CN103763648A - 耳机装置 - Google Patents

Abstract

一种耳机装置，具有一壳体、一导音装置以及一声音输出装置。其中，导音装置耦接壳体，且导音装置可接触一使用者的耳道。声音输出装置，设置在壳体内，一端耦接于一信号传输线材，声音输出装置可根据信号传输线材中传输的一音频产生一声波，而该声波入射到该导音装置。其中，导音装置是以一复合材料形成，当声波入射到导音装置时，复合材料产生一表面声波。

Description

耳机装置

技术领域

本发明是关于一种耳机装置，且特别是有关于一种使用复合材料产生表面声波的耳机装置。

背景技术

耳机已是十分普遍的个人聆听音频的必备工具之一。由于耳机的诉求极为强调个人性及可携性，因此其成品的尺寸多半较小，然而受限于基础声波致动发声原理，耳机过小的尺寸及振膜面积，对于低频率声波的产生能力较为不足。而鼓膜较大的耳罩式耳机却又过于庞大，其携带性也大幅降低。

近年来有耳道式耳机及骨传式耳机的技术问市。其中，耳道式耳机利用管状构造来增加振模面积，同时于管内产生驻波增加其低音的表现，但其紧塞入耳道的结构设计对于使用者而言并不舒适，且其构造较为复杂对于生产的模具费用而言也较为昂贵。而骨传式耳机则将声波的振动直接将声音传导至听骨，由骨头做为导体，但此技术其仍容易失去许多频带的音频而导致音质不良的状况。

因此如何能让原音重现不失真，即成为耳机设计者追求的目标。

发明内容

鉴于上述，本发明提供一种耳机结构，通过复合材料构成导音装置，让导音装置在接收到由声音输出装置入射的声波后，可在导音装置的表面形成表面声波，来传递音频。

本发明的一方面是在提供一种耳机装置，其包括：一壳体、一导音装置以及一声音输出装置。其中，导音装置耦接壳体，且导音装置可接触一使用者的耳道。声音输出装置，设置在壳体内，一端耦接于一信号传输线材，声音输出装置可根据信号传输线材中传输的一音频产生一声波，而该声波入射到该导音装置。其中，导音装置是以一复合材料形成，当声波入射到导音装置时，复合材料产生一表面声波。

在一实施例中，复合材料是以一树脂为基材以及一纤维为强化材料结合而成的纤维补强型复合材料。

在一实施例中，树脂为一热塑性树脂或一热固性树脂，纤维为玻璃纤维、碳纤维、克维拉纤维、陶瓷纤维或金属纤维。

在一实施例中，纤维是以长轴平行于该声波入射到该导音装置方向的方式排列在该树脂上。

在一实施例中，复合材料的树脂含有率与该表面声波的大小成正比。

在一实施例中，复合材料的材料性质，须符合：

$\frac{A_1}{C_0^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}>1,\frac{b_1}{C_0^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}>1$

其中，A₁＝(Q₁₁+Q₁₃+2Q₅₅)/2ρ，ρ为复合材料密度，C₀为前导介质中声波的波速，Q_ij为该复合材料的材料性质。

在一实施例中，声音输出装置为一可振动的一致动器。

综上所述，本发明利用复合材料构成导音装置，让导音装置在接收到由声音输出装置入射的声波后，可在导音装置的表面形成表面声波，由于导音装置可与人耳的耳道接触，表面声波不必经过空气传输，可直接传递至耳。而有别于一般塞耳式耳机尚须以鼓膜鼓动声波至空气再由空气传入耳朵的方式。

附图说明

图1绘示依照本发明一较佳实施例一声波入射一具备正交异向性复合材料时在三维座标下的关系图；

图2绘示从图1的X2方向视入时声波与正交异向性复合材料间的关系图；

图3绘示依照本发明一较佳实施例的一耳机概略图；

图4绘示依照本发明一较佳实施例形成导音装置的复合材料概略图。

具体实施方式

以下为本发明较佳具体实施例以所附附图加以详细说明，下列的说明及附图使用相同的参考数字以表示相同或类似元件，并且在重复描述相同或类似元件时则予省略。

图1绘示依照本发明一较佳实施例一声波入射一具备正交异向性复合材料的三维座标关系图。而图2绘示从图1的X2方向视入时声波与正交异向性复合材料间的关系图。请同时参阅图1与图2。当声波101以角度θ入射一具备正交异向性的复合材料100时，复合材料100因声波入射而对应产生出的波数可由下述的推导方式，出。其中角度θ为声波101入射方向与X1方向间的夹角。

依此，在一具备正交异向性的复合材料，其应力与应变的关系可表示如下：

$\left[\mathrm{\σ}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{11}\\ {\mathrm{\σ}}_{33}\\ {\mathrm{\σ}}_{31}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Q}_{11}& Q_{13}& 0\\ & Q_{33}& 0\\ \mathrm{sym}& & Q_{55}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{11}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}\\ {\mathrm{\γ}}_{31}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，Q_ij表示材料性质。

当此材料在微小体积下若遵守牛顿第二定理，则必满足：

$\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{1i}}{{\∂\mathrm{\σ}}_1}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{3i}}{{\∂\mathrm{\σ}}_3}=\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^2{u}_i}{{\∂t}^2}i=\mathrm{1,3}---\left(2\right)$

若分别以纯量位移势能▽φ(表示伸缩波)及向量位移势能ψ₂(表示剪力波)取代(2)式中的u，并将(1)式代入(2)式，则可得此材料的波动方程式：

$A_1\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{{{\∂x}_1}^2}+A_3\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{{{\∂x}_3}^2}=\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{{\∂t}^2}---\left(3\right)$

$b_1\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ψ}}_2}{{{\∂x}_1}^2}+b_3\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ψ}}_2}{{{\∂x}_3}^2}=\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ψ}}_2}{{\∂t}^2}---\left(4\right)$

其中，A₁＝(Q₁₁+Q₁₃+2Q₅₅)/2ρ、A₃＝(Q₃₃+Q₁₃+2Q₅₅)/2ρ、及b₃＝(Q₃₃-Q₁₃)/2ρ，

而ρ为材料密度。其谐性解(Harmonic solution)为：

φ＝R₁exp[j(ωt-k₁₃x₃-k_tx₁)]+R₁′exp[j(ωt+k₁₃x₃-k_tx₁)]   (5)

ψ₂＝R₂exp[j(ωt-k₂₃x₃-k_tx₁)]+R₂′exp[j(ωt+k₂₃x₃-k_tx₁)]   (6)

其中k_t为前导介质声波的波数，而复合材料100因声波101入射而对应产生出的波数为k₁₃及k₂₃，其中k₁₃为x₁方向的伸缩波波数而k₂₃为x₃方向的剪力波波数，如下所示：

$k_{13}=\mathrm{\ω}\sqrt{(1-\frac{A_1}{C_0^2}{\sin }^2\mathrm{\θ})/A_3}---\left(7\right)$

$k_{23}=\mathrm{\ω}\sqrt{(1-\frac{b_1}{C_0^2}{\sin }^2\mathrm{\θ})/b_3}---\left(8\right)$

C₀为前导介质中，例如空气中，声波101的波速，而参数A₁,b₁,A₃,b₃与复合材料100的材料性质有关。因此，波数为k₁₃及k₂₃亦与复合材料100的材料性质有关。换言之，根据(7)和(8)式，通过变化复合材料100的材料性质，会造成复合材料100因声波101入射而对应产生的波数k₁₃及k₂₃改变，一旦波数k₁₃及k₂₃形成虚数的形态，则表示其波传方式除了包括k₁₃及k₂₃正数型态，亦即x₁方向所形成的伸缩波和x₃方向所形成的剪力波外，尚包括k₁₃及k₂₃为虚数形态时，在另一方向，即x₂方向，形成的表面声波。在一实施例中，在固定声波101的入射方向下，可通过调整复合材料100的材料性质，如参数A₁,b₁，使得：

$\frac{A_1}{C_0^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}>1,\frac{b_1}{C_0^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}>1$

造成k₁₃及k₂₃为虚数形态，进而在复合材料100的x₂方向形成表面声波。本发明即是利用此种材料特性，通过材料的设计，使得复合材料100在声波101入射后，可在复合材料100的表面形成一表面声波，作为耳机传递声音给人耳时的导音装置。

参阅图3所示为依照本发明一较佳实施例的一耳机概略图。其中，为方便说明起见，仅绘出用于一耳的耳机，然熟悉此项技术者当可知，本发明用于另一耳的耳机亦可使用相同的设计。耳机200包括有一壳体202、一声音输出装置203及一导音装置204耦接壳体202，声音输出装置203是设置在壳体202内，其一端耦接于一信号传输线材201，其另一端则用于输出一声波到导音装置204，其中，导音装置204可接触使用者的耳道。在本实施例中，声音输出装置203，为一负责振动的致动器，该致动器可为动圈式或各型式的振动元件，例如一鼓膜，用以根据信号传输线材201中传输的音频进行振动以产生声波。而导音装置204的材料是选用可使得k13及k23成为虚数形态的复合材料100，借以在导音装置204的表面形成表面声波。由于导音装置204可和使用者的耳道接触，因此使用者即可轻松接受到任何频率的声波，而不受振动元件大小的影响。因此可解决低频音振膜无法激振的问题。

在一较佳实施例中，导音装置204的复合材料构造为纤维补强型复合材料（fiber reinforced plastics,FRP）。所谓复合材料是以某一材料为基材，填加补强材料予以复合。而本发明导音装置204所使用的纤维补强型复合材料，如图4所示，是以树脂401为基材，纤维402为强化材料结合而成的复合材料，其是利用纤维402排列在树脂401上的方式来达成材料的正交异向性的目的。在本实施例中，复合材料示形成管状结构来构成本发明的导音装置204，而在另一实施例中，复合材料亦可以形成一圆柱体构造复合材料。其中，树脂401可为热塑性树脂（包括聚酯、耐隆、聚缩醛、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚亚酰胺等）及热固性树脂（包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等）。纤维402可为玻璃纤维、碳纤维、克维拉纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。

在一实施例中，当声音输出装置203以X1方向将声波403入射至导音装置204时，形成导音装置204的复合材料，其纤维402的长轴亦是以朝向X1方向的方式排列在树脂401上。由于声音输出装置203入射声波403至导音装置204的方向固定，此时可通过调整复合材料的树脂含有率，改变(7)(8)式中的参数A1,b1，借以调整复合材料的材料性质，使得k13及k23成为虚数形态，进而在复合材料100的x2方向形成表面声波。其中，树脂含有率越大，(7)(8)式中的参数A1,b1越大，越容易在导音装置204的表面造成表面声波，亦即该复合材料的树脂含有率与该导音装置204的表面声波大小成正比。此外，形成导音装置204的复合材料，其纤维402的长轴越平行于声波403入射方向，越容易在导音装置204的表面造成表面声波。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明利用复合材料构成导音装置，让导音装置在接收到由声音输出装置入射的声波后，可在导音装置的表面形成表面声波，由于导音装置可与人耳的耳道直接接触，表面声波不必经过空气传输，可直接传递至耳。而有别于一般塞耳式耳机尚须以鼓膜鼓动声波至空气再由空气传入耳朵的方式。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种耳机装置，其特征在于，其包括：

一壳体；

一导音装置，耦接该壳体，其中该导音装置可接触一使用者的耳道；以及

一声音输出装置，设置在该壳体内，一端耦接于一信号传输线材，该声音输出装置根据该信号传输线材中传输的一音频产生一声波，该声波入射到该导音装置；

其中，该导音装置是以一复合材料形成，当该声波入射到该导音装置时，该复合材料产生一表面声波。

2.根据权利要求1所述的耳机装置，其特征在于，该复合材料是以一树脂为基材以及一纤维为强化材料结合而成的纤维补强型复合材料。

3.根据权利要求2所述的耳机装置，其特征在于，该树脂为一热塑性树脂或一热固性树脂。

4.根据权利要求2所述耳机装置，其特征在于，该纤维为玻璃纤维、碳纤维、克维拉纤维、陶瓷纤维或金属纤维。

5.根据权利要求2所述的耳机装置，其特征在于，该纤维是以长轴平行于该声波入射到该导音装置方向的方式排列在该树脂上。

6.根据权利要求2所述的耳机装置，其特征在于，该复合材料的树脂含有率与该表面声波的大小成正比。

7.根据权利要求1所述的耳机装置，其特征在于，该复合材料的材料性质，须符合：

$\frac{A_1}{C_0^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}>1,\frac{b_1}{C_0^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}>1$

其中，A₁＝(Q₁₁+Q₁₃+2Q₅₅)/2ρ，ρ为复合材料密度，C₀为前导介质中声波的波速，Q_ij为该复合材料的材料性质。

8.根据权利要求1所述的耳机装置，其特征在于，该声音输出装置为一可振动的一致动器。

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