耳罩式耳机的计算机仿真和虚拟设计
发布时间：2020-09-28 18:31
随着便携式设备以及通讯网络的迅速发展,耳机也成为生活中必不可少的工具,不仅可以用来欣赏音乐,信息娱乐,也是通讯中极为重要的设备。在这样大的市场需求下,耳机研发领域也焕发出新的活力,其中大部分研究工作都集中在如何针对不同应用优化耳机音质。也有越来越多的技术如无线技术,主动降噪技术等被应用于各类耳机,但是对于耳机的基础结构研发大部分深度不够,缺乏系统的理论基础应用,并且公开的资料也比较缺乏,大多数的耳机设计者都是依赖经验来对耳机的设计进行不断的尝试改造,耗费的原材料多,并且研发周期长。因此,本文以密闭式耳罩式耳机为研究对象,以力电声电路为基础,采用理论与仿真分析结合的方法,考察耳机的主要构成部分对于输出频响曲线的影响,在此基础上,设计用户界面,尝试通过简单直接的方法得到耳机的频响曲线与各个元件之间的对应规律,对耳机的频响设计提供指导。首先,本文通过力-电-声类比方法获得了耳机的各个元件与输出频响特性之间的对应关系,着重分析了质量因子(出声孔和后泄放孔)对于输出频响曲线的影响规律。结果表明,质量因子主要体现在对高频共振峰位置和大小的影响,一般而言阻抗减小时,高频越趋于平稳。随后,利用PSPICE电路仿真软件对耳机整机系统进行了仿真,验证了理论的分析结果,并总结了其他因子如腔体,膜片顺性和振动系统质量等8个因子对于耳机频响曲线的影响规律。并且,结合客观测(测量频响曲线)与主观评价(心理声学实验)的方法,对耳机进行出声孔改装前后的测量和评价对比实验,结果表明:出声孔阻抗改变,对于耳机系统的频响曲线的影响主要体现在对于高频共振峰大小的影响,即出声孔阻抗增大为原来2倍时,高频共振峰出现约13dB的明显下降,同时改变耳机的频响曲线会影响其音质效果。最后,将理论分析中所得的耳机系统中各个元件与频响特性的对应关系,作为耳机频响曲线的计算模型,使用面向对象的编程方法设计了简单灵活的用户界面,目前得到了包含8个影响因子的简单计算界面,并进行了相关测试,验证了其可行性。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN642;TP391.9
【部分图文】：
第二章 耳机结构影响因子的提取和分析表 2-1 中空气密度3 1 . 2k g /m， 声速0c 3 4 0m /s，空气比热 容比 1.5，510atmosP pascal，从表格中还可以看出对于 L、R、C 的单位等值有1H = 1Kg/ 4，1Ω = 1Kg/( 4s) ，1F = 1 4 2/Kg。而在仿真时还需要注意的是，在电学和力学的分界面可以看成是一个回转器（Gyrator），在力学和声学的分界面则要看成一个理想的变压器。在耳机系统重放声音的过程是从电到力学再到声的转换过程。耳罩式耳机在测量其性能时需要测得能表示戴在人耳上时的重放音质特性，从电路上分析其输出频响曲线的特性时，加上仿真耳电路能更接近真实测量情况。此处为了简化分析电路，使用了如图 2-2 所示的简化模型，电路图中没有给出仿真耳电路，而直接使用单纯气室代替，其等效力劲在图中等效为 C3。再根据图 2-2 所示的原理图，结合表2-1 给出的等效原则，可以得到如下图 2-3 所示的阻抗型声学线路图。
图 3-3 耳机负载分别为单纯气室和仿真耳的输出对比图由图 3-3 中的两条曲线对比可知，两种负载情况下的输出声压级差别不超过 5dB，频响曲线的变化趋势基本相同。但相比之下，加仿真耳负载的输出曲线起伏会更加明显一些。而仿真耳在中频段可以比较精确的模拟实际人耳的传输特性，在低频段，由于实际人耳与耳垫之间有泄漏，所以低频段的模拟并不十分准确，而在高频段，除人耳与外耳道共振外，人耳与耳机偶尔所形成的气室可能会形成驻波，所以这个频段的曲线，在实际测量中会有些难以预料的峰、谷存在。仿真并不能完全表现这些特性。张婷[16]在频响曲线与腔体的研究工作中也表明，使用 IEC318 等效电路作为负载的仿真电路，计算后所得的结果更符合耳机的实际测量情况。值得一提的是，利用集中参数的系统仿真所得到的频响在 100Hz 到 10kHz 的范围内比较合适。但是在更加高频的位置，振膜的振动方式相对比较复杂，也会导致高频出现难以预料的峰、谷，并不适合于集总参数系统的分析，更多是通过有限元分析的方法进
表 3-1 多孔因子阻抗增大的倍数预设原始 实验数据 1 实验数据 2 实验数据 3 实验数据 4 实验数据 5aR 2 4 6 8 10M 2 4 6 8 10同样做一组参数减小时的仿真实验，按照下面的预设数据进行仿真实验：表 3-2 多孔因子阻抗增大的倍数预设原始 实验数据 1 实验数据 2 实验数据 3 实验数据 4 实验数据 50.8 0.8 0.4 0.2 0.10.8 0.6 0.4 0.2 0.1（一）改变后泄放孔孔的阻抗（Zb）（1）增大后泄放孔阻抗，经仿真计算得到如图 3-4 所示的对比图：
本文编号：2829117
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN642;TP391.9
【部分图文】：
第二章 耳机结构影响因子的提取和分析表 2-1 中空气密度3 1 . 2k g /m， 声速0c 3 4 0m /s，空气比热 容比 1.5，510atmosP pascal，从表格中还可以看出对于 L、R、C 的单位等值有1H = 1Kg/ 4，1Ω = 1Kg/( 4s) ，1F = 1 4 2/Kg。而在仿真时还需要注意的是，在电学和力学的分界面可以看成是一个回转器（Gyrator），在力学和声学的分界面则要看成一个理想的变压器。在耳机系统重放声音的过程是从电到力学再到声的转换过程。耳罩式耳机在测量其性能时需要测得能表示戴在人耳上时的重放音质特性，从电路上分析其输出频响曲线的特性时，加上仿真耳电路能更接近真实测量情况。此处为了简化分析电路，使用了如图 2-2 所示的简化模型，电路图中没有给出仿真耳电路，而直接使用单纯气室代替，其等效力劲在图中等效为 C3。再根据图 2-2 所示的原理图，结合表2-1 给出的等效原则，可以得到如下图 2-3 所示的阻抗型声学线路图。
图 3-3 耳机负载分别为单纯气室和仿真耳的输出对比图由图 3-3 中的两条曲线对比可知，两种负载情况下的输出声压级差别不超过 5dB，频响曲线的变化趋势基本相同。但相比之下，加仿真耳负载的输出曲线起伏会更加明显一些。而仿真耳在中频段可以比较精确的模拟实际人耳的传输特性，在低频段，由于实际人耳与耳垫之间有泄漏，所以低频段的模拟并不十分准确，而在高频段，除人耳与外耳道共振外，人耳与耳机偶尔所形成的气室可能会形成驻波，所以这个频段的曲线，在实际测量中会有些难以预料的峰、谷存在。仿真并不能完全表现这些特性。张婷[16]在频响曲线与腔体的研究工作中也表明，使用 IEC318 等效电路作为负载的仿真电路，计算后所得的结果更符合耳机的实际测量情况。值得一提的是，利用集中参数的系统仿真所得到的频响在 100Hz 到 10kHz 的范围内比较合适。但是在更加高频的位置，振膜的振动方式相对比较复杂，也会导致高频出现难以预料的峰、谷，并不适合于集总参数系统的分析，更多是通过有限元分析的方法进
表 3-1 多孔因子阻抗增大的倍数预设原始 实验数据 1 实验数据 2 实验数据 3 实验数据 4 实验数据 5aR 2 4 6 8 10M 2 4 6 8 10同样做一组参数减小时的仿真实验，按照下面的预设数据进行仿真实验：表 3-2 多孔因子阻抗增大的倍数预设原始 实验数据 1 实验数据 2 实验数据 3 实验数据 4 实验数据 50.8 0.8 0.4 0.2 0.10.8 0.6 0.4 0.2 0.1（一）改变后泄放孔孔的阻抗（Zb）（1）增大后泄放孔阻抗，经仿真计算得到如图 3-4 所示的对比图：
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
1 马鲁建;奚爱军;;受话器各部件与频响曲线之间的关系[J];电声技术;2011年04期
2 葛俊;邱小军;;穿孔板声阻抗模型研究[J];南京大学学报(自然科学版);2010年04期
3 马鲁建;;微型扬声器膜片之加强筋设计[J];电声技术;2010年02期
4 奚爱军;金一栋;;微型扬声器和受话器的仿真研究[J];电声技术;2008年07期
5 马鲁建;奚爱军;;基于微型扬声器的特性设计膜片[J];电声技术;2008年05期
6 刘艳锋;;利用肯德尔和谐系数检验测量结果的可信度[J];新乡教育学院学报;2006年02期
相关硕士学位论文 前1条
1 张婷;耳机腔体与频响曲线关系的研究[D];华南理工大学;2016年
本文编号：2829117
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