手机电声学课件

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12）腔体结构设计实例23）腔体结构设计实例34）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)。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)。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（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。测量电原理图：粉红噪声发生器带通滤波器测量功率放大器测量放大器有效值电压表自由场空间动圈式受话器主要参数八、失真谐波失真

扬声器输出的声信号中，除了原输入的信号频率（基波）外同时出现二次、三次谐波等。瞬态失真

当馈给扬声器电信号快速变化时，其振动系统不能及时变化而产生的失真。异常音

即纯音不良，杂音等。

线性失真：扬声器重放某些频率信号时，信号振幅不能再保持原信号中的比例关系。可由频响曲线查出。

非线形失真：扬声器重放声信号中出现输入电信号中所没有的频率成分。动圈式受话器主要参数九、额定噪声功率也可称为功率承受能力。是指在额定频率范围内馈给扬声器规定的模拟节目信号，在一定时间内不产生热和机械损坏的噪声功率。一般的试验条件为白噪声信号经带通滤波器后通过功率放大器接到扬声器上，试验的时间要求为100小时。4.1.2传声器(Transmitter)①定义：将声信号转换为电信号的换能器。②分类 按换能原理分：动圈式传声器，带式传声器，电容式传声器，驻极体传声器。 按指向性分：全指向传声器，双指向传声器，单指向传声器，强指向传声器。 按传输方式分：有线传声器，无线传声器。 按输出阻抗分类：高阻传声器（20-50K），低阻传声器（200-600）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。驻极体传声器重要参数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驻极体传声器重要参数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MMr灵敏度参考灵敏度0dB=1V/Pa驻极体传声器重要参数2、灵敏度响应:

指传声器在一定声压作用下，传声器的输出电平随不同频率的电压变化，通常应取平直的频响曲线，但有时经常考虑提高拾音的明亮度和清晰度，又些时候应取中高频提升约3dB的频响曲线。驻极体传声器重要参数3、等效噪声级:

声波作用在传声器上，它所产生输出电压的有效值和该传声器输出端的固有噪声电压相等时，则该声波的电压级就等于传声器的等效噪声级。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，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。固有噪声电压就是在没有声波作用到传声器时，传声器本身输出的微小噪声电压，它决定传声器所能接受的最低声压级。驻极体传声器重要参数即:

Ln=20

㏒()VnM×PoLn: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×pow(10,-5)Pa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×2×10

Pa-51010×10×2×103-512×10-21002等效噪声级与信噪比的关系：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/NVnM×PoVnM1Po1PoVnMMVn驻极体传声器重要参数等效噪声级与灵敏度有关，在固有噪声电压相同的条件下，灵敏度越高，等效噪声级就越小。专业传声器要求等效噪声级小于26dB。电容传声器因使用场效应管及放大电路，存在电路噪声，所以其等效噪声级较大。动圈传声器内阻很小，又是无源的，所以等效噪声级较小。有些厂家采用信噪比作为此项指标，是以1Pa（即94dB）的声压级为基准与该传声器等效噪声级之差，即为其信噪比指标，一般专业电容传声器的信噪比约为68～72dB，专业动圈传声器的信噪比可达到更高。驻极体传声器重要参数4、动态范围:传声器动态范围是指在规定的谐波失真条件下（一般规定0.5%），其所承受的最大声压级与绝对安静条件下传声器的等效噪声级之差。因此，传声器拾取的声音大小，其上限受到非线性失真的限制，而下限受其固有噪声的限制。动态范围太小会引起声音失真，音质变坏，所以要求传声器有足够大的动态范围。高保真传声器的最大声压级在谐波失真0.5％时，要求达到114dB。若等效噪声级为25dB，则动态范围约为90dB。专业传声器对噪声问题解决的很好，其下限可以做到20dB，上限可达到140～160dB。因此，专业传声器动态范围可达120～140dB。驻极体传声器重要参数5、传声器阻抗传声器阻抗有两种，即输出阻抗与负载阻抗，输出阻抗：通常是在1000HZ，声压约为1Pa时测得。我们所用的一般都是2.2K。负载阻抗：为了保证传输功率大同时信号不失真，通常输出阻抗与输入阻抗满足下面关系：输出阻抗Zout*5=输入阻抗驻极体传声器重要参数6、指向性传声器的指向性是指在某一指定频率下，随着声波入射方向的不同其灵敏度的变化特性，以声波沿一定角度入射时的传声器灵敏度与声波轴向入射时的灵敏度的比值来表征其特性。驻极体传声器重要参数7、失真度谐波失真：是指输出的音频信号电压的谐波数量和输入的音频信号的谐波数量发生了变化。频率失真：是指输出的音频信号电压的谐波数量和输入的音频信号的谐波数量相同，但在幅度上产生了变化。传声器原理1）电容式传声器的原理电容式传声器是靠电容量的变化而工作的。结构如下图4.1.17所示，主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。它的工作原理是当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了电声转化。传声器原理特点：频率范围宽、灵敏度高、失真小、音质好，但是结构复杂、成本高，多用于高质量的广播、录音、扩音中。传声器原理2）驻极体电容传声器驻级体电容传声器这种传声器的工作原理和电容传声器相同，所不同的是它采用一种聚四氟乙稀材料作为振动膜片。由于这种材料经高温高电压处理后，表面被永久地驻有极化电荷，从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。特点：体积小、性能优越、使用方便。传声器原理图4.1.18驻极体传声器基本结构示意图图4.1.19驻极体传声器实物示意传声器原理图4.1.20中二极管起抗阻塞作用。声信号较弱时，极头输出的电信号远小于二极管的正向导通电压，二极管呈现很大的阻抗，使得G,S极之间的阻抗不致降低，因而不会影响传输系数。当声信号较大时，极头输出的电压接近或超过二极管的正向导通电压，二极管两极间的阻抗值降低，也即场效应管输入阻抗下降，与信号源内阻分压所得的输入电压小于场效应管的熔断电压，从而不致造成截止，起到了抗阻赛作用。驻极体传声器的原理图：4.1.3扬声器扬声器是一种将电信号转换成声信号的换能器件，俗称喇叭。扬声器按换能机理和结构分：电动式、电容式、压电式、电磁式、电离子式和气动式扬声器等．电动式式扬声器在笔记本各类扬声器中，应用最多最广泛。手机扬声器，其准确的名称为“手机和弦扬声器”，其发声的原理也是动圈式。4.1.3扬声器1）扬声器的构成：4.1.3扬声器1）扬声器的基本结构：4.1.3扬声器3）电动式扬声器结构扬声器分解为：磁路系统，振动系统和支撑系统4.1.3扬声器4）工作原理根据法拉第定律当载流体通过磁场时，会受到一电动力其方向符合弗来明左手法则，力与电流、磁场方向互相垂直，受力大小与电流、导线长度、 磁通密度成正比。4.1.3扬声器手机扬声器设计从外型尺寸上看手机扬声器比手机受话器大，厚度一般也比手机受话器厚(一般手机扬声器单体厚度为3.5mm左右)。行业内常见的圆形尺寸规格为Ф15mm,Ф16mm,Ф17mm,Ф18mm,Ф20mm等，椭圆尺寸13mmXl5mm,13mmXl8mm,14mmX0mm，还有些跑道形和不规则形状。同样手机扬声器的外观尺寸和设计也与手机的装配和设计密切相关。一个好的手机扬声器在设计上主要以高声压级(高效率)、大频宽(主要是拓宽低频下限)、大功率、低失真、小体积为目标，对其好与坏的客观量化评价也以这些为参考基准。4.1.3扬声器高声压级在高声压级的设计时必须先要区别声压级和功率的概念。通常人们所说的手机扬声器“响”多是指其声压级高；而功率主要是来说明：在一定条件下扬声器能承受的“负荷”（输给扬声器的特定信号)而不引起热损坏、机械损坏；且电声性能符合技术规格要求。虽然功率增加一倍理论上扬声器的声压级会增加近3dB，但是决不能单一地说扬声器“响”就是功率大或功率大就是“响”。其设计思路和上面的手机受话器的设计一样(不考虑手机受话器前面阻尼材料的影响)。以现有的材料和设计方式来看高声压级意味着成本的增加。4.1.3扬声器高声压级

设计时主要的特色是双磁路，以增加磁铁的用量来提高磁路间隙的磁通密度。虽然还有其他的方法提高声压级(如减小振动系统的振动质量，或通过其他部件的改动来影响频响曲线的某一频段声压级)，但提高磁路间隙的磁通密度仍然是最主要、最直接的提高声压级的方式。减小磁路的气隙来提高磁通密度也是提高声压级的方式之一，但必须考虑工艺的可行性。另在声压级的标称上行业内有2种方式：定点(取某一频点的声压级：通常取1000Hz点)和均点(取某几个频点声压级的平均值)。所以在声压级的对比上应加以注意：在一定条件下对2个手机扬声器的“响”（听感上)，还是应考虑一个整体曲线的对比(不能忽略手机扬声器单体某些频段对声音听感的影响)和手机扬声器的安装腔体对曲线和声音听感的影响。4.1.3扬声器大频宽

就手机扬声器而言，大频宽(主要是拓宽低频下限)主要是靠其谐振频率来控制。谐振频率设计从最基本的理论公式看，主要是由振动质量和顺性来决定的。振动质量主要是由音圈、黏结的胶水(振动部分)、振动膜片和其他部件产生的声质量组成，因振动质量对声压级有影响，质量的增加会降低声压级(效率)。所以不能靠单纯地增重来降低谐振频率。顺性主要由膜片顺性和膜片前,后气腔的空气的顺性来决定(对其顺性起决定性影响的是膜片的顺性)。要合理地降低谐振频率(增加手机扬声器的低频响应频宽)，必须把每个细微的部件都考虑清楚。拓展低频的最主要原因是手机音频电路的信号输出能达到比现有手机扬声器频宽更低。4.1.3扬声器手机电路音频信号输出曲线4.1.3扬声器大频宽另外，很多乐器和人声的频谱能量都包括1kHz频段以下，如能使此频段得以重放，对整个手机音乐的重放音质的提高将起到显著作用。现在电路信号输出频宽不是问题，主要是手机扬声器的有效重放频宽的问题。虽然现在有在手机上再加一个手机扬声器作为低音扬声器来丰富低频量感，但是这样会带来手机的体积和部件成本的增加。从手机扬声器单体的曲线上看高频部分并不是问题，很多手机在设计时还常把10kHz以后部分的信号进行滤波(即不要高频部分)，但其实很多时候，此方式是不得以而为之。

4.1.3扬声器大频宽高频部分的处理要将3部分分开来看：一是手机电路部分、二是手机腔体的设计部分、三是手机扬声器单体的设计部分。但不管怎样其高频对手机扬声器的听感上的影响是不可忽略的。在手机扬声器单体高频部分设计上，既可以通过对膜片的中心部分的设计也可以通过对手机扬声器的面盖设计来对高频部分进行必要的修改。在对低频扩展时也需考虑工艺对它的影响。图4.1.28-9为生辉公司2不中不同生产工艺于机扬声器的频响曲线。4.1.3扬声器从上面的对比曲线可以看到生产工艺对曲线的影响，虽然实际生产时可能影响没有这么大，但一般对谐振频率产生的影响在5%左右还是确实存在的并且是可以接受的，此时要考虑到各个生产因素对产品性能和电声参数的影响。图4.1.28生产工艺对频响曲线的影响图4.1.29生产工艺对阻抗曲线的影响

4.1.3扬声器大功率手机扬声器大功率设计，首先要明白大功率设计的内在意义。在声学楼论坛设计室耳机、受话器设计区()上很多人参加了讨论，有人反对，有人赞同。但不可否认很多公司都在做大功率手机扬声器的开发。现在一般的手机电声器件制造公司都有额定功率为0.8W的手机扬声器产品。大功率的设计主要是针对机械损坏和热损坏来设计的，这就要求设计人员对微型扬声器的部件材料特性非常熟悉，再结合力学、声学、材料学等原理进行设计。现行的大功率所面对的难题主要还是材料的问题。4.1.3扬声器大功率

大功率的设计可用“水桶原理”来概述，即设计成不成功取决于某一部件的最低性能。大功率的设计也不可盲目追求，要跟手机的音频设计相配套，否则就会造成不必要的成本增加。不能说大功率的设计一定是好或坏(这要配合手机的音频设计来定)，但在其他参数不变的条件下，加大手机扬声器的承受功率肯定会增加该款手机扬声器的可靠性.同时大功率的设计也能考验一个公司的设计能力和工艺水平。在大功率的标注上，必须注意其标注条件，在行业内如某一公司某一产品规格书上单独地标有一种白噪声信号的0.8W(2.53V)与标注2种信号（白噪声和正弦波)的0.8W(2.53V)是不一样的，通常情况下做的信号种类和试验类型越多，试验本身的可参考性越大，一般情况下各个手机扬声器生产厂家都只标注一种信号（白噪声96h)实验功率。

4.1.3扬声器失真

对于手机扬声器的失真，其成因和设计上的控制跟手机受话器基本一样。在其他参数一样的条件下，一个失真控制优秀的手机扬声器能比普通的手机扬声器同等测试条件下总谐波失真(THD)减少30%左右。图4.1.30为生辉公司一款Ф15mm手机扬声器与其他公司Ф15mm手机扬声器的灵敏度和失真度对比(测试条件0.5W/5cm樟板测试)。4.1.3扬声器小体积

对手机扬声器的小体积的追求主要体现在其厚度的控制上，虽然也有很多人想把其平面尺寸做小(想让小口径出大口径的低频量感)，但是跟大扬声器一样口径大低频易做好(增大扬声器口径能最直接地增加有效振动面积)。通常意义上的小体积主要指的是其厚度薄，行业内常把这类的手机扬声器称为“超薄手机扬声器”，其单体高度一般不超过3.0mm(一般手机扬声器单体高度在3.0mm以上)。在设计上，其特色是双磁路设计，这样对磁铁的尺寸公差和磁铁的性能标号要求就显得比较特别，且有时在磁路的安装上也对生产工艺提出了更高的要求。同时其音圈和振动膜片设计也结合磁路做了相应的设计，这样才能保证在厚度减小的情况下电声性能不降低(主要是频响曲线上表现的灵敏度和低频量感)。4.1.3扬声器手机扬声器测试在手机扬声器的测试上有两种测试安装方式：障板测试、箱体测试(分别将手机扬声器安装在测试板和测试箱上)。图4.1.31为业内两家手机扬声器厂家两种测试方式示意图；按图4.1.31障板尺寸可以测量350Hz以上的频率。使用障板或箱体来测试主要是避免声短路对低频测量的影响，真实地体现扬声器的频率响应。4.1.3扬声器声音短路效应

当SPK&RCV振膜振动时，其前后都会有声波产生，且声波相位刚好相反，由于低频之指向性超过180度，接近无指向性，因此当声波向外成环状扩散时，SPK&RCV前后逆相低频声相交，声音短路，因声波相位同相相增，逆相相减之故，造成低频之输出音压衰减，为了阻止声波之回响，平面挡板(Baffle)可抑压指向性超过180度之声波（低频）防止声波之回响而增加低频的功效。

手机腔体和gasket对SPK&RCV的意义1、腔体和gasket的目的是为了隔开前后声波，避免声音短路效应2、而腔体的大小左右着PK&RCV的低频重放4.1.4手机声学器件的工作原理4.2手机铃声的影响因素铃声的优劣主要取决于铃声的大小、所表现出的频带宽度（特别是低频效果）和其失真度大小。对手机而言，扬声器、手机声腔、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质。扬声器单体的品质对于铃声的各个方面影响都很大。其灵敏度对于铃声的大小，其低频性能对于铃声的低音效果，其失真度大小对于铃声是否有杂音都是极为关键的。手机声腔则可以在一定程度上调整扬声器的输出频响曲线，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。4.2手机铃声的影响因素音频电路输出信号的失真度和电压对于铃声的影响主要在于是否会出现杂音。例如，当输出信号的失真度超过10％时，铃声就会出现比较明显的杂音。此外，输出电压则必须与扬声器相匹配，否则，输出电压过大，导致扬声器在某一频段出现较大失真，同样会产生杂音。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扬声器的不相匹配时，会导致MIDI音乐出现较大的变音，影响听感。总之，铃声音质的改善需要以上四个方面共同配合与提高，才能取得比较好的效果。4.3扬声器的评价原则扬声器的品质特性对手机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，不同性能的扬声器在音质、音量上会有较大的差异。因此选择一个合适的扬声器可较大程度的改善手机的音质。扬声器的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。

频响曲线反映了扬声器在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，扬声器在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，当失真度小于10％时，都认为在可接受的范围内。

寿命反映了扬声器的有效工作时间。4.3扬声器的评价原则由于频响曲线是图形，包含信息很多，为了便于比较，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1K～4KHz之间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，扬声器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反映了扬声器的低频特性，是频响曲线次重要的指标。平坦度反映了扬声器还原音乐的保真能力，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。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4.4.4手机扬声器腔体设计的频率响应分析4.4.1手机的声腔设计的组成

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，如下图4.4.1所示：4.4.2音腔设计原则1、前腔台阶+EVA垫圈后，总高度H不超过1-1.5mm2、手柄前侧孔径宜大而少，不要小而多3、前腔内径φK，应小于受话器前盖直径加防尘网以后，可以消除低频谐振点4、把开孔改成小孔以后，高频部分有所提升，孔径越小，声阻值越大。5、加开侧孔后，可以降低低频的频响6、开孔的大小不变，改变腔体的厚度频响曲线会发生平移，由厚改薄频响向右移动。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，如图4.4.2示。

需要强调的是，扬声器单体品质对铃声低频性能的影响很大。在一般情况下，装配在声腔中的扬声器，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。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

图4.4.2横坐标是后声腔的容积（cm3），纵坐标是扬声器单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。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

4.4.3音腔设计对手机铃声的影响2）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，如图4.4.3。图中横坐标为前声腔容积，单位cm3。纵坐标为高频谐振点变化的对数值。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响2）前声腔对声音的影响

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

4.4.3音腔设计对手机铃声的影响3）出声孔对声音的影响出声孔的面积（即在扬声器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。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响3）出声孔对声音的影响

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4.4.4示。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。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响4）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。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4.4.5。图中，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4.4.3音腔设计对手机铃声的影响4）后声腔密闭性对声音的影响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4.4.6。。综上所述，建议结构设计时，应尽可能保证后声腔的密闭，否则可能会严重影响音质。。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响5）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，以保护扬声器。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，所以一般采用扬声器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。影响手机音质的一个重要因素是其扬声器的频率响应特性，该频响特性主要跟扬声器单元、腔体结构以及电路有关。近年来，一些文献中针对腔体结构对手机扬声器的频响特性的影响进行了研究。下面运用等效线路图法研究了3种典型的声学结构对手机扬声器的频响特性的影响，并加以实验验证。通过与相同容积的简单结构的频响特性比较.分析了这三种结构各自的优缺点.并提出了设计建议。4.4.4手机扬声器腔体设计的频率响应分析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12）腔体结构设计实例23）腔体结构设计实例34）3种腔体结构设计对比和讨论4.4.3音腔设计对手机铃声的影响1）腔体结构设计实例1通过在扬声器后腔壁上开孔的方法相当于安装1个倒相管，来增强低频段的响应。对于实际的手机，只需在扬声器后腔的侧壁上打孔即可实现，较方便。图是一个简化的实物模型示意图。扬声器安装在1个规则长方体内尺寸为2.4cmx3.5cmx6.4cm，侧辟开孔半径为3mm，孔厚度为5mm。

图4.4.7实物模型图图4.4.8低频段的声学等效电路图运用等效线路图法对图4.4.7所示的实物模型建模，图4.4.8给出了在低频段时该系统的声学等效线路图。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响1）腔体结构设计实例1在图4.4.8中，左边部分为电系统(低频时忽略音圈电感部分的影响)，为信号源电动势,是音圈直流阻(信号源内阻很小，一般可忽略),为振膜等效面积，B为音圈磁隙中的磁感应密度，l为音圈导线长度;中间部分为机械系统，主要由扬声器振动系统的等效声质量支撑系统的等效声顺和支撑系统的等效声阻构成；右边部分为声系统，和,分别为振膜前的辐射声阻和辐射声质量，为后腔的等效声容，和分别为侧辟开孔的等效声阻和等效声质量。

4.4.3音腔设计对手机铃声的影响声系统部分的元件值分别为：

其中，为空气密度;c为空气中声速;为角频率;a为振膜的有效半径;为后腔内空气的净容积;为侧辟开孔有效半径;为孔厚度，为空气的粘滞率；在20℃及76mmHg时，其值为。根据图4.4.8给出的等效线路图，可求出体积速度和，再由倒相箱的一般理论可求出距离扬声器r处的的声压幅值为：相应的声压级为：4.4.3音腔设计对手机铃声的影响1）腔体结构设计实例1将1个具有相同后腔容积的简单结构(侧壁不开孔)，与现有结构的频响特性进行比较，图4.4.9给出了当馈给扬声器1V(rms)的扫频信号，距离扬声器30cm处的频响曲线比较，其中不开孔(模拟值)为简单结构。

4.4.3音腔设计对手机铃声的影响1）腔体结构设计实例1从图4.4.9中可看到，实例1中开孔的频响曲线模拟值和实验值符合得较好。通过侧辟开孔与不开孔的模拟值对比可看出，当在侧辟开孔以后，开孔与后腔实际上形成了1个Helmholtz共鸣器，其共振频率为根据上式计算出的频率为484Hz。当在侧壁开孔后，提升了500Hz附近频段的响应；同时系统在350Hz以下的响应也降低了，这是由于在共振频率以下的较低频段，振膜背面的声波从开孔衍射出来，其相位与振膜前声波的相位相反，叠加以后造成系统响应的降低，当后腔容积固定时，适当调整开孔口径和厚度，可以改变共振频率的位置，从而增强相应频段的响应。

4.4.3音腔设计对手机铃声的影响2）腔体结构设计实例2通过在扬声器振膜前面设置1个共振腔结构来改善中频段的响应。现在的手机内部结构日益复杂，在某些情况下扬声器不能直接向外辐射，只能通过一些腔体和管道连接到机壳上的开口再向外辐射，该设计即考虑了上述问题。同样按其设计思路，做出1个简化的实物模型，其示意图如图4.4.10所示。扬声器安装在1个容积为20cm3的规则长方体内，振膜前有1个容积为1.72cm3的圆柱形空腔，其侧面连接1个长为1.9cm、截面积为20mm2的细管道。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响2）腔体结构设计实例2图4.4.11给出了在低频段时该系统的声学等效线路图。图4.4.11中的电系统和机械系统部分与实例1中的情况相同，不再赘述。声系统中，CAB为后腔的等效声容，CAf为圆柱形前腔的等效声容，RAt和MAt分别为侧面细管的等效声阻和等效声质量。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响声系统部分的元件值分别为：

其中，VAf为圆柱形前腔的净容积，at为侧面细管的有效半径，lt为管长。由于细管向外辐射引起的末端修正的不同，式（4-12）与式（4-5）之间存在1个系数的差别。根据图4.4.11给出的等效线路图，可求出开口处的体积速度Uo，则距离开口r处的声压幅值为相应的声压级为：4.4.3音腔设计对手机铃声的影响2）腔体结构设计实例2将1个具有相同后腔容积的简单结构（无前腔，扬声器直接向外辐射），与现有结构的频响特性进行比较，图4.4.12给出了当馈给扬声器1V（rms）的扫频信号，距离开口30cm处的频响曲线比较。

4.4.3音腔设计对手机铃声的影响2）腔体结构设计实例2从图4.4.12中可看出，实例2（有前腔）的频响曲线模拟值和实验值的趋势符合得较好。在1.7kHz附近的峰值处，模拟值比实验值偏大，这可能是由于细管的阻尼模拟不准造成的。通过有前腔和无前腔系统的模拟值对比可以看出，装有前腔以后，低频共振频率降低了。此时系统的低频共振频率为由于侧面短管的等效声质量MAt的引入，使得该系统在低频时的总声质量大于无前腔系统的总声质量，因而共振频率降低。根据式（4-15）计算出的频率为437Hz。

（4-15）4.4.3音腔设计对手机铃声的影响2）腔体结构设计实例2引入前腔的另一个结果就是在中高频段形成二次共振，此时的共振频率为

根据（4-16）式计算出的频率为1.25kHz，此时系统的阻抗达到极大值。在此之后的1.7kHz附近，系统阻抗达到极小值，开口处的体积速度达到极大值，响应也达到极大值。通过调整前腔的容积、侧面短管的长度以及截面积，可根据需要控制高频共振的频率，从而增强相应频段的响应。但同时也看到，在二次共振以后，系统的响应迅速降低，这是由于此时CAf元件可看成短路，导致开口处的体积速度很小，所以系统的响应也很小。

（4-16）4.4.3音腔设计对手机铃声的影响3）腔体结构设计实例3通过在扬声器后腔的分隔来同时改善低频和中频段的响应。该设计对扬声器后腔的容积要求较高，目前手机越做越薄，实现起来有一定难度。同样按其设计思路，做出1个简化的实物模型，其示意图如图4.4.13所示。扬声器后腔被1根半径为2.5mm，长为5mm短管分隔为V1和V2两部分，其中V1尺寸为6.3cm×2.4cm×1cm，V2的尺寸为6.3cm×2.4cm×2.3cm。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响3）腔体结构设计实例3图4.4.14给出了在低频段时该系统的声学等效线路图。图4.4.14中的电系统和机械系统部分与前面情况相同，不再重复。声系统部分，RAr和MAr分别为振膜前的辐射声阻和辐射声质量，CAB1和CAB2分别为V1和V2腔体的等效声容，RAn和MAn分别为中间短管的等效声阻和等效声质量。4.4.3音腔设计对手机铃声的影响声系统部分的元件值分别为：

其中，an为中间短管的有效半径，ln为管长。根据图4.4.14给出的等效线路图，可求出振膜处的体积速度Ur，则距离扬声器r处的的声压幅值为相应的声压级为：4.4.3音腔设计对手机铃声的影响3）腔体结构设计实例3将1个具有相同后腔容积的简单结构（单腔），与现有结构的频响特性进行比较，图4.4.15给出了当馈给扬声器1V（rms）的扫频信号，距离扬声器30cm处的频响曲线比较。

4.4.3音腔设计对手机铃声的影响3）腔体结构设计实例3从图4.4.15中可以看出，实例3（双腔）的频响曲线模拟值和实验值的趋势符合得较好，但在共振峰谷的幅值有一些差异，这同样可能是实际情况中的阻尼无法准确模拟造成的。通过单腔和双腔系统的模拟值对比可看出，2种结构在低频时的响应比较接近；采用这种设计的目的之一是为了在2个小腔体之间插入1块电路板，在保证较大的后腔总容积从而改善低频响应的前提下，增大电路板的面积。此时，系统的