冉令鹏王崴，2丁日显李长春

1空军工程大学防空反导学院(西安　710051) ; 2西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

舒适性耳机半参数化设计优化研究△

冉令鹏1王崴1，2丁日显1李长春1

1空军工程大学防空反导学院(西安710051) ; 2西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

【摘要】目的解决由传统模式批量生产的耳机无法满足佩戴者对舒适性的要求。方法提出一种针对耳机舒适性评价的主客观相结合的方法，利用逆向反求技术获取耳廓精确数据，并以此为依据采用图像检测方法提取耳廓关键点建立一种半参数化耳机模型，由软骨特征曲线适当调节关键点位置构造耳机主体造型，可实现参数快速调整。通过对耳-耳机模型进行有限元仿真分析研究耳机-耳廓之间的接触压强并对参数优化，以压强分布均匀程度评价耳机舒适性的客观标准并以该指标作为仿真优化目标;制造成型的耳机给20人试戴3 h，评价舒适度。结果对比参数优化前、后压强分布情况，表明适度增大耳甲艇部位接触面积可获得更低、更均匀的压强分布，可达到优化耳机结构、提高其舒适性的目的。20例试戴者中感觉非常舒适12例，较舒适7例，不舒适1例。结论经舒适性耳机半参数化设计优化制作的耳机舒适性好，适度增大耳机与耳甲艇的接触面积可降低并均匀压强的分布，可为舒适性耳机的设计、优化研究提供参考。

【关键词】耳机;舒适性;半参数化设计;有限元仿真;优化研究

△国家高技术研究发展计划(863计划) (2013AA040604)

在我国，目前有听力障碍患者约1.2亿人，其中青少年中15%～20%有听力障碍，在青少年人群中听力障碍患者有相当一部分原因与长时间使用耳机有关，不良的耳机使用习惯和不舒适耳机的长时间佩戴会造成耳部伤害［1］。因此，如何从设计的角度考虑，提高长时间佩戴耳机时的舒适性，最大程度降低耳机对耳的物理性伤害非常重要。调查表明，45%的耳机使用者认为耳机的舒适性是购买耳机时考虑的首要因素［2］。不合理的耳机外形不仅佩戴时易脱落，更容易导致佩戴者出现局部压迫、胀痛等不适感觉，最近研究发现延长耳机、耳塞等外形能使佩戴者感觉更舒服，同时也不易脱落［3］。人类耳廓形状种类较多，具体可以分为猕猴型、长尾猴型、尖耳尖型、圆耳尖型、耳尖微显型、缺耳尖型等六种类型［4］，传统耳机外形设计一般是由生产商根据人体数据分析结果来确定耳机的整体外形尺寸。由于该数据统计采用的样本人群和预期消费人群耳廓形状不可避免存在偏差，导致生产出来的耳机外形无法适合所有消费者的耳廓形状，难以使所有消费者都获得良好的舒适性体验。最近研究证实，不同个体耳廓形状的差异程度之大已与指纹、虹膜一样，可作为身份辨识应用在公共安全领域［5，6］。

针对该问题，本研究首先提出针对耳机的舒适性评价的标准，以面对使用者的耳机个性化定制以弥补传统方式的不足;以陕西关中地区人体耳廓形状为研究样本，通过有限元数值模拟研究耳机佩戴过程中耳机外形-耳廓之间接触压强分布特点，利用半参数化设计-调节-优化耳机外形来降低接触区域压强，达到优化、降低外耳道部分敏感神经区域接触压强幅值，提高佩戴舒适性的目的，并通过熔融沉积快速制造技术制作耳机，经实验佩戴验证优化后结果的可信性。

1　耳机舒适性评价

耳机的舒适性评价可分为主观性评价和客观性评价，目前国内外对耳机舒适性的评价一般是通过主观评价，尚无统一标准。本研究采用针对耳机舒适性的主客观相结合的优化评价方法。

1.1主观性评价［7］耳机佩戴时的感觉主要从耳机对耳部皮肤、神经、血管等的压力感觉来评价，耳机的质量越大，舒适性越差，因此可以通过采取轻量化材料、改进结构等方式提高舒适性。在重量一定的情况下压力分布越均匀，舒适性越好。主观性评价采用调查问卷、主观测量、自我报告等形式记录被试者的主观感受，以确定舒适程度。

1.2客观性评价人体舒适与否可由接触区域的压强来衡量［8］，在其他条件相同的情况下，以接触区域平均压强或最高压强与最低压强之差从客观性来衡量舒适性程度是合理的。

等效应力可以作为一种应力(压强)处理方法，在一定程度上避免应力集中问题对结果评价的干扰，对静力分析的结果评价具有较大参考价值［9］。因此，本研究拟用有限元仿真效果中的等效应力大小来衡量耳机的舒适性，应力均匀程度越高(最大与最小应力之差)，最大应力越小，舒适性越好。

2　半参数化耳机模型的建立

耳机的半参数化设计流程分三个步骤:①逆向获取耳廓模型;②耳廓主要几何特征选取;③半参数化耳机外形模型建立。

2.1逆向获取人耳模型

全面且精确地获取耳廓几何数据是设计的重要前提，随着逆向工程技术的成熟，扫描获取的数据精度越来越高［10］，且数据处理更快捷和方便。本研究采取CREAFORM手持式激光扫描仪，其最小分辨面积为0.181 mm2，体积小，携带方便，数据可以快速获取并形成三维图像，近年来已被3D打印行业广泛采用，扫描修补后建立人耳模型见图1。

图1　耳廓三维扫描数据与建模

2.2基于图像的耳廓特征选取根据三维人体数据测量技术［11］和人体统计学的研究，耳廓形状大体可分六类［5］。根据耳廓特征几何特点，同一类人群的耳廓形状和相应尺寸有一定的相似性，其丰富和稳定的结构特征在人的寿命内基本保持不变。采用外耳廓曲线提取方法［11］，基于图像快速提取出外耳廓曲线作为耳机设计的参照曲线。

耳廓皮肤很薄，厚度约为1.3 mm［12］，其间布满了神经和血管，由软骨组织支撑(图2)。由于血管和神经密集分布于皮肤浅层，耳机外形微小变化都将改变其与血管和神经的接触压强，从而影响舒适性。基于图像检测提出选取耳廓特征点位置的原则:①便于个体特征的区分，参考近来公共安全领域耳廓特征选取的研究［5，6］来确定特征点和特征尺寸;②基于敏感神经位置的关键点选取，以敏感神经所在位置设置为关键点，通过对耳机外形几何形状的设计和优化，增大耳机-外耳道接触面积，实现压强分布均匀化，减轻敏感神经区域的压强，提高舒适性;③易于实现熔融沉积成型制备耳机外形尺寸精度的控制，最终得到的耳廓关键点的位置(图2)。在距离外耳道口最近的支撑软骨内侧，考虑上述3方面内容，确定特征点位置。由于是根据个体的支撑软骨形状确定耳机外形，所以比根据单一参考点确定的耳机外形具有更好的贴合度，能够获得更大的接触面积。

2.3半参数化设计耳机耳机外形关键点处的相关尺寸对佩戴者的舒适性体验至关重要。舒适性耳机设计中主要考虑耳机特征曲线设计、主体设计、耳机钩设计(图3)和耳轮脚设计。本研究采用外耳道口附近支撑软骨曲面轮廓的侧面曲线，描述耳外轮廓的不规则形状，作为特征点选取的基础，这样可以避免仅依靠特征点难以描述点与点之间曲线变化的不足。通过这些具有代表性特征曲线以及曲线上的特征点可以简要且有效地描述耳道和耳机的外形几何特征;通过改变部分关键点位置即可快速重新生成新的模型;通过编辑关键曲线来确保个性化设计，减少设计失误;而关键曲线是最初参考耳廓线确定的，所以本研究主要集中于中国陕西关中地区居民耳廓形状，避免样本与耳机使用者耳廓形状差异过大导致设计失败。因为这种设计是在关键特征曲线基础上开始的，曲线不完全由参数控制，故称之为半参数化设计。

主体设计部分应尽量贴合相对应的外耳道基本形状，同时考虑外耳道由于敏感神经位置的生理特性。控制参数主要有D2、D3、D4、D5;考虑到耳部各结构承受耳机重量的不同，耳机主体部分的获取由耳廓线通过可变偏移特征曲线得到，设置偏移距离D2、D3、D4、D5，它们共同决定耳机下半部分与耳道接触的空间大小，它提供了一个缓冲区，避免长时间佩戴耳机后感到发胀，同时保证舒适性。耳机钩的主要功能是防止耳机脱落和使外耳道与耳机接触面的接触压力尽量均等，总体设计应避免太松或太紧。若耳机和耳廓接触配合太松，则起不到防脱落的目的;反之则会压迫耳甲艇，导致佩戴者有明显发胀等不舒适的感觉。为此，通过三个控制参数(D1、D6、D7)会保证耳机钩与外耳道合适的接触压强，D1和D6主要控制耳机钩与对耳轮脚、耳轮脚之间保证合适的距离，不至于给对耳轮脚和耳轮脚造成过大压力; D7主要保证不使耳机贴在耳轮脚与对耳轮脚的相交处。

耳轮脚处的设计主要考虑避免压迫耳轮脚，在此处设置D8、D9、D10三个控制参数，这三个参数共同影响耳机钩与耳轮脚之间的距离。所有的控制参数均以耳廓扫描数据提取出的耳廓线为基准(图2)，按照以往测试经验，初选参数D1到D10分别为: 1.85、1.5、0.7、0.76、0.74、0.55、0.55、0.86、0.94、0.91 mm，在10个参数都确定后，所有的关键曲线修改好，便可以生成新的耳机模型，通过结构可以初步判断是否合理。

3　耳机佩戴舒适性优化研究

3.1耳道和耳机的力学特性耳机通过与耳道接触产生接触压强，接触压强幅值以及压强分布合理与否直接决定了佩戴者的舒适性体验。为了研究耳机与耳道接触压强分布特点，本研究用有限元模拟的方法获得二者之间接触压强分布云图，对具有高舒适性体验的个性化定制耳机设计的合理性做出基于客观物理变量(接触压强分布)的解释和分析，可以避免以往研究中个体的主观评价具有随机性的不良影响。

研究方案:利用逆向反求技术得到耳廓的三维几何模型，并在耳廓基础上设计耳机外形，之后将两者导入ANSYS内，模拟佩戴耳机时真实情况进行仿真，进行接触压强分析，获得接触表面的受力分布。以耳机-耳廓之间接触压强分布特点研究耳机外形设计对佩戴耳机舒适性的影响，如果出现局部接触压强过大，则改进不合理的耳机特征曲线和关键点参数，通过调整参数水平值进行结构的调整-优化。

准确建立人体耳廓的力学模型是精确模拟分析的前提。耳部由硬组织(骨和软骨组织)和软组织(血管、神经、肌肉、皮肤)构成，其中硬组织主要为软骨组织，软组织主要包括皮肤、血管、神经［13，14］。皮肤、软骨、血管等采用线弹性本构模型［15］，皮肤组织与血管、神经材料力学特性(密度、弹性模量、泊松比等［16］)相近，但与软骨组织相差很大(表1)。软组织中皮肤占主体部分，通过弹性、粘性和可塑性的权重因子［17］来描述软组织力学特点，其中血管和神经所占比重较小且三者材料力学性能接近。为了简化模型，同时也精确模拟耳的力学特性，将血管和神经等效为皮肤，将耳的整体结构解析为皮肤-软骨双重结构，即内部为起支撑作用的软骨组织，外部为等效处理后的皮肤组织，如图4所示，透明的为皮肤组织，非透明为软骨组织。根据研究［18］，设置软组织与硬组织之间的接触条件:软组织完全附着在硬组织上，忽略两种组织之间可能存在的力学关系，分别赋予其各自材料属性。

表1　耳廓组织材料特性

根据弹性体理论，耳机弹性模量越大，引起软组织变形就越大，导致的不舒适感就越强烈。对比市场上普遍使用的耳机材料，选取舒适性好的弹性尼龙作为耳机制作材料，该材料属于弹性材料，密度为1 030 kg/m3，弹性模量为49.3 MPa，泊松比为0.3［19］。

3.2有限元模拟仿真模型的前处理利用ANSYS Workbench 14.0的Static Structural模块将耳廓-耳机的模型建立后导入Geometry中，为了更好的模拟实际情形，耳机与耳的接触采用装配体的多点接触功能。对组装结构的有限元分析需要对每个部分单独划分网格;为得到接触区域的较精确的解，网格划分可以采取只在关心的区域细化网格并对其分析的方法，该方法计算量较小且精度高(图5)。

3.3边界条件模拟组装应和实际佩戴过程相似，因此可以等效定义为:耳机外侧的平面位移为0。载荷主要是耳机的重力(质量为0.00412 kg)以及耳机与耳廓及耳道的接触静摩擦，皮肤-尼龙之间的静摩擦系数设置为0.45［15］。

3.4基于应力分布的舒适性评价与优化针对该有限元模型，参数设置完成后，利用初始参数所建立的半参数化模型与耳廓模型组装，进行模型装配体仿真，得出部分外耳道受力后的等效应力分布云图(图6)。由等效应力分布云图可以看出，最大等效应力出现在耳甲艇和对耳轮与耳甲腔接触的部位，最大值为0.595 Mpa，应力作用较大的部位集中，应力分布不均匀，这样会造成佩戴耳机一段时间后耳甲艇、耳轮脚等处发胀等不适感;对此可以通过改变应力较大位置处的相关参数，改正整体趋势是将D1、D3、D4、D5调大，将D7、D8、D9、D10调小，同时调整部分特征曲线进行优化，D1到D10分别修改为: 2.11、1.56、1.08、1.70、0.99、0.50、0.45、0.72、0.79、0.82 mm，重新导入ANSYS Workbench中进行分析。优化后的等效应力分布云图见图7，由仿真结果图可以看出最大等效应力数值由0.595 MPa降低至0.218 MPa，最大应力幅值降低程度较大，最大与最小应力之差也明显降低，应力均匀程度明显提高。接触面积较原来仅在耳后半部分分布有较大提高，达到了优化结构、提高舒适性的目的。

利用安全性好、柔性好、成型精度高、质量轻的弹性尼龙作为耳机的材料，将模型通过快速成型技术制造出来。经过一组测试者(20例青年人，男12例，女8例)佩戴3 h(图8)，以非常舒适、较舒适、舒适、不舒适四个标准衡量主观感受，结果20例受试者中12例感觉非常舒适，7例感觉较舒适，1例感觉不舒适，整体感觉佩戴较舒适，且不易脱落。以有限元仿真从理论方面及实验者佩戴主观感受验证已经达到优化目的。

图2　耳部血管、神经和关键点分布图

图3　特征曲线与参数提取图

图4　组装模型图

图5　组装结构网格划分

图6　耳部等效应力分布云图

图7　修改参数后的等效应力分布云图

图8　实际佩戴效果图

4　结论

本研究以激光扫描技术获得耳廓三维模型，并进行半参数化设计实现舒适性耳机设计;采用有限元模拟研究佩戴中耳机-耳廓之间的接触压强，提出了以压强分布均匀程度来客观评价舒适性，并以实例主观评价验证舒适性。研究发现耳机的主体部分可以根据耳部软骨的特征曲线通过适当非等距偏置调节关键点和曲线获得;通过适度增大耳甲艇部位接触面积，可以比仅仅根据耳甲腔轮廓等量偏移获得的耳机外形的接触压强分布更加均匀，更明显地提高舒适性;经过佩戴验证实际效果，显示佩戴舒适性好，且佩戴牢固不易脱落，达到了优化参数、提高耳机舒适性的目的。

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(2015-05-26收稿)

(本文编辑周涛)

·研究报告·

The Optimization of Comfortable Earphone Designed by the Method of Semi-parametric

Ran Lingpeng*，Wang Wei，Ding Rixian，Li Changchun
(*School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi＇an，710051，China)

【Abstract】ObjectiveTo investigate the solutions to the comfort problem caused by traditional batch production that cannot satisfy everyone＇s request.Methods The both objective and subjective evaluations were put forward to the assessment of ear comfort.The accurate data about the pinna was acquired through reverse engineering and extracting key points of the pinna by image detection method.The headphone model was built by the semi-parameter design.Through the FESA study，headphones-pinna contact pressure was assessed and relevant parameters were improved.Comfort was analyzed by contact pressure.Results The simulation contact pressure was compared before and after optimizing parameters.The results showed that the contact area of the augment cymba conchae could obtain more uniformity pressure.ConclusionThe example verification shows this delivers better comfort than traditional one.The research has some reference value for the design and option comfortable headphones.

【Key words】Earphone; Comfortableness; Semi-parametric design; FEA; Optimization research

通讯作者:冉令鹏(Email: ranlingpeng@ sina.cn)

作者简介:冉令鹏，男，山东人，在读硕士，主要研究方向为人机工程学，优化设计。

【中图分类号】R764.5

【文献标识码】A

【文章编号】1006-7299(2015) 06-0646-05

DOI:10.3969/j.issn.1006-7299.2015.06.019

网络出版时间:2015-10-27 14: 53

网络出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1391.R.20151027.1453.010.html