基于人机工程学的头戴式耳机造型设计

　　摘要：针对长时间佩戴头戴式耳机时出现的耳廓疲劳、疼痛、闷热等问题，从人机工程学角度出发，对头戴式耳机提出了结构设计思路，并通过造型设计目标形成初步方案;运用ANSYS有限元仿真分析法，找出初步方案的不足，再次通过优化设计完善方案，并验证优化方案的可行性。通过对头戴式耳机人机工程等方面的改进，能够为用户提供较为满意的定制化方案，且能为同类产品的设计提供参考。

　　关键词：人机工程学,头戴式耳机,造型设计,ANSYS有限元仿真

　　1研究背景

　　头戴式耳机凭借其优质的音效，成为娱乐影音领域不可或缺的配套产品。尽管头戴式耳机造型千变万化，但结构上却大同小异，整体呈倒U型。用户佩戴时头戴式耳机会发生形变，应力作用使两边耳罩夹住耳廓，重力作用使耳机的头带压住头顶，形成三点受力结构以保持用户佩戴时的稳定性。耳廓皮肤薄弱，由软骨组织支撑，厚度约为1.3mm[1]，其间布满了神经和血管，特殊的生理特性决定了耳廓是人体易受损伤的器官。人类耳廓的形状较多，具体可分为猕猴型、长尾猴型、尖耳尖型、圆耳尖型、耳尖微显型、缺耳尖型等6种耳型[2]。

　　由于耳廓的尺寸不一，大小各异，耳罩尺寸无法适合所有消费者耳廓的大小，佩戴耳机时难免会出现如下问题：1)耳罩对耳廓接触部位压力过大，长时间佩戴头戴式耳机会造成耳廓肿胀、疼痛，甚至会造成耳部伤害;2)耳廓被耳罩包裹，处在狭小的受挤压空间中，长时间佩戴耳机会导致耳廓闷热不透气。通过对市场众多品牌头戴式耳机进行信息采样和归纳分析，发现此类产品均存在结构方面的问题，影响用户佩戴时的舒适性，从而降低了其工作效率，甚至引发耳部疼痛。调查表明，45%耳机用户认为耳机的佩戴舒适性是购买耳机时考虑的首要因素[3]。

　　因此，如何从设计的角度考虑，提高长时间佩戴头戴式耳机时的舒适性，最大程度降低耳机对耳部的物理性伤害[1]，是头戴式耳机设计过程中需要关注的关键问题。本研究从人机工程学角度出发，以用户佩戴过程中存在的问题为导向，在现有头戴式耳机的基础上进行结构改进，并进一步优化产品造型，从而满足用户个性化定制需求。

　　2问题解决思路

　　针对佩戴头戴式耳机过程中存在的问题，提出相应解决思路。1)对头带进行结构改进。用户佩戴头戴式耳机时，将原本耳罩对耳廓的压力转移到颞骨部位。颞骨部位被皮肤包裹坚硬而平坦，可有效承受头戴式耳机对其产生的压力。耳罩由原来的夹住耳廓变为贴住耳廓，使耳廓受力变小，一定程度上减轻耳廓因局部压力过大而导致的疼痛问题。2)在头带两边与耳罩衔接处增设两个旋转轴，耳罩具有单轴旋转自由度，可向外侧旋转一定角度。当耳罩外翻时，耳罩与耳廓分离，耳廓不受任何外力并可与空气充分接触，处于自然放松的状态;用户在不摘掉头戴式耳机的情况下，可缓解因长时间佩戴耳机所致的耳廓疲劳、疼痛、闷热等问题。

　　3造型设计

　　3.1造型设计目标

　　头戴式耳机发展至今，越来越重视造型设计。造型设计是将设计语言与产品定位相结合，融入产品品牌因素，形成大众普遍接受的造型形式，达到吸引消费者眼球的目的。除此以外，现代耳机的设计越来越注重造型的整体性，色彩的统一与搭配，通过用料表面的物理特征，传递给消费者视触觉俱佳的质感体验[4]。

　　本研究从人机工程学角度出发，通过市场调查及数据分析，结合生产工艺和成本，确定了头戴式耳机的造型设计目标，具体如下[5]。1)整体造型浑然一体、圆滑顺畅，部件之间过渡自然，体现稳重舒适感和现代科技感。2)选择色彩鲜艳，视觉冲击力强的单色调或者双色调，体现活力感和时尚性。3)选择具有质感的金属或塑料材质，耳垫选择透气性好，柔软耐用的人造皮质。4)采用椭圆形耳罩，即在垂直方向上呈顺时针15°旋转，与耳廓轮廓相吻合。

　　3.2产品主要部件及尺寸设计

　　通过查阅文献，了解了头戴式耳机的内部结构，以及对比同类产品的设计构成，确定了产品的外部件和内部件两大类，外部件包括耳壳、头带、耳垫等，内部件包括解码器、电路板、驱动器等。以相关产品的设计参数为基础，结合文献[7]的研究成果，为满足造型设计目标，本研究设定了头戴式耳机基本尺寸。

　　3.3方案设计

　　根据造型设计目标，通过头脑风暴法、模拟情境等方法绘制草图，经归纳对比，去粗取精，选出最终的草图设计方案。利用Alias软件，结合优化过的方案草图作为数字建模的参考依据，然后经多次方案迭代设计，确定了最终设计方案[6]，并渲染出效果图。

　　3.4功能与结构设计

　　通过参考市场的同类产品，确定了头戴式耳机的实际尺寸，其中头带宽度为145mm，头带长度为130mm，两侧伸缩架最大调节长度可延长至30mm，以适应不同用户头部的尺寸;在头带伸缩时加入限位设计，使伸缩架伸缩一定长度时便会卡住，避免头带松动[7]。

　　耳罩采用包耳式设计，耳垫采用高档PU皮包裹，弹性好透气性强。耳罩通过旋转轴可向外旋转60°，可缓解长时间佩戴耳机所致的耳廓不适。耳壳上印有大写字母R和L，指示正确佩戴方向;还印有红色艺术化的卡通标识，具有自然舒适的寓意，与头戴式耳机的创新点相契合。左耳壳集成3.5mm音频插口，右耳壳集成多功能按键(电源键、指示灯)、音量键、MicroUSB充电孔等功能部件。

　　4ANSYS有限元仿真分析

　　开发设计产品的过程中，采用ANSYS有限元仿真分析法可以节省大量的试验成本和缩短设计周期[8]，并且修正设计缺陷、优化设计参数，使所设计的产品更加安全可靠[9]。本研究运用ANSYS有限元仿真分析法，具体论述了头部模型的建立、模型材料的定义、ANSYS有限元仿真模型的前处理、边界条件的设定、舒适性评价等步骤。

　　4.1逆向获取头部模型

　　运用逆向工程，可以获得支持工程CAD软件的头部模型[10]，用于后续的ANSYS有限元仿真分析。将符合GB/T2428—1998《成年人头面部尺寸》规范的成年男性的头部作为扫描对象，采用非接触式激光扫描仪对头部进行三维点云获取，利用UG/Imageware软件对所获三维点云进行重构，再利用CATIA软件对重构后的三维点云进行自由曲面重建。

　　5优化设计

　　5.1结构优化

　　本研究对头戴式耳机软垫的尺寸与位置进行了优化设计。1)软垫尺寸方面。在保证伸缩架两端造型过渡顺畅的情况下，软垫高度增加了3mm，达到30mm，从而增大了软垫与颞骨部位的接触面积。2)软垫位置方面。软垫的水平高度降低了12mm，伸缩架最大延长后，软垫与头带的垂直最大距离为106mm，软垫更靠近耳罩。

　　6结语

　　从人机工程学角度出发，通过分析头部-头戴式耳机的人机关系，发现长时间佩戴耳机时，用户会出现耳廓疲劳、疼痛、闷热等问题，据此提出结构解决思路，并设定造型设计目标形成初步方案。利用ANSYS软件对头部-头戴式耳机模型进行有限元仿真分析，找出初步方案的不足;并通过等效应力云图的问题反馈，优化了头戴式耳机的设计方案，验证了头戴式耳机结构优化的可行性;并对耳机的颜色和材质进行设计优化，提升了头戴式耳机的整体质感，从而满足了用户舒适性和个性化定制需求。为同类产品开发设计提供了思路，为耳机的可定制性，提供了新的设计方向与商业模式。

　　参考文献：

　　[1]冉令鹏，王崴，丁日显，等.舒适性耳机半参数化设计优化研究[J].听力学及言语疾病杂志，2015，23(6)：646-650.RANLingpeng，WANGWei，DINGRixian，etal.TheOptimizationofComfortableEarphoneDesignedbytheMethodofSemi-Parametric[J].JournalofAudiologyandSpeechPathology，2015，23(6)：646-650.

　　[2]齐娜，李莉，赵伟.中国成年人耳廓形态测量及分类[J].声学技术，2010，29(5)：518-522.QINa，LILi，ZHAOWei.MorphometryandClassificationofChineseAdult’sAuricles[J].TechnicalAcoustics，2010，29(5)：518-522.

　　[3]杨磊.耳机的人机关系及声学设计[J].扬声器与传声器，2011，35(10)：25-29.YANGLei.Man-MachineRelationshipandAcousticDesignofHeadset[J].LoudspeakerandMicrophone，2011，35(10)：25-29.

　　[4]姚君，袁文昱，李向洲.基于感质理论分析的产品设计方法研究[J].包装工程，2016，37(24)：28-33.YAOJun，YUANWenyu，LIXiangzhou.ProductDesignMethodsBasedonQualiaTheory[J].PackagingEngineering，2016，37(24)：28-33.

　　[5]韩鹏.手持锂电充电钻造型设计研究[J].机械设计，2015，32(9)：120-122.

　　相关期刊推荐：包装工程(半月刊)创刊于1972年，由中国兵器装备集团公司主管，中国兵器工业第五九研究所主办。杂志内容主要分为专论和信息两大部分。