人机工程学对耳机设计的优化

1、人机工程学课程论文人机工程学对耳机设计的优化 摘要人机工程学是一门专门研究人体及身心与外界事物联系的技术学科。该学科的发展已经有60多年历史，在其自身的发展过程中，逐步打破了与之相关学科间的界限，形成了一门研究和应用范围都极为广泛的综合性交叉学科 。其根本研究方向是通过揭示人一机一环境之间相互关系的规律，最大限度地适合人类的形态，生理和心理特性，以求达到人一机一环境系统总体性能的最优化的目的。本文的研究基于目前人们对音乐的热爱，随处我们都可以看见人们戴着耳机听着音乐，在大学里更是普遍，许多大学生边听着音乐边学习，或者做其他的事情，我们已经不能离开没有音乐的生活，但是长期戴着耳机会对人的耳朵造成

2、伤害，在一些戴耳机听音乐的青年人中听力减退的情况已越来越多。而且耳机戴久了会特别不舒服，出现头疼等症状。这是因为人戴上耳机后，外耳道口即被耳机紧紧堵塞住。高音量的音频声压会直接进入耳内而损伤听力，造成不可恢复的听力损害。长期用耳机听音乐，听觉就会出现疲劳、损伤，引起听力减退，人体就会出现烦躁不安、头晕、失眠、记忆力减退、注意力不集中、思维反应迟钝、异常心理障碍等情况，对身体健康十分有害如果不戴耳机听音乐，又会对他人造成干扰，故本文对耳机进行分析和改进，让人能享受音乐的美感的同时减少对耳朵的伤害。关键词：人机工程学 耳机 健康 优化改进一、 耳机的概述 耳机根据其换能方式分类，主要有：动圈方式、

3、动铁方式、静电式和等磁式。从结构上功能方式进行分类，可分为半开放式和封闭式；从佩带形式上分类则有耳塞式，挂耳式，入耳式和头戴式；从佩戴人数上分类则有单人耳机和多人耳机；从音源上区别，可以分为有源耳机和无源耳机；有源耳机也常被称为插卡耳机。图1-1二、 听觉机能及其特征1.人的听觉系统 人耳的基本结构如图1-2所示，外界的声波通过外耳道传到鼓膜，引起鼓膜振动，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式器中的毛细胞产生兴奋。机械能形式的声波就在此处转变为听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，然后被传送到大脑皮层听觉中枢，从而产生

4、听觉。（a）人耳的基本结构 （b）耳蜗2.人听觉的特性 频率相应：对于具有正常听力的青少年来说（年龄在1225岁之间）能够觉察到的频率范围大约是1620000Hz。而一般人的最佳听闻频率范围是2020000Hz 动态范围：可听声取决于声音的频率外，还取决于声音的强度。听觉的声强动态范围可用下列比值表示： 声强动态范围=正好可忍受的声强/正好能听见的声强(1) 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的正弦式纯音的最低声强Imin，称为相应频率下的“听阀值”。可根据各个频率f与最低声强Imin绘出标准听阀曲线，如图1-3图1-3该曲线可以得出以下结论：在800-1500Hz这段频

5、率范围内，听阀无明显变化；低于800Hz时，可听响度随着频率的降低而明显减小。例如，在400Hz时，只有在1000Hz时测得的“标准灵敏度”的1/10；在90Hz时，只有“标准灵敏度”的1/10000;而在40Hz时，只有“标准灵敏度”的1/；在3000-4000Hz之间达到最大的听觉灵敏度，在该频率范围内，灵敏度高达标准值的10倍；超过6000Hz时，灵敏度再次下降，大约在17000Hz时，减至标准值的1/10。(2) 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Imax，称为相应频率的“痛阀值”，如图1-3(3) 听觉区域 图1-3还绘出了由听阀与痛阀两条曲线所包围的“听

6、觉区”（影线部分）三、耳机在人机工程学上的应用与优化设计1.耳机的频率响应 对于具有正常听力的青少年来说（年龄在1225岁之间）能够觉察到的频率范围大约是1620000Hz。而一般人的最佳听闻频率范围是2020000Hz，可见人耳能听闻的频率比为：fmax/ fmin =11000，人到25岁左右时，开始对15000Hz以上频率的灵敏度显著降低，当 频率高于15000Hz时，听阈开始向下移动，而且随着年龄的增长，频率感受上限逐年连续降低。但是对于f1000Hz的低频率范围，听觉灵敏度几乎不受年龄的影响，见下图。因此听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。为了满足人的频率需求，耳机在设

7、计时使其能够重放的频带相当宽，一般的耳机为2020000Hz，优秀的已经可以达到5Hz-40000Hz。2.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（如下图1-4），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（如下图1-5）。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

8、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。 图1-4 压耳式耳罩 图1-5 绕耳式耳罩3.耳塞的材料选择 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

9、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。 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

10、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。四、 通过人机工程学原理个人对耳机的改进头戴式耳机存在过于太大，且上部的跨弧直接接触头的顶部，长时间戴的话会对头的顶部造成压迫感，使人感到疲劳，针对这种情况，采用后挂式，从人们戴眼镜的角度

11、考虑的，眼镜是一种常见的头部使用工具，但是长时间戴眼镜并没有对头部造成压迫感，眼镜的稳定性也是比较高的，同时眼镜的镜腿利用到了人的耳部构造，来达到稳定效果，所以后挂式耳机采用眼镜腿的原理和人的头部构造设计而成，解决了原来头戴式耳机的问题，减少对人体的伤害。再者使用耳机使得耳近距离接触声音刺激，接触噪音源较近，加之其频率特性较高，声音强度越大，对听力的损伤也更明显。所以无论怎么改进还是会对人的耳朵造成伤害，所以最好的办法还是减少对耳机的使用值得推荐的一个原则为“60-60”原则：即人们在使用耳机时，音量不宜过大，建议一般不要超过最大音量的60%，也可以根据自身的情况，将音量调至更低，只要保证能听清楚即可。另外，连续使用耳机的时间不宜超过60分钟。故可以在耳机出植入一个小芯片，设置温馨提示，当用耳塞听音乐超过一小时时，发出语音提醒，提醒用户休息会耳朵。五、 结束语 从人机工程学在产品设计中“以人为本”的设计理念出发，详细分析了耳机中的人机因素，