音腔设计

1手机声腔设计1.目的手机声腔对于铃声音质的优劣影响很大。同一个音源、同一个SPEAKER在不同声腔中播放效果的音色可能相差较大，有些比较悦耳，有些则比较单调。合理的声腔设计可以使铃声更加悦耳。为了提高声腔设计水平，详细说明了声腔各个参数对声音的影响程度以及它们的设计推荐值，同时还介绍了声腔测试流程。手机的声腔设计主要包括前声腔、后声腔、出声孔、密闭性、防尘网五个方面2.后声腔对铃声的影响及推荐值后声腔主要影响铃声的低频部分，对高频部分影响则较小。铃声的低频部分对音质影响很大，低频波峰越靠左，低音就越突出，主观上会觉得铃声比较悦耳。一般情况下，随着后声腔容积不断增大，其频响曲线的低频波峰会不断向左移动，使低频特性能够得到改善。但是两者之间关系是非线性的，当后声腔容积大于一定阈值时，它对低频的改善程度会急剧下降需要强调的是，SPEAKER单体品质对铃声低频性能的影响很大。在一般情况下，装配在声腔中的SPEAKER，即便能在理想状况下改善声腔的设计，其低频性能也只能接近，而无法超过单体的低频性能。一般情况下，后声腔的形状变化对频响曲线影响不大。但是如果后声腔中某一部分又扁、又细、又长，那么该部分可能会在某个频率段产生驻波，使音质急剧变差，因此，在声腔设计中，必须避免出现这种情况。对于不同直径的SPEAKER，声腔设计要求不太一样，同一直径则差异不太大。具体推荐值如下：φ13mmSPEAKER：它的低频谐振点f0一般在800Hz～1200Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，其低频谐振点f0大约衰减600Hz～650Hz。当后声腔为0.8cm3时，f0大约衰减400Hz～450Hz。当后声腔为1cm3时，f0大约衰减300Hz～350Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减250Hz～300Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大约衰减100Hz～150Hz。因此对于φ13mmSPEAKER，当它低频性能较好（如f0在800Hz左右）时，后声腔要求可适当放宽，但有效容积也应大于0.8cm3。当低频性能较差时（f01000Hz），其后声腔有效容积应大于1cm3。后声腔推荐值为1.5cm3，当后声腔大于3.5cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。φ15mmSPEAKER：它的低频谐振点f0一般在750～1000Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为1cm3时，f0大约衰减600Hz～750Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大约衰减200Hz～250Hz。因此对于φ15mmSPEAKER，后声腔有效容积应大于1.5cm3。当后声腔大于3.5cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。13×18mmSPEAKER：它的低频谐振点f0一般在780～1000Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为1cm3时，f0大约衰减600Hz～750Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大约衰减200Hz～250Hz。因此对于13X18mmSPEAKER，后声腔有效容积应大于1.5cm3。当后声腔大于3.5cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。φ16mmSPEAKER：它的低频谐振点f0一般在750～1100Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0大约衰减600Hz～700Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为2cm3时，f0大约衰减300Hz～350Hz。当后声腔为4cm3时，f0大约衰减150Hz～2200Hz。因此对于φ16mmSPEAKER，后声腔有效容积应大于1.5cm3。后声腔推荐值为2cm3，当后声腔大于4cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。φ18mmSPEAKER：它的低频谐振点f0一般在700～900Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减700Hz～950Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0大约衰减500Hz～700Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0大约衰减500Hz～700Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为2.1cm3时，f0大约衰减250Hz～400Hz。当后声腔为4.3cm3时，f0大约衰减120Hz～160Hz。因此对于φ18mmSPEAKER，后声腔有效容积应大于2cm3。当后声腔大于4cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。注：后声腔设计时，必须保证后出声孔出气畅通，即后出声孔距离最近的挡板距离应大于后出声孔径的0.8倍。3.前声腔对声音的影响前声腔对低频段影响不大，主要影响手机铃声的高频部分。随着前声腔容积的增大，高频波峰会往不断左移动，高频谐振点会越来越低。高频谐振点变化的对数值与前声腔容积的增量几乎成线性关系由于手机MIDI音乐的频带一般为300Hz～8000Hz，即在该频段内的频响曲线才是有效值，因此我们一般希望频响曲线的高频谐振点在6000Hz～8000Hz之间。因为如果高频波峰太高（高频谐振点大于10000Hz），那么在中频段可能会出现较深的波谷，导致声音偏小。如果高频波峰太低（高频谐振点小于6000Hz），那么声腔的有效频带可能会比较窄，导致音色比较单调，音质较差。所以前声腔太大或太小对声音都会产生不利的影响。同时，由于出声孔面积对高频也有较大的影响，因此设计前声腔时，需考虑出声孔的面积，一般情况下，前声腔越大，则出声孔面积也应该越大。当前声腔过小时，还会造成一个问题，即出声孔的位置对高频的影响程度急剧增加，可能会给外观设计造成一定的困难。综上所述，结合手机设计的实际情况，前声腔设计时，一般希望前声腔的垫片压缩后的厚度在0.3~1mm之间。由于它与出声孔面积有一定的相关性，因此具体推荐值在下一节给出。4.出声孔对声音的影响及推荐值出声孔的面积（即在SPEAKER正面上总的投影有效面积）对声音影响很大，而且开孔的位置、分布是否均匀对声音也有一定的影响，其程度与前声腔容积有很大关系。一般情况下，前声腔越大，开孔的位置、分布对声音的影响程度就越小。出声孔的面积对频响曲线的各个频段都有影响，在不同条件下，对不同频段的影响程度各不相同。当出声孔面积小于一定的阈值时，整个频响曲线的SPL值会急剧下降，即铃声的声强损失很大，这在手机设计中是必须禁止的。当出声孔面积大于一定阈值时，随着面积增大，高频波峰、低频波峰都会向右移动，但高频变化的程度远比低频大，低频变化很小，即出声孔面积的变化主要影响频响曲线的高频性能，对低频性能影响不大。出声孔面积与高频谐振点的变化呈非线性关系，且与前声腔大小有一定的联系有效范围表示出声孔面积在此范围之内，一般能满足基本要求。需要强调是：如果出声孔在前声腔投影范围内，分布比较均匀，且过中心，那么可以取较小值，否则应取偏大一些的值。建议在一般情况下，不要取有效范围的极限值。在实际设计中，如果高频声音出现问题，可以通过实际测量结果，修正出声孔面积进行改善。注意：出声孔面积减小并不意味着声强降低，相反在很多情况下，反而可以提高声强。5.后声腔密闭性对声音的影响后声腔是否有效的密闭对声音的低频部分影响很大，当后声腔出现泄漏时，低频会出现衰减，对音质造成损害，它的影响程度与泄漏面积、位置都有一定的关系。3一般情况下，泄漏面积越大，低频衰减越厉害。泄漏面积与低频谐振点的衰减成近似线性的关系，如图5。在同等泄漏面积情况下，后声腔越小，低频衰减越厉害，即泄漏造成的危害越大。综上所述，建议结构设计时，应尽可能保证后声腔的密闭，否则可能会严重影响音质。6.防尘网对声音的影响相比于其他几个因素，防尘网对声音的影响程度较小，它主要是影响频响曲线的低频峰值和高频峰值，其中对低频峰值影响较大。防尘网对声音的影响程度主要取决于防尘网的声阻值和低频、高频峰值的大小。一般情况下，峰值越大，受到防尘网衰减的程度也越大。防尘网主要有两个作用，防止灰尘和削弱低频峰值，以保护SPEAKER。目前我们常用的防尘网一般在250＃～350＃之间，它们的声阻值都比较小，基本上在10Ω以下，对声音的影响很小，所以一般采用SPEAKER厂家提供的防尘网差异不会非常大。因此从防尘和声阻两个方面综合考虑，建议采用300＃左右的防尘网。我们以往采用的不织布防尘网存在一个问题，由于不织布的不同区域密度不一样，因此不同区域声阻也不一样，可能会造成同一批防尘网的声阻一致性较差。但不织布的成本比防尘网低很多，因此建议设计中综合考虑性能和成本，在高档机型中，尽可能不要采用不织布作为防尘网。以上声腔设计的规律和各个推荐值都是通过大量实验总结出来，供设计人员在前期设计时参考。但是由于声音具有一定的特殊性，因此，建议设计人员在结构手板完成后，通过实际测试（声腔测试流程见下节），以对一些细节进行调整。7.声腔检测流程本流程是为了制定声腔音频特性的检测方法，便于工程师根据测试结果分析问题、调整声腔参数等。7.1实验内容（1）EAFrequencyResponse(频响曲线测定)（2）EATotalDistortion(失真率测定)7.2测试方法与步骤（1）测试地点：中期试验部静音室（2）测试仪器：HEADacousticsGmbH步骤：1．实验仪器按要求联接设备；（先连接设备再开PC）2．确定SPEAKER与MICROPHONE的距离为10mm（±5%），并固定；(一)频响曲线测定：选择EAFrequencyResponse,sweep12thoctaveLS，设定频率范围为300~10000Hz。将电平（level）分别设定为：0.3w（输出电平修正参数为13.8dB）；0.5w（输出电平修正参数为16dB）；SPEAKER的最大功率；单击右键选择开始测定，将测试结果创建报告并储存。（二）失真度测定：选择EATotalDistortionLS，在右栏设定中调整电平（level）使放大器输出如（一）中所规定的为0.3w，0.5w和SPEAKER最大功率时的电压，作为标准输入电压，然后以6thoctaverowb选择频率范围为500~10000Hz单击右键选择开始测定，将测试结果创建报告并储存。4五.音频电路检测1.目的手机铃声出现杂音的原因较多，如输入电压过大导致SPEAKER发声严重失真、音频电路输出信号失真过大、以及结构腔体密封不严等。为了分析杂音问题的原因所在，以便确定相关的对策，本章详细说明了两种音频电路检测方法（功放电路检测方法和整体电路检测方法），通过这两种方法可以确定或排除电路输出是否存在问题。整体电路检测法：将测试专用的单音mp3文件输入到手机中，然后在SPEAKER输入端测试信号的失真度和电压值。该方法测试了整个电路在音频输出端的失真，结果比较准确，但仅适用于能够播放mp3的机型。功放电路检测法：将芯片与功放电路断开，然后将单音信号作为功放的输入，测试输出端信号的失真度。该方法仅测试了功放电路的工作情况，无法反映整个电路的失真。它适用于功放与芯片分离的电路。2.整体电路检测方法本方法是为了检测能够播放mp3手机的音频电路整体输出性能。2.1实验内容1．FrequencyResponse(频响曲线测定)(频响：在一定条件下，器件或系统由激励所引起的运动或其他输出)2．TotalDistortion(失真率测定)（失真为不希望的波形变化；引起原因有1.输入和输出之间的非线性关系；2.不同频率的传输的不一致；3.相移与频率不成比例）3．steplevel(音量梯度测定)（梯度：音量由小到大增加，输出信号强度随之由小到大增加）2.2测试方法与步骤：测试地点：研发实验室测试仪器：示波器，数字毫伏表，失真仪等步骤：1．在测试手机上下载测试专用单频Mp3文件。2．去掉SPEAKER，用阻值相同的电阻代替，在电阻两端测试输出信号