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基于人機工程學的頭戴式耳機造型設計

時間:2019年03月01日 分類:科學技術論文 次數:

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

  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

包裝工程

  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:

  [1]冉令鵬,王崴,丁日顯,等.舒適性耳機半參數化設計優化研究[J].聽力學及言語疾病雜志,2015,23(6):646-650.RANLingpeng,WANGWei,DINGRixian,etal.TheOptimizationofComfortableEarphoneDesignedbytheMethodofSemi-Parametric[J].JournalofAudiologyandSpeechPathology,2015,23(6):646-650.

  [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。