手机声学基础

1、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,Microphone Measurement Region,Sound Fields,Measurement Region,Near Sound Field 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

2、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。,Free sound Field 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,Reverberant Field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

3、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。 Pressure Field 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,

4、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 = 0.70.5,（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：

5、 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

6、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 MEMS Digital 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：

7、,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

8、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

9、（mvPa)国际标准 毫伏/微巴（mvubar) 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)=94dB SPL Pa与ubar的换算关系为: 1Pa=10ubar 所以： 1mv/ubar=10mvpa,ECM灵敏度参数一般用灵敏度级表示. 单位为分贝（dB). 公式: Lm = 2010 例： M=10mVPa Lm = 2010 = 20(-2) = -40(dB),灵敏度级,M,Mr,灵敏度,参考灵敏度 0dB=1V/Pa,1Vpa,10mvpa,2、频率响应（Frequency Response):,频率响应是指

10、传声器正常工作的频带宽度。 全指向产品2020KHZ ECM频宽： 单指向产品10010KHZ 3003，400HZ 语音频宽： 2005，000HZ,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（

11、G）,心脏图（极性图）,8字型,圆型,锐心型,4、等效噪声级 (Self Noise)与信噪比 (SN Ratio),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 ( ),Vn MPo,Ln: 传声器等效噪声级 Vn:噪声电压（A计

12、权）（uV） M：自由场灵敏度（Mv/Pa） Po:（参考声压）2 10 Pa,-5,例：一电容传声器测量数据为： 灵敏度：10 mvPa 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),10uV 10mVPa210 Pa,-5,10 10 10 2 10,3,-5,1 2 10,-2,100 2,信噪比（SN）： 传声器灵敏度与固有噪声（A计权）之比。 一般用 dB 值表示。 SN= 20 例：一动圈传声器的灵敏度为1mvPa 固有噪声电压为0.8uV 则信噪比为: SN= 20

13、 =64 (dB),M Vn,1 10 0.8,3,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-SN Ln=94-S/N,Vn MPo,Vn M,1 Po,1 Po,Vn M,M Vn,1Pa=20 = 20 = 20 = 20(0.510 ) = 20(510 ) = 80+205 = 80+200.7 =94 (dB),I Po,1 210,10 2,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

14、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：40020 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1 mW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

15、,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：10k Hz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

16、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; 1B0.5 B：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f0 m0=m0 f02/(f02-f02) kg 等效力劲s0 s0=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%

17、障板面积），B=1,简化：装机后的共振频率,Richard H. Small,仿真软件,Pspice Spectrum公司 Microcap,Speaker workshop LEAP LspCAD,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：LMS Raynoise (室内、汽车、火车、机舱等） Cara.(Computer.Aided.Room.Acoustics,有限元仿真,LMS Sysnoise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

18、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Dolby Surround 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，

19、虚拟声系统。,双耳听觉与立体声,11 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( f 4 至5 kHz ), ILD. (d) 在高频( f 5 - 6 kHz), 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

20、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) Joint stereo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 (Simple stereo) IS (Intensity Stereo) （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-side Stereo) 编码时：M=0.707(L+R

21、) ; 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(horizontal Surround Sound) - 水平面 (三维)空间环绕声(Spatial Surround Sound)-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

22、（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Dolby Surround-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Dolby Pro-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

23、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

24、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。 3-4 kHz 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1 kHz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：200，400，600，800

25、Hz纯音组成复合音，音调由200 Hz基频决定。滤去基频成分，剩下400，600，800 Hz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：Daniel Ben-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 Phase Vocoder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,Microphone Type,Sound Wave,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,MfMdMp,测量传声器与声信号,Sound signal,