1、人機(jī)工程學(xué)課程論文人機(jī)工程學(xué)對(duì)耳機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化 摘要人機(jī)工程學(xué)是一門專門研究人體及身心與外界事物聯(lián)系的技術(shù)學(xué)科。該學(xué)科的發(fā)展已經(jīng)有60多年歷史，在其自身的發(fā)展過(guò)程中，逐步打破了與之相關(guān)學(xué)科間的界限，形成了一門研究和應(yīng)用范圍都極為廣泛的綜合性交叉學(xué)科 。其根本研究方向是通過(guò)揭示人一機(jī)一環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，最大限度地適合人類的形態(tài)，生理和心理特性，以求達(dá)到人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化的目的。本文的研究基于目前人們對(duì)音樂(lè)的熱愛(ài)，隨處我們都可以看見(jiàn)人們戴著耳機(jī)聽(tīng)著音樂(lè)，在大學(xué)里更是普遍，許多大學(xué)生邊聽(tīng)著音樂(lè)邊學(xué)習(xí)，或者做其他的事情，我們已經(jīng)不能離開(kāi)沒(méi)有音樂(lè)的生活，但是長(zhǎng)期戴著耳機(jī)會(huì)對(duì)人的耳朵造成

2、傷害，在一些戴耳機(jī)聽(tīng)音樂(lè)的青年人中聽(tīng)力減退的情況已越來(lái)越多。而且耳機(jī)戴久了會(huì)特別不舒服，出現(xiàn)頭疼等癥狀。這是因?yàn)槿舜魃隙鷻C(jī)后，外耳道口即被耳機(jī)緊緊堵塞住。高音量的音頻聲壓會(huì)直接進(jìn)入耳內(nèi)而損傷聽(tīng)力，造成不可恢復(fù)的聽(tīng)力損害。長(zhǎng)期用耳機(jī)聽(tīng)音樂(lè)，聽(tīng)覺(jué)就會(huì)出現(xiàn)疲勞、損傷，引起聽(tīng)力減退，人體就會(huì)出現(xiàn)煩躁不安、頭暈、失眠、記憶力減退、注意力不集中、思維反應(yīng)遲鈍、異常心理障礙等情況，對(duì)身體健康十分有害如果不戴耳機(jī)聽(tīng)音樂(lè)，又會(huì)對(duì)他人造成干擾，故本文對(duì)耳機(jī)進(jìn)行分析和改進(jìn)，讓人能享受音樂(lè)的美感的同時(shí)減少對(duì)耳朵的傷害。關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué) 耳機(jī) 健康 優(yōu)化改進(jìn)一、 耳機(jī)的概述 耳機(jī)根據(jù)其換能方式分類，主要有：動(dòng)圈方式、

3、動(dòng)鐵方式、靜電式和等磁式。從結(jié)構(gòu)上功能方式進(jìn)行分類，可分為半開(kāi)放式和封閉式；從佩帶形式上分類則有耳塞式，掛耳式，入耳式和頭戴式；從佩戴人數(shù)上分類則有單人耳機(jī)和多人耳機(jī)；從音源上區(qū)別，可以分為有源耳機(jī)和無(wú)源耳機(jī)；有源耳機(jī)也常被稱為插卡耳機(jī)。圖1-1二、 聽(tīng)覺(jué)機(jī)能及其特征1.人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng) 人耳的基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，外界的聲波通過(guò)外耳道傳到鼓膜，引起鼓膜振動(dòng)，然后經(jīng)杠桿系統(tǒng)的傳遞，引起耳蝸中淋巴液及其底膜的振動(dòng)，使基底膜表面的科蒂式器中的毛細(xì)胞產(chǎn)生興奮。機(jī)械能形式的聲波就在此處轉(zhuǎn)變?yōu)槁?tīng)神經(jīng)纖維上的神經(jīng)沖動(dòng)，并以神經(jīng)沖動(dòng)的不同頻率和組合形式對(duì)聲音信息進(jìn)行編碼，然后被傳送到大腦皮層聽(tīng)覺(jué)中樞，從而產(chǎn)生

4、聽(tīng)覺(jué)。（a）人耳的基本結(jié)構(gòu) （b）耳蝸2.人聽(tīng)覺(jué)的特性 頻率相應(yīng)：對(duì)于具有正常聽(tīng)力的青少年來(lái)說(shuō)（年齡在1225歲之間）能夠覺(jué)察到的頻率范圍大約是1620000Hz。而一般人的最佳聽(tīng)聞?lì)l率范圍是2020000Hz 動(dòng)態(tài)范圍：可聽(tīng)聲取決于聲音的頻率外，還取決于聲音的強(qiáng)度。聽(tīng)覺(jué)的聲強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍可用下列比值表示： 聲強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍=正好可忍受的聲強(qiáng)/正好能聽(tīng)見(jiàn)的聲強(qiáng)(1) 聽(tīng)閥 在最佳的聽(tīng)聞?lì)l率范圍內(nèi)，一個(gè)聽(tīng)力正常的人剛剛能聽(tīng)到的正弦式純音的最低聲強(qiáng)Imin，稱為相應(yīng)頻率下的“聽(tīng)閥值”?？筛鶕?jù)各個(gè)頻率f與最低聲強(qiáng)Imin繪出標(biāo)準(zhǔn)聽(tīng)閥曲線，如圖1-3圖1-3該曲線可以得出以下結(jié)論：在800-1500Hz這段頻

5、率范圍內(nèi)，聽(tīng)閥無(wú)明顯變化；低于800Hz時(shí)，可聽(tīng)響度隨著頻率的降低而明顯減小。例如，在400Hz時(shí)，只有在1000Hz時(shí)測(cè)得的“標(biāo)準(zhǔn)靈敏度”的1/10；在90Hz時(shí)，只有“標(biāo)準(zhǔn)靈敏度”的1/10000;而在40Hz時(shí)，只有“標(biāo)準(zhǔn)靈敏度”的1/；在3000-4000Hz之間達(dá)到最大的聽(tīng)覺(jué)靈敏度，在該頻率范圍內(nèi)，靈敏度高達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值的10倍；超過(guò)6000Hz時(shí)，靈敏度再次下降，大約在17000Hz時(shí)，減至標(biāo)準(zhǔn)值的1/10。(2) 痛閥 對(duì)于感受給定各頻率的正弦式純音，開(kāi)始產(chǎn)生疼痛感的極限聲強(qiáng)Imax，稱為相應(yīng)頻率的“痛閥值”，如圖1-3(3) 聽(tīng)覺(jué)區(qū)域 圖1-3還繪出了由聽(tīng)閥與痛閥兩條曲線所包圍的“聽(tīng)

6、覺(jué)區(qū)”（影線部分）三、耳機(jī)在人機(jī)工程學(xué)上的應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計(jì)1.耳機(jī)的頻率響應(yīng) 對(duì)于具有正常聽(tīng)力的青少年來(lái)說(shuō)（年齡在1225歲之間）能夠覺(jué)察到的頻率范圍大約是1620000Hz。而一般人的最佳聽(tīng)聞?lì)l率范圍是2020000Hz，可見(jiàn)人耳能聽(tīng)聞的頻率比為：fmax/ fmin =11000，人到25歲左右時(shí)，開(kāi)始對(duì)15000Hz以上頻率的靈敏度顯著降低，當(dāng) 頻率高于15000Hz時(shí)，聽(tīng)閾開(kāi)始向下移動(dòng)，而且隨著年齡的增長(zhǎng)，頻率感受上限逐年連續(xù)降低。但是對(duì)于f1000Hz的低頻率范圍，聽(tīng)覺(jué)靈敏度幾乎不受年齡的影響，見(jiàn)下圖。因此聽(tīng)覺(jué)的頻率響應(yīng)特性對(duì)聽(tīng)覺(jué)傳示裝置的設(shè)計(jì)是很重要的。為了滿足人的頻率需求，耳機(jī)在設(shè)

7、計(jì)時(shí)使其能夠重放的頻帶相當(dāng)寬，一般的耳機(jī)為2020000Hz，優(yōu)秀的已經(jīng)可以達(dá)到5Hz-40000Hz。2.耳罩與耳塞的結(jié)構(gòu)特性耳罩是頭部與發(fā)聲單元接觸的部件，它對(duì)于動(dòng)圈式耳機(jī)是至關(guān)重要的，其功能是將低頻反射回來(lái)，保證低頻的重放。根據(jù)人耳的外部形狀，耳罩一般被設(shè)計(jì)成兩種樣式，一種壓在耳朵上，叫壓耳式耳罩（如下圖1-4），這種耳罩在調(diào)整頭帶長(zhǎng)度時(shí)要注意：頭帶短，對(duì)頭頂?shù)膲毫Υ?，耳罩?duì)頭的壓力就小，頭帶長(zhǎng)時(shí)相反，三點(diǎn)的壓力要取得平衡才是最舒適的。另一種耳罩呈杯狀，環(huán)繞著耳朵，叫繞耳式耳罩（如下圖1-5）。這兩種設(shè)計(jì)都是為了使其貼住耳廓而不至于滑落。另外在耳罩的內(nèi)部一般填充海綿，使其盡量的柔軟，并在

8、外面蒙上皮革或絨布，使人耳感覺(jué)舒適。 而耳塞的外部形狀、尺寸大小是根據(jù)人耳外耳道的特征而設(shè)定的，它能夠適合多數(shù)人佩戴使用。 圖1-4 壓耳式耳罩 圖1-5 繞耳式耳罩3.耳塞的材料選擇 人體聽(tīng)覺(jué)的形成是由外界的聲波通過(guò)外耳道傳到鼓膜，引起鼓膜的振動(dòng)，然后經(jīng)杠桿系統(tǒng)的傳遞，引起耳蝸中淋巴液及其底膜的振動(dòng)，使基底膜表面的科蒂氏器中的毛細(xì)胞產(chǎn)生興奮?？频偈掀骱推渲兴拿?xì)胞，是真正的聲音感受裝置，聽(tīng)神經(jīng)纖維就分布在毛細(xì)胞下方的基底膜中，機(jī)械能形式的聲波就在此處轉(zhuǎn)變?yōu)槁?tīng)覺(jué)神經(jīng)纖維上的神經(jīng)沖動(dòng)，并以神經(jīng)沖動(dòng)的不同頻率和組合形式對(duì)聲音信息進(jìn)行編碼，然后被傳到大腦皮層聽(tīng)覺(jué)中樞，從而產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)。劣質(zhì)的耳塞是聽(tīng)

9、力健康的殺手，他過(guò)于尖銳的高音容易在瞬間使你的聽(tīng)力過(guò)度疲勞，導(dǎo)致聽(tīng)力衰退，而過(guò)于厚重，缺乏細(xì)節(jié)的低音好比慢性毒藥很容易使耳朵酸痛，緊張敏感，頭部滿漲，造成聽(tīng)力水平的慢慢降低。因此，耳塞的設(shè)計(jì)需充分利用人機(jī)工程學(xué)的原理，使其為人長(zhǎng)期佩戴也不會(huì)對(duì)人體造成傷害。在材料的選擇上，塑料材質(zhì)一般含有鄰苯二甲酸鹽，容易使皮膚產(chǎn)生過(guò)敏癥狀；而金屬耳塞經(jīng)過(guò)氧化處理，主要成分是三氧化鋁水合物，同紅寶石成分基本相同，對(duì)人體無(wú)不利影響。另外，從環(huán)保角度，塑膠耳塞不利于回收，一般處理方式是任其變質(zhì)；金屬加工品則可以無(wú)限次回收循環(huán)使用，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。 3. 耳塞的舒適性 在耳塞上套入海綿套，能夠有效地解決棱角對(duì)耳朵

10、的傷害，同時(shí)也增強(qiáng)了耳塞的低頻表現(xiàn)。在材質(zhì)上，更多地運(yùn)用防滑塑膠和橡膠，防滑塑膠能夠使耳朵跟耳機(jī)之間更好的貼合，而橡膠的柔軟特性，除更加舒適外還可進(jìn)一步防止聲音的外露，達(dá)到更好聽(tīng)音效果。例如水珠型設(shè)計(jì)的正式面世，使耳塞前蓋的設(shè)計(jì)得到了充實(shí)，而且由于在舒適度和密封性上比傳統(tǒng)的圓形前蓋更加優(yōu)秀，無(wú)論是日系還是歐美系產(chǎn)品都多次使用，SONY更把這樣的設(shè)計(jì)運(yùn)用到其最頂級(jí)的8系列耳塞上，成為耳塞歷史上最輝煌的一個(gè)經(jīng)典。四、 通過(guò)人機(jī)工程學(xué)原理個(gè)人對(duì)耳機(jī)的改進(jìn)頭戴式耳機(jī)存在過(guò)于太大，且上部的跨弧直接接觸頭的頂部，長(zhǎng)時(shí)間戴的話會(huì)對(duì)頭的頂部造成壓迫感，使人感到疲勞，針對(duì)這種情況，采用后掛式，從人們戴眼鏡的角度

11、考慮的，眼鏡是一種常見(jiàn)的頭部使用工具，但是長(zhǎng)時(shí)間戴眼鏡并沒(méi)有對(duì)頭部造成壓迫感，眼鏡的穩(wěn)定性也是比較高的，同時(shí)眼鏡的鏡腿利用到了人的耳部構(gòu)造，來(lái)達(dá)到穩(wěn)定效果，所以后掛式耳機(jī)采用眼鏡腿的原理和人的頭部構(gòu)造設(shè)計(jì)而成，解決了原來(lái)頭戴式耳機(jī)的問(wèn)題，減少對(duì)人體的傷害。再者使用耳機(jī)使得耳近距離接觸聲音刺激，接觸噪音源較近，加之其頻率特性較高，聲音強(qiáng)度越大，對(duì)聽(tīng)力的損傷也更明顯。所以無(wú)論怎么改進(jìn)還是會(huì)對(duì)人的耳朵造成傷害，所以最好的辦法還是減少對(duì)耳機(jī)的使用值得推薦的一個(gè)原則為“60-60”原則：即人們?cè)谑褂枚鷻C(jī)時(shí)，音量不宜過(guò)大，建議一般不要超過(guò)最大音量的60%，也可以根據(jù)自身的情況，將音量調(diào)至更低，只要保證能聽(tīng)清楚即可。另外，連續(xù)使用耳機(jī)的時(shí)間不宜超過(guò)60分鐘。故可以在耳機(jī)出植入一個(gè)小芯片，設(shè)置溫馨提示，當(dāng)用耳塞聽(tīng)音樂(lè)超過(guò)一小時(shí)時(shí)，發(fā)出語(yǔ)音提醒，提醒用戶休息會(huì)耳朵。五、 結(jié)束語(yǔ) 從人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中“以人為本”的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，詳細(xì)分析了耳機(jī)中的人機(jī)因素，