基于人机工程学的头戴式耳机造型设计

基于人机工程学的头戴式耳机造型设计

doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2018.05.007

收稿日期：2018-07-03

基金项目：湖南省社会科学基金资助项目（17YBA135）

作者简介：刘宗明（1978-），男，江西吉安人，湖南工业大学副教授，硕士生导师，主要从事产品设计方面的教学与研究， E-mail ：109835841@

刘宗明 李健国

湖南工业大学包装设计艺术学院湖南 株洲 412007

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 有限元仿真中图分类号：TB472.2 文献标志码：A

文章编号：1674-7100(2018)05-0039-07

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1.3 mm [1]，其间布满了神经和血管（如图1所示），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

图1 耳廓示意图

Fig. 1 Sketch map of auricle

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（如图2所示）。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，如图3所示。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，如图4所示。

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，具体如图5

所示。

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如表

1所示。

图2 受力部位对比分析

Fig. 2 Comparative analysis of stress positions

图3 耳罩旋转对比分析

Fig. 3 Comparative analysis of earshield rotation

图4 耳罩夹角示意图

Fig. 4 Diagram of angle between the earshields

图5 头戴式耳机部件构成

Fig. 5 The components of the headphone

表1 头戴式耳机基本尺寸Table 1 Basic size of headphone

伸缩架25~35

头带耳罩长度120~140

长度135~155

长度85~95

厚度35~50

mm