手机声腔设计和音频电路检测原理声音的基础知识

1、 声腔设计和音频电路检测原理声育的根底知识一.声音的根底知识1. 声压：/ 由声波引起的压强变化称为声压,用符号P表示,单位为微巴(ubar)或帕(Pa)1 ubar=m2一个标准大气压P0= x10-5Pa表达式：P=Po(3 t-kx+W)通常所指的声压是指声压的均方根值,即有效声压.2. 频率：声源每秒振动的次数称为频率,单位为 Hz.人耳可听得见的声波频率范围约为 20Hz20000Hz即音频范围3. 声速：在介质中传播速度称为声速.固体最快,液体次之,空气中最慢.在空气中传播340m/s,水中1450 m/s ,钢铁中5000m/s 4.波长：/'相邻同相位的两点之间的距离称

2、为波长入/jr1*4Cof Co为空气中声速f为频率/5.声压级：/Lp=20lg(P/Po)(dB)Po 为基准声压 2x10-5 pa百度文库-让每个人平等地提升自我基准声压为为2x10-5 pa ,称为听阀,即为0dB当声压为20Pa时,称为痈阀,即为120dB由此可见,声压相差白万倍时,用声压级表示时,就变成了0dB到120dB的变化范围.由上式可以看出声压变化10倍,相当丁声压级变化20dB;声压变化100 倍,相当丁声压级变化 40dB一般交谈为30 dB纺织车间为100 dB 6.声压级与功率的关系： P=10lg(w/wo)(dB)wo为参考功率功率增加一倍,声压级增加 3 d

3、B 7.声压级与距离的关系： P=-20lg(r1/ro)(dB)ro为参考距离距离增加一倍,声压级减小6 dB从人耳的听觉特性来讲,低频是根底音,如果低频音的声压值太低,会显 得音色单纯,缺乏力度,这局部对听觉的影响很大.对丁中频段而言,由丁频 带较宽,乂是人耳听觉最灵敏的区域,适当提升,有利丁增强放音的临场感, 有利丁提升活晰度和层次感.而高丁 8KHz略有提升,可使高频段的音色显得 生动活泼些.一般情况下, 发声音质的好坏可以用其频响曲线来判定,好 的频响曲线会使人感觉良好.声音失真对听觉会产生一定的影响,其程度取决丁失真的大小.对丁输入 的一个单一频率的正弦电信号,输出声信号中谐波分量

4、的总和与基波分量的比 值称为总谐波失真(THD),其对听觉的影响程度如下：#百度文库-让每个人平等地提升自我THD 1%寸,不管什么节目信号都可以认为是满意的；THD 3咖,人耳已可感知；THD 5%寸,会有稍微的噪声感；THD 10%寸,噪声已根本不可忍受.对丁 而言,由丁受到外形和 SPEAKER寸的限制,不可能将它与音响 相比,因此 铃声主要关注声音大小、是否有杂音、是否有良好的中低音效 果.铃声的优劣主要取决丁铃声的大小、所表现出的频带宽度 特别是低频效 果和其失真度大小.对 而言,SPEAKER 声腔、音频电路和MIDI选 曲是四个关键因素,它们本身的特性和相互间的配合决定了铃声的音

5、质.SPEAKER体的品质对丁铃声的各个方面影响都很大.其灵敏度对丁声音 的大小,其低频性能对丁铃声的低音效果,其失真度大小对丁铃声是否有杂音 都是极为关键的. 声腔那么可以在一定程度上调整 SPEAKER输出频响曲线,通过声腔参 数的调整改变铃声的高、低音效果,其中后声腔容积大小主要影响低音效果, 前声腔和出声孔面积主要影响高音效果.音频电路输出信号的失真度和电压对丁铃声的影响主要在丁是否会出现杂 音.例如,当输出信号的失真度超过 10%寸,铃声就会出现比拟明显的杂音. 此外,输出电压那么必须与 SPEAKE相匹配,否那么,输出电压过大,导致 SPEAKER某一频段出现较大失真,同样会产生杂

6、音.MIDI选曲对铃声的音质也有一定的影响,表现在当铃声的主要频谱与声 腔和SPEAKER不相匹配时,会导致 MIDI音乐出现较大的变音,影响听感.33百度文库-让每个人平等地提升自我总之,铃声音质的改善需要以上四个方面共同配合与提升,才能取得比拟 好的效果.三.SPEAKERS目的SPEAKER品质特性对 铃声优劣起着决定性作用.在同一个声腔、同 样的音源情况下,不同性能的 SPEAKERS质、音量上会有较大的差异.因此 选择一个适宜的SPEAKER较大程度的改善 的音质.'为了便丁设计工程师选择适宜的 SPEAKER本章介绍了 SPEAKER评价原 那么、测试流程和根据实验结果提供

7、的不同半径SPEAKER型推荐.的评价原那么SPEAKER性能一般可以从频响曲线、失真度和寿命三个方面进行评价.频响曲线反映了 SPEAKER整个频域内的响应特性,是最重要的评价标准.失 真度曲线反映了在某一功率下,SPEAKER不同频率点输出信号的失真程度, 它是次重要指标,一般情况下,当失真度小丁10%寸,都认为在可接受的范围内.寿命反映了 SPEAKER有效工作时间.由丁频响曲线是图形,包含信息很多,为了便丁比拟,主要从四个方面进 行评价：SPL值、低频谐振点f0、平坦度和f0处响度值.SPL值一般是在 1K4KHz问取多个频点的声压值进行平均,反映了在同等输入功率的情况 下,SPEAK

8、E输出声音强度的大小,它是频响曲线最重要的指标.低频谐振点 f0反映了 SPEAKE的低频特性,是频响曲线次重要的指标.平坦度反映了 SPEAKE哽原音乐的保真水平,作为参考指标.f0处响度值反映了低音的性 能,作为参考指标.选型推荐#百度文库-让每个人平等地提升自我根据节的评价方法,对常用的 SPEAKER行评价.由丁供给商提供的SPEAKER数是在不同条件下测量得到,彳艮难进行比照,因此我们对本公司常 用的30多种SPEAKER同等条件进行实测,根据实验结果,判定 SPEAKER 优劣测试数据见附录一.测试流程本流程的目的是为了对 SPEAKER能进行评价,便丁工程师选择适宜的 SPEAK

9、ER.实验内容Frequency Response频响曲线测定频响：在一定条件下,器件或系统由鼓励所引起的运动或其他输出Total Distortion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.听感评价SPEAKER质主观评价,作参考测试方法与步骤：测试地点：中期试验部静首室测试仪器：HEAD acoustics GmbH测试夹具：12cc标准密闭盒或/步骤：1实验仪器按要求联接设备；先连接设备再开PC2确定 SPEAKER MICROPHONES离为 10mm： 5% 并固定.55百度文库-让每个人平等地

10、提升自我(一) 频响曲线测定：/、点开文件夹选择 EA Frequency Response,sweep 12th octave LS , 在右 栏设定中选择电平(level)使经过放大器输出分别为：(1KHz,负载8欧姆时用示波器测有效值电压为,P-P值为；(1KHz,负载8欧姆时用示波器测有效值电压为,P-P值为；/,(1KHz,负载8欧姆时用示波器测有效值电压为,P-P值为；(1KHz,负载8欧姆时用示波器测有效值电压为,P-P值为；(1KHz,负载8欧姆时用示波器测有效值电压为,P-P值为, '频率范围为30010000Hz单击右键选择开始测定,将测定结果创立报告 并储存.(二

11、) 失真率测定：点开文件夹选择EA Total Distortion LS,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,时电压为标准输入电压,然后 以6th octave row b 选择频率范围为50010000Hz单击右键选择开始测定, 将测定结果创立报告并储存.(三) 听感评价：听感评价是一种主观行为,现只作为辅佐性评价,在客观数据评定难以取 舍时,组织相关工程师或音频工程师评价.实验数据记录和处理(以下数据和图面仅作参考)(1)频响曲线测试结果/a. 频响曲线图/b. 频响曲线点测数据(SPL)/#百度文库-让每个人平等地提升自我c.根据失真测试度数据绘制失真度

12、曲线四. 声腔设计/1.目的 声腔对丁铃声音质的优劣影响很大.同一个音源、'同一个SPEAKER不同声腔中播放效果的音色可能相差较大,有些比拟悦耳,有些那么比拟单调.合理的声腔设计可以使铃声更加悦耳.为了提升声腔设计水平,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. 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,如下列图：后声腔SPEAKER前声腔防尘网出声孑L图1声腔结构示意图后声腔主要影响铃声的低频局部,对高频局部影响那么较小.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拟 悦耳.

13、图2后声腔容积对低频性能影响/77百度文库-让每个人平等地提升自我一般情况下,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 容积大丁一定阈值时,它对低频的改善程度会急剧下降,如图 2示.图2横坐标是后声腔的容积cm3,纵坐标是SPEAKER体的低频谐振点 与从声腔中发出声音的低频谐振点之差,单位 Hz.从上图可知,当后声腔容 积小于一定的阈值时,其变化对低频性能影响很大.需要强调的是,SPEAKER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

14、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 某一局部乂扁、乂细、乂长,那么该局部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,必须预防出现这种情况.对丁不同直径的SPEAKER声腔设计要求不太一样,同一直径那么差异不太 大.具体推荐值如下：4 13mm SPEAKER的低频谐振点 f0 一般在 800Hz1200Hz|、h.当后声腔为时,其低频谐振点f0大约衰减600Hz650Hz当后声腔为时,f0大约衰减400Hz450Hz当后声腔为1cm3时,f0大约衰减 300Hz350Hzx当后声腔为时,f0大约衰减25

15、0Hz300Hz当后声腔为时,f0 大约衰减100Hz150Hz因此对丁 4 13mm SPEAKER它低频性能较好如f0在800Hz左右时,后声腔要求可适当放宽,但有效容积也应大丁.当低频性 能较差时f0 1000Hz,其后声腔有效容积应大丁 1cm3后声腔推荐值为,当 后声腔大丁时,其容积变化对低频性能影响会比拟小.4 15mm SPEAKER的低频谐振点f0 一般在7501000Hz之间.#百度文库-让每个人平等地提升自我当后声腔为时,低频谐振点f0大约衰减850Hz1000Hz当后声腔为1cm3 时,f0大约衰减600Hz750Hz当后声腔为时,f0大约衰减400Hz550Hz当 后声

16、腔为时,f0大约衰减200Hz250Hz因此对于4 15mm SPEAKERS声腔 有效容积应大丁.当后声腔大丁时,其容积变化对低频性能影响会比拟小.13X 18mm SPEAKER的低频谐振点f0 一般在7801000Hz之间.当后声腔为时,低频谐振点f0大约衰减850Hz1000Hz当后声腔为1cm3 时,f0大约衰减600Hz750Hz当后声腔为时,f0大约衰减400Hz550Hz当 后声腔为时,f0大约衰减200Hz250Hz因此对丁 13X18mm SPEAKE困声腔 有效容积应大丁.当后声腔大丁时,其容积变化对低频性能影响会比拟小.4 16mm SPEAKER的低频谐振点f0 一般

17、在7501100Hz之间.当后声腔为时,低频谐振点f0大约衰减850Hz1000Hz当后声腔为时,f0大约衰减600Hz700Hz当后声腔为时,f0大约衰减400Hz550Hz当后声 腔为2cm3时,f0大约衰减300Hz350Hz当后声腔为4cm3时,f0大约衰减 150Hz200Hz因此对丁 4 16mm SPEAKERS声腔有效容积应大于.后声腔推 荐值为2cm3当后声腔大丁 4cm3时,其容积变化对低频性能影响会比拟小.4 18mm SPEAKER的低频谐振点f0 一般在700900Hz之间.当后声腔为时,低频谐振点f0大约衰减700Hz950Hz当后声腔为时,f0大约衰减500Hz7

18、00Hz当后声腔为时,f0大约衰减500Hz700Hz当后声 腔为时,f0大约衰减400Hz550Hz当后声腔为时,f0大约衰减250Hz400Hz当后声腔为时,f0大约衰减120Hz160Hz因此对丁 4 18mm SPEAKER后声腔有效容积应大丁 2cm3当后声腔大丁 4cm3时,其容积变化 对低频性能影响会比拟小.综上所述,可得下表：99百度文库-让每个人平等地提升自我前声腔对低频段影响不大,主要影响 铃声的高频局部.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,如图 3.图3前声腔容积对高频性能的影响注

19、：图3中横坐标为前声腔容积,单位由丁 MIDI音乐的频带一般为300Hz8000Hz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6000Hz8000Hz可.由于如果局频波峰太局局频谐振点大丁 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 高频谐振点小丁6000Hz,那么声腔的有效频带可能会比拟窄,导致音色比拟单调,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,由丁出声孔面 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,那么出声孔面积也应该越大.当前声腔过小时,还会造成

20、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 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1mm：问.由丁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.出声孔的面积即在SPEAKER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

21、#百度文库-让每个人平等地提升自我SPL值会急剧下降,即铃声的声强损失很大,这在 设计中是必须禁止的.当出声孔面积大丁一定阈值时,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,如图4示.'、图4出声孔面积对高频谐振点的影响前声腔cm3前声腔cm3图4中,横坐标表示出声孔的面积,单位 mm2纵坐标表示高频谐振点变 化的对数值.综上所述,前声腔、出声孔面积设计推荐值如下表：前声腔垫片压缩后厚度mm前声腔容积cm

22、3、/ 二 /出声孔面积最小值/mm21111百度文库-让每个人平等地提升自我2 22出声孔面积有效范围mm225 525 628 540 640 740出声孔面积推荐值mm2910 11 12 13前声腔垫片压缩后厚度mm前声腔容积cm3、出声孔面积最小值mm23 31213百度文库-让每个人平等地提升自我3 44 4出声孔面积有效范围mm2640 740 940 65 865 1065出声孔面积推荐值mm212 12 13 14 16 19直径13毫米SPEAKER直径15毫米SPEAKER直径16毫米SPEAKER直径1313百度文库-让每个人平等地提升自我18毫米SPEAKER注：13

23、X18mr«圆形SPEAKE前声腔和出声孔面积可以参考4 15mmSPEAKEW 数./,上表中最小值表示当出声孔面积小丁该值时,整个频响曲线会受到较大影 响,音量会极大衰减.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,分布比拟均匀,且过 中央,那么可以取较小值,否那么应取偏大一些的值.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,反而可以提升声强.后声腔是否有效的密闭对声音的低频局部影响很

24、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.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.后声腔cm3后声腔1 cm3图5泄漏面积对低频的影响/图5中,横坐标表示泄漏面积,单位 mm2纵坐标表示无泄漏与有泄漏情 况下低频谐振点之差.#百度文库-让每个人平等地提升自我图6后声腔容积变化时,泄漏与非泄漏对低频影响比照泄漏面积无泄漏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,如图6./,综上所述,建议结构设计时,应尽可能保证后声腔的密闭,否那么可能会严 重影响音

25、质.相比丁其他几个因素,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丁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,预防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#问,它们的声阻值都比拟小,根本 上在10Q以下,对声音的影响很小,所以一般采用 SPEAKER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,由丁不织布的

26、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.但不织布的本钱比防尘网低很多,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.但是由丁声音具有一定的特殊性,因此,建议设计人员 1515百度文库-让每个人平等地提升自我在结构手板完成后,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.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,便丁工程师根据测试结果分析问题、调整声腔参数等.实验内容1EA Frequency Respon

27、se频响曲线测定2EA Total Distortion失真率测定测试方法与步骤1测试地点：中期试验部静音室2测试仪器：HEAD acoustics GmbH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 MICROPHONE!离为 10mm古 5%,并固定；一频响曲线测定：选择 EA Frequency Response,sweep 12th octave LS ,设定频率范围为30010000H乙 将电平level 分别设定为：输出电平修正参数为;输出电平修正参数为16dB;/SPEAKERS最大功率；单击右键选择开始测定,将测试结果创立报告并储存.二 失

28、真度测定：丁1617百度文库-让每个人平等地提升自我选择EA Total Distortion LS,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,和SPEAKER大功率时的电压,作为标准输入电 压,然后以6th octave row b 选择频率范围为50010000Hz单击右键选择开 始测定,将测试结果创立报告并储存.五.音频电路检测1. 目的 铃声出现杂音的原因较多,如输入电压过大导致SPEAKER：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

29、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I可题.整体电路检测法：将测试专用的单音 mp3文件输入到 中,然后在 SPEAKE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,结果比拟准确,但仅适用丁能够播放 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.它适用丁功放与芯片别离的电路.2. 整体电路检测方法/本方法是为了检测能够播放mp3机的音频电路整体输出性能.实验内容Response频响曲线测定频响：在一定条件下,器件或系统由鼓励所引

30、起的运动或其他输出Distortion失真率测定1717百度文库-让每个人平等地提升自我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level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 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 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.一频响曲线测定与失真率测定播放1kHz的铃声,调节音量,使输出大约为左右,记录数据,测量失真 率并记录数据；播放其他单频铃声,记录输出信号电平和失真率；绘制频响曲 线与失真率曲线.二音量梯度测定与失真率测定播放MkHz的铃声,音量由小到大增加,测试输出信号强度和失