入耳式耳机腔体结构的仿真设计及其优化

师瑞文

（深圳市冠旭电子股份有限公司，广东 深圳 518116）

引言

近年来入耳式耳机发展十分迅速，消费者对这一类耳机的质量要求也进一步提升，因此越来越多的研究者投入到入耳式耳机的研究之中。提升耳机频响仿真质量成为当前研究热点，众研究者研究并不断优化仿真频响，但高频段仿真方面依旧存在不足。

1 入耳式耳机腔体结构的仿真设计分析

1.1 仿真设计必要性

一般入耳式耳机腔体结构为管状，假定声音传播方向的尺寸与声波波长相差不大，可以将声波在耳机腔体结构中的传播视作为平面传播，利用声传输线理论优化耳机腔体结构模型，以达到提升入耳式耳机高频段仿真的精准性，提升入耳式耳机品质的目的。本文介绍一种入耳式耳机腔体结构的仿真设计，并与总参数模型进行结果对比，在仿真设计基础上进一步优化算法，提升入耳式耳机品质。

1.2 仿真设计方法

耳机腔体结构中各元件对耳机质量影响很大，因此想要实现对耳机频率的调节，须首先明确各声学元件及声负载对频响的影响规律。在仿真测量中，一般难以通过真的人耳实现测量，对此在仿真设计中一般需要使用耦合腔和仿真耳对实际使用情况进行模拟，并通过传感器对鼓膜处的频响进行监测。另外，耳机单元在自由场与压力场条件下的发声单元不变，可以分为质量控制区、力阻控制区、弹性控制区。但是由于声负载的不同，在压力场测试的谐振频率fh叠加了负载的声容和声质量，因此fh谐振频率与在自由场条件下存在一定的不同。在压力场测试条件下，弹性控制区在fh谐振频率以下的频段；力阻控制区在fh附近，质量控制区在fh～3 kHz，3 kHz 以上的频段属于高频分割震动和腔体谐振区域。

有研究者通过电路仿真PSPICE 软件，对受话器（耳机单元）运用等效电路对各个部件进行了相应的仿真分析，寻找参数变化对频响曲线造成的影响，并分析相应的变化规律。经过仿真研究表明，弹性控制区受感性元件（电流滞后电压）影响，即fh以下的低频段；力阻控制区受阻性元件（电压滞后电流）影响即fh附近的中频段；受话器受容性元件（电压与电流相位相同）的大小影响，即中高频部分，本文所提出的高频调容动圈式腔体结构设计原理即为此原理。

1.3 入耳式耳机容性元件与电路（高频声学）分析

高频时，后腔的频率与声阻和容积成反比，一般后腔的容积比较大，后腔的声阻很小可近似短路。高频耳机共振频率公式如下：

式中：高频共振频率用fh，表示为装入耳机壳之后的振频；系统的声容用Ch表示；系统的声质量用Mh表示；喇叭的声质量用Ma表示；前腔的声质量用M2表示。将式（2）、（3）带人式（1），整理可得高频共振频率与等效声容的关系如下：

同等效声容（腔体容积）关系如式（5）所示

式中：等效声容用C 表示，主要为腔体容积等效声容；腔体容积用V 表示，单位m3；空气密度为ρ0=1.21 kg/m3；空气中声速为C0=344 m/s（20 ℃时）。将式（4）和式（5）整理得出等效声容（腔体容积）C 同高频共振频率fh关系如下：

前腔等效声容C2的大小影响发声单元中的高频部分。C2与前盖等效声质量形成的谐振，直接影响频响曲线中高频峰所在的频率；增大前腔腔体体积V2时，根据式（6）可知fh会降低，进而调节频率。基于以上耳机调音方法缺陷，根据此种情况，制定提出一种基于等效声容原理的基础上对动圈式高频调容腔体结构设计的方法，能够对1 kHz 以上高段频率量进行调节，具有创新性与实用性。

2 入耳式耳机腔体结构的仿真设计

2.1 建模

根据上述同容性元件关系的研究与分析，设计等效声容的调容动圈式（高频）腔体结构，该结构应用较为广泛，主要通过“等效容性”改变腔体体积，实现对高频部分频响的调节。此结构主要分为腔体声学结构、动圈单元结构、线材及耦合耳帽、高频调节机构等四大模块，共由10 个零部件组成，能够有效优化传统入耳式耳机的腔体结构[1]。

其中，动圈单元也称电动式电声换能器，利用通电导体在恒定磁场中能产生位移的原理制成。动圈式电声换能器的振动部分是由缠绕在骨架上的绝缘导线上的音圈（线圈）带动振膜，而产生声音。通过该转换器单元的应用，可进一步提高佩戴者的舒适感，在一定程度上达到优化入耳式耳机腔体结构的作用。耳机结构如下图1。

图1 动圈耳机结构图

在动圈单元结构前后各有一个腔体，腔体的大小、形状也是影响佩戴者感受音质质量的重要因素。前壳与振膜形成的前腔等效声容C2的大小主要影响中高频部分的音质，本文设计的调音机构通过改变动圈结构的体积，可最大程度改变入耳式耳机的前腔腔体的体积，进而实现高频调音功能，能够优先提升耳机高频频响的质量，优化音质。

外壳结构（高频调容腔体结构）设计的由外壳后端与外壳前端两部分组成，外壳内部依次布置着调节旋钮、调容动圈活动套简和回复弹簧；外壳后端为耳塞的开口，导线从这端引入。外壳前端则是耳机的耳帽，在耳帽处（外壳前端）可以选择布置一块阻尼滤网，用于进一步调整声音特性，提升声音品质。

2.2 声学仿真模拟研究

有限元法（FEM）是根据变分原理来求解数学物理问题的一种数值计算方法，其基础是结构离散和分片插值，对于分析复杂形状腔体内的声场特性有着显著的优点，可以真实地模拟声场的波动特征，也适用于声结构界面阻抗非均匀分布的情况。采用ANASYS建立腔体的有限元模型，Virtual.Lab Acoustics 模块对高频调容动圈式腔体结构进行声学有限元仿真。

2.2.1 有限元模型

选用ANASYS 进行有限元建模，为简化计算，方便后处理软件得到相对完善的模态计算结果，在建立腔体结构有限元模型阶段，减少倒角和梯形结构，并将倾斜导音管方向改为同后壳同轴[2]。本设计不涉及复杂腔体，仅为前腔腔体容积变化，模型简化处理对结果影响十分有限。

2.2.2 声学有限元处理

提取ANASYS 网格模型，以Nastra 格式导人Virtual.Lab Acoustics 声学模块，并定义为声学网格（Acoustical）。定义流体材料及属性，流体材料参数:声音在材料中的传播速度为340 m/s，材料密度为1.225 kg/m3。定义入口端边界声压激励条件，出口端吸声属性。在仿真中，激励边界条件由某一发声单元频响数据生成。

2.2.3 声学仿真结果分析

定义数据采集节点，对声学仿真进行求解。前腔等效声容C2对耳机声压、频响影响结果查看如下：声压分布云图能够直观显示耳机前腔腔体声学测试场点声压级随距离的变化趋势，通过观察声辐射声压分布云图，可知耳机前腔腔体在场点附近区域仿真声压值适宜，详见下页图2。

如图2 所示，其横坐标为声音频率，范围为人耳朵所能感知的频率范围，即20 Hz～20 kHz。纵坐标为声音响度。仿真的结果显示：无论是前腔体积最大还是最小，频响曲线均从1 kHz 左右开始有变化；最大和最小腔体之间调整范围最高达10 dB；另外1 kHz和3 kHz 的感差大于8 dB，使得声音有层次感。仿真结果与理论分析一致。该设计是具有实际价值的耳机高音调节机构[3]。

3 结语

图2 最大和最小腔体情况下的频响曲线

入耳式耳机腔体结构的仿真设计及其优化需要科学性，相关设计人员可以通过比对不同的仿真模型，从中选择更为适宜的模型，并在选择模型之后加以测试，以进一步优化模型，真正达到优化耳机腔体结构的目的。上文中通过研究发现在1 kHz～10 kHz利用有限元模型，在之后优化中选择该仿真模型。进一步优化得出腔体结构设计重点，真正实现优化入耳式耳机腔体结构，提升耳机品质的目的。