《手机声学基础》PPT课件

Sound 目录 关于声音声场分类电声器件声学仿真心理声学测量技术 关于声波 声音是一种纵波质点振动及弹性体振动 集中参数系统与分布参数系统 弦的振动棒的振动膜的振动板的振动声音在介质中传播 辐射 散射和吸收 声场分类 近场 远场自由场 压力场 混响场 MicrophoneMeasurementRegion SoundFields MeasurementRegion NearSoundField接近声源且尚未呈现自由声场特性的区域一般近声场的范围大小与下列三因素有关 主要的声波频率声源尺寸声源辐射表面的相关相位依据实际经验所得的判断方法 距离声源表面4分之一个波长距离以外是远声场距离声源中心两倍声源主要尺寸长的距离以外是远声场由实际量测声压级得到 当麦克风在两倍声源距离处之声压值小于一倍距离之声压值6dB时 则一倍距离的位置即为自由声场的开始 FreesoundField这个区域的声压是直接来自于声源 并不包括反射声 又称之为直接声场 Direct Field 自由声场具有以下的特性 点声源时 距离增加一倍 声压值下降6dB线声源时 距离增加一倍 声压值下降3dB平面波声源时 距离增加一倍 声压值为常数 ReverberantField在反射音场中 声波主要来自于音源本身及墙面或是障碍物造成的反射波 两者之间相互迭加后的结果 反射音场所形成的区域会因为音源所在的空间大小而有所不同 但与音源本身尺寸无关 此音场的特性为距离越远声压值越大 或为常数值不再随距离改变 声压量测应避开反射音场 PressureField密闭空间中 若音源所产生的波长远大于此空间尺寸 则在此空间中任一位置皆具有相同的压力及相位即有相同的声压值且不会随距离增加而下降 如此的密闭空间称为压力音场 因此在密闭空间较易形成压力音场 压力音场一般应用于校正器 电声器件 扬声器及其系统传声器耳机 扬声器及其系统 电动扬声器电磁扬声器静电扬声器压电扬声器 电动扬声器 电动扬声器 低声扬声器爆炸图 定心支片 声圈 盆架 导磁板 导磁柱 磁体 电动扬声器 电动扬声器 低频段 声压频率关系特性 为品质因素 决定扬声器的频率响应特性 一般取Q0 0 7 0 5 1 降低f0 降低s0 用橡皮 泡沫塑料做折环边 2 p a2 增加纸盘尺寸 可提高效率 用大口径低频扬声器 3 p B 增加B可提高效率 用特殊的磁性材料 如钕铁硼 4 p 1 2 减少 用铝线音圈 一般采用铜包铝 同时具备铜的导电性与铝的密度小的复合特性 电动扬声器 中高频声压特性中频谷点 1 f 纸盘分割振动 各部分振动的相位不同 干涉中频频响曲线产生峰谷 2 折环共振 干涉 频响曲线产生峰谷 高频 频率增加 音圈与纸盘间不能看成完全刚性连接 插入一力劲为sn的弹簧 低通滤波器 高频上限 高于此频率 声压急剧衰减mv 音圈的质量 md 纸盘的质量 电动扬声器 实际扬声器的频率特性 电动扬声器 电动扬声器 电动扬声器 电动扬声器 电磁扬声器 在永磁体两极之间有一可动铁心的电磁铁线圈无电流时保持静止线圈通过声频电流时 铁心成为极性随电流变化的电磁铁 使可动铁心绕支点做旋转运动 传统电磁扬声器现在已不再使用 改进型的电磁扬声器被使用在高端耳机上 动铁耳机 静电扬声器 极薄的振膜在静电力的作用下作前后移动 静电扬声器的振膜质量极轻 因而解析力极佳 能捕捉声乐信号中极为细微的变化 充分表现声乐的神韵 压电扬声器 超薄 1 5mm 紧凑 易用于手机 笔记本电脑等便携式设备 高的电声转换效率 动圈式手机扬声器在90db的声压下的功耗一般在120毫瓦以上 同样条件下压电扬声器只有15毫瓦 对声腔的要求低 后腔的尺寸对压电扬声器的声学特性影响不大 而动圈扬声器需要后腔的声学效应来保证SPL及F0 无磁铁材料无线圈材料压电陶瓷材料具有抗电磁干扰和阻燃特性 压电扬声器低频响应及对功放电路的要求限制了它现阶段的应用 传声器 动圈式压电式电容式驻极体式MEMSDigital激光式 指向性全指向心型 超心形双指向性灵敏度频率响应阻抗 特性 动圈式 压强式 全指向 压差式 心形指向 低频好 动圈式麦克风常用于舞台演唱及表演 电容式 需极化电压型 电容式传声器常用于专业录音及测试 驻极体电容传声器 ECM 分类 振膜式 Foil 背极式 Back 前极式 Front 驻极体式 ECM 驻极体式麦克风常用于3C产品 振膜式ECM特点 驻极体和振动膜合二为一 1 振膜式ECM静态原理示意图 ECM工作原理 镀金属层薄膜与背极板形成空气介质电容 对驻极体充电形成电场 E Q C声波使薄膜振动 改变电容量和电场 产生电信号 E Q C ECM工作原理简述 振膜式工作动态原理图 E Q C E Q C 背极式工作动态原理图 E Q C E Q C 全指向产品结构示意图 PCB FET CHAMBER RING PLATE SPACER DLAPHRAGM CASE SCREEN 三 驻极体传声器重要参数 1 灵敏度 Sensitivity 灵敏度表示传声器的声 电转换效率 定义 在自由声场中 当向传声器施加一个声压为1帕 Pa 或1微巴 unbar 的声信号时 传声器的开路输出 以毫伏为单位 即为该传声器的灵敏度 注 1微巴 unbar 约相当于人们正常音量讲话 1微巴 ubar 约相当于人们正常音量讲话 并在离嘴1米远的地方测量所得到的声压 灵敏度的单位为 毫伏 帕 mv Pa 国际标准毫伏 微巴 mv ubar 日本标准 1帕 Pa 是指1牛顿 N 的力作用在1平方米面积上的压强 1Pa 20log 1 0 000020 94dBSPLPa与ubar的换算关系为 1Pa 10ubar所以 1mv ubar 10mv pa ECM灵敏度参数一般用灵敏度级表示 单位为分贝 dB 公式 Lm 20 10例 M 10mV PaLm 20 10 20 2 40 dB 灵敏度级 M Mr 灵敏度 参考灵敏度0dB 1V Pa 1V pa 10mv pa 2 频率响应 FrequencyResponse 频率响应是指传声器正常工作的频带宽度 全指向产品 20 20KHZ ECM频宽 单指向产品 100 10KHZ300 3 400HZ 语音频宽 200 5 000HZ 实际频响曲线 全指向曲线图 单指向曲线图 3 指向性 Directivity 指向性特性又称方向性 是表征传声器对不同入射方向的声信号检测的灵敏度 ECM指向性分类 全指向圆心 Omnidirectional 无方向 全方向 单指向双指向8字型 Bi directional 心型 Cardioid 超心型 super cardioid锐心型 Hyper cardoiod 心型 X 扁心型 B 超心型 C 扁圆型 G 心脏图 极性图 8字型 圆型 锐心型 4 等效噪声级 SelfNoise 与信噪比 S NRatio 等效噪声级 无外声场时 仅由传声器固有噪声引起的输出电压 可以看作能产生相同有效值输出电压的外部声压级 测量固有噪声时 传声器与声 风冲击 振动及外部电场或磁场隔离 以避免其对测量的干绕 测量传声器固有噪声引起的输出电压 除非另有说明 则就应加A计权测量 等效噪声级是额定等效声压与基准声压 20uPa 之比 用分贝表示 固有噪声引起的额定等效声压是开路输出电压与额定自由场灵敏度之比 即 Ln 20 VnM Po Ln 传声器等效噪声级Vn 噪声电压 A计权 uV M 自由场灵敏度 Mv Pa Po 参考声压 2 10Pa 5 例 一电容传声器测量数据为 灵敏度 10mv Pa固有噪声电压 A计权 10uV则 等效噪声级Ln为Ln 20 20 20 20 20 50 20 1 5 20 1 7 34 dB 10uV10mV Pa 2 10Pa 5 1010 10 2 10 3 5 12 10 2 1002 信噪比 S N 传声器灵敏度与固有噪声 A计权 之比 一般用dB值表示 S N 20 例 一动圈传声器的灵敏度为1mv Pa固有噪声电压为0 8uV则信噪比为 S N 20 64 dB MVn 1 100 8 3 等效噪声级与信噪比的关系 根据等效噪声级公式推导 Ln 20 20 20 20 94 20 94 S NLn 94 S N VnM Po VnM 1Po 1Po VnM MVn 1Pa 20 20 20 20 0 5 10 20 5 10 80 20 5 80 20 0 7 94 dB IPo 12 10 102 等效噪声级与信噪比的关系S N 94 Ln 1Pa 94dB 5 5 5 4 实际使用中应注意的几个问题 1 生产线要有良好的防静电措施 电烙铁要有良好接地 最好用专用地线 2 焊接时温度不能过高 过低 一般为 400 20 焊接时间不可过长 一般在3秒钟之内尽可能使用散热板焊接最好使用恒温电烙铁 三芯线 一芯专用地线 3 设计时应注意的几个问题 尽量不要形成谐振腔 耳机 动圈密闭式开放式半开放半密闭式动铁分频 耳机 动圈 耳机 动铁良好的瞬态和声音密度对腔体要求低频响范围较小多分频 原理 线圈绕制在铁片下 通电时铁片在磁力的作用下带动振膜发声 振膜可以用外壳代替 耳机特性指标 输出声压级 灵敏度 输入1mW电功率时的声压级频率响应电阻抗特性谐波失真特性容许输入功率 耳机测试 IEC318 IEC711 人工耳測試 Kemar人工头 带IEC711仿真耳道 声学仿真 电力声类比声线追踪及声像法有限元仿真 电力声类比Micro cap和PSPICE常用于电力声类比仿真 适用于集中参数系统 声波波长大于器件尺寸的场合 低频 例如 10kHz声波波长 340 10000 0 03m 声质量 振膜 含声圈和胶水 的质量Mmd孔的声质量Mah辐射声质量Mar声阻 振动系统的力阻Rmd孔的声阻Rah阻尼材料的声阻Rac辐射声阻Rar声顺 Car机电因子BL F BLi力声转换Sd 面积 体积速度U v Sd声压p反作用力F p Sd 电感 惯性 电阻 能耗 电容 弹性 电力声类比 加了障板后的共振频率fc 170 L Hz f0 一般情况下 喇叭厂给出的f0都是在加障板的情况下测得的 电力声类比 喇叭等效质量m0装在障板时 m0 md 2mad mad空气反作用附加质量装在闭箱时 m0 md 2B mad 1 B 0 5B 腔体决定的质量附加率m0一般采用附加质量法测得 在纸盆上加上已知质量m0 测量这时的共振频率f 0m0 m0 f 02 f02 f 02 kg等效力劲s0s0 4pi2f02m0等效力阻r0 电磁力阻 振动力阻 辐射阻 共振频率f0 低频下限 障板 容积为V的闭箱 若箱体前板够大 喇叭面积 20 障板面积 B 1 简化 装机后的共振频率 RichardH Small 仿真软件 PspiceSpectrum公司Microcap SpeakerworkshopLEAPLspCAD SPK及腔体设计 声线追踪及声像法 EASE是一款常用的声学设计软件 主要用于扩声设计及建筑声学设计适用于较大空间声场分析 房间 声乐厅 体育场馆 其它软件 LMSRaynoise 室内 汽车 火车 机舱等 Cara Computer Aided Room Acoustics 有限元仿真 LMSSysnoise是一款常用的声学仿真软件适用于声学 振动耦合分析场合流体声学 车辆内部发动机噪声 外部风噪 风机叶片等 心理声学 双耳听觉与立体声环绕声与虚拟环绕声掩蔽效应与响度基声缺失与虚拟低声 双耳听觉与立体声 听觉系统对声音的感觉 音强 音调 音色 加上方向感立体声 声场空间信息的传输与重发 带来身临其境的听觉效果 发展历史 1881年 巴黎 双通路立体声表演1933年 费城与华盛顿之间的三通路立体声传输实验1939年第一部立体声电影 幻想曲 三十年代开始发展声级差型双通路立体声 50年代开始用于唱片 60年代用于广播 70年代四通路立体声 失败上世纪八十年代DolbySurround电影声系统上世纪九十年代5 1通路系统 各种分立多通路系统 虚拟声系统 双耳听觉与立体声 1 1双耳时间差与声级差双耳时间差ITD 传播距离不同双耳声级差ILD 人头对声波的散射 ITD ILD 空间方向 频率f的函数 用刚球散射公式计算 或实验测量 低频 略去头部的散射 双耳简化成相距2a的两点 双耳听觉与立体声 双耳时间差与声级差双耳时间差ITD 传播距离不同双耳声级差ILD 人头对声波的散射 双耳方向定位机理利用双耳差 并和过去的经验比较 自适应过程 a 中低频 f4至5kHz ILD d 在高频 f 5 6kHz 耳壳散射 梳状滤波作用 对定位特别是区分前后镜像位置的声源和中垂面的定位有重要的作用 e 特别是中低频情况下 头部微小转动 ITD ILD改变 区分前后镜像位置 立体声编码 SS simple or L R stereo Jointstereo联合立体声编码考虑了左右声道相关性 综合运用各种立体声编码方式中的一种或多种编码模式 按帧处理 可能使用了以下三种编码方式中的一种或多种 完全SS方式除外 SS Simplestereo IS IntensityStereo L R x 方位信息 丢失了某些声道信息 只在要求低码率压缩的情况下使用MS Mid sideStereo 编码时 M 0 707 L R S 0 707 L R 解码时 L 0 707 M S R 0 707 M S 左右声道相关性较大的情况下使用 大大地节约了码率又不丢失声道信息 常用 环绕声与虚拟环绕声 双通路立体声 重发前方一定角度范围的的声音空间信息 不能很好地重发声音的空间信息环绕声 重发水平面内以至整个三维空间的声音空间信息 平面环绕声 horizontalSurroundSound 水平面 三维 空间环绕声 SpatialSurroundSound 三维空间 环绕声与虚拟环绕声 多通路声级差型环绕声的发展历史 1 1970年代初 发展纯音乐家用四通路立体声 失败 2 1970年代中到1980年代 其他家用纯音乐系统 没有广泛应用 3 1980年代初 模拟环绕声 成功 4 1970年代末到1980年代初 电影的DolbySurround 成功 5 1989年 电影用5 1通路环绕声 成功 6 1980中到1990年代 电影声环绕系统移用于家庭 家用DolbyPro Logic和家用5 1通路系统 成功 7 1990年代中到现在 其他分立多通路系统 模拟环绕声系统 原理 在重发中 采用人工延时和混响模拟出厅堂的早期反射和混响声 增加主观听觉上的包围感 后处理系统 可用在普通的双通路立体声重发中 也可用在其他立体声和环绕声重发中最简单的系统 实际的环绕声系统 有限个独立的传输 记录 和重发通路 需要简化 根据心理声学原理 重要的空间信息保留 不重要的适当舍弃 水平面较上方重要 保留前者 舍弃后者 平面环绕声系统 水平面内 听觉对前方分辩率较后方为高 前方信息尽可能准确重发 后方的声音空间信息作适当近似通路越多 空间信息的损失越少 效果越好 越复杂 虚拟环绕声 虚拟声的定义 利用HRTF 头相关传输函数 原理进行声信号的检拾 处理 重发 以达到声场空间信息的传输 摸拟与重发 也称这类技术为双耳技术 由于商业上的宣传 名称上容易混乱 从原理上分三大类 3D虚拟声系统 听觉传输立体声系统 真正的虚拟声 包括耳机和扬声器重发两种各种 3D 准虚拟环绕声系统多通路环绕声的虚拟重发 掩蔽效应与响度 掩蔽效应一个较弱的声音 被掩蔽音 的听觉感受被另一个较强的声音 掩蔽音 影响的现象称为人耳的 掩蔽效应 纯音间的掩蔽噪音对纯音的掩蔽频域掩蔽时域掩蔽 应用 音频压缩语音降噪 响度 特点 与声压级关系 非线性 3 4kHz灵敏度最高 耳道共振的结果 可闻阈 痛阈响度级定义 等响度曲线上1kHz的声压级 单位 方40方产生的响度 1宋 每增加10方 响度加倍 50方 2宋 基音缺失与虚拟低音 基频缺矢 把声音的基频成份滤去后 剩下谐频成份 音调不变 例如 200 400 600 800Hz纯音组成复合音 音调由200Hz基频决定 滤去基频成分 剩下400 600 800Hz部分 音调不变 利用 消失的基频 这一独特声学现象 通过回放声音的低频信号基频的谐波序列 使得人耳能够 虚拟 感知到那些并未被扬声器真实回放出来的低音音调 我们称这一经济高效的方法为 虚拟低音 技术 具体应用 MaxxBass算法 DanielBen Tzur等人提出 并成功商用使用非线性乘法电路产生谐波信号 以等响曲线为基础引入声压级 响度扩展比率控制谐波幅度PhaseVocoder相位声码器法 短时FFT分析信号低频成分并构造谐波相位 使用参数化的等响曲线控制每个通道能量 声学测量技术 声学测量的声场条件测量传声器及声信号噪声测量室内声学测量材料吸声与隔声性能测量扬声器及传声器的测量通信电声的测量 测量的声场条件 自由声场与消声室 半消声室噪声 电声测量扩散声场与混响室材料吸声 隔声测量 噪声测量小型压力场电声测量 测量传声器与声信号 MicrophoneType SoundWave 自由场传声器 自由场灵敏度Mf对频率平直扩散场传声器 扩散场灵敏度Md对频率平直压力场传声器 声压灵敏度Mp对频率平直 Mf Md Mp 测量传声器与声信号 Soundsignal 白噪声