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科学技术论文

基于人机工程学的头戴式耳机造型设计

时间:2019年03月01日 所属分类:科学技术论文 点击?#38382;?script src="/plus/count.php?view=yes&aid=24807&mid=42" type='text/javascript' language="javascript">

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

  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

包装工程

  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?#20808;?#22823;同小异,整体?#23454;筓型。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?#35838;?#21387;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?#21487;?#23475;;2)耳廓被耳?#32844;?#35065;,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?#26723;?#20102;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?#26723;?#32819;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?#35838;弧?#39070;骨?#35838;?#34987;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?#24535;?#26377;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?#20004;瘢?#36234;来越重视造型设计。造型设计是将设计语言与产?#33539;?#20301;相结合,融入产品品牌因素,形成大众普遍?#37038;?#30340;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,?#33539;?#20102;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、?#19981;?#39034;畅,部件之间过渡自然,体现稳重舒适感和现代科技?#23567;?)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?#30465;?)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?#20998;?#35201;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,?#33539;?#20102;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?#38382;?#20026;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?#22659;?#23544;。

  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?#23478;?#25454;,然后经多次方案迭代设计,?#33539;?#20102;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,?#33539;?#20102;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?#30465;?#32819;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?#38382;?#20351;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?#24179;?#34892;重构,再利用CATIA软件对重构后的三维点?#24179;?#34892;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?#20260;?#30021;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?#35838;?#30340;接触面积。2)软垫位置方面。软垫的水平高度?#26723;?#20102;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?#24335;?#34892;设计优化,提升了头戴式耳机的整体质?#26657;?#20174;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?#30340;?#24335;。

  参考文献:

  [1]冉令鹏,王崴,丁日显,等.舒适性耳机半?#38382;?#21270;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?#23616;?#31649;,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。

  

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