摘要：針對長時間佩戴頭戴式耳機時出現的耳廓疲勞、疼痛、悶熱等問題，從人機工程學角度出發，對頭戴式耳機提出了結構設計思路，并通過造型設計目標形成初步方案;運用ANSYS有限元仿真分析法，找出初步方案的不足，再次通過優化設計完善方案，并驗證優化方案的可行性。通過對頭戴式耳機人機工程等方面的改進，能夠為用戶提供較為滿意的定制化方案，且能為同類產品的設計提供參考。

　　關鍵詞：人機工程學,頭戴式耳機,造型設計,ANSYS有限元仿真

　　1研究背景

　　頭戴式耳機憑借其優質的音效，成為娛樂影音領域不可或缺的配套產品。盡管頭戴式耳機造型千變萬化，但結構上卻大同小異，整體呈倒U型。用戶佩戴時頭戴式耳機會發生形變，應力作用使兩邊耳罩夾住耳廓，重力作用使耳機的頭帶壓住頭頂，形成三點受力結構以保持用戶佩戴時的穩定性。耳廓皮膚薄弱，由軟骨組織支撐，厚度約為1.3mm[1]，其間布滿了神經和血管，特殊的生理特性決定了耳廓是人體易受損傷的器官。人類耳廓的形狀較多，具體可分為獼猴型、長尾猴型、尖耳尖型、圓耳尖型、耳尖微顯型、缺耳尖型等6種耳型[2]。

　　由于耳廓的尺寸不一，大小各異，耳罩尺寸無法適合所有消費者耳廓的大小，佩戴耳機時難免會出現如下問題：1)耳罩對耳廓接觸部位壓力過大，長時間佩戴頭戴式耳機會造成耳廓腫脹、疼痛，甚至會造成耳部傷害;2)耳廓被耳罩包裹，處在狹小的受擠壓空間中，長時間佩戴耳機會導致耳廓悶熱不透氣。通過對市場眾多品牌頭戴式耳機進行信息采樣和歸納分析，發現此類產品均存在結構方面的問題，影響用戶佩戴時的舒適性，從而降低了其工作效率，甚至引發耳部疼痛。調查表明，45%耳機用戶認為耳機的佩戴舒適性是購買耳機時考慮的首要因素[3]。

　　因此，如何從設計的角度考慮，提高長時間佩戴頭戴式耳機時的舒適性，最大程度降低耳機對耳部的物理性傷害[1]，是頭戴式耳機設計過程中需要關注的關鍵問題。本研究從人機工程學角度出發，以用戶佩戴過程中存在的問題為導向，在現有頭戴式耳機的基礎上進行結構改進，并進一步優化產品造型，從而滿足用戶個性化定制需求。

　　2問題解決思路

　　針對佩戴頭戴式耳機過程中存在的問題，提出相應解決思路。1)對頭帶進行結構改進。用戶佩戴頭戴式耳機時，將原本耳罩對耳廓的壓力轉移到顳骨部位。顳骨部位被皮膚包裹堅硬而平坦，可有效承受頭戴式耳機對其產生的壓力。耳罩由原來的夾住耳廓變為貼住耳廓，使耳廓受力變小，一定程度上減輕耳廓因局部壓力過大而導致的疼痛問題。2)在頭帶兩邊與耳罩銜接處增設兩個旋轉軸，耳罩具有單軸旋轉自由度，可向外側旋轉一定角度。當耳罩外翻時，耳罩與耳廓分離，耳廓不受任何外力并可與空氣充分接觸，處于自然放松的狀態;用戶在不摘掉頭戴式耳機的情況下，可緩解因長時間佩戴耳機所致的耳廓疲勞、疼痛、悶熱等問題。

　　3造型設計

　　3.1造型設計目標

　　頭戴式耳機發展至今，越來越重視造型設計。造型設計是將設計語言與產品定位相結合，融入產品品牌因素，形成大眾普遍接受的造型形式，達到吸引消費者眼球的目的。除此以外，現代耳機的設計越來越注重造型的整體性，色彩的統一與搭配，通過用料表面的物理特征，傳遞給消費者視觸覺俱佳的質感體驗[4]。

　　本研究從人機工程學角度出發，通過市場調查及數據分析，結合生產工藝和成本，確定了頭戴式耳機的造型設計目標，具體如下[5]。1)整體造型渾然一體、圓滑順暢，部件之間過渡自然，體現穩重舒適感和現代科技感。2)選擇色彩鮮艷，視覺沖擊力強的單色調或者雙色調，體現活力感和時尚性。3)選擇具有質感的金屬或塑料材質，耳墊選擇透氣性好，柔軟耐用的人造皮質。4)采用橢圓形耳罩，即在垂直方向上呈順時針15°旋轉，與耳廓輪廓相吻合。

　　3.2產品主要部件及尺寸設計

　　通過查閱文獻，了解了頭戴式耳機的內部結構，以及對比同類產品的設計構成，確定了產品的外部件和內部件兩大類，外部件包括耳殼、頭帶、耳墊等，內部件包括解碼器、電路板、驅動器等。以相關產品的設計參數為基礎，結合文獻[7]的研究成果，為滿足造型設計目標，本研究設定了頭戴式耳機基本尺寸。

　　3.3方案設計

　　根據造型設計目標，通過頭腦風暴法、模擬情境等方法繪制草圖，經歸納對比，去粗取精，選出最終的草圖設計方案。利用Alias軟件，結合優化過的方案草圖作為數字建模的參考依據，然后經多次方案迭代設計，確定了最終設計方案[6]，并渲染出效果圖。

　　3.4功能與結構設計

　　通過參考市場的同類產品，確定了頭戴式耳機的實際尺寸，其中頭帶寬度為145mm，頭帶長度為130mm，兩側伸縮架最大調節長度可延長至30mm，以適應不同用戶頭部的尺寸;在頭帶伸縮時加入限位設計，使伸縮架伸縮一定長度時便會卡住，避免頭帶松動[7]。

　　耳罩采用包耳式設計，耳墊采用高檔PU皮包裹，彈性好透氣性強。耳罩通過旋轉軸可向外旋轉60°，可緩解長時間佩戴耳機所致的耳廓不適。耳殼上印有大寫字母R和L，指示正確佩戴方向;還印有紅色藝術化的卡通標識，具有自然舒適的寓意，與頭戴式耳機的創新點相契合。左耳殼集成3.5mm音頻插口，右耳殼集成多功能按鍵(電源鍵、指示燈)、音量鍵、MicroUSB充電孔等功能部件。

　　4ANSYS有限元仿真分析

　　開發設計產品的過程中，采用ANSYS有限元仿真分析法可以節省大量的試驗成本和縮短設計周期[8]，并且修正設計缺陷、優化設計參數，使所設計的產品更加安全可靠[9]。本研究運用ANSYS有限元仿真分析法，具體論述了頭部模型的建立、模型材料的定義、ANSYS有限元仿真模型的前處理、邊界條件的設定、舒適性評價等步驟。

　　4.1逆向獲取頭部模型

　　運用逆向工程，可以獲得支持工程CAD軟件的頭部模型[10]，用于后續的ANSYS有限元仿真分析。將符合GB/T2428—1998《成年人頭面部尺寸》規范的成年男性的頭部作為掃描對象，采用非接觸式激光掃描儀對頭部進行三維點云獲取，利用UG/Imageware軟件對所獲三維點云進行重構，再利用CATIA軟件對重構后的三維點云進行自由曲面重建。

　　5優化設計

　　5.1結構優化

　　本研究對頭戴式耳機軟墊的尺寸與位置進行了優化設計。1)軟墊尺寸方面。在保證伸縮架兩端造型過渡順暢的情況下，軟墊高度增加了3mm，達到30mm，從而增大了軟墊與顳骨部位的接觸面積。2)軟墊位置方面。軟墊的水平高度降低了12mm，伸縮架最大延長后，軟墊與頭帶的垂直最大距離為106mm，軟墊更靠近耳罩。

　　6結語

　　從人機工程學角度出發，通過分析頭部-頭戴式耳機的人機關系，發現長時間佩戴耳機時，用戶會出現耳廓疲勞、疼痛、悶熱等問題，據此提出結構解決思路，并設定造型設計目標形成初步方案。利用ANSYS軟件對頭部-頭戴式耳機模型進行有限元仿真分析，找出初步方案的不足;并通過等效應力云圖的問題反饋，優化了頭戴式耳機的設計方案，驗證了頭戴式耳機結構優化的可行性;并對耳機的顏色和材質進行設計優化，提升了頭戴式耳機的整體質感，從而滿足了用戶舒適性和個性化定制需求。為同類產品開發設計提供了思路，為耳機的可定制性，提供了新的設計方向與商業模式。

　　參考文獻：

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　　[2]齊娜，李莉，趙偉.中國成年人耳廓形態測量及分類[J].聲學技術，2010，29(5)：518-522.QINa，LILi，ZHAOWei.MorphometryandClassificationofChineseAdult’sAuricles[J].TechnicalAcoustics，2010，29(5)：518-522.

　　[3]楊磊.耳機的人機關系及聲學設計[J].揚聲器與傳聲器，2011，35(10)：25-29.YANGLei.Man-MachineRelationshipandAcousticDesignofHeadset[J].LoudspeakerandMicrophone，2011，35(10)：25-29.

　　[4]姚君，袁文昱，李向洲.基于感質理論分析的產品設計方法研究[J].包裝工程，2016，37(24)：28-33.YAOJun，YUANWenyu，LIXiangzhou.ProductDesignMethodsBasedonQualiaTheory[J].PackagingEngineering，2016，37(24)：28-33.

　　[5]韓鵬.手持鋰電充電鉆造型設計研究[J].機械設計，2015，32(9)：120-122.

　　相關期刊推薦：包裝工程(半月刊)創刊于1972年，由中國兵器裝備集團公司主管，中國兵器工業第五九研究所主辦。雜志內容主要分為專論和信息兩大部分。