手机电声学.

第四章手机电声学•4.1手机声学器件•4.1.1受话器/听筒•4.1.2传声器(Transmitter)（麦克风/咪头）•4.1.3扬声器•4.2手机铃声的影响因素•4.3扬声器的评价原则•4.4手机声腔设计•4.4.1手机的声腔设计的组成•4.4.2音腔设计原则：•4.4.3音腔设计对手机铃声的影响•1）后声腔对铃声的影响•2）前声腔对声音的影响•3）出声孔对声音的影响•4）后声腔密闭性对声音的影响•5）防尘网对声音的影响•4.4.4手机扬声器腔体设计的频率响应分析•1）腔体结构设计实例1•2）腔体结构设计实例2•3）腔体结构设计实例3•4）3种腔体结构设计对比和讨论•4.5手机音频电路•4.5.1PCM编解码电路•4.5.2数字语音处理器DSP4.1手机声学器件•1973年手机的专利被注册，手机的发明者是美国的马丁·库帕，他当时是美国摩托罗拉公司的工程技术人员。直到1985年，第一台现代意义上的、真正可以移动的电话诞生了。它将电源和天线放置在一个盒子中，质量达3kg，非常重而且不方便，使用者要像背包那样背着它行走，所以被称作“肩背电话”。与现在形状接近的手机诞生于1987年。与“肩背电话”相比，它显得轻巧得多，而目‘容易携带。尽管如此，其质量仍有大约750g，与现在的手机相比，像一块大砖头。从那以后，手机的发展越来越迅速。1991年，手机的质量为250g左右；1996年秋，出现了体积为100cm3，质量为100g的手机。4.1手机声学器件4.1手机声学器件•同时手机上的电声器件也随着手机不断更新，以便满足手机音频设计的需求。手机电声器件在保证手机基本通信功能的条件下，其运用的功能和实验方式也越来越多样、越严格(相对于其他电声类产品)。同时手机扬声器的设计，也与其他微型扬声器的设计慢慢拉开距离，虽然现行手机扬声器比其他微型扬声器出现得晚，其很多设计构思来自在它前面出现的微型扬声器，但随着手机行业的扩大和设计要求的独特性，其已在微型扬声器分类中形成一个独立的类型。手机中常见的声学元件主要有:•受话器/听筒（Receiver）•扬声器/喇叭（Speaker）•送话器(Transmitter)4.1.1受话器/听筒•“受话器”这个称呼最早可追溯到1876年A.G.Bell和T.Watson发明的电话机，电话的听筒内安装的扬声器就称为受话器(现在细分又可分为电话机受话器、手机受话器、耳机受话器等)。•不过最早电话机里的受话器是电磁式受话器，如图4.1.2所示。图4.1.2电磁式受话器的剖面图4.1.1受话器/听筒•而现今手机上用的手机受话器都是动圈式受话器。虽然受话器的发声原理和外观尺寸在变，但其基本使用目的没有变，即用来重放通信设备中的语音信号，以达到发话人和受话人间交换思想的目的。•手机受话器主要重放的是人的语音信号，所以其重放的频率响应范围不需要太宽。•手机受话器的电路信号传输频宽一般选择300-3400Hz(但也有部分用200-4000Hz,如一些蓝牙耳机等)。手机受话器传输频带的划分理论根据1.人的语言频宽比较窄(相对人耳的可听音频宽20Hz-20kHz)2.男声基频平均约为100-300Hz3.女声基频平均约为160-400Hz4.从人耳的听觉特性上看人语音的动态范围约为30dB。4.1.1受话器/听筒•图4.1.3为男女平均声功率频谱图，即人语音的动态范围内频宽窄。•经过实验对比选择300-3400Hz,通话的清晰度与最大值接近(即相对窄的频段内保持高质量的通话质量)。电动式受话器发声原理•电动式受话器或扬声器不是将电能直接变换成声能，而是利用载流导体(由音圈电流馈电的音圈)在永久磁体的磁场之间的相互作用，使音圈振动而带动振膜振动。其能量变换方式是电能-机械能-声能。•电动式受话器或扬声器的发声原理基于力效应（安培定律）和电效应（电磁感应定律），其中的道理可简述如下:电动式受话器发声原理•带有电流的导线切割磁力线，会受到磁场的作用力。•导线在磁场中的受力方向符合左手定律•作用力大小F=BLi其中B为磁感应强度，L为导线长度，i为电流电动式受话器发声原理•音圈在磁场中的受力情况如图a所示。中间是圆柱形的N级，外环为S级，磁场B的方向由N级至S级，在磁缝隙中有音圈（导线环）。若电流由端流入，由端流出，则音圈所受力F的方向由弗来明左手定则决定（如图b所示）：•左手平伸使拇指和其余四指垂直。如磁场B的方向指向掌心，其余四指指向电流方向，则拇指所指方向为音圈受力的方向，如图中箭头方向所示。如改变电流方向，则力F的方向便随之改变。图a图b电动式受话器发声原理•SPK.的磁路系统构成环形磁间隙，其间布满均匀磁场•SPK.的振动系统由导线绕成的环形音圈和与之相连的振膜•音圈被馈入信号电压后，产生电流，音圈切割磁力线，产生作用力。•带动振膜一起运动，振膜策动空气发出相应的声音•整个过程为：电-----力-----声的转换手机受话器跟手机扬声器的区别•SPK.通过一定距离被人耳接听，RCV.直接被人耳接听。•SPK.的工作范围宽，涉及音乐范畴，RCV.的工作范围为人声语音。•SPK.的功率比较大，RCV.的功率比较小。•SPK.的几何尺寸较大，RCV.的几何尺寸可以较小。•SPK.在手机上的位置随意性大，而RCV.只在一个位置。馈入信号与发出声音的对应•磁场恒定，音圈受到的电动力随着电流强度和方向的变化而变化•音圈在磁间隙中来回振动，其振动周期等于输入电流的周期，振动的幅度•则正比于各瞬时作用的电流强弱•音圈有规则的带动振膜一起振动，策动空气发出与馈入信号相对应的声音手机受话器的设计•手机受话器设计上外观尺寸要比手机扬声器小，一般常见圆形的尺寸有Ф13mm,Ф10mm等，但比较多见的是一些长方形如5mm×l0mm,6mm×l5mm,7mm×l1mm等，还有一些不规则形状的手机受话器。手机受话器的外形尺寸跟手机的设计和装配密切相关。•手机受话器的额定阻抗为32，灵敏度也不苛求，单体的整体高度一般在3mm以内。当市场上超薄手机大行其道时，其对于手机电声器件的需求就是单体高度的限制。但能比较有效地在外观尺寸减低的情况下又能不失电声性能主要是功率灵敏度级和低频量感)，只有减小振动质量，加大磁隙内磁通密度B，使用更薄（顺性更大)的振动膜片。手机受话器的设计•一般在比较2个同样外观尺寸手机受话器的性能优劣的时候，下面3个客观量起主导作用，其电声性能的设计就应围绕这3个量进行。一、低频的量感二、功率灵敏度级三、失真一、低频的量感•低频的量感多，对手机受话器安装和使用时耦合不良带来的低音损耗，起到一定的补偿作用。在单体的测试上如对手机受话器施加的压力不当(一般是压力太小)，此时手机受话器与测试耦合腔有声泄漏，其低频声能能量大量损耗。同理，当手机受话器安装到手机壳里（主要是手机受话器的前部与手机壳的耦合)和手机受话部位与人耳耦合时，也会因不能完全耦合而造成低频的损耗(人们在使用手机或固定电话时听不到对方讲话，就会使手机或固定电话听筒更接近耳朵来达到能听到对方讲话的目的，这样其中一个益处就是减小耦合时的声泄漏)。一、低频的量感•对低频量感的增加，在单体上主要是控制谐振频率，使其尽量的低。而谐振频率主要由振动膜片的顺性和振动质量来控制，而在实际运用中最直接的改变方式是改变顺胜。•膜片的顺性增大最简单而有效的方式是使用更薄的振动片。但这样会带来2个负面影响：一是在其他不变的情况下，膜片变薄势必会使手机受话器的功率承受变小；二是因膜片变薄，膜片抗冲击的能力就会降低，这样对跌落试验会带来更多的不良因素。•当这两个问题都得以解决，在生产中肯定又会出现因振动膜片的变薄给生产造成的诸多难题(即对生产工艺要求更高)；二、功率灵敏度级•对功率灵敏度级的追求主要体现在一些小型的手机受话器上，当手机受话器的体积变小时，其能给磁路系统留下的空间也变得更小了，这样只有要求磁隙内磁通密度足够大，同时要使振动质量尽量小。•减小振动系统的质量最简单的方式就是减小音圈的质量，在保证一定的音圈有效高度和一定阻抗的时候，设计就出现了小直径(音圈的直径)、小线径(绕音圈的漆包线的线径)。在扬声器的设计中音圈和磁路的设计是联系得最紧密的，一个“好”的磁路需要一个“好”的音圈与其配合。三、失真•手机受话器的失真主要以客观参数总谐波失真(THD)来表述，其主要成因是振动系统的非线性。失真问题一直是困扰国内微型扬声器界的一大问题。同样它也是衡量手机受话器好坏的一个量，虽然国内很多手机设计和生产的公司不太注重手机受话器的失真，但其对手机受话器生产厂家的设计能力和生产工艺是个很大的考验。•虽然受话器的功率也是一个客观参数，也有一些公司把它看作受话器的一个“特色卖点”，那不应是“特色”，只是“卖点”。以上对手机受话器的评述只是对手机受话器单体本身。具体手机受话器的3个重要参数的设计，应考虑手机音频测试的需求(因为很多时候同一个手机受话器，用于不同的手机会有完全不同的客户反馈)，即要考虑手机受话器装到手机后的手机音频测试，以求满足测试要求。动圈式受话器基本结构（内磁式）磁体导磁材料振膜音圈前盖塑胶主体助听线圈PCB板阻尼材料动圈式受话器基本结构（外磁式）磁体导磁材料后盖阻尼材料胶垫助听线圈振膜前盖音圈焊片（引出端子）动圈式受话器基本结构（双功能）振膜（R）振膜（S）主体调音纸引线前盖（R）前盖（S）胶圈音圈(R)防尘网胶圈磁体前盖（R）导磁材料音圈(S)手机受话器扬声器效果图胶圈（S）阻尼材料导磁材料（金属支架）磁体导磁材料音圈振膜支架辅助材料塑胶支架输出端子（弹簧）动圈式受话器主要参数一、交流阻抗z=√R2+(jωl)2对动圈式电声器件讲，其交流阻抗接近直流电阻，随频率变化很小.z----------交流阻抗R---------直流电阻L----------线圈电感ω---------圆周频率一般Z≈1.1R动圈式受话器主要参数二、灵敏度标志着电声转换能力的大小，一般以1KHz的频率点来表示。Lp=20lg(P/Po)单位为dB定义为当施加于受话器一定电功率（或电压）时，受话器所产生的耦合于仿真耳中的声压值。测试时受话器上应施加4至5N的力，使受话器与仿真耳之间无声泄露模拟人耳的标准化设备来替代真实的人耳，常用的有IEC318仿真耳，NBS-PA仿真耳及布郎耳等。不同的仿真耳测得的受话器灵敏度是不一样的。动圈式受话器主要参数三、频率响应灵敏度对频率的依赖关系，一般用曲线表示。原则：◆要求曲线平坦，低频、高频均不可过高。◆若低频低，则声音不发闷；◆若高频低，则可降低刺声。动圈式受话器主要参数额定阻抗是指阻抗曲线上紧跟在第一个极大值后面的极小值。在额定频率范围内，阻抗模值的最低值一般不应小于额定阻抗的80%（一般取±20%公差，例8±20%Ω）四、额定阻抗动圈式受话器主要参数额定阻抗的测试方法：用替代法进行，馈给扬声器的电流通常选用50mA±10%，测量原理图如右声频信号发生器有效值电压表RsSPRk动圈式受话器主要参数共振频率是在扬声器单元的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，出现第一个阻抗极大值时所对应的频率。额定共振频率值的允许偏差一般取±15%，例如ƒ0=50±15%Hz，但纸盆如果是全纸的一般允许偏差取±20%。结合上面的阻抗曲线测量，现在的数字式电声测试系统都是采用恒压法一次性测试同时得到阻抗曲线及共振频率ƒ0五、额定共振频率动圈式受话器主要参数六、频率响应与有效频率范围扬声器的频率响应就是用曲线来表示扬声器的输出声压级与频率之间的关系，这个曲线通常是在自由声场条件或半空间自由声场条件下测得的。信号源可用正弦信号或1/3oct的窄带噪声信号测试，测试频率至少应覆盖扬声器的有效频率范围。何谓自由声场：只有直达声而没有反射声的声场。用以形成自由声场的实验室称为消声室（无响室）。动圈式受话器主要参数测试方法：用正弦信号测的频响曲线图（如下）动圈式受话器主要参数七、额定特性灵敏度级指在规定频率范围内，在自由场条件下，相当于馈给扬声器1W粉红噪声信号电压，在其参考轴上距参考点1m处所产生的声压级。测