基于等效声容的高频调容腔体设计与仿真研究_张庆.pdf

2023年第47卷第4期75Loudspeaker and MicrophonE扬 声 器 与 传 声 器扬 声 器 与 传 声 器文献引用格式：张庆.基于等效声容的高频调容腔体设计与仿真研究 J.电声技术，2023，47（4）：75-77.ZHANG Q.Study on design and simulation of high frequency regulating cavity based on equivalent sound capacityJ.Audio Engineering，2023，47（4）：75-77.中图分类号：TN642 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2023.04.021基于等效声容的高频调容腔体设计与仿真研究张 庆（中国船舶集团有限公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023）摘要：以入耳式耳机为研究对象，针对其高频调节不顺畅问题，尝试从等效声容理论层面给出一种全新的腔体设计。在仿真分析中，声压、频响的调整会相应改变容值大小，有效调节耳机频率。腔体结构初期容值为 1kHz，频率调节范围约为 10dB。针对大于 20kHz 的高频传声需求，从传声衰减、吸音设计等方面进行仿真设计分析，给出了可用的声容控制方案。关键词：耳机；高频；腔体Study on Design and Simulation of High Frequency Regulating Cavity Based on Equivalent Sound CapacityZHANGQing(The715thResearchInstituteofChinaStateShipbuildingCorporationLimited,Hangzhou310023,China)Abstract:Inthispaper,wetrytogiveanewkindofcavitydesignfromtheperspectiveofequivalentsoundcapacitytheory.Inthesimulationanalysis,thesoundpressure,thefrequencyresponseadjustment,willcorrespondinglychangethevolumevalue,achievestheadjustmentearphonefrequencytheeffect.Theinitialvolumeis1kHzandthefrequencyrangeisabout10dB.Aimingattherequirementofhighfrequencysoundtransmissionlargerthan20kHz,thedesignofsoundtransmissionattenuationandsoundabsorptionissimulatedandanalyzed.Keywords:headphone;highfrequency;cavity0 引 言耳机电声转换具有多种形式，具体包括动圈转换、静电转换以及二维振膜转换等。当前，生产耳机期间，设计的各组件、元件匹配、部件组装均存在一定的技术难度。在完成耳机生产任务后，耳机音质控制效果欠佳，无法再调整音质。当前用于耳机调音的形式，多数是借助音频分频设备或者使用滤网。设备调音时，能够在各单元中合理分配信号，主要使用具备多单元发声功能的产品。滤网调音采用增设阻尼装置的形式，能够有效控制高频峰值。1 等效声容的理论分析1.1 声学元件分析在改变耳机频率参数时，需找出声学理论指标与频响之间存在的关系。声学理论指标具体包括声负载、声学结构等。声负载主要指耳机声电转换的压力场，是多种声学条件的综合体。声学元件组成类型较多，具体包括发声装置、声容、阻尼装置、音质控制以及传声结构等。各类声学元件多用于小型电声程序，有多种组成方式。各类声学元件的组成形式均会引起频响发生变化。在声电转换的压力场环境中，耳机程序与一般环境中的发声装置一致，共有 3 个声音调节区，分别为弹性保持区、阻力调控区和音质控制区。然而，在声负载有差异的情况下，压力场环境中监测的谐振频率 f 与负载相互叠加后，会产生具有叠加性的声容与音质。为此，压力场和一般声电环境中的谐振频率 f 具有一定的差异性。在压力场环境中，弹性保持区的频率均低于 f，阻力调控区的频率与 f 相近，音质调控区的频作者简介：张 庆（1989），男，硕士，工程师，研究方向为机械结构设计。2023年第47卷第4期76扬 声 器 与 传 声 器扬 声 器 与 传 声 器oudspeaker and MicrophoneL率为 f 到 3 kHz。高于 3 kHz 的频率范围，均作为高频率分层次振动区，可能会出现腔体谐振现象1。1.2 高频声学技术分析频率较高的条件下，处于后腔位置的传声阻力、传声频率增大时，传声容积会变小。多数情况下的后腔容积较高，形成的传声阻力不大，类似声电短路现象。结合等效电路理论，耳机高频多处同振的频率算法为112hhhfc M=（1）22220 020 020 01121111111211112hhhhahaahafc McccfccMMVcp cfcp cVp c=+（2）Mh=Ma+M2（3）式中：fh为安装耳机外壳传出的高频多处共同振动频率，kHz；ch为声电转换系统的声容值，m3；Mh为声电转换系统的传声质量，dB（A）；ca，c2分别为声容等效电路中两条线路的声容参数，m3；Ma，M2是与 ca，c2相互对应的传声质量，dB（A）。将式（2）和式（3）代入式（1），得出高频振动条件下振频与等效声容之间的内在关联，即2220 020 020 01121111111211112hhhhahaahafc McccfccMMVcp cfcp cVp c=+=+|+（4）腔体大小与等效声容的相互关系为20 020 020 01121111111211112hhhhahaahafc McccfccMMVcp cfcp cVp c=+=+|+=（5）式中：c为等效声容值，m3；V为腔体空间大小，m3；p0为空气密度，一般取固定值 1.21 kgm-3；c0是指在一般空气密度条件下的声音传播速度，在环境温度为 20 时，取值为 344 ms-1。整理式（4）和式（5），得出 c 与 fh之间的关系为20 020 011112hafcp cVp c|=+|（6）前部腔体内等效声容 c2的大小会在一定程度上干扰发声程序的高频参数。c2与等效音质会共同传出谐振，干扰曲线高频峰段的振动频率。增加前腔区域 V2大小后，结合式（6）的参数关系，fh参数会变小，达到频率调节目标。参照等效声容的各项理论内容，针对耳机产品内部高于 1 kHz 频率进行合理调节，给出相应的腔体设计方案。2 腔体结构设计分析2.1 腔体结构组成以等效声容理论为基础，给出高频腔体的空间设计方案。此方案可用于市场内多数耳机的声电单元，主要用在调整等效容体大小方面，间接调整高频传声区传出的频响问题。此种腔体结构设计具体包括动铁程序、腔体传声空间以及高频调节装置等。其中，动铁程序使用的设备类型较多，按照规格划分时，外径参数为 8 386 mm。结构设计有内磁、外磁、双磁、防磁以及腔体等类型。依照入耳式耳机的腔体设计需求，动铁装置应尽量控制参数大小选择合适的腔体类型，综合完成产品设计。动铁装置的性能，具体如表 1 所示。表 1 动铁装置性能参数具体值额定阻抗/815%额定功率/W0.5大功率/W1共振频率/Hz43020%频率范围/Hz0 4 500谐波失真/%7动铁装置前后均设有一组腔体结构，而腔体空间大小、外观形状等因素均会干扰传声音质。前壳与振膜的间隔位置组成的腔体空间为前腔，其等效声容为 c2，会干扰高频段的少量传声音质。尝试使用调音装置调整前腔空间的大小，以达到高频调音的设计效果。高频调容腔体进行空间设计时，含有外壳前后两个部分。外壳后端主要是耳塞的开启位置，从此处穿入导线。外壳内部组成中添加了调节操作装置、调容程序等。外壳前侧包括耳帽、阻尼过滤装置，以保证声音特性的调节 效果2。2.2 腔体结构仿真传声过程使用线上模型仿真运行调容型腔体设计。声学仿真分析的技术流程为“创建产品立体模型优化模型参数划分网格功能优化网格设计添加边界条件获取仿真结果”。以前腔设计为例，从体积最大和体积最小两个视角分别开展建模分2023年第47卷第4期77Loudspeaker and MicrophonE扬 声 器 与 传 声 器扬 声 器 与 传 声 器析。仿真分析过程及结果，如表 2 和表 3 所示。表 2 频响频率与变幅情况频响频率/Hz频响幅度/dB20-10120-8500-152 000-8表 3 前腔不同位置的频响测定结果前腔/mm前腔最大时频响值/dB前腔最小时频响值/dB+104.474.17+204.424.12+304.364.06+404.283.95仿真分析中，声压分布图内能够清晰展现耳机前腔结构内的声学特点。在前腔空间最大时，相距前腔的 10 50 mm，频响值从 4.47 dB 降至 4.28 dB。在前腔空间最小时，相距前腔较远的位置频响最小值达到 3.95 dB。可见，在腔体最近的位置频响值与腔内情况最接近。人耳能够听到的声音频率范围为 20 20 000 Hz。前腔最大、最小两种情况中，频率调节范围最大值为 10 dB。当频率为 3 kHz、1 kHz 两种情况时，传出的声音响度差异为 8 dB，增加了声音的立体性。经过仿真运行、实践调节，可见达到了声音频率的调节目标3。3 大于 20kHz 高频的传声设计分析3.1 传声衰减分析在入耳式耳机设计期间，考量调容腔体内传声衰减的具体情况。一般情况下，在自由声场传播声音时，仅需考虑声音传播距离形成的衰减问题，未考量吸音材料、腔体结构等各类因素带来的传声衰减问题。实际上，在不同腔体结构中，声音传播会出现差异性衰减情况。为此，有必要从多种腔体结构出发进行传声模拟分析，找出符合声容控制需求的腔体结构方案。在仿真分析中，以前腔结构为例，设计出三角形、四方形、长方形等多种结构。在传声模拟中，仅有正圆形前腔结构的传声衰减量较小，能够保证声容处于等效状态。其他形状的前腔结构中，空间较大时传声衰减量相应增大。在传播声音时，其他外形的腔体结构较大的传声衰减会削弱传声质量，增加声容调节的难度4。3.2 吸音设计分析腔体结构设计时会考虑吸音材料的选择，防止声音散失，使其传声更有效。在模拟分析中选择具有吸音性和不具有吸音性两种材料分别设计腔体结构，以对比传声效果。模拟观察中使用吸音性材料，能够减少传声散失量，确保传声清晰性。不具有吸音性的材料构成的腔体结构，会流失较多的声音信号，削弱了入耳式耳机的整体性能。声频参数选择 1 50 kHz，高于 5 kHz 的声音，传声流失量较大。因此，有必要使用具有吸音性的材料进行腔体结构设计，保证传声效果。使用吸音材料进行调容操作时，操作较为灵活，能够保证调容操作的顺利性5。4 结 语结合等效声容的理论内容，从腔体组成、前后腔体设计方案、混响交叠时间等多个层面逐一进行腔体设计，以保证声容均衡性，提高传声音质。在模拟分析中，前腔空间较大时会产生较高的声响。前腔参数的最大取值方案与最小值设计中，给出了 10 dB 的调频量。后腔设计中应选择适中参数，保证混响交叠声音质量，维持声容平衡。传声衰减分析中，选择正圆形腔体结构设计，以控制声音衰减量。吸音材料分析中，选用具有吸音性的材料完成腔体结构设计，以保证传声效果。调容装置动力分析中，测出腔体结构各点受力大小为 5.5 8 121 Nm-2，相应引起腔体结构出现的位移量不高于 3.22 mm，由此证明了此种腔体结构设计方案的可用性。参考文献：1闫银锁，李晶晶，武书彦.基于 PowerQuery 的噪声等效声级自动化计算应用研究 J.工业卫生与职业病，2022，48（6）：526-527.2纪彬，殷治国，邢建升，等.230MeV 超导回旋加速器高频腔体的研制 J.原子能科学技术，2019，53（9）：1552-1557.3马国武，胡林林，卓婷婷，等.用于MW级回旋管的TE34，10模圆柱高频腔体设计（英文）J.红外与毫米波学报，2019，38（1）：15-20.4李志良，冯进军，刘本田.回旋振荡管高频理论及在 170GHz 器件设计中的应用 J.真空电子技术，2018（5）：13-18.5师瑞文.入耳式耳机腔体结构的仿真设计及其优化 J.机械管理开发，2020，35（11）：23-25.编辑：郭芳园