面上出现了很多种类型的耳机外形，主要分为
以下三类：
（1）耳罩式耳机
耳罩式耳机佩戴舒服，主要是因为耳罩整个把耳朵罩起来，不会压迫耳膜，又能保证低音，如图1所示。另外，耳机衬垫会采用特殊材质，如羊皮，可以增加佩戴舒适性。但是不足之处在于，比较笨重，不便于随身携带。
2011
（2）耳塞式耳机
耳塞式耳机，外径大小和材质对耳朵佩戴影响很大，外径越大泄露越少，但是佩戴时间长，耳朵会疼痛。耳机外缘材质越硬，佩戴就越不舒服。所以耳机外径16.3cm 为普通耳机的佩戴尺寸，耳机外缘最好采用硅胶材质，如图2所示。
还有一种是采用外加的耳塞套，把耳塞式耳机变为入耳式的耳机，这样耳机和耳塞套是分离的，耳塞套可以随意更换，如图3~4所示。
（3）入耳式耳机
入耳式耳机主要是把耳塞塞入耳道，使密封更好，低音更强，如图5~6所示，但是往往会伤害耳膜，因此不能长时间佩戴。
还有一种是定制耳塞，根据耳朵轮廓专业定制，定制耳机起到的是完全100%的降噪、隔声作用，但是价格都比较昂贵。
3耳机的声学设计[3-4]
耳机按照密闭程度可分为入耳式和非入耳式两种。3.1
入耳式耳机
入耳式的佩戴密封性更强，所以低音显得更强，
但是由于内外压强不一致的原因，听起来会让耳朵有一种被压迫的感觉。在耳机外形选定之后，主要是扬声器的选定与耳壳的设计，对于单体曲线与装入腔体之后曲线变化的了解非常重要。耳机与扬声器的关系如图7~8所示。
从图中可以看出，扬声器和装入壳体之后的测试曲线相差比较大，整体曲线的感度上升，其中1kHz 的感度上升5dB 左右，低频上升比较多，高频由一个峰变为两个峰。
图9为耳机腔体示意图，图10为耳机腔体的声学电路图。
图中，C a 为SPK 声顺；C 1为后腔的声顺；C 2为前腔
的声顺；M a 为SPK 的声质量；M 1为SR 的声质量；M 2为
headset
前出音管的声质量；R a 为SPK 的声阻；R 1为通气布的声阻；M 3为后盖泄露孔的声质量，根据声学电路图进
行分析。
当频率远小于低频共振频率f o ，即在低频时，前腔的声阻Z C 2与频率和声容成反比，声容与体积成正比，而前腔的容积又很小。所以，低频时，前腔的声阻很大，近似开路。
前出音孔的声阻Z M 2与频率和声质量成正比，而声质量与出音孔的面积成反比，一般耳机的出音孔面积很大。低频时，前出音孔的声阻很小，近似短路。所以当低频时，声学电路图可简化为图11。
耳机低频共振频率的公式为
f b =f s ⋅1+C a /C 1
（1）
式中，f b 为装入耳机壳之后的低频共振频率；f s 为单体的低频共振频率；C 1为后腔的声容。所以，当后腔越大时，耳机的低频共振频率f b 就越低。因此后腔体越大，低频性能越好。
耳机辐射声压公式为
P r =E g ⋅BL ⋅ρS d /2πr ()R g +R e ⋅M a （2）
式中，M a 为后出音孔的声质量。所以，当开孔的孔径
越大，长度越小，低频的感度就会越高。不同腔体的频响曲线如图12所示。
另外，当前盖开孔时，由于前后盖孔辐射出的声波方向相反，发生干涉，低频感度就会降低。所以，前盖泄露孔越小，低频就会越好。工作原理如图13所示。
图13（c ）中A 代表反向声波；B 代表正向声波；C 代表A ，B 叠加后的声波；D 代表声波最大幅值。
当频率远大于低频共振频率f o ，即在高频时，后腔的声阻Z C 1与频率和容积成反比，一般后腔的容积比较大，所以，在高频时，后腔的声阻很小可近似短路。因此当高频时，声学电路图可简化为图14。
耳机高频共振频率公式为
f h =()1/2π⋅1/C h M h
（3）
式中，f h 为装入耳机壳之后的高频共振频率；C h 为系统的声顺；M h 为系统的声质量。因为C a 与C 2串联，M a 与M 2串联，所以，1/C h =()1/C a +()1/C 2,M h =M a +M 2。
f h =()1/2π⋅
()1/C a +()1/C 2+1/()
M a +M 2（4）
因为C a 和M a 是扬声器的等效声顺和声质量，当
扬声器选定后，f h 只和C 2及M 2有关。所以，当前腔V 2很小时，C 2也很小，
即f h 很大。因为M 2=ρo L /S ，所以，当L 很小，S 很大时，M 2很小，即f h 很大。L 为前出音孔的长度，S 为截面积。
高频共振峰越向后移，高频的延展性就越好，如果知道前腔的容积和长度，可以根据式（4）计算出高频的共振频率点。当高频时，耳壳前腔越小，
高频越好。
前出音孔越短，
截面积越大，高频越好，
如图15所示。
2011如果后盖没有导音管，前后盖组合全部密封的话，相当于后腔全密封，这样的话，扬声器在振动的时候，内外压强不一样，振幅就会受到抑制。特别是低频振幅大，受抑制的就大，所以低频就会比较低，如图16所示。
3.2非入耳式的耳机
由于有泄漏，低音会相对较弱，但是佩戴起来会
相对舒适。耳机与扬声器的关系如图17所示。扬声器和装入壳体之后的测试曲线相差不是太大，主要是在中高频部分，1kHz 的感度会下降5dB 左右，由于密封性好，低频变得平直，由于后腔体的原因，在2~4kHz 会形成一个共振峰。
3.2.1耳机后腔体声学分析
耳壳后腔主要影响曲线的中频，装入耳壳后，后腔如果全部密封，不开孔的话，由于腔体共振，1~4kHz 形成共振峰，如图18所示。如果后腔开孔，后腔孔的声质量变小，所以共振峰向后移。
耳机腔体参数如图19所示。图中，f h =()1/2π⋅
1/C h M h ，f h 为中高频共振频率。带入数值后计算当后
盖开一个孔时，f =1.9kHz ，当后盖开5个孔时，f =4kHz 。
耳机中频共振频率计算如下：V 0=667m 3，
N 孔=1个，L =0.88mm ，R =0.5mm ，C a =4.0353×10-12m 4⋅s 2/kg ，M a =2842.92994kg/m 4，声速V=344m/s ，空气密度ρ=
1.29kg/m 3，共振频率f =1487Hz 。
耳机中频共振频率曲线如图20所示。后腔开孔
大小的影响如下：开孔变小，声质量变大，就会降低峰值。加通气布，增加阻尼，可降低峰值
（一般开4~6
个  1.5
mm 的小孔）。
这两种方法都可以降低峰值，使曲线平坦，但是孔径变小太多就会近似于后腔密闭情况，反倒不好。因此，一般选用加通气布，可以通过调通气量来使中频更平坦。
3.2.2耳机前腔体声学分析
图21为前盖中间堵孔和不堵孔的测试曲线，前
盖中间堵孔的话，会抑制振膜中间的分割振动，所以高频曲线会上升一点。一般前盖开孔为边缘开孔面积比较大，前盖开孔面积为振膜面积的80%以上。
各项参数如表1所示。
4耳机曲线与听音的关系
一般情况下，耳机的曲线会直接反应出其听音的
感受，但是也不是绝对的，因为扬声器的膜片、腔体的形状和通气布还会对音有影响。耳机曲线与听音的关系如图22所示。
耳机的平衡性对于听音很重要，所以对曲线来说，低频峰值和高频3kHz 的峰值要小于3dB ，否则试听会感觉高音和低音不平衡。另外，3kHz 和1kHz 的感差要大于8dB ，这样声音才会有层次感。
如果低频比较高，可以通过以下三种方案调节：（1）降低扬声器的低频，简单的方法可以通过增加扬声器通气布的目数来降低低频。
（2）改变前盖泄露孔的通气布，通过减少通气布的目数来降低低频。
（3）改变后盖泄露孔的通气布，通过增加通气布的目数来降低低频。
如果高频比较高，可以通过以下两种方案调节：（1）增加前盖出气孔里面泡棉的密度和长度，密度加大，还可以降低5kHz 左右的峰值，使高频曲线能够更平滑下降，让3kHz 更加突出。这样高频就会比较清晰，不会太浑浊。高频曲线的峰值如图23所示。（2）增加前盖出音孔通气布的目数，降低峰值。
5结论
目前对于耳机的一些声学设计和模拟的论文都
较少，经验和理论的结合可以让设计者少走很多弯路，更能节省很多成本。笔者利用声学电路图，详细介绍了耳机的声学设计，应用大量实例图片，让理论和实际更紧密地相结合。
参考文献[1]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础[M].2版.南京：南京大学出版社，2001.[2]曹水轩，沙家正.扬声器及其系统[M].南京：南京大学出版社，1991.
[3]邱永胜.中国耳机行业发展现状及新产品[J].电声技术，2004（11）：27-28.
[4]
翁泰来.有关扬声器、传声器、耳机和其它家用及专业音频系统和设备的IEC 标准和国内标准[J].电声技术，
2002（9）：68-70.
[责任编辑]丁雪
[收稿日期]2011-04-19
表1
各项参数整理表