CN114677996A - 防风噪设备及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种防风噪设备，涉及风噪处理领域，解决如何降低不规则的气流冲击设备形成的风噪的问题。防风噪设备100包括第一编织网101、第二编织网102、设备外壳103和结构件104。设备外壳103设置有拾音孔1031。第一编织网101覆盖拾音孔1031。拾音孔1031处设置有结构件104。结构件104与设备外壳103相连接并形成空腔。结构件104设置有传音孔1041。第二编织网102覆盖传音孔1041。麦克风设置于传音孔1041处。由于拾音孔1031、第一编织网101、结构件104和第二编织网102的结构特性能够抑制风噪的能量，有效地减少了麦克风从传音孔1041接收到的音频信号包含的风噪。

Description

防风噪设备及设计方法
技术领域
本申请涉及风噪处理领域，尤其涉及一种防风噪设备及设计方法。
背景技术
通常，在用户处于流动气流的环境中，用户使用携带麦克风的电子设备时，流动气流会撞击电子设备导致电子设备接收到压力脉动，随时间变化的压力脉动形成风噪。麦克风接收到风噪信号通过扬声器传入人耳，用户听到噪声。目前，用于防止麦克风振膜受到较大的压力突变影响的组件，对气流流动产生的强度较低的持续压力脉动作用较小，不能有效地抑制风噪。因此，如何降低不规则的气流冲击电子设备形成的风噪是一个亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供一种防风噪设备及设计方法，解决了如何降低不规则的气流冲击电子设备形成的风噪的问题。
第一方面，本申请提供了一种防风噪设备，该防风噪设备包括第一编织网、第二编织网、设备外壳、结构件和麦克风。设备外壳设置有拾音孔，第一编织网覆盖拾音孔。第一编织网用于减少设备外壳外的气流从拾音孔进入设备内部造成设备内部的气流的扰动，以及降低设备外壳外的气流在拾音孔处的压力脉动。拾音孔处设置有结构件，结构件通过拾音孔与外界相连通。结构件用于传播拾音孔拾取得音频信号。其中，结构件为中空结构，结构件与设备外壳相连接并形成空腔。空腔覆盖拾音孔，且传音孔到拾音孔所在平面的距离大于等于预设阈值。结构件上设置有传音孔，麦克风设置于传音孔处，麦克风用于采集声音信号。第二编织网覆盖传音孔，第二编织网用于降低空腔内的气流变化对与传音孔相连接的麦克风的振膜的影响，以及防水防尘。
通常，不规则的气流撞击防风噪设备形成风噪，防风噪设备通过拾音孔拾取到包含风噪的音频信号，音频信号通过防风噪设备包含的第一编织网、结构件和第二编织网后，由于拾音孔、第一编织网、结构件和第二编织网的结构特性能够抑制风噪的能量，从而，有效地减少了麦克风从传音孔接收到的音频信号包含的风噪，进而降低了用户听到的风噪声音，提高了用户使用防风噪设备拾取声音的用户体验。
应理解，第一编织网、第二编织网、结构件和麦克风设置于设备外壳内部。第一编织网、设备外壳、结构件、第二编织网和麦克风依次堆叠。
在一种可能的设计中，结构件包括两端具有开口的筒状结构和位于筒状结构的一端开口的盖体，盖体上设置有传音孔。筒状结构的另一端开口在设备外壳上的正投影覆盖拾音孔。可理解的，结构件的另一端的开口完全罩住拾音孔。拾音孔在径向方向的尺寸小于或等于结构件形成的中空结构在径向方向的尺寸。
在另一种可能的设计中，第二编织网夹于筒状结构和盖体之间。
在另一种可能的设计中，第二编织网夹于设备外壳和结构件之间。可理解的，第一编织网、设备外壳和第二编织网形成第一空腔，第二编织网和结构件形成第二空腔。第二空腔覆盖拾音孔，且第二空腔在垂直于拾音孔所在平面的方向上的高度大于等于预设阈值。第一编织网、设备外壳、第二编织网、结构件和麦克风依次堆叠。
其中，第一编织网为金属网，第一编织网的网格密度大于或等于300目，第一编织网的阻抗小于或等于200米千克秒制瑞利(MKS rayls)。第二编织网为声学网布，第二编织网的阻抗大于或等于200MKS rayls。
本实施例利用拾音孔位置的编织网阻挡流动的气流进入空腔形成扰动，从而降低了风噪能量。另外，由于拾音孔处的编织网具有粗糙表面，进一步可以降低拾音孔处的压力脉动的强度。
在另一种可能的设计中，防风噪设备还包括第三编织网，第三编织网夹于设备外壳和结构件之间。第三编织网用于减少设备外壳外的气流从拾音孔进入设备内部造成设备内部的气流的扰动。可理解的，第一编织网、设备外壳和第三编织网形成第一空腔，第三编织网、结构件和第二编织网形成第二空腔，第二空腔覆盖拾音孔，且第二空腔在垂直于拾音孔所在平面的方向上的高度大于等于预设阈值。其中，第二编织网可以夹于筒状结构和盖体之间。第一编织网、设备外壳、第三编织网、结构件、第二编织网和麦克风依次堆叠。
在另一种可能的设计中，第二编织网夹于设备外壳和结构件之间。防风噪设备还包括第三编织网，第三编织网夹于设备外壳和第二编织网之间。可理解的，第一编织网、设备外壳、第三编织网和第二编织网形成第一空腔。第三编织网、第二编织网和结构件形成第二空腔。第一编织网、设备外壳、第三编织网、第二编织网、结构件和麦克风依次堆叠。
由于拾音孔、第一编织网、结构件、第二编织网和第三编织网的结构特性能够抑制风噪的能量，从而，有效地减少了麦克风从传音孔接收到的音频信号包含的风噪，进而降低了用户听到的风噪声音，提高了用户使用电子设备拾取声音的用户体验。
其中，第一编织网和第三编织网均为金属网，第一编织网的网格密度小于或等于第三编织网的网格密度，第一编织网的网格密度小于或等于1000目，第三编织网的网格密度小于或等于1000目。
第二编织网为声学网布，第二编织网的阻抗大于或等于200MKS rayls。
另外，拾音孔的大小大于传音孔的大小。
预设阈值是依据拾音孔的尺寸确定的。预设阈值的取值范围可以为1-30毫米。
本实施例所述的结构件的体积小于1立方厘米。从而，可以在小型化的电子设备中设置结构件，达到抑制风噪的目的。
此外，本实施例所述的空腔还可以填充泡沫材料。泡沫材料用于减少设备外壳外的气流从拾音孔进入设备内部造成设备内部的气流的扰动。例如，第一空腔和第二空腔中至少一个空腔填充泡沫材料。如此，利用泡沫材料来进一步降低涡流产生的压力脉动和阻隔大的流场突变情况。
防风噪设备还包括导声管，导声管的一端连接结构件的传音孔，导声管的另一端连接麦克风。从而，以便于麦克风接收通过传音孔的音频信号。
第二方面，本申请提供了一种耳机，耳机包含上述第一方面所述的防风噪设备。耳机的拾音孔，用于拾取第一音频信号，第一音频信号经过防风噪设备内的编织网和结构件得到第二音频信号，第一音频信号和第二音频信号均包含有效音频信号，第二音频信号包含的风噪能量小于第一音频信号包含的风噪能量。
第三方面，本申请提供了一种设计防风噪设备的方法，该方法包括根据目标风速、目标频率和预期收益，利用流体力学计算如上述任一方面所述的防风噪设备的设备外壳上多个采样点的流场信息，流场信息包括随时间变化的速度和压力的脉动；将多个采样点中在目标频率范围内最小压力脉动的采样点确定为防风噪设备的设备外壳上的拾音孔的位置；根据拾音孔处的涡流相关性长度、目标风速、目标频率、预期收益、空腔内声波传播的色散关系确定拾音孔的尺寸和防风噪设备包含的结构件的空腔的尺寸，涡流相关性长度是依据随时间变化的速度和压力的脉动确定的。如此，通过增大设备的拾音孔，以及在设备中安装结构件和编织网，防止突风的基础上可以有效的降低涡流结构切变、撞击所产生的压力脉动，从而减少设备在在目标频率范围内的风噪，提高产品的音频质量和适用范围。另外，达到同收益的情况下本实施例提供的防风噪设备所需的结构空间更小，在相同结构空间下，本申请实施例提供的防风噪设备具有更强的适用性和更大的风噪收益。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种防风噪设备的三维示意图；
图2为本申请实施例提供的一种防风噪设备的二维示意图；
图3为本申请实施例提供的一种防风噪设备的三维示意图；
图4为本申请实施例提供的一种防风噪设备的二维示意图；
图5为本申请实施例提供的一种防风噪设备的二维和三维示意图；
图6为本申请实施例提供的一种防风噪设备的三维示意图；
图7为本申请实施例提供的一种防风噪设备的二维示意图；
图8为本申请实施例提供的一种防风噪设备的二维和三维示意图；
图9为本申请实施例提供的一种涡流示意图；
图10为本申请提供的一种设计防风噪设备的方法的流程图；
图11为本申请提供的一种耳机示意图；
图12为本申请提供的一种涡流相关性示意图；
图13为本申请实施例提供的耳机抑制风噪的收益效果示意图；
图14为本申请实施例提供的一种防风噪设备填充金属泡沫材料的二维示意图；
图15为在空腔中填充金属泡沫材料后抑制风噪的收益效果示意图；
图16为本申请实施例提供的一种防风噪设备连接麦克风的三维示意图；
图17为本申请实施例提供的一种包含导声管的防风噪设备的三维示意图；
图18为本申请提供的一种耳机的结构示意图；
图19为本申请提供的一种计算装置的组成示意图；
图20为本申请提供的另一种计算装置的组成示意图。
具体实施方式
本申请提供的防风噪设备应用于包括但不限于具有通话、音频定位和降噪功能等的耳机类产品、手机、平板、便携式电脑和可穿戴设备(如：手表、眼镜等)等，本申请对包含防风噪设备的电子设备的具体形态不予限定。在用户处于具有外部气流流动的环境中，用户使用防风噪设备拾取包含风噪的音频信号时，由于防风噪设备包含的结构件和编织网的结构特性能够抑制风噪能量，音频信号通过结构件和编织网后，使得麦克风接收到的音频信号包含的风噪能量小于防风噪设备的拾音孔处的风噪能量，因此，本申请提供的防风噪设备可以有效地降低不规则的气流冲击设备形成的风噪，从而，降低了用户听到的风噪声音，提高了用户使用设备拾取声音的用户体验。其中，用户使用防风噪设备拾取声音所处的具有外部气流流动的环境包括但不限于室外或室内的有风环境、用户步行的环境、用户跑步的环境和用户骑行的环境等。
下面将结合附图对本申请实施例的实施方式进行详细描述。在这里以防风噪设备是耳机类产品为例进行说明。
图1为本申请实施例提供的一种防风噪设备的三维示意图。其中，图1中的(a)为防风噪设备的部分三维剖面图。如图1中的(a)所示，防风噪设备100包括第一编织网101、第二编织网102、设备外壳103和结构件104。第一编织网101、第二编织网102和结构件104设置于设备外壳103内部。为了便于理解，本实施例中所示的设备外壳103是防风噪设备100的设备外壳的一部分。设备外壳103设置有拾音孔1031，拾音孔1031用于拾取音频信号，即声音。第一编织网101覆盖拾音孔1031。拾音孔1031处设置有结构件104。结构件104通过拾音孔1031与外界相连通。结构件104设置有传音孔1041，传音孔1041用于将防风噪设备100内的音频信号传输至与传音孔1041相连接的麦克风。第二编织网102覆盖传音孔1041。可理解的，拾音孔1031是设备外壳103上的中空结构。传音孔1041是结构件104上的中空结构。另外，本实施例对拾音孔1031和传音孔1041的具体形状不予限定。其中，拾音孔1031的大小大于传音孔1041的大小。可替换描述的，拾音孔1031在径向方向的尺寸大于传音孔1041在径向方向的尺寸。径向方向是指沿直径或半径的直线方向。
如图1中的(b)所示，本实施例所述的结构件104包括两端具有开口的筒状结构1042和位于筒状结构的一端开口的盖体1043。盖体1043上设置有传音孔1041。图1中的(b)只是对结构件104的示意性举例。本实施例对筒状结构1042的具体形状不予限定。筒状结构1042可以是圆形的筒状结构也可以是方形的筒状结构。
可理解的，结构件104是中空结构。结构件104与设备外壳103相连接并形成空腔。具体的，第一编织网101、设备外壳103、结构件104和第二编织网102形成空腔。筒状结构1042的另一端开口在设备外壳103上的正投影覆盖拾音孔1031。可替换描述的，拾音孔1031在径向方向的尺寸小于或等于结构件104形成的中空结构在径向方向的尺寸。
示例的，图1中的(b)为防风噪设备的三维分解示意图。如图1中的(b)所示，第一编织网101、设备外壳103、结构件104和第二编织网102利用胶水105依次连接在一起，即第一编织网101和设备外壳103利用胶水105连接在一起，设备外壳103和结构件104利用胶水105连接在一起，结构件104和第二编织网102利用胶水105连接在一起。本申请实施例对胶水105的形状，图1中的(b)所示的胶水105的形状只是示意性说明，不予限定。
图2中的(a)为防风噪设备的部分二维剖面示意图。第一编织网101设置于设备外壳103的拾音孔1031处。例如，第一编织网101可以采用胶水105贴于设备外壳103的拾音孔1031处。第一编织网101与设备外壳103的外侧齐平，确保设备外壳103的形状不受拾音开孔影响，不仅美观，且避免设备外壳103的形状变化受到风噪的影响。
另外，本实施例对第一编织网101的网状结构不予限定。如图2中的(a)所示，第一编织网101可以是平面的网状结构。图2中的(b)为防风噪设备的三维剖面图。图2中的(c)为防风噪设备的二维剖面图。如图2中的(b)和(c)所示，第一编织网101可以是带形状的网状结构。
该防风噪设备100的三维剖面图可以由图1中的(a)所示的耳机10上的虚线切分得到。耳机10包含防风噪设备100。在本实施例中，假设x方向为从拾音孔1031处指向拾音孔1031内的方向。y方向为气流流动的方向。y方向可以可以理解为气流吹向耳机10的来流方向。z方向为指向耳机底部的方向。lz表示拾音孔1031朝向z方向的长度。ly表示拾音孔1031与z方向垂直的长度。lx表示以传音孔1041的中心点作为参考点，传音孔1041到拾音孔1031所在平面的距离。可理解的，若传音孔1041设置于结构件104的盖体1043上(如图1中的(b)所示)。图中的胶水105的尺寸忽略不计的情况下，结构件104的深度可以近似等于传音孔1041到拾音孔1031所在平面的距离。本文中各个附图所示的结构件104的深度和lx只是示意性说明，不予限定。可选的，若传音孔1041设置于结构件104侧面，即传音孔1041设置于结构件104的筒状结构1042上。此时，结构件104的深度可以大于或等于传音孔1041到拾音孔1031所在平面的距离。其中，传音孔1041到拾音孔1031所在平面的距离大于或等于预设阈值，预设阈值是依据拾音孔1031的尺寸确定的。
示例的，如图1中的(a)所示，L1表示结构件104的长度。L2表示结构件104的宽度。L1大于ly，L2大于lz，lx是依据ly以及lz确定的。可理解的，结构件104的中空结构要完全罩住拾音孔1031。传音孔1041的尺寸L3小于拾音孔1031的尺寸lz。示例的，lx,ly,lz的取值范围为1-30毫米(mm)。lz约为4mm。ly约为2mm。lx约为6mm。
如图2中的(a)所示，拾音孔1031在z方向上的开孔尺寸lz等于结构件104的空腔的宽度L2。可选的，如图2中的(b)和(c)所示，拾音孔1031在z方向上的开孔尺寸lz小于结构件104的空腔的宽度L2。
第一编织网101的网格密度大于或等于300目，即第一编织网101至少包含300个网格。第一编织网的阻抗小于或等于200米千克秒制瑞利(MKS rayls)。第一编织网101可以是由硬质材料编织的网。例如，第一编织网104可以是为金属网。
第二编织网102设置于结构件104的传音孔1041处。例如，第二编织网102可以采用胶水贴于结构件104的传音孔1041处。第二编织网102为声学网布。第二编织网102的阻抗大于或等于200MKS rayls。
本实施例对所述的任何编织网的编织方式不予限定。编织方式可以是平纹或斜纹等。
设备外壳103和结构件104可以由任何材料制成，不予限定。例如，可以是各类复合塑料材料等。
其中，第一编织网101用于减少设备外壳103外的气流从拾音孔1031进入设备内部造成设备内部的气流的扰动，以及降低设备外壳103外的气流在拾音孔1031处的压力脉动。
第二编织网102用于降低结构件104的空腔内的气流变化对与传音孔1041相连接的麦克风的振膜的影响，以及防水防尘。
结构件104用于传播拾音孔1031拾取得音频信号。
本申请实施例利用拾音孔位置的编织网阻挡流动的气流进入空腔形成扰动，从而降低了风噪能量。另外，由于拾音孔处的编织网具有粗糙表面，进一步可以降低拾音孔处的压力脉动的强度。
在本实施例中，结构件104包括的两端具有开口的筒状结构1042和位于筒状结构的一端开口的盖体1043可以设计为一个整体，也可以是分开的两个结构。
在另一些实施例中，如图3中的(a)和(b)所示，该防风噪设备100与上述图1的区别在于，第二编织网102夹于筒状结构1042和盖体1043之间。可理解的，第一编织网101、设备外壳103、筒状结构1042、第二编织网102和盖体1043依次堆叠。第二编织网102利用胶水105分别与筒状结构1042和盖体1043连接在一起。盖体1043、第二编织网102和筒状结构1042形成的中空结构与拾音孔1031相连通。图4为防风噪设备的部分二维剖面图。
本申请实施例对第二编织网102在防风噪设备100中的位置不予限定，还可以位于其他的位置。
在另一种可能的设计中，如图5中的(a)所示，该防风噪设备100与上述图1和图2的区别在于，第二编织网102夹于设备外壳103和结构件104之间。第二编织网102利用胶水105分别与设备外壳103和结构件104连接在一起。第一编织网101、第二编织网102和设备外壳103形成第一空腔。第二编织网102和结构件104形成第二空腔。图5中的(b)为防风噪设备的二维剖面图。本实施例所述的第一空腔和第二空腔组成了权利要求中所述的结构件与设备外壳相连接并形成的空腔。
在另一种可能的设计中，如果第一编织网101的网格密度较低(例如，第一编织网101的网格密度小于300目)，即第一编织网101包含的网格个数较少，还可以在防风噪设备中增加编织网，进一步减少设备外壳外的气流从拾音孔1031进入设备内部造成设备内部的气流的扰动。如图6中的(a)和(b)所示，该防风噪设备100与上述图5中的(a)的区别在于，防风噪设备100还包括第三编织网106，第三编织网106夹于设备外壳103和第二编织网102之间。第三编织网106利用胶水105分别与设备外壳103和第二编织网102连接在一起。例如，第三编织网106可以采用胶水105贴于设备外壳103，以及采用胶水105贴于第二编织网102。第二编织网102可以采用胶水105贴于筒状结构1042，以及采用胶水105贴于第三编织网106。第一编织网101、设备外壳103、第三编织网106、第二编织网102和结构件104依次堆叠。第一编织网101、设备外壳103、第三编织网106和第二编织网102形成第一空腔。第三编织网106、第二编织网102和结构件104形成第二空腔。图7为防风噪设备的二维剖面图。
在另一种可能的设计中，如图8中的(a)所示，该防风噪设备100与上述图6和图7的区别在于，第二编织网102夹于筒状结构1042和盖体1043之间。第三编织网106夹于设备外壳103和筒状结构1042之间。例如，第二编织网102采用胶水105贴于筒状结构1042和盖体1043。第三编织网106可以采用胶水105贴于设备外壳103和筒状结构1042。第一编织网101、设备外壳103、第三编织网106、筒状结构1042、第二编织网102和盖体1043依次堆叠。第一编织网101、第三编织网106和设备外壳103形成第一空腔。第二编织网102、第三编织网106、筒状结构1042和盖体1043形成第二空腔。如图8中的(b)所示为防风噪设备的二维剖面图。
在另一种可能的设计中，结构件104包括的两端具有开口的筒状结构1042和位于筒状结构的一端开口的盖体1043可以设计为一个整体。第二编织网102覆盖传音孔1041。第三编织网106夹于设备外壳103和筒状结构1042之间。第三编织网106可以采用胶水105贴于设备外壳103，以及采用胶水105贴于筒状结构1042。
其中，第一编织网101的网格密度小于或等于第三编织网106的网格密度。例如，第一编织网101的网格密度小于或等于1000目。第三编织网106的网格密度小于或等于1000目。
另外，第三编织网106的材料硬度小于第一编织网101的材料硬度。第三编织网106也可以为金属网。
本实施例所述的结构件104的体积小于1立方厘米。从而，可以在小型化的防风噪设备中设置结构件104、第一编织网101、第二编织网102和第三编织网106，达到抑制风噪的目的。
风噪主要来源与耳机结构表面的涡流脱落与涡流撞击有关。涡流的主要来源包括风中的大气湍流、脸部曲率产生的不稳定流动、以及耳廓和头部等导致的流动扰动等。可以根据涡流形成压力脉动波数较大的特点，利用大尺寸的拾音孔和空腔结构，减少风噪能量在耳机的空腔内部的传播，降低传音孔处的风噪能量。
如图9中的(a)所示，为均匀气流流动下的头部附近的涡流示意图。如图9中的(b)所示，为不均匀气流流动下的头部附近的涡流量示意图。不均匀气流可是气流撞击脸部、耳机、耳廓等物体产生的，不均匀气流撞击脸部、耳机、耳廓等物体可以形成压力脉动，进而产生风噪。
本申请实施例还提供了一种设计防风噪设备的方法，依据目标风速、目标频率和预期收益，以及防风噪设备附近的流场信息来设计优化调整防风噪设备的拾音孔的尺寸和防风噪设备的空腔的尺寸，从而，利用防风噪设备的外形和防风噪设备的结构特征抑制风噪，尽可能减少风噪进入人耳。其中，目标风速表示形成风噪的气流的速度。目标风速的范围为小于或等于10m/s。本实施例中假设目标风速为3m/s。目标频率表示形成风噪的气流的频率。目标频率范围表示设备可能输出的人耳敏感的风噪频率范围。本实施例中假设目标频率范围为100赫兹(Hertz，Hz)到1000赫兹。预期收益表示风噪从拾音孔到传音孔减少的能量。预期收益可以是3dB。在这里，假设防风噪设备可以是上述任意一个实施例所述的防风噪设备100，防风噪设备可以是耳机。如图10所示，该方法包括以下步骤。
S1001、根据目标风速、目标频率和预期收益，利用流体力学计算防风噪设备的设备外壳上多个采样点的流场信息。
可以预先设计用户佩戴耳机的三维模型，模拟用户处于具有气流流动的环境中。如图11中的(a)所示，为用户佩戴耳机的三维模型示意图。如图11中的(b)所示，为设置了多个采样点的耳机。利用流体力学计算耳机上多个采样点的流场信息。流场信息包括随时间变化的速度、密度和压力的脉动。风噪为气流在采样点处随时间变化的压力脉动。
S1002、将多个采样点中在目标频率范围内最小压力脉动的采样点确定为防风噪设备的设备外壳上的拾音孔的位置。
经过测试可知，在图11中的(c)示例的耳机设计情况下，不改变耳机外形设计，将拾音孔设置于靠近耳廓的耳机后方位置，如图11中的(c)中箭头所指的位置。从而，可以有效地减少麦克风接收到由于涡流撞击而产生的压力脉动，即降低麦克风的传音孔处的风噪能量。例如，拾音孔的位置在来流与头部轴线夹角为零度时风噪抑制作用最强。
进而，还可以通过增大拾音孔的面积，使压力脉动在较大面积上实现抵消，达到更好的风噪抑制效果。执行1003。
S1003、根据拾音孔处的涡流相关性长度、目标风速、目标频率、预期收益、空腔内声波传播的色散关系确定拾音孔的尺寸和防风噪设备包含的结构件的空腔的尺寸。
结构件的尺寸包含结构件的深度。拾音孔的尺寸包括拾音孔朝向z方向的长度lz和拾音孔与z方向垂直的长度ly。假设目标频率选取为f1，目标风速为U，气流流动方向为面向人脸的方向。涡流状态下的等效波长为λy＝U/f1。由于内部元件堆叠对空间的限制，假设拾音孔的y方向(如图1所示)的长度为ly，y方向的等效波数为
Figure BDA0002861128570000081
空腔内声波传播的色散关系满足公式(1)。
Figure BDA0002861128570000082
其中，c表示声速，ω1＝2πf1。kx表示x方向的等效波数。kz表示z方向的等效波数。ky表示y方向的等效波数。为了确保设备外壳的表面压力波动无法有效的向空腔内部传播，则
Figure BDA0002861128570000087
由公式(1)可以得出公式(2)。
Figure BDA0002861128570000083
根据图12可知，在目标频率f1下，z正方向高相关性和低相关性分界约为l1，且由于从流动分析可知-z方向(z方向的反方向)容易使得拾音孔与端流干扰，则可将f1下涡流在z方向的波长近似为l1。由此可以得出，拾音孔z方向的开孔距离lz满足(3)。
Figure BDA0002861128570000084
假设选取满足要求的拾音孔的z方向长度为lz，y方向长度为ly。内部至腔在y方向的尺寸L1应不小于拾音孔的尺寸ly，内部空腔在z方向的尺寸L2应不小于拾音孔的尺寸lz。若预期收益在f2处为3dB，即风噪能量下降50％，则在空腔x方向则要求满足公式(4)。
Figure BDA0002861128570000085
其中，在目标风速U时，目标频率f2下对应的涡流相关性分界长度为l2。则kx满足公式(5)。
Figure BDA0002861128570000086
由此，可计算传音孔1041到拾音孔1031所在平面的距离lx，进而，得到结构件的空腔的深度，结构件的空腔的深度大于或等于lx。
其中，防风噪设备包含的结构件的尺寸大于或等于拾音孔的尺寸。结构件的尺寸包含结构件的长度、宽度和深度。
如果计算得到的拾音孔的尺寸和结构件的尺寸中至少一个大于防风噪设备内的空间，可以重新调整设备设计，内部空间排布，目标频率、预计收益等参数，执行S1001至S1003。
从而，在与来流方向垂直的z方向利用涡流不同频率下的相关长度，增大拾音孔面积，使压力脉动在较大面积上实现抵消，达到更好的风噪抑制效果。本实施例通过改善优化半开放耳机结构设计的方式，达到对风噪的抑制。
如图13所示，为本申请实施例提供的耳机抑制风噪的收益效果示意图。横着为频率，纵轴为风噪声压级(sound pressure level，SPL)或风噪。由图可知，相对传统耳机，本申请实施例提供的耳机，在目标频率100Hz-1000Hz范围内具有抑制风噪的较大风噪收益，收益频率范围可到达3000Hz，风噪收益可达10dB。
如此，通过增大耳机的拾音孔，以及在耳机中安装结构件和编织网，防止突风的基础上可以有效的降低涡流结构切变、撞击所产生的压力脉动，从而减少耳机在在目标频率范围内的风噪，提高产品的音频质量和适用范围。另外，要达到同收益所需要的结构空间更小，在相同结构空间下，本申请实施例提供的耳机具有更强的适用性和更大的风噪收益。
在另一些实施例中，防风噪设备内的空腔还可以填充泡沫材料。示例的，如图14中的(a)所示，第一编织网101、第二编织网102、设备外壳103和结构件104形成的空腔中还可以填充泡沫材料107。泡沫材料107可以是具有疏水性质的开孔泡沫材料。例如，泡沫材料107可以是金属泡沫等。泡沫材料107也可选用聚酯泡沫等材料。泡沫材料107的声阻抗低于200MKS Rayls。泡沫材料107具有疏水性质。从而，进一步降低空腔中气流的流动效应，有助于降低风噪。
在另一些实施例中，如图14中的(b)所示，第一空腔可以填充泡沫材料，从而最大程度降低风噪。第二空腔也可以填充泡沫材料。第一空腔和第二空腔可以填充相同的泡沫材料，也可以填充不同的泡沫材料。泡沫材料用于减少设备外壳外的气流从拾音孔1031进入设备内部造成设备内部的气流的扰动。
如图15所示，为在空腔中填充金属泡沫材料后抑制风噪的收益效果示意图。由图可知，相对空腔中未填充金属泡沫材料，空腔中填充金属泡沫材料可以在200-2000Hz均带来额外2-3分贝(decibel，dB)的风噪收益。如此，利用泡沫材料来进一步降低涡流产生的压力脉动和阻隔大的流场突变情况。
需要说明的是，如图16所示，结构件104的传音孔1041处设置有麦克风108，使得麦克风108接收从传音孔1041传出的声音。麦克风108可以利用胶水105与结构件104连接在一起。麦克风108可以包括外壳和印制电路板(printed circuit board，PCB)。PCB板上具有用于传音孔。PCB板上的传音孔的尺寸小于传音孔1041的尺寸。
在另一些实施例中，由于结构件的尺寸或部件空间位置限制，或基于消除特定声模态、声共振效应等原因，麦克风108与结构件104的传音孔1041之间可具有不同形状的导声管，导声管也可称为声导管。如图17中的(a)所示，麦克风108与结构件104的传音孔1041之间设置导声管109。导声管109的一端连接结构件104的传音孔1041，导声管109的另一端连接麦克风108。如图17中的(b)所示，导声管109的一种可能的形态。
在另一些实施例中，还可以优化外形设计，提高风噪抑制能力。
如图18中的(a)所示，例如，耳机的侧面外形为扁平的水滴型，外形部分上大下小。由于外形线条柔和，对流动干扰小。水滴设计更贴近脸部，有助于避开涡流。拾音孔位于耳机上部后侧，充分利用耳廓对流动的遮挡作用。在y方向具有较大长度，可减弱前方涡流造成的压力脉动的接受。
又如，耳机侧面外形为拱顶形。拾音孔位于耳机拱顶后侧。利用耳廓和拱顶对流动的遮挡。在y方向具有较大长度，可减弱前方涡流造成的压力脉动。
如图18中的(b)所示，耳机的侧面外形为扁平的水滴型，本申请实施例提供的耳机抑制风噪的收益效果示意图。横着为频率，纵轴为风噪声压级或风噪。由图可知，相对传统耳机，本申请实施例提供的耳机，在目标频率100Hz-1000Hz范围内具有抑制风噪的较大风噪收益，收益频率范围可到达3000Hz以上，风噪收益可达14dB到15dB。
可以理解的是，本实施例示意的结构并不构成对耳机的具体限定。耳机还可以包括除了结构件、编织网和麦克风之外的更多或更少的部件(例如，扬声器，处理器等)，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。
可以理解的是，为了实现上述实施例中设计防风噪设备的方法功能，计算设备包括了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本申请中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，本申请能够以硬件或硬件和计算机软件相结合的形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用场景和设计约束条件。
图19和图20为本申请的实施例提供的可能的计算装置的结构示意图。这些计算装置可以用于实现上述方法实施例中计算设备的功能，因此也能实现上述方法实施例所具备的有益效果。
如图19所示，计算装置1900包括处理模块1910和通信模块1920。计算装置1900用于实现上述图10中所示的方法实施例中计算设备的功能。
当计算装置1900用于实现图10所示的方法实施例中计算设备的功能时：处理模块1910用于执行S1001至S1003；通信模块1920用于接收执行S1001至S1003所需的数据，例如，目标风速、目标频率和预期收益等。
有关上述处理模块1910更详细的描述可以直接参考图10所示的方法实施例中相关描述直接得到，这里不加赘述。
如图20所示，计算装置2000包括处理器2010和接口电路2020。处理器2010和接口电路2020之间相互耦合。可以理解的是，接口电路2020可以为收发器或输入输出接口。可选的，计算装置2000还可以包括存储器2030，用于存储处理器2010执行的指令或存储处理器2010运行指令所需要的输入数据或存储处理器2010运行指令后产生的数据。
当计算装置2000用于实现图10所示的方法时，处理器2010用于执行上述处理模块1910的功能，接口电路2020用于执行上述通信模块1920的功能。
可以理解的是，本申请的实施例中的处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。
本申请的实施例中的方法步骤可以通过硬件的方式来实现，也可以由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、闪存、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。另外，该ASIC可以位于网络设备或终端设备中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于网络设备或终端设备中。
在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。
可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。

Claims (18)

1.一种防风噪设备，其特征在于，所述防风噪设备包括第一编织网、第二编织网、设备外壳、结构件和麦克风；所述第一编织网、所述第二编织网、所述结构件和所述麦克风设置于所述设备外壳内部；
所述设备外壳设置有拾音孔；
所述第一编织网覆盖所述拾音孔；所述第一编织网用于减少外界气流的进入；
所述拾音孔处设置有所述结构件；
所述结构件为中空结构，所述结构件上设置有传音孔；所述结构件通过所述拾音孔与外界相连通；所述结构件与所述设备外壳相连接并形成空腔；所述空腔覆盖所述拾音孔，且所述传音孔到所述拾音孔所在平面的距离大于等于预设阈值；
所述麦克风设置于所述传音孔处；所述麦克风用于采集声音信号；
所述第二编织网覆盖所述传音孔；所述第二编织网用于保护所述麦克风。
2.根据权利要求1所述的防风噪设备，其特征在于，所述结构件包括两端具有开口的筒状结构和位于所述筒状结构的一端开口的盖体，所述盖体上设置有所述传音孔。
3.根据权利要求2所述的防风噪设备，其特征在于，所述筒状结构的另一端开口在所述设备外壳上的正投影覆盖所述拾音孔。
4.根据权利要求2或3所述的防风噪设备，其特征在于，所述第二编织网夹于所述筒状结构和所述盖体之间。
5.根据权利要求2或3所述的防风噪设备，其特征在于，所述第二编织网夹于所述设备外壳和所述结构件之间。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述第一编织网为金属网，所述第一编织网的网格密度大于或等于300目，所述第一编织网的阻抗小于或等于200米千克秒制瑞利MKS rayls。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述防风噪设备还包括第三编织网，所述第三编织网夹于所述设备外壳和所述结构件之间；所述第三编织网用于减少设备外壳外的气流从所述拾音孔进入设备内部造成设备内部的气流的扰动。
8.根据权利要求5所述的防风噪设备，其特征在于，所述防风噪设备还包括第三编织网，所述第三编织网夹于所述设备外壳和所述第二编织网之间；所述第三编织网用于减少设备外壳外的气流从所述拾音孔进入设备内部造成设备内部的气流的扰动。
9.根据权利要求7或8所述的防风噪设备，其特征在于，所述第一编织网和所述第三编织网均为金属网，所述第一编织网的网格密度小于或等于所述第三编织网的网格密度，所述第一编织网的网格密度小于或等于1000目，所述第三编织网的网格密度小于或等于1000目。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述第二编织网为声学网布，所述第二编织网的阻抗大于或等于米千克秒制瑞利200MKS rayls。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述预设阈值是依据所述拾音孔的尺寸确定的。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述预设阈值的取值范围为1-30毫米。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述拾音孔的大小大于所述传音孔的大小。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述结构件的体积小于1立方厘米。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述空腔填充泡沫材料，所述泡沫材料用于减少所述设备外壳外的气流从所述拾音孔进入设备内部造成设备内部的气流的扰动。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的防风噪设备，其特征在于，所述防风噪设备还包括导声管，所述导声管的一端连接所述结构件的传音孔，所述导声管的另一端连接所述麦克风。
17.一种耳机，其特征在于，所述耳机包含如权利要求1-16中任一项所述的防风噪设备；所述耳机的拾音孔，用于拾取第一音频信号，所述第一音频信号经过所述防风噪设备内的编织网和结构件得到第二音频信号，所述第一音频信号和所述第二音频信号均包含有效音频信号，所述第二音频信号包含的风噪能量小于所述第一音频信号包含的风噪能量。
18.一种设计防风噪设备的方法，其特征在于，包括：
根据目标风速、目标频率和预期收益，利用流体力学计算如权利要求1-16中任一项所述的防风噪设备的设备外壳上多个采样点的流场信息，所述流场信息包括随时间变化的速度和压力的脉动；
将所述多个采样点中在目标频率范围内最小压力脉动的采样点确定为所述防风噪设备的设备外壳上的拾音孔的位置；
根据所述拾音孔处的涡流相关性长度、所述目标风速、所述目标频率、所述预期收益、空腔内声波传播的色散关系确定所述拾音孔的尺寸和所述防风噪设备包含的结构件的空腔的尺寸，所述涡流相关性长度是依据所述随时间变化的速度和压力的脉动确定的。
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