手机声腔设计.doc

手机声腔设计

1.目的
    手机声腔对于铃声音质的优劣影响很大。同一个音源、同一个SPEAKER在不同声腔中播放效果的音色可能相差较大，有些比较悦耳，有些则比较单调。合理的声腔设计可以使铃声更加悦耳。
    为了提高声腔设计水平，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。
    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

2.后声腔对铃声的影响及推荐值
    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
需要强调的是，SPEAKER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SPEAKER，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。
    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部分又扁、又细、又长，那么该部分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，必须避免出现这种情况。
    对于不同直径的SPEAKER，声腔设计要求不太一样，同一直径则差异不太大。具体推荐值如下：
φ13mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在800Hz～1200Hz之间。
    当后声腔为0.5cm3时，其低频谐振点f0大约衰减600Hz～650Hz。当后声腔为0.8cm3时，f0大约衰减400Hz～450Hz。当后声腔为1cm3时，f0大约衰减300Hz～350Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减250Hz～300Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大约衰减100Hz～150Hz。因此对于φ13mm SPEAKER，当它低频性能较好（如f0在800Hz左右）时，后声腔要求可适当放宽，但有效容积也应大于0.8cm3。当低频性能较差时（f0>1000Hz），其后声腔有效容积应大于1cm3。后声腔推荐值为1.5cm3，当后声腔大于3.5cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。
    φ15mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在750～1000Hz之间。
    当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为1cm3时，f0大约衰减600Hz～750Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大约衰减200Hz～250Hz。因此对于φ15mm SPEAKER，后声腔有效容积应大于1.5cm3。当后声腔大于3.5cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。
    13×18mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在780～1000Hz之间。
    当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为1cm3时，f0大约衰减600Hz～750Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大约衰减200Hz～250Hz。因此对于13X18mm SPEAKER，后声腔有效容积应大于1.5cm3。当后声腔大于3.5cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。
    φ16mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在750～1100Hz之间。
    当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0大约衰减600Hz～700Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为2cm3时，f0大约衰减300Hz～350Hz。当后声腔为4cm3时，f0大约衰减150Hz～200Hz。因此对于φ16mm SPEAKER，后声腔有效容积应大于1.5cm3。后声腔推荐值为2cm3，当后声腔大于4cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。
    φ18mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在700～900Hz之间。
    当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减700Hz～950Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0大约衰减500Hz～700Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0大约衰减500Hz～700Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为2.1cm3时，f0大约衰减250Hz～400Hz。当后声腔为4.3cm3时，f0大约衰减120Hz～160Hz。因此对于φ18mm SPEAKER，后声腔有效容积应大于2cm3。当后声腔大于4cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。
     注：后声腔设计时，必须保证后出声孔出气畅通，即后出声孔距离最近的挡板距离应大于后出声孔径的0.8倍。

3.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
由于手机MIDI音乐的频带一般为300Hz～8000Hz，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6000Hz～8000Hz之间。因为如果高频波峰太高（高频谐振点大于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（高频谐振点小于6000Hz），那么声腔的有效频带可能会比较窄，导致音色比较单调，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。由于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。
4.出声孔对声音的影响及推荐值
    出声孔的面积（即在SPEAKER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。
    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
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，分布比较均匀，且过中心，那么可以取较小值，否则应取偏大一些的值。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，反而可以提高声强。
5.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5。
    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。
    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。

6.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SPEAKER。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SPEAKER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。
    我们以往采用的不织布防尘网存在一个问题，由于不织布的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。但不织布的成本比防尘网低很多，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。但是由于声音具有一定的特殊性，因此，建议设计人员在结构手板完成后，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。

 7. 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，便于工程师根据测试结果分析问题、调整声腔参数等。
    7.1 实验内容
    （1）EA Frequency Response(频响曲线测定)
    （2）EA Total Distortion(失真率测定)
    7.2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与MICROPHONE的距离为10mm（±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300~10000Hz。将电平（level）分别设定为：
    0.3w（输出电平修正参数为13.8dB）；
    0.5w（输出电平修正参数为16dB）；
    SPEAKER的最大功率；
    单击右键选择开始测定，将测试结果创建报告并储存。
    （二） 失真度测定：
    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0.3w，0.5w和SPEAKER最大功率时的电压，作为标准输入电压，然后以6th octave row b选择频率范围为500~10000Hz单击右键选择开始测定，将测试结果创建报告并储存。
五. 音频电路检测
    1. 目的
    手机铃声出现杂音的原因较多，如输入电压过大导致SPEAKER发声严重失真、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问题。
    整体电路检测法：将测试专用的单音mp3文件输入到手机中，然后在SPEAKER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，结果比较准确，但仅适用于能够播放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。它适用于功放与芯片分离的电路。
    2.整体电路检测方法
    本方法是为了检测能够播放mp3手机的音频电路整体输出性能。
    2.1 实验内容
    1．Frequency Response(频响曲线测定)
    (频响：在一定条件下，器件或系统由激励所引起的运动或其他输出)
    2．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．step 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）
    2.2 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．在测试手机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0.1W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1kHz的铃声，音量由小到大增加，测试输出信号强度和失真，并记录数据，绘制音量梯度曲线与失真率曲线。
    23 测试结果评价
    1．频响曲线测定与失真率
    各单频铃声所测信号强度与1KHZ信号强度不超过±3dB，失真不超过6%。
    2．音量梯度测定
    输出信号强度要线性递增，最大音量时失真不超过5%。
    3. 音频功放电路测试流程
    本方法是为了验证音频放大电路是否存在问题；输出是否与SPEAKER相匹配。
    3.1 实验内容
    1. Frequency Response(频响曲线)
    频响：在输入信号电平一定的条件下，改变输入信号的频率，测试输出端各频率所对应信号的大小。
    2. Linearity 特性
    所谓Linearity 特性就是改变输入信号的大小，输出是否成比例地变化，即输入输出呈线性变化。
    3. Total Distortion(失真度)
    失真度即是有用信号(基波分量)以外的信号（如高次谐波或其他干扰信号等）占总信号的比重。
    3.2 实验方法和步骤：
    1．测试仪器： 音频信号发生器，音频信号分析仪，示波器，直流稳压电源
    2. 试验步骤：
    1) 将IC输出端断开，从POWER AMP输入端输入音频信号，断开SPEAKER，接一个与SPEAKER阻值相同的负载电阻；
    2） 根据和弦IC输出的音频信号的最大电平来调整POWER AMP的增益，音量最大时，使1KHz对应的输出电平的失真度为3%，且输出功率不超过SPEAKER的最大功率；
    3) 调节输入频率为1KHz，改变输入信号的电平，测试对应的输出电平和失真度 (即Linearity特性和失真度特性)；
    4) 同样，改变输入频率，分别为500Hz和3KHz，重复步骤3）；
    5) 调节输入信号电平,使1KHz所对应的输出的失真度为1%，记下此时的输入电平；然后保持输入电平不变，改变输入信号的频率，测试对应的输出电平和失真度(即频率响应曲线和失真度曲线)；
    6) 同理：调节输入信号电平，使1KHz所对应的输出的失真度为5%，记下此时的输入电平；然后保持输入电平不变，改变输入信号的频率，测试对应的输出电平和失真度(即频率响应曲线和失真度曲线)。
    3.3 测试结果评价：
    1）Frequency Response(频响曲线)：不同输入频率下所对应的输出电平应平坦，有效频带内任一频点的输出电平与1KHz的输出电平之差应在±3dB以内，且在任何频点，其失真度均应在3%以下。
    2）Linearity特性：输入与输出要呈线性增长，任何输入电平所对应的输出其失真度均应在3%以下