入耳式耳機腔體結構的仿真設計及其優化

師瑞文

（深圳市冠旭電子股份有限公司，廣東 深圳 518116）

引言

近年來入耳式耳機發展十分迅速，消費者對這一類耳機的質量要求也進一步提升，因此越來越多的研究者投入到入耳式耳機的研究之中。提升耳機頻響仿真質量成為當前研究熱點，眾研究者研究并不斷優化仿真頻響，但高頻段仿真方面依舊存在不足。

1 入耳式耳機腔體結構的仿真設計分析

1.1 仿真設計必要性

一般入耳式耳機腔體結構為管狀，假定聲音傳播方向的尺寸與聲波波長相差不大，可以將聲波在耳機腔體結構中的傳播視作為平面傳播，利用聲傳輸線理論優化耳機腔體結構模型，以達到提升入耳式耳機高頻段仿真的精準性，提升入耳式耳機品質的目的。本文介紹一種入耳式耳機腔體結構的仿真設計，并與總參數模型進行結果對比，在仿真設計基礎上進一步優化算法，提升入耳式耳機品質。

1.2 仿真設計方法

耳機腔體結構中各元件對耳機質量影響很大，因此想要實現對耳機頻率的調節，須首先明確各聲學元件及聲負載對頻響的影響規律。在仿真測量中，一般難以通過真的人耳實現測量，對此在仿真設計中一般需要使用耦合腔和仿真耳對實際使用情況進行模擬，并通過傳感器對鼓膜處的頻響進行監測。另外，耳機單元在自由場與壓力場條件下的發聲單元不變，可以分為質量控制區、力阻控制區、彈性控制區。但是由于聲負載的不同，在壓力場測試的諧振頻率fh疊加了負載的聲容和聲質量，因此fh諧振頻率與在自由場條件下存在一定的不同。在壓力場測試條件下，彈性控制區在fh諧振頻率以下的頻段；力阻控制區在fh附近，質量控制區在fh～3 kHz，3 kHz 以上的頻段屬于高頻分割震動和腔體諧振區域。

有研究者通過電路仿真PSPICE 軟件，對受話器（耳機單元）運用等效電路對各個部件進行了相應的仿真分析，尋找參數變化對頻響曲線造成的影響，并分析相應的變化規律。經過仿真研究表明，彈性控制區受感性元件（電流滯后電壓）影響，即fh以下的低頻段；力阻控制區受阻性元件（電壓滯后電流）影響即fh附近的中頻段；受話器受容性元件（電壓與電流相位相同）的大小影響，即中高頻部分，本文所提出的高頻調容動圈式腔體結構設計原理即為此原理。

1.3 入耳式耳機容性元件與電路（高頻聲學）分析

高頻時，后腔的頻率與聲阻和容積成反比，一般后腔的容積比較大，后腔的聲阻很小可近似短路。高頻耳機共振頻率公式如下：

式中：高頻共振頻率用fh，表示為裝入耳機殼之后的振頻；系統的聲容用Ch表示；系統的聲質量用Mh表示；喇叭的聲質量用Ma表示；前腔的聲質量用M2表示。將式（2）、（3）帶人式（1），整理可得高頻共振頻率與等效聲容的關系如下：

同等效聲容（腔體容積）關系如式（5）所示

式中：等效聲容用C 表示，主要為腔體容積等效聲容；腔體容積用V 表示，單位m3；空氣密度為ρ0=1.21 kg/m3；空氣中聲速為C0=344 m/s（20 ℃時）。將式（4）和式（5）整理得出等效聲容（腔體容積）C 同高頻共振頻率fh關系如下：

前腔等效聲容C2的大小影響發聲單元中的高頻部分。C2與前蓋等效聲質量形成的諧振，直接影響頻響曲線中高頻峰所在的頻率；增大前腔腔體體積V2時，根據式（6）可知fh會降低，進而調節頻率。基于以上耳機調音方法缺陷，根據此種情況，制定提出一種基于等效聲容原理的基礎上對動圈式高頻調容腔體結構設計的方法，能夠對1 kHz 以上高段頻率量進行調節，具有創新性與實用性。

2 入耳式耳機腔體結構的仿真設計

2.1 建模

根據上述同容性元件關系的研究與分析，設計等效聲容的調容動圈式（高頻）腔體結構，該結構應用較為廣泛，主要通過“等效容性”改變腔體體積，實現對高頻部分頻響的調節。此結構主要分為腔體聲學結構、動圈單元結構、線材及耦合耳帽、高頻調節機構等四大模塊，共由10 個零部件組成，能夠有效優化傳統入耳式耳機的腔體結構[1]。

其中，動圈單元也稱電動式電聲換能器，利用通電導體在恒定磁場中能產生位移的原理制成。動圈式電聲換能器的振動部分是由纏繞在骨架上的絕緣導線上的音圈（線圈）帶動振膜，而產生聲音。通過該轉換器單元的應用，可進一步提高佩戴者的舒適感，在一定程度上達到優化入耳式耳機腔體結構的作用。耳機結構如下圖1。

圖1 動圈耳機結構圖

在動圈單元結構前后各有一個腔體，腔體的大小、形狀也是影響佩戴者感受音質質量的重要因素。前殼與振膜形成的前腔等效聲容C2的大小主要影響中高頻部分的音質，本文設計的調音機構通過改變動圈結構的體積，可最大程度改變入耳式耳機的前腔腔體的體積，進而實現高頻調音功能，能夠優先提升耳機高頻頻響的質量，優化音質。

外殼結構（高頻調容腔體結構）設計的由外殼后端與外殼前端兩部分組成，外殼內部依次布置著調節旋鈕、調容動圈活動套簡和回復彈簧；外殼后端為耳塞的開口，導線從這端引入。外殼前端則是耳機的耳帽，在耳帽處（外殼前端）可以選擇布置一塊阻尼濾網，用于進一步調整聲音特性，提升聲音品質。

2.2 聲學仿真模擬研究

有限元法（FEM）是根據變分原理來求解數學物理問題的一種數值計算方法，其基礎是結構離散和分片插值，對于分析復雜形狀腔體內的聲場特性有著顯著的優點，可以真實地模擬聲場的波動特征，也適用于聲結構界面阻抗非均勻分布的情況。采用ANASYS建立腔體的有限元模型，Virtual.Lab Acoustics 模塊對高頻調容動圈式腔體結構進行聲學有限元仿真。

2.2.1 有限元模型

選用ANASYS 進行有限元建模，為簡化計算，方便后處理軟件得到相對完善的模態計算結果，在建立腔體結構有限元模型階段，減少倒角和梯形結構，并將傾斜導音管方向改為同后殼同軸[2]。本設計不涉及復雜腔體，僅為前腔腔體容積變化，模型簡化處理對結果影響十分有限。

2.2.2 聲學有限元處理

提取ANASYS 網格模型，以Nastra 格式導人Virtual.Lab Acoustics 聲學模塊，并定義為聲學網格（Acoustical）。定義流體材料及屬性，流體材料參數:聲音在材料中的傳播速度為340 m/s，材料密度為1.225 kg/m3。定義入口端邊界聲壓激勵條件，出口端吸聲屬性。在仿真中，激勵邊界條件由某一發聲單元頻響數據生成。

2.2.3 聲學仿真結果分析

定義數據采集節點，對聲學仿真進行求解。前腔等效聲容C2對耳機聲壓、頻響影響結果查看如下：聲壓分布云圖能夠直觀顯示耳機前腔腔體聲學測試場點聲壓級隨距離的變化趨勢，通過觀察聲輻射聲壓分布云圖，可知耳機前腔腔體在場點附近區域仿真聲壓值適宜，詳見下頁圖2。

如圖2 所示，其橫坐標為聲音頻率，范圍為人耳朵所能感知的頻率范圍，即20 Hz～20 kHz。縱坐標為聲音響度。仿真的結果顯示：無論是前腔體積最大還是最小，頻響曲線均從1 kHz 左右開始有變化；最大和最小腔體之間調整范圍最高達10 dB；另外1 kHz和3 kHz 的感差大于8 dB，使得聲音有層次感。仿真結果與理論分析一致。該設計是具有實際價值的耳機高音調節機構[3]。

3 結語

圖2 最大和最小腔體情況下的頻響曲線

入耳式耳機腔體結構的仿真設計及其優化需要科學性，相關設計人員可以通過比對不同的仿真模型，從中選擇更為適宜的模型，并在選擇模型之后加以測試，以進一步優化模型，真正達到優化耳機腔體結構的目的。上文中通過研究發現在1 kHz～10 kHz利用有限元模型，在之后優化中選擇該仿真模型。進一步優化得出腔體結構設計重點，真正實現優化入耳式耳機腔體結構，提升耳機品質的目的。