偶极高辐射抗型耳机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种耳机一一具体说是一种前腔与后腔都开放(可以导声)的开放式耳机。
【背景技术】
[0002]随着“新媒体”移动终端(智能手机/平板电脑等)的飞速发展一一耳机作为“移动式个人音响系统”，以其免提性/轻量级/便携性等优势，更适合与“新媒体”移动终端配合。相对于微型音响一一耳机具有个人专属性，功率/体积小，便携性更好。耳机聆听属于“超近声场” 一一作为主流“新媒体音响”，更应该注重健康性。
[0003]“听诊器效应”(the Stethophone Effect)--封闭式耳机外耳道密闭，空气弹簧劲度Sa丨一声压Pa丨一声阻抗Za丨一声导纳Ya丨(与鼓膜的声阻抗更匹配)，耳机振膜可以通过外耳道空气柱与鼓膜形成“耦合振动”(类似于听诊器)一一故其效率高/失真小，但是对于鼓膜的刺激大，易导致听觉疲劳/听力损害。
[0004]一般耳机为了获得高效率/低失真以及良好的低频响应，都采用封闭式结构一一但其“头中效应”明显，无“双耳效应”/ “耳廓效应”，声场效果不自然。开放式耳机可以避免上述问题--美国专利 US8638971B2“ Open-air earbuds and methods for making the
same ”采用开放式结构一一有利于降低“听诊器效应” / “头中效应”，改善健康性与声场效果O
[0005]相对于音箱一一耳机线度小，全开放式耳机前/后腔都可透声，中低频声波更容易发生“声短路” 一一故一般耳机并不采用全开放式，而是采用半开放式。半开放式耳机大多是“前腔封闭/后腔开放”，主要是为了改善低频响应一一前腔(扬声器前侧声腔)封闭，则效率增加/失真减小(听诊器效应)；后腔开放，声顺Ca增加，则扬声器fo下降。虽然耳机的H1-Fi性更好，但其健康性差一一但同封闭式耳机一样，易导致听觉疲劳/听力损害。
[0006]一些耳机(如入耳式)前腔开设泄压孔，可以降低“听诊器效应”，改善健康性与音质一一但扬声器声音泄漏很少，外界的声音也无法传入耳朵，声场效果与封闭式耳机相似(头中效应)。半开放式耳机(后腔开放)一般采用“导气孔”设计，为改善音质往往增加阻尼材料(如不同密度的调音纸)。如果导气孔的声阻抗/声阻尼过大，则后腔声波无法发生衍射一一孔可能会“导气”，但不一定会“导声”，同样无法利用扬声器背面的辐射声能。
[0007]前腔/后腔具有导气孔(即泄压孔)或者前腔与后腔都具有导气孔的耳机一一声波不一定能够传播出来，可能并非“开放式”耳机。一些后腔开放(可以导声)的入耳式耳机一一前腔开设导气孔，由于外部声压小/内部声压大，且导气孔的声阻抗/声阻尼大，后腔的声波不能通过导气孔传入外耳道一一因而无法构成“偶极双向辐射”。
[0008]一般认为“声短路”会导致辐射效率下降/低频响应变差一一实际上，“声短路”还会影响到音质与音色(如结像力/解析度/声音质感/层次感/动态范围等方面)。作为“开放式耳塞”(Open-air earbuds)的代表，Apple耳机强调佩戴的舒适性与健康性，可以防止“听诊器效应”导致的听觉疲劳与听力损害。但是Apple耳机采用后腔具有导声孔的开放式设计，“声短路”会对音质产生影响——iPhone4EarbudS直白平淡的声音被形容为“白开水”。
[0009]由于“声短路”问题，一般扬声器系统包括耳机都采用封闭式结构(相当于无限大障板)一一虽然避免了 “声短路”，但却无法利用扬声器背面的辐射声能，电声转换效率低。不同频率声波的指向特性不同，低频声波的有效辐射角度大，比中高频声波更容易发生“声短路” 一一 “偶极辐射型”扬声器一般只用于中高频扬声器系统，而无法用于全频带与低频扬声器系统。
[0010]低频系统大多采用“亥姆霍兹共鸣器”(如倒相管/无源辐射器设计)或“波导驻波共鸣器”(如传输线型音箱)改善低频响应，同时利用扬声器背面的辐射声能一一但声辐射效率提升的带宽很窄，仅限于共鸣频率fop附近。实际上，倒相箱共鸣频率fop之外一一扬声器振膜前/后面辐射声波都可能会通过倒相管发生“声短路”。由于一般无源辐射器质量大于倒相管空气柱声质量，无源福射器音箱的fop (fop = 1/2 π V MaCa)比倒相箱的fop低(Ca相同)，而无源辐射器比倒相管体积小，增加Ma可以减小Ca (fop —定)，则可以减小声腔体积V—一故无源辐射器更适于耳机改善低频响应。但是相对于音箱，耳机无论采用无源辐射器还是倒相管都更困难。
【发明内容】
[0011]本实用新型目的在于提供一种不易导致听觉疲劳与听力损害的健康耳机一一避免传统耳机的“听诊器效应”，提升辐射效率与低频响应一一解决开放式耳机(偶极辐射型)的“声短路”问题。
[0012]本实用新型的技术方案一一采用开放式耳机结构，耳机前腔扬声器加载一 “声聚能管”，“声聚能管”结构包括反号筒，以及蜗壳式/阿基米德螺旋线式折叠结构；耳机后腔壳具有至少一个导声孔，导声孔为通孔，位于后腔壳背面或侧面，孔径Φ满足下述要求:ΙΟΟμπι^Ξ Φ < 200 μπι，导声孔数量η < 4个——“声聚能管”与后腔壳均为刚性材料构造。参照图1。
[0013]“偶极高福射抗型耳机”(the Dipolar Iarge-Xr mode Earphone)--以下简称为
DXEp，可以有效解决传统开放式耳机的“声短路”问题。
[0014]前腔开放一一无论采用何种机械结构(如耳塞式/耳罩式)，DXEp耳机前腔都与外界空气保持连通状态，外耳道(耳孔)不被封闭，使外界声音包括后腔声波可以传入外耳道一一可以避免“听诊器效应”，以及大动态时声压过大导致的扬声器振膜变形(失真)或损坏。后腔开放一一耳机后腔通过导声孔与周围空气直接或间接耦合，可以改善低频响应，减小失真(动态性气压平衡)。
[0015]DXEp电-力-声类比图——扬声器的振动系统质量Mm/支撑系统Cm与后腔声顺Ca/声阻Ra(Rm/Rr)构成“串联谐振”；导声孔的质量抗Xm(空气柱质量Mm’)/弹性抗Xe/声阻尼Da(Rm’)与后腔声顺Ca可构成“串联共鸣”(亥姆霍兹共鸣器)一一 “声聚能管”的辐射阻Rr与附加辐射质量Mr/声顺Ce构成“并联共鸣”，耳外声场开放式结构与外耳道声顺Ca'形成“开路”。参照图2。
[0016]一般耳机壳壁厚度t彡100ym(Imm)——故导声孔的长度L按照L彡100ym计。耳机后腔壳壁厚度t丨一导声孔长度L丨/孔径Φ丨；t丨一导声孔长度L丨/孔径Φ丨。可以根据具体情况一一设置导声孔的孔径与数量，调节声阻抗/声阻尼，获得不同的延时效果。
[0017]福射阻抗Zr包括福射阻Rr与福射抗Xr (Zr = Rr+jXr)--福射阻(Rr)表示声源向介质辐射声能量的能力；辐射抗(Xr)代表“无功声能”，储存于近场中，而不辐射出去。一般认为，辐射抗(Xr)为“质量抗”(Xm)，即“附加辐射质量”(Mr)—一实际上，辐射抗还包括“弹性抗”(Xe)。“质量抗”相当于感抗(\)，“弹性抗”相当于容抗(X。)。
[0018]“质量抗”(Xm)与扬声器系统振动的“排气量”(V)成正比一一 “排气量”(V)与体速度(U)相关--V t — u t — Wr t (Wr = U2Za)。
[0019]“空气弹簧”——声波为纵波，空气为弹性媒质，在空气中传播时，空气振动产生“容变”(压缩/膨胀)一一“空气弹簧”弹性系数Km丨一辐射阻Rr丨(势能一动能)，密部(Km ? )—疏部(Rr t )。Km t —弹性抗Xe (容抗Xg) ? —辐射阻Rr ?，则声压Pa ? (Pa=uRr) /辐射声功率Wr ? (Wr = u2Rr/2)，声辐射效率σ r增加——Xr (Xe/Xm)代表势能，Rr代表动能，势能可以转化为动能。
[0020]频率f丨一波数K丨一“空气弹簧”弹性系数Km丨一辐射阻Rr丨一Wr丨一一故
“低频比高频辐射更困难”。
[0021]号筒式扬声器(Horn loudspeakers)属于间接福射式扬声器--“号筒”即截面积逐渐变化的声管，实质上就是通过增加辐射抗Xr (Xm/Xe)而提升声压Pa/辐射声功率Wr--故其效率高。
[0022]封闭式耳机一一虽然外耳道截面积S丨(辐射阻Rr丨)，但辐射抗Xr(Xm/Xe) ? —声压Pa ?，故其Wr/ σ r个。
[0023]DXEp采用“声聚能管”增加福射抗Xr (Xm/Xe)--“声聚能管”(Acoustic Energy
Gathered Pipe)是一种具有声能聚集作用的声管，可以增加声压Pa，将势能转化为动能；也可以将动能转化为势能储存起来。“声聚能管”可以采用号筒结构，包括正号筒与反号筒。
“声聚能管”还能够改善低频响应--质量抗Xm丨一附加福射质量Mr t —扬声器谐振频率
fo丨；低频声波弹性抗Xe丨一“空气弹簧”弹性系数Km丨一辐射阻Rr丨，使“低频辐射更容易”。
[0024]“声聚能管”实际上是一个“声压增益/压限器” 一一小信号时可以补偿声压，提升辐射声功率(节能)；信号电平提高时，则能够限制声压，降低能流密度(健康)一一可以双向调节声压(蓄水池效应)。
[0025]“李代桃僵” 一一DXEp以“声