CN116492138B - 一种耳塞及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耳塞及电子设备，涉及声学降噪技术领域。该耳塞包括耳塞头和耳塞腔体。耳塞头设有通气孔，耳塞腔体与所述耳塞头相连，包括与所述通气孔相通的空腔。本发明中，耳塞设置有用于塞入外耳道内的耳塞头和位于外耳道外部的耳塞腔体，耳塞头和耳塞腔体配合起到良好的隔音作用，同时，耳塞头设置有连通耳塞腔体的空腔的通气孔，通气孔能够产生粘滞效应从而吸收声波的能量，使得由空腔反射至鼓膜的能量更小，从而改善了堵耳效应。
Description
技术领域
本发明涉及声学降噪技术领域，尤其涉及一种耳塞及电子设备。
背景技术
耳塞，例如防噪耳塞、睡眠耳塞等，常用于隔离外部的噪音。耳塞在佩戴时，需要塞入外耳道内，以对外部的声音进行隔离。然而，在佩戴耳塞后，将发生堵耳效应。堵耳效应是指当外耳道被封闭或堵塞时，声音的传递方式发生改变，从而导致低频声音的音量增加，使人感觉声音更加沉闷和深沉的现象。
堵耳效应的产生与声音的骨传导机制和颅骨自身的声学特性密切相关。正常情况下，人体内的声音（如言语声、咀嚼时下颚震动的声音以及在较硬的路面上运动产生的震动）可以通过颅骨的震动直接传递至耳蜗外，也可以通过听骨链等中耳结构及颞骨鼓部传入外耳，引起外耳道软骨部的震动，正常情况下由于这一部分声能被从开口的耳朵分散出去，因此这一部分声音不会被我们感知。当耳朵闭塞堵住时，外耳道形成一段密闭的空腔，由颅骨及听骨链传入外耳道的声音能量不能正常向外扩散，外耳道内就会产生额外的声压，通过气导机制，这部分声压就会到达内耳。由于外耳道软骨部的震动主要局限于250Hz~500Hz的低频段，因此这一段频率的听阈会降低，该频段听到的声音就会被放大，所以在堵住耳朵后，往往能够更加清晰的听到自己的呼吸声和心跳声。
目前，耳机、助听器等产品引起的堵耳效应，可以通过在耳机、助听器上增加通气孔或者将这些设备末端深入外耳道的方式来回避。但是耳塞不能采用这些方式，原因在于增加通气孔会大幅降低耳塞的隔声效果，另外，耳塞深入外耳道容易引起佩戴不适，而且由于个体差异，所以往往需要对个人进行针对性的定制。这两点就使耳塞的堵耳效应难以解决。
耳塞的堵耳效应会让使用者听到自体带来的呼吸和各种骨传导噪声，所以在降噪上反而带来了不利的效果，是一种亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耳塞及电子设备，能够降低堵耳效应。
为实现上述发明目的，本发明提出了一种耳塞，包括：耳塞头和耳塞腔体。
耳塞头，设有通气孔；
耳塞腔体，与所述耳塞头相连，所述耳塞腔体包括与所述通气孔相通的空腔。
进一步的，所述耳塞包括设于所述通气孔内的吸声块，所述吸声块设有声阻结构，所述吸声块的厚度为0.5mm~5mm。
进一步的，所述吸声块的厚度为1~1.5mm。
进一步的，所述通气孔的直径为1mm~6mm，长度为5mm~40mm，所述空腔的体积为10- 6m3~2х10-5m3。
进一步的，所述通气孔的直径为4~5mm，长度为25~35mm，所述空腔的体积为3х10- 6m3~10-5m3。
进一步的，所述吸声块采用多孔材料制成，或者狭缝材料制成。所述吸声块包括孔或狭缝，以及与通气孔相连的吸声块侧壁。
进一步的，所述吸声块的材料为海绵、泡棉、聚酯纤维、气凝胶、或者泡沫金属。
进一步的，所述吸声块设于所述通气孔中部和所述耳塞腔体之间位置上。
进一步的，所述耳塞腔体与耳廓贴合设置，至少所述耳塞腔体与所述耳廓贴合的表面与所述耳廓的形状适配。
进一步的，所述耳塞头包括柱部和设于所述柱部外周的环形翼片，所述环形翼片用于与外耳道贴合。
进一步的，所述耳塞头包括多个沿着所述柱部的轴线排列的环形翼片，越靠近所述外耳道内部的所述环形翼片的尺寸越小。
进一步的，所述耳塞头和所述耳塞腔体一体成型或者可拆卸连接。
另一方面，本发明提出了一种电子设备，包括如上任一项所述的耳塞。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明中，耳塞设置有用于塞入外耳道内的耳塞头和位于外耳道外部的耳塞腔体，耳塞头和耳塞腔体配合起到良好的隔音作用，同时，耳塞头设置有连通耳塞腔体的空腔的通气孔，通气孔能够产生粘滞效应从而吸收声波的能量，使得由空腔反射至鼓膜的能量更小，从而改善了堵耳效应。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的耳塞的结构示意图。
图2是图1所示的耳塞的主视图。
图3是沿图2中A-A剖切线剖得的剖视图。
图4是无声阻材料时耳塞的吸声系数曲线图。
图5是另一种实施方式的耳塞的主视图。
图6是沿图5中B-B剖切线剖得的剖视图。
图7是本发明中外耳道、通气孔和空腔的模型简化图。
图8是声阻材料厚度不同时，耳塞的吸声系数对比图。
图9是佰家丽PET标准板的等效密度的曲线图。
图10是佰家丽PET标准板的等效声速的曲线图。
图11是声阻材料厚度不同时，耳塞的整体阻抗的阻抗实部的曲线图。
图12是声阻材料厚度不同时，耳塞的整体阻抗的阻抗虚部的曲线图。
图13是本发明中一种实施方式的设有小孔的吸声块的结构示意图。
图14是本发明中一种实施方式的设有狭缝的吸声块的结构示意图。
图15是声阻材料放置在通气孔不同位置时的吸声系数曲线对比图。
图16是空腔为圆柱形和球形时的吸声系数曲线图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图1至图3所示，对应于本发明一种较佳实施例的耳塞，其包括耳塞头1和耳塞腔体2。
当佩戴所述耳塞时，耳塞头1塞入人体外耳道，耳塞头1的外表面13与外耳道表面皮肤进行贴合。耳塞腔体2位于外耳道外部，其遮挡于耳朵外部，能够阻挡外界的声音进入人耳，从而与耳塞头1配合起到隔音的效果。由于增设了位于外耳道外部的耳塞腔体2，因此，相比于传统的耳塞，本发明的耳塞的隔声效果更好。可以理解的是，耳塞腔体2的壁厚越大，隔声效果通常越好。由于耳塞腔体2位于外耳道外部，因此其壁厚的设计空间更大。
耳塞头1和耳塞腔体2优选采用橡胶或者硅胶等较为柔软的材料制成。
作为一种优选方案，如图1和图3所示，所述耳塞头1包括柱部11和设于柱部11外周的环形翼片12，所述环形翼片12起到与外耳道贴合的作用。由于人耳的外耳道并非是规则的通道，且人与人的外耳道形状也存在不同，此种环形翼片12的设计则有效的使耳塞在佩戴的时候，根据不同的外耳道形状而个性化变化，使得耳塞与外耳道皮肤贴合的更加紧密，此种翼片设置，可以减少耳塞头1与外耳道的空隙，有效的隔离了外界声音；同时增加了耳塞与人耳的牢固性，使得佩戴好的耳塞不易从人耳中滑落。
优选的，所述耳塞头1包括多个沿着所述柱部11的轴线110排列的环形翼片12，越靠近所述外耳道内部的所述环形翼片12的尺寸越小，更便于将耳塞头1塞入外耳道内，且提高隔音效果。柱部11和环形翼片12的截面的外轮廓优选为圆形的。
参考图3，耳塞头1设有通气孔10，耳塞腔体2设有与所述通气孔10相通的空腔20。由于外耳道的空间较小，通气孔10呈细长的孔状，通气孔10的孔壁101会产生边界层的粘滞效应，从而带来了一定声阻效应，通气孔10及其孔壁的粘滞作用能够产生一定的吸声效果。从颅骨和中耳传递给耳塞的体内声波先通过通气孔10进入耳塞腔体2，然后通过耳塞腔体2的空腔20的内壁200反射后又进入通气孔10，虽然仍有部分的声波反射回到鼓膜，由于通气孔10具有吸声效果，因此该声波的能量被减小，从而改善了佩戴耳塞带来的堵耳效应。
如图4所示，图4示出了本发明一种实施例的耳塞的吸声系数曲线图。从图中可以看出，在大约250~500Hz的频率段，通气孔10的吸声系数能够达到0.1以上。
需要指出的是，粘滞效应虽改善了堵耳效应，但从颅骨和中耳而来的体内声波仍有部分会经过反射再回到鼓膜，产生堵耳效应。为了进一步改善堵耳效应，如图5和图6所示，作为一种优选的实施方式，耳塞包括设置于通气孔10内的吸声块3，所述吸声块3设有声阻结构，能够有效的起到吸声作用。当体内声波在通气孔10内经过吸声块3时，能够由吸声块3吸收大量的能量，进一步地，当进入空腔20的声波反射经过吸声块3时，又能够被吸收掉大量的能量，从而大幅降低了反射至鼓膜的声波能量，有效地改善了堵耳效应。
如图7所示，图7展示了简化了的耳塞与外耳道的模型图，从右端向左端分别为耳塞腔体2，通气孔10和外耳道4，耳塞腔体2的空腔20的体积为V，其中充满空气，空气的密度和声速为ρ 0，c 0。耳塞腔体2与通气孔10连接处填充有一块声阻材料（即吸声块3），吸声块3的右端面3a与空腔20内表面平齐，其等效密度和等效声速为ρ 1，c 1，厚度为l 1。声阻材料左侧为通气孔10的剩余部分10a，剩余部分10a内充满空气，空气的密度和声速为ρ 0，c 0，剩余部分10a的长度为l 0。通气孔截面积为S 1。通气孔10左侧与外耳道4相通，外耳道4内充满空气，空气密度和声速为ρ 0，c 0，该部分外耳道4的截面积为S 0。
吸声块3的阻抗会反映到通气孔10入耳端（即图7中通气孔10的左端），其规律可以根据阻抗转移公式进行计算，吸声块3右端面3a处的声阻抗为Za0。
，其中/>，/>为声波的角频率，f为声波的频率，j为虚数符号。
转移到界面Z a1处，此处声阻抗，其中k 1为波数，/>，f为声波的频率，j为虚数符号。
转移到界面Z a2处，此处声阻抗，其中k 0为波数，/>，f为声波的频率，j为虚数符号。
根据公式可以确定，共振频率与通气孔10的长度（l 0+l 1）、通气孔10截面积S 1和空腔20的大小有关。通气孔10长度会影响共振频率，通气孔10越长，共振频率越低，作为一种优选的实施方式，通气孔10的长度（l 0+l 1）可选择为5 mm~40 mm。通气孔10的截面积S 1与通气孔10大小相关，作为一种优选的实施方式，通气孔10的直径优选为1 mm~6 mm，通气孔10的截面积S1越小，则共振频率越低。耳塞腔体2的空腔20的大小优选为10-6m3~2х10-5m3，空腔20越大，共振频率越低。
为了增加人耳长期佩戴耳塞的舒适性，作为一种优选的实施方式，通气孔10的直径为4~5mm，长度为25~35mm，所述空腔20的体积为3х10-6m3~10-5m3，此方案兼顾了隔音效果和舒适性。
吸声块3的厚度对堵耳效应的改善具有较大的影响，作为一种优选的实施方式，吸声块3的厚度为0.5~5mm，进一步优选为1~1.5mm，进一步优选为1.2mm。
如图8所示，图8示出了不同厚度的吸声块3对应的耳塞的吸声系数曲线图。耳塞除了吸声块3的厚度变化之外，其他参数不变，具体的，通气孔直径为3 mm，截面积S1=7.0686e-6 m2，外耳道直径为7 mm，截面积S 0=3.8485e-5 m2，空气密度ρ 0=1.21 kg/ m3，c 0=343 m/s，空腔20的体积V=6.2832e-6 m3，声阻材料选用佰家丽PET聚酯纤维板材的标准板，参考图9和图10，图9示出了其等效密度ρ 1的曲线图，图10示出了其等效声速c 1 的曲线图；通气孔10与声阻材料总厚度l 0+l 1=0.015 m。
从图8中可以看出，在250Hz~500Hz的频率段，具有0.5mm、1.2mm、2mm和5mm厚度的吸声块3的耳塞的吸声系数都超过0.5，远超未设置吸声块3时的吸声系数，能够大幅改善堵耳效应。当吸声块3的厚度处于1.2mm时，对于250 Hz~500 Hz频段，吸声系数都高于0.85，在共振频率附近吸声系数接近于1，效果优于其他的厚度值，因此，当吸声块3的厚度处于1~1.5mm时，能够进一步改善堵耳效应。
由上述公式可知，界面Z a2处声阻抗与吸声块3的等效密度ρ 1、等效声速c 1和厚度为l 1相关，对于不同的材料，可以调整厚度l 1来对整体阻抗进行调节。当界面Z a2处声阻抗的实部与空气的声阻抗相等，虚部接近于0时，外耳道、通气孔10和空腔20三者达到阻抗匹配，处于最优的状态，此时从体内传来的声波被完全吸收，不存在反射能量，完全消除堵耳效应。
如图11和图12所示，图11示出的是耳塞的整体阻抗的阻抗实部的曲线图，图中示出了在吸声块3的厚度分别为0.5mm、1.2mm、2mm和5mm时的阻抗实部的曲线图，耳塞的其他参数可以参考上文与图8对应的耳塞的参数。图12示出的是耳塞的整体阻抗的虚部的曲线图。从图11可以看出，在吸声块3厚度为1.2mm时，阻抗与匹配时需要的阻抗最接近，厚度偏离会引起阻抗的失配，1.2 mm左右可以达到最优值。可以理解的是，该最优值仅仅是针对PET标准板的，如果改用其他材料，则相应的等效密度ρ1和等效声速c1会发生变化从而引起最佳厚度l 1的变化。当阻抗虚部为0时，结构整体发生共振，从图12中可以看出，在保持通气孔10与吸声块3的总厚度l 0+l 1=0.015m不变的条件下，改变吸声块3的厚度l 1，对共振频率的影响不大。
在一些实施例中，吸声块3采用多孔材料制成，多孔材料内部的小孔即为吸声块3的声阻结构，多孔材料例如可以是海绵、泡棉、聚酯纤维、气凝胶或者其他的发泡材料，还可以是泡沫铝、泡沫镍等泡沫金属，多孔材料内部的细小孔洞可以有效的增大声阻，消耗声波的能量，从而起到吸声的作用。
在一些实施例中，如图13所示，吸声块3设有孔30，孔30的数量优选为多个，且贯穿吸声块3的两端。优选的，孔30以阵列的形式分布，孔30的形状不限，例如可以是圆形、矩形、三角形等。当声波经过孔30时，孔30能够吸收部分声波的能量，从而起到吸声的效果。例如，吸声块3可以设置成网状结构，以形成多个孔30。
在一些实施例中，如图14所示，吸声块3设有狭缝31，狭缝31的数量优选为多条，且贯穿吸声块3的两端。当声波经过狭缝31时，狭缝31能够吸收部分声波的能量，从而起到吸声的效果。可以理解的是，吸声块3上可以同时设置孔30和狭缝31。
显然的，除了采用内部孔洞、孔30和狭缝31作为吸声块3的声阻结构外，还可以采用其他结构形成吸声块3的声阻结构，只要可以消耗声波能量即可。
由于通气孔10的长度（l 0+l 1）较小，而且关心频段250Hz~500Hz位于低频，所以吸声块3布放位置对整体的吸声效果而言影响极小。如图15所示，图15为吸声块3距离通气孔10末端的位置变化时整体的吸声系数曲线图，通气孔10的末端指的是通气孔10与空腔20相连的端部。从图15可以看出，对于250~500Hz频段，在吸声块3设置在通气孔10末端（即图7中通气孔10的右端）、设置在距离末端5mm位置以及设置在距离末端10mm位置三种情况下的吸声性能几乎无变化，从800 Hz才开始略有偏差。实际上，在通气孔10的长度<50 mm的情况下，声阻材料放置于通气孔10内的任意位置对吸声效果的影响都不太大。
作为一种优选的实施方式，吸声块3设于通气孔10中部和耳塞腔体2之间的位置上。由于耳塞在佩戴时耳塞头1需要伸入外耳道内，当吸声块3设置在通气孔10中部和耳塞腔体2之间的位置上时，耳塞头1更容易发生变形，更适于佩戴。进一步优选的，吸声块3置于通气孔10末端，以此来增加佩戴的方便性和佩戴后人体耳部的舒适性。
耳塞腔体2的形状几乎不影响吸声效果。如图16所示，图16示出了在空腔20的体积V=6.2832e-6m3不变的情况下，具有圆柱形的空腔20的耳塞和具有球形的空腔20的耳塞的吸声系数曲线图。从图16可以看出，两种情况下吸声系数曲线几乎完全一致。所以耳塞腔体2的形状几乎不影响吸声效果，可以设计成圆柱形、球形等常见形状。
作为一种优选的实施方式，耳塞腔体2与耳廓贴合设置，至少耳塞腔体2与耳廓贴合的表面21与所述耳廓的形状适配，该种设计有效的减少了耳塞与耳廓的间隙，有效的隔绝了外部的声音，同时也有利于提高佩戴耳塞后的舒适性和稳定性。
耳塞头1和耳塞腔体2的连接方式不限，在一些实施例中，耳塞头1和所述耳塞腔体2是一体成型的。在另一些实施例中，耳塞头1和耳塞腔体2被设置成可拆卸连接的，可拆卸连接的结构例如可以是卡接、螺纹连接等。
本发明还提出了一种电子设备，其包括如上文所述的耳塞。电子设备例如可以是耳机、助听器或者其他电子设备。
上述仅为本发明的具体实施方式，其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种耳塞，其特征在于，包括：
耳塞头（1），设有通气孔（10），所述通气孔（10）的直径为1mm~6mm，长度为5mm~40mm；以及，
耳塞腔体（2），与所述耳塞头（1）相连，所述耳塞腔体（2）包括与所述通气孔（10）相通的空腔（20），所述空腔（20）仅通过所述通气孔（10）与外界连通，所述空腔（20）内充满空气，所述空腔（20）的体积为10-6 m3~2х10-5 m3；
所述耳塞佩戴时，所述耳塞头（1）塞入于外耳道内，所述耳塞腔体（2）位于外耳道外部，所述耳塞头（1）和耳塞腔体（2）配合起到隔音作用，所述通气孔（10）能够产生粘滞效应吸收声波的能量，使得由所述空腔（20）反射至鼓膜的能量更小，从而改善堵耳效应。
2.如权利要求1所述的耳塞，其特征在于，所述耳塞包括设于所述通气孔（10）内的吸声块（3），所述吸声块（3）设有声阻结构，所述吸声块（3）的厚度为0.5mm~5mm。
3.如权利要求2所述的耳塞，其特征在于，所述吸声块（3）的厚度为1~1.5mm。
4.如权利要求1所述的耳塞，其特征在于，所述通气孔（10）的直径为4~5mm，长度为25~35mm，所述空腔（20）的体积为3х10-6m3~10-5 m3。
5.如权利要求2所述的耳塞，其特征在于，所述吸声块（3）采用多孔材料制成；或者，
所述吸声块（3）设有贯穿其两端的孔（30）和/或狭缝（31）。
6.如权利要求2所述的耳塞，其特征在于，所述吸声块（3）的材料为海绵、泡棉、聚酯纤维、气凝胶或者泡沫金属。
7.如权利要求2所述的耳塞，其特征在于，所述吸声块（3）设于所述通气孔（10）中部和所述耳塞腔体（2）之间的位置上。
8.如权利要求1至7任一项所述的耳塞，其特征在于，所述耳塞腔体（2）与耳廓贴合设置，至少所述耳塞腔体（2）与所述耳廓贴合的表面（21）与所述耳廓的形状适配。
9.如权利要求1至7任一项所述的耳塞，其特征在于，所述耳塞头（1）包括柱部（11）和设于所述柱部（11）外周的环形翼片（12），所述环形翼片（12）用于与外耳道贴合。
10.如权利要求9所述的耳塞，其特征在于，所述耳塞头（1）包括多个沿着所述柱部（11）的轴线排列的环形翼片（12），越靠近所述外耳道内部的所述环形翼片（12）的尺寸越小。
11.如权利要求1至7任一项所述的耳塞，其特征在于，所述耳塞头（1）和所述耳塞腔体（2）一体成型或者可拆卸连接。
12.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的耳塞。
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