2024年3月29日发(作者：邰乐心)
压力场和入耳式耳机的声学特性分析
发布时间：2023-03-02T05:34:37.339Z 来源：《科技新时代》2022年第19期 作者： 蒋国珠
[导读] 近几年国内的主动降噪各项技术手段成熟度有所提升，入耳形式降噪耳机产品生产
蒋国珠
维沃移动通信有限公司 广东东莞 523000
[摘要]近几年国内的主动降噪各项技术手段成熟度有所提升，入耳形式降噪耳机产品生产制造业发展迅速。可以说，佩戴使用入耳形式
耳机整个过程当中，均会形成一定的压力场。故本文主要探讨压力场与入耳式的耳机基本声学特性，仅供参考。
[关键词]耳机；入耳式；压力场；声学特性；
前言：
入耳式的耳机，其处于压力场当中往往会呈现一定的声学性能，那么，为更进一步了解这一性能，对压力场与入耳式的耳机基本声学
特性开展综合分析较为必要。
1、关于压力场与入耳式耳机的概述
所谓压力场，即较小密封空间内，声波波长比空间尺度大。空间内声压相，相位一致。尺寸较小封闭管道当中，活塞推动着空气振
动，则管内形成压力场[1]。
入耳式的耳机，即用于人体的听觉器官当中耳机，使用时把使用者耳道密封住。
2、声学特性综合分析
2.1在低频响应层面
针对入耳式的耳机而言，通过对其压力场当中常见频响测试分析后了解到，喇叭单体的后腔部位较小泄漏情况之下所产生频率响应，
其和标准的压力场的频率响应较为接近，入耳式的耳机实际低频响应有提高趋势。通过对入耳式的耳机开展等效电路基础模型分析期间，
因仅考虑到喇叭单体，故耳机后腔予以去掉。等效电路基础模型，详见图1。该图当中，Mms代表等效振动实际质量；Rms代表机械力阻；
Cms代表等效顺性；Cb、Rb、Mb各自代表着喇叭的后腔声容、声阻、后腔孔声质量。喇叭膜片前后，均处于电路模型当中串联，故将频率
响应提高，促使膜前阻抗增强，或促使膜后阻抗下降[2]。针对常规入耳形式耳机产品当中，喇叭所在后腔孔部位泄漏大。处于低频条件，
其后腔声容Cb小，但阻抗大，相当是发生了断路情况。故可对低频的等效电路予以合理简化处理，后腔阻抗此时是Rb起到主导作用。处于
低频条件之下，振膜前部分阻抗有容性表现，前腔呈较大阻抗，高于Rb。故前腔呈较大分压及较高频响曲线。伴随频率持续提升，前腔部
位容性阻抗呈缩小趋势，则频响曲线也随之下降。喇叭单体的后腔孔较小泄漏情况之下，Rb相对较大，就相当是发生了断路情况。经等效
电路总体简化后，Cb主要负责持续提供着后腔阻抗，低频后腔实际阻抗比前腔高，故前腔实际分压低，低频区的曲线较低，一般均相对平
直；而针对后腔阻抗，则是伴随频率的持续提升而呈缩小趋势。而前腔声质量受中频作用，频响曲线呈提升趋势。在喇叭单体在的后腔测
较大泄漏情况之下，喇叭单体的f0和Mms、Cms呈反比关系，具体方程列式，即f0=。通过分析喇叭Cms针对耳机的低频响应所产生影响情
况等效电路的仿真分析后了解到，喇叭单体的Cms相对较大情况下，耳机呈越高低频响应。故喇叭单体的后腔较大泄漏情况下，后腔Cb明
显已被断路，而整个振动系统基本顺性此时是喇叭单体的Cms。那么，与压力场情况相结合后了解到，Cms较大情况之下，低频响应就相对
较高；Cms相对较大情况之下，阻抗呈降低趋势，振膜后阻抗总体降低，振膜前频率响应则提示明显。在一定程度上，不同的Mms基础条
件下，围绕着耳机产品频率响应总体仿真分析情况可知，Mms条件不会对于低频造成一定的影响。Mns实际对应着的阻抗jwMms倘若处在
一定低频条件，则与Cms阻抗1/jwCms其比较起来，明显较小。可见，低频情况下可忽略Mms。曲线当中的高频部分存在差异性，因高频基
础条件下该耳机系统会处于一个质量的控制区内，Mms阻抗将发挥较为重要的作用。Mms倘若相对较大，则呈较低的频率响应。喇叭单体
的后腔较大泄漏情况下，Cms倘若相对较大，低频响应则就相对更高，但Mms并不会影响到低频。所以不可单纯认为是喇叭f0较低情况下，
耳机更具优良的低频性能越好；针对喇叭单体部位后腔相对较小泄漏这一情况，Rb则基本相当于是断路。在与耳机此时的等效电路相结合
后可了解到，因Cb比Cms小，前者所对应阻抗就高于后者。系统此时顺性由Cb起着决定作用，且与Cms并无关系，故Cms改变情况下，并
不会对耳机的低频响应产生一定影响。Mms处于低频条件之下呈较小阻抗，故对于耳机自身低频性能无较大影响产生。喇叭单体的后腔呈
较小泄漏情况下，喇叭f0不会影响到耳机的低频响应。Cb此时对系统总体顺性及低频响应均起着决定作用。经仿真分析后了解到，后腔越
大体积条件之下，Cb就相对较大，则低频响应明显升高。
2.2在共振现象层面
结合图2所显示，入耳式的耳机处于IEC711类型人工耳当中频响测试曲线了解到，曲线内含振峰为3~4个，所有共振峰均是耳机当中腔
体结构产生共振所致。首个300Hz共振峰，它主要是喇叭自身振动质量、后腔体实际声容等串联共振情况下所形成。因后腔部位串联共振，
致使振膜后阻抗有谷点产生，频响曲线内有共振峰形成；第二个所形成的共振峰，则是前腔部位声质量还有腔体产生并联谐振情况下所形
成的。并联谐振这一情况之下，前腔阻抗有极大值产生，频响曲线则有共振峰逐渐形成。三~四个所形成共振峰，则是因耳道部位受管道所
影响而形成。耳道管口实际输入的相应声阻抗呈极大值，这一情况下形成了共振峰。人工耳可以看成是相对封闭管道，以阻抗转移原理为
基础，获取管口部位输入的声阻抗，即、在该列式当中，n代表着任意整数；c0、p0各自代表着空气当中声速、空气密度；l代表着管道长
度；k代表着波数；S代表着管道实际横截面积；代表着管口部位所输入的声阻抗。输入阻抗倘若大无穷情况下，耳机实际频响曲线则有共
振峰形成。频率限定20kHz范围，倘若管道为10mm长度，则输入阻抗无穷尽实际对应频率便是17150Hz；倘若管道为20mm长度，它的峰值
频率各是17150Hz、8575Hz。管道长度相对较大情况下，所存在的差异性就相对较大，高频之下，声波波长和整个管道尺寸相互间不会产
生较大的偏差，则不处在该压力场内。频率相一致条件下，该声压与其相位差异突出，峰值的频率点位对应着管口，以至于管道末端整个
共振峰实际频率有偏差。实施计算分析后知晓，20kHz以内三~四个所形成共振峰具体频率，即f=c/2L与f=c/L。该列式当中，L代表着管道
长度，而c代表着声速。L相对较短，其c/L值大，则第四个所形成共振峰必然消失，而第三个所形成共振峰持续存在。倘若耳机入耳的深度
较浅、出音管长，则第四个的共振峰便会形成。较高频率条件之下，耳机系统则不从属集总体参数系统，等效电路基础模型下计算精度有
偏差存在。结合图3试验分析验证第三及第四个的共振峰基本特性，即长耳道情况下，第三个的共振峰处于8000Hz之下，而短耳道处于
11000Hz之下，故管道长度参数会对第三及第四个的共振峰实际形成位置产生影响。
3、结语
综上所述，此次借助等效电路的基础模型，对应入耳形式耳机产品基本声学特性开展仿真分析后，不但可帮助更多技术员全面了解到
入耳形式耳机产品处在压力场当中的低频响应总体情况，还有喇叭单体f0针对耳机频响具体影响、高频共振等情况，对耳机开发各项技术
实践工作的高效实施可提供重要参考。
参考文献：
[1]高得昆,覃建秀,张会强.具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究[J].推进技术,2022(007):043.
[2]项京朋,桑晋秋,郑成诗,等.基于入耳式耳机电阻抗特性的个性化均衡研究[J].应用声学,2019,38(1):29-38.
2024年3月29日发(作者：邰乐心)
压力场和入耳式耳机的声学特性分析
发布时间：2023-03-02T05:34:37.339Z 来源：《科技新时代》2022年第19期 作者： 蒋国珠
[导读] 近几年国内的主动降噪各项技术手段成熟度有所提升，入耳形式降噪耳机产品生产
蒋国珠
维沃移动通信有限公司 广东东莞 523000
[摘要]近几年国内的主动降噪各项技术手段成熟度有所提升，入耳形式降噪耳机产品生产制造业发展迅速。可以说，佩戴使用入耳形式
耳机整个过程当中，均会形成一定的压力场。故本文主要探讨压力场与入耳式的耳机基本声学特性，仅供参考。
[关键词]耳机；入耳式；压力场；声学特性；
前言：
入耳式的耳机，其处于压力场当中往往会呈现一定的声学性能，那么，为更进一步了解这一性能，对压力场与入耳式的耳机基本声学
特性开展综合分析较为必要。
1、关于压力场与入耳式耳机的概述
所谓压力场，即较小密封空间内，声波波长比空间尺度大。空间内声压相，相位一致。尺寸较小封闭管道当中，活塞推动着空气振
动，则管内形成压力场[1]。
入耳式的耳机，即用于人体的听觉器官当中耳机，使用时把使用者耳道密封住。
2、声学特性综合分析
2.1在低频响应层面
针对入耳式的耳机而言，通过对其压力场当中常见频响测试分析后了解到，喇叭单体的后腔部位较小泄漏情况之下所产生频率响应，
其和标准的压力场的频率响应较为接近，入耳式的耳机实际低频响应有提高趋势。通过对入耳式的耳机开展等效电路基础模型分析期间，
因仅考虑到喇叭单体，故耳机后腔予以去掉。等效电路基础模型，详见图1。该图当中，Mms代表等效振动实际质量；Rms代表机械力阻；
Cms代表等效顺性；Cb、Rb、Mb各自代表着喇叭的后腔声容、声阻、后腔孔声质量。喇叭膜片前后，均处于电路模型当中串联，故将频率
响应提高，促使膜前阻抗增强，或促使膜后阻抗下降[2]。针对常规入耳形式耳机产品当中，喇叭所在后腔孔部位泄漏大。处于低频条件，
其后腔声容Cb小，但阻抗大，相当是发生了断路情况。故可对低频的等效电路予以合理简化处理，后腔阻抗此时是Rb起到主导作用。处于
低频条件之下，振膜前部分阻抗有容性表现，前腔呈较大阻抗，高于Rb。故前腔呈较大分压及较高频响曲线。伴随频率持续提升，前腔部
位容性阻抗呈缩小趋势，则频响曲线也随之下降。喇叭单体的后腔孔较小泄漏情况之下，Rb相对较大，就相当是发生了断路情况。经等效
电路总体简化后，Cb主要负责持续提供着后腔阻抗，低频后腔实际阻抗比前腔高，故前腔实际分压低，低频区的曲线较低，一般均相对平
直；而针对后腔阻抗，则是伴随频率的持续提升而呈缩小趋势。而前腔声质量受中频作用，频响曲线呈提升趋势。在喇叭单体在的后腔测
较大泄漏情况之下，喇叭单体的f0和Mms、Cms呈反比关系，具体方程列式，即f0=。通过分析喇叭Cms针对耳机的低频响应所产生影响情
况等效电路的仿真分析后了解到，喇叭单体的Cms相对较大情况下，耳机呈越高低频响应。故喇叭单体的后腔较大泄漏情况下，后腔Cb明
显已被断路，而整个振动系统基本顺性此时是喇叭单体的Cms。那么，与压力场情况相结合后了解到，Cms较大情况之下，低频响应就相对
较高；Cms相对较大情况之下，阻抗呈降低趋势，振膜后阻抗总体降低，振膜前频率响应则提示明显。在一定程度上，不同的Mms基础条
件下，围绕着耳机产品频率响应总体仿真分析情况可知，Mms条件不会对于低频造成一定的影响。Mns实际对应着的阻抗jwMms倘若处在
一定低频条件，则与Cms阻抗1/jwCms其比较起来，明显较小。可见，低频情况下可忽略Mms。曲线当中的高频部分存在差异性，因高频基
础条件下该耳机系统会处于一个质量的控制区内，Mms阻抗将发挥较为重要的作用。Mms倘若相对较大，则呈较低的频率响应。喇叭单体
的后腔较大泄漏情况下，Cms倘若相对较大，低频响应则就相对更高，但Mms并不会影响到低频。所以不可单纯认为是喇叭f0较低情况下，
耳机更具优良的低频性能越好；针对喇叭单体部位后腔相对较小泄漏这一情况，Rb则基本相当于是断路。在与耳机此时的等效电路相结合
后可了解到，因Cb比Cms小，前者所对应阻抗就高于后者。系统此时顺性由Cb起着决定作用，且与Cms并无关系，故Cms改变情况下，并
不会对耳机的低频响应产生一定影响。Mms处于低频条件之下呈较小阻抗，故对于耳机自身低频性能无较大影响产生。喇叭单体的后腔呈
较小泄漏情况下，喇叭f0不会影响到耳机的低频响应。Cb此时对系统总体顺性及低频响应均起着决定作用。经仿真分析后了解到，后腔越
大体积条件之下，Cb就相对较大，则低频响应明显升高。
2.2在共振现象层面
结合图2所显示，入耳式的耳机处于IEC711类型人工耳当中频响测试曲线了解到，曲线内含振峰为3~4个，所有共振峰均是耳机当中腔
体结构产生共振所致。首个300Hz共振峰，它主要是喇叭自身振动质量、后腔体实际声容等串联共振情况下所形成。因后腔部位串联共振，
致使振膜后阻抗有谷点产生，频响曲线内有共振峰形成；第二个所形成的共振峰，则是前腔部位声质量还有腔体产生并联谐振情况下所形
成的。并联谐振这一情况之下，前腔阻抗有极大值产生，频响曲线则有共振峰逐渐形成。三~四个所形成共振峰，则是因耳道部位受管道所
影响而形成。耳道管口实际输入的相应声阻抗呈极大值，这一情况下形成了共振峰。人工耳可以看成是相对封闭管道，以阻抗转移原理为
基础，获取管口部位输入的声阻抗，即、在该列式当中，n代表着任意整数；c0、p0各自代表着空气当中声速、空气密度；l代表着管道长
度；k代表着波数；S代表着管道实际横截面积；代表着管口部位所输入的声阻抗。输入阻抗倘若大无穷情况下，耳机实际频响曲线则有共
振峰形成。频率限定20kHz范围，倘若管道为10mm长度，则输入阻抗无穷尽实际对应频率便是17150Hz；倘若管道为20mm长度，它的峰值
频率各是17150Hz、8575Hz。管道长度相对较大情况下，所存在的差异性就相对较大，高频之下，声波波长和整个管道尺寸相互间不会产
生较大的偏差，则不处在该压力场内。频率相一致条件下，该声压与其相位差异突出，峰值的频率点位对应着管口，以至于管道末端整个
共振峰实际频率有偏差。实施计算分析后知晓，20kHz以内三~四个所形成共振峰具体频率，即f=c/2L与f=c/L。该列式当中，L代表着管道
长度，而c代表着声速。L相对较短，其c/L值大，则第四个所形成共振峰必然消失，而第三个所形成共振峰持续存在。倘若耳机入耳的深度
较浅、出音管长，则第四个的共振峰便会形成。较高频率条件之下，耳机系统则不从属集总体参数系统，等效电路基础模型下计算精度有
偏差存在。结合图3试验分析验证第三及第四个的共振峰基本特性，即长耳道情况下，第三个的共振峰处于8000Hz之下，而短耳道处于
11000Hz之下，故管道长度参数会对第三及第四个的共振峰实际形成位置产生影响。
3、结语
综上所述，此次借助等效电路的基础模型，对应入耳形式耳机产品基本声学特性开展仿真分析后，不但可帮助更多技术员全面了解到
入耳形式耳机产品处在压力场当中的低频响应总体情况，还有喇叭单体f0针对耳机频响具体影响、高频共振等情况，对耳机开发各项技术
实践工作的高效实施可提供重要参考。
参考文献：
[1]高得昆,覃建秀,张会强.具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究[J].推进技术,2022(007):043.
[2]项京朋,桑晋秋,郑成诗,等.基于入耳式耳机电阻抗特性的个性化均衡研究[J].应用声学,2019,38(1):29-38.