入耳式耳機腔體結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計及其優(yōu)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(fā)展十分迅速，消費者對這一類耳機的質(zhì)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(zhì)量成為當(dāng)前研究熱點，眾研究者研究并不斷優(yōu)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(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計分析

1.1 仿真設(shè)計必要性

一般入耳式耳機腔體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的傳播視作為平面?zhèn)鞑?，利用聲傳輸線理論優(yōu)化耳機腔體結(jié)構(gòu)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(zhì)的目的。本文介紹一種入耳式耳機腔體結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計，并與總參數(shù)模型進行結(jié)果對比，在仿真設(shè)計基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化算法，提升入耳式耳機品質(zhì)。

1.2 仿真設(shè)計方法

耳機腔體結(jié)構(gòu)中各元件對耳機質(zhì)量影響很大，因此想要實現(xiàn)對耳機頻率的調(diào)節(jié)，須首先明確各聲學(xué)元件及聲負載對頻響的影響規(guī)律。在仿真測量中，一般難以通過真的人耳實現(xiàn)測量，對此在仿真設(shè)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(jiān)測。另外，耳機單元在自由場與壓力場條件下的發(fā)聲單元不變，可以分為質(zhì)量控制區(qū)、力阻控制區(qū)、彈性控制區(qū)。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(zhì)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(qū)在fh諧振頻率以下的頻段；力阻控制區(qū)在fh附近，質(zhì)量控制區(qū)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(qū)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(yīng)的仿真分析，尋找參數(shù)變化對頻響曲線造成的影響，并分析相應(yīng)的變化規(guī)律。經(jīng)過仿真研究表明，彈性控制區(qū)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(qū)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(diào)容動圈式腔體結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)）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(tǒng)的聲容用Ch表示；系統(tǒng)的聲質(zhì)量用Mh表示；喇叭的聲質(zhì)量用Ma表示；前腔的聲質(zhì)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(guān)系如下：

同等效聲容（腔體容積）關(guān)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(guān)系如下：

前腔等效聲容C2的大小影響發(fā)聲單元中的高頻部分。C2與前蓋等效聲質(zhì)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(jù)式（6）可知fh會降低，進而調(diào)節(jié)頻率?；谝陨隙鷻C調(diào)音方法缺陷，根據(jù)此種情況，制定提出一種基于等效聲容原理的基礎(chǔ)上對動圈式高頻調(diào)容腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，能夠?qū)? kHz 以上高段頻率量進行調(diào)節(jié)，具有創(chuàng)新性與實用性。

2 入耳式耳機腔體結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計

2.1 建模

根據(jù)上述同容性元件關(guān)系的研究與分析，設(shè)計等效聲容的調(diào)容動圈式（高頻）腔體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛，主要通過“等效容性”改變腔體體積，實現(xiàn)對高頻部分頻響的調(diào)節(jié)。此結(jié)構(gòu)主要分為腔體聲學(xué)結(jié)構(gòu)、動圈單元結(jié)構(gòu)、線材及耦合耳帽、高頻調(diào)節(jié)機構(gòu)等四大模塊，共由10 個零部件組成，能夠有效優(yōu)化傳統(tǒng)入耳式耳機的腔體結(jié)構(gòu)[1]。

其中，動圈單元也稱電動式電聲換能器，利用通電導(dǎo)體在恒定磁場中能產(chǎn)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(dǎo)線上的音圈（線圈）帶動振膜，而產(chǎn)生聲音。通過該轉(zhuǎn)換器單元的應(yīng)用，可進一步提高佩戴者的舒適感，在一定程度上達到優(yōu)化入耳式耳機腔體結(jié)構(gòu)的作用。耳機結(jié)構(gòu)如下圖1。

圖1 動圈耳機結(jié)構(gòu)圖

在動圈單元結(jié)構(gòu)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(zhì)質(zhì)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(zhì)，本文設(shè)計的調(diào)音機構(gòu)通過改變動圈結(jié)構(gòu)的體積，可最大程度改變?nèi)攵蕉鷻C的前腔腔體的體積，進而實現(xiàn)高頻調(diào)音功能，能夠優(yōu)先提升耳機高頻頻響的質(zhì)量，優(yōu)化音質(zhì)。

外殼結(jié)構(gòu)（高頻調(diào)容腔體結(jié)構(gòu)）設(shè)計的由外殼后端與外殼前端兩部分組成，外殼內(nèi)部依次布置著調(diào)節(jié)旋鈕、調(diào)容動圈活動套簡和回復(fù)彈簧；外殼后端為耳塞的開口，導(dǎo)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(wǎng)，用于進一步調(diào)整聲音特性，提升聲音品質(zhì)。

2.2 聲學(xué)仿真模擬研究

有限元法（FEM）是根據(jù)變分原理來求解數(shù)學(xué)物理問題的一種數(shù)值計算方法，其基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)離散和分片插值，對于分析復(fù)雜形狀腔體內(nèi)的聲場特性有著顯著的優(yōu)點，可以真實地模擬聲場的波動特征，也適用于聲結(jié)構(gòu)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(diào)容動圈式腔體結(jié)構(gòu)進行聲學(xué)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(tài)計算結(jié)果，在建立腔體結(jié)構(gòu)有限元模型階段，減少倒角和梯形結(jié)構(gòu)，并將傾斜導(dǎo)音管方向改為同后殼同軸[2]。本設(shè)計不涉及復(fù)雜腔體，僅為前腔腔體容積變化，模型簡化處理對結(jié)果影響十分有限。

2.2.2 聲學(xué)有限元處理

提取ANASYS 網(wǎng)格模型，以Nastra 格式導(dǎo)人Virtual.Lab Acoustics 聲學(xué)模塊，并定義為聲學(xué)網(wǎng)格（Acoustical）。定義流體材料及屬性，流體材料參數(shù):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(fā)聲單元頻響數(shù)據(jù)生成。

2.2.3 聲學(xué)仿真結(jié)果分析

定義數(shù)據(jù)采集節(jié)點，對聲學(xué)仿真進行求解。前腔等效聲容C2對耳機聲壓、頻響影響結(jié)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(xué)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(qū)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?？v坐標為聲音響度。仿真的結(jié)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(diào)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(jié)果與理論分析一致。該設(shè)計是具有實際價值的耳機高音調(diào)節(jié)機構(gòu)[3]。

3 結(jié)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(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計及其優(yōu)化需要科學(xué)性，相關(guān)設(shè)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(yōu)化模型，真正達到優(yōu)化耳機腔體結(jié)構(gòu)的目的。上文中通過研究發(fā)現(xiàn)在1 kHz～10 kHz利用有限元模型，在之后優(yōu)化中選擇該仿真模型。進一步優(yōu)化得出腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計重點，真正實現(xiàn)優(yōu)化入耳式耳機腔體結(jié)構(gòu)，提升耳機品質(zhì)的目的。