经典手机电声器件基础.doc

一 基本概念
电声学的研究对象集中在200-20KHz的可听频率范围。而与电声学相关的元件就是电声器件。手机中最基本的几个电声器件，分别是喇叭、受话器和麦克风，它们的作用如下。
喇叭（SPEAKER）：手机中用于播放铃声的电声器件。
受话器（RECEIVER）：手机中用于输出语音的电声器件。
麦克风（MICROPHONE）：手机中用于接收话音的电声器件。
各器件在手机中的位置示例
以最常见的折叠手机为例，喇叭、受话器和麦克风在手 机中的位置分别如图一所示。

图一
二 手机电声原理
2.1 手机通话原理
手机与基站之间的基本通话原理如图二所示。

图二
2.1.1 Up-link:上行线路
手机麦克风接收话音—>手机对话音进行处理—>处理后的语音信号发送给基站。
2.1.2 Down-link:下行线路
基站将语音信号发送给手机—>手机将语音信号还原为话音—>话音通过手机的受话器播放出来。
2.1.3 Side-tone:侧音
即说话者不仅能从受话器中听到对方说话的声音，同时也能听到自己说话的声音及环境噪声。侧音相对于话音来说通常是被覆盖掉的。
22 手机的信号流程
手机内部对语音信号进行处理的过程如图三所示，手机的麦克风接收到了语音信号（模拟信号），经过手机DSP芯片的处理，转化为数字信号，分别通过高通滤波器和低通滤波器，滤除高频和低频的干扰信号，再将剩余的语音信号通过受话器还原为声音，传到人耳里，这就是手机对语音信号处理的全过程。

图三
所以说，手机的通话过程就是一个将声音信号转化为电信号，再将电信号还原为声音信号的过程。
三 手机电声器件工作原理
3.1 喇叭和受话器的工作原理
3.1.1 喇叭和受话器的分类
按功能可以将喇叭和受话器分为以下几类：
1）单体喇叭；
2）单体受话器；
3）二合一单面发声喇叭同时具有喇叭和受话器的功能，且喇叭和受话器都从同一面发声；
4）二合一双面发声喇叭：同时具有喇叭和受话器的功能，但喇叭和受话器都分别由两面发声；
3.1.2 喇叭和受话器的结构
在不同类型的喇叭和受话器中，以二合一双面发声的喇叭结构最为复杂，同时包含了喇叭和受话器的结构。因此以二合一双面发声喇叭为例，讲解喇叭和受话器的结构。图四是一个二合一双面发声喇叭的结构图，图中朝上的一面为喇叭（直径较大），朝下的一面为受话器（直径较小），喇叭和受话器共用一套振动磁芯和发声腔体，但有各自的震动膜，向不同的方向辐射出声音。

图四
图中：
1）为喇叭外壳的框架；
2）和3）分别是受话器和喇叭的栅格，也就是供发声的发声孔；
4）和5）分别是受话器和喇叭的振膜，是进行振动发声的主要部件；
6）和7）分别是受话器和喇叭的绕线，缠绕在磁铁的周围，通电后在磁场的作用下运动，带动振膜振动，从而产生声音；
8）是受话器和喇叭中间起到隔断作用的一个套；
9）是受话器和喇叭共用的磁铁，会对通电的线圈产生一定的作用力，迫使线圈运动；
10）金属板；
11）接线端，受话器和喇叭的绕线都引到这里，连接引线；
12)和13）为防尘网，防止灰尘进入喇叭和受话器内部；
14）引线，引出喇叭和受话器的正负极，另一端与主板相连，输入/输出电信号。
3.1.3 喇叭和受话器的发声原理
在喇叭的线圈上通过一定的电流I，在磁场的作用下，线圈将产生一电动力，引起线圈的运动，而线圈连接着振动膜的边缘，带动振动膜一起振动，便向空气辐射了声波。
喇叭和受话器都是将电信号转换为声信号的器件。
3.2 喇叭和受话器的性能参数
3.2.1 外型尺寸参数
1）形状：圆形，椭圆形，跑道形（如图五），……

图五
直径：通常为10~17mm
高度：通常为2-6mm，根据结构尺寸而定
3.2.2电性能参数
1）声压级
声压级是衡量喇叭响度的参数，定义如下

其中 Po = 2 × 10-5Pa， 为参考的压级，这个数值是正常人耳对1KHz声音刚刚能觉察其存在的声压值。通常使用的喇叭声压级的数值在80~100dB之间。
2）响应频率
即喇叭的固有频率，由喇叭的材料、形状等特性决定。
在F0上喇叭的声压级最大。
固有频率较低的喇叭对低频的表现力较好，但同时也可能会有音量较小的问题。
3）频响范围
喇叭在此频段内有较为均匀的声辐射功率，通常在F0到10KHz之间，这一频段也是人耳对声音较为敏感的频段。
4）额定功率和最大功率
额定功率是喇叭和受话器正常工作状态下的功率，而最大功率是喇叭和受话器允许输入的功率最大值。输入功率越大，喇叭和受话器的声压级也越大，但是如果输入功率过大，就会导致振膜的振动幅度过大，由于喇叭高度的限制，振膜向上振动时就有可能碰到喇叭内的铁壳，从而发出刺耳的响声，也就是通常我们所说的“破音”。
5）频响曲线
喇叭/受话器在不同频率上的声压值所构成的曲线。
一张典型的喇叭频响曲线如图六所示。

图六
3.2.3 其他参数
1）连接方式
引线方式，柔性PCB方式，弹片接触式；
2）防尘网
可以有效防止灰尘进入喇叭，除了防尘外，还具有防水、防静电等效果。不同的效果是由于使用了不同的材质，比如防尘、防水的效果使用普通的无防布织成的网就可以了，而防静电则需要选用金属材料的导电织布，有利于将电荷导到接地的地方。
同时防尘网对于声学来说起到一个“声阻”的作用，它在一定程度上将声音滤平，使声音不会太尖锐、刺耳。现在常用的防尘网声阻通常在2~4欧姆，声阻的大小是有防尘网的疏密程度决定的，防尘网越密声阻越大。
3）垫圈
垫圈的厚度决定了喇叭前声腔的厚度
3.3 喇叭和受话器的发展
1）声压级更高
提高输入功率，将铜线圈以实心铜圈代替，输入功率可由0.5W提升至2W，改进振膜材料；
2）频率范围更宽
对各种频率的声音表现力更强，铃声更加悦耳；
3）频响曲线更符合通话要求
通话更清晰，300-30KHz的语音部分声压级较高，噪声较小。
符合人体听觉特性的受话器的频响曲线为如图七的“马鞍型”曲线。

图七
4）立体声喇叭
适用于带立体声功能的手机（如图八），有左、右声道，同时集成了喇叭和受话器的功能，但由于已经固定的两个喇叭间的相对尺寸，所以可能会限制手机结构的发挥。

图八
5）模块化
将喇叭和音腔设计为一体，如图九所示。

图九
这样的设计常用在NOKIA的手机上，喇叭被封装在这个音腔模块中，通过触点式的正负极与主板上的电路连接，在音腔内部与喇叭相连的地方有引导声音的凹槽，将喇叭发出的声音由侧面引出。
优点：这样设计最突出的效果就是铃声的音量比普通手机要大3-5dB，且音腔的结构不受手机外壳的影响。同时音腔上集成了内置天线，在结构上节省了外置天线的位置。
缺点：这样的设计是建立在高成本的基础上的，这样一个音腔模块的造价相当于普通喇叭的4—5倍。且模块一旦拆开即永久破坏，不能再使用，增加了物料维修的成本。
模块化的设计方向是喇叭和音腔设计一个很重要的发展方向，很值得设计师去深入研究和学习。
6）平板扬声器
将显示面板与发声元件组合在一起，通过整个面板来发声，其频率范围较宽，但是由于采用薄膜进行振动，其低音部分仍不够理想。最大的优势在于重量轻，体积小，同时使结构的设计摆脱了喇叭和受话器的限制。

图十

四 麦克风的工作原理
4.1 麦克风的分类
按照麦克风的功能可以将麦克风分为以下几类：
1）动圈式麦克风
2）背极式驻极体麦克风
3）电容麦克风
4.2 麦克风的结构
图十一为最常用的背极式驻极体电容麦克风的内部结构。

图十一
4.3 麦克风的工作原理
麦克风的测试电路如图十二所示。图中红色虚线框内的部分即为麦克风的等效电路。
图十二
背极式驻极体电容麦克风有一接收声波的振膜作为力学振动系统，振膜与背极形成一静态电容C0，这个电容串接到有直流电源和负载电阻的电路中，当振膜受到声波作用时就产生位移，从而使静态电容发生变化，而电容量的变化导致负载电阻中电流的相应变化，因而就在电阻上产生与声波频率相应的交变电压输出。所以麦克风是将声信号转换为电信号的器件。
4.4麦克风的参数选择
4.4.1 外型尺寸的选择参数
1）形状：圆形、长方形；
2）直径：4-6mm；
3）高度：1.0-1.5mm
4.4.2 电性能参数
1）灵敏度：麦克风接收信号的灵敏程度，通常为-44dB或-42dB；过低不利于话音的接收，而灵敏度过高也容易引入噪声；
2）性噪比：S/N；
3）指向性：
全指向：对于所有方向的声音信号都可以进行采集；
单指向：只对离麦克风较近的一端的声音信号进行采集，离麦克风远的声音信号被滤除；
双指向：对于麦克风所指的方向及其反方向的声音信号都可以进行采集；
5）频响曲线：不同指向性的麦克风频响曲线如图十三所示；

图十三
全指向：曲线的形状基本上为一条直线，在各个频点上的灵敏度基本相同。

图十四
单指向：红色的曲线为距离麦克风较近（如1cm）时的频响曲线，灵敏度为-44dB左右，而蓝色的曲线为距离麦克风较远（如50cm）时的频响曲线，灵敏度降低为-70dB左右。这说明这种麦克风的灵敏度受距离的影响很大，离麦克风近的声音可以被采集进来，而离麦克风远的声音信号则被滤除，即远离音源的环境噪声都可以被滤除，因此，信噪比（S/N）较全指向性的高。

图十五
双指向：双指向性麦克风又称为降噪型麦克风，图中黑色虚线为距离麦克风1cm时的灵敏度曲线，灵敏度可以达到-38dB左右，而红色为距离麦克风50cm时的曲线，灵敏度大大降低。
与单指向麦克风的不同之处在于，双指向麦克风不仅可以接收麦克风前端的声音信号，同时也可以接收麦克风后端的声音信号，这个特性使得双指向麦克风很适合新闻采访中使用的手持式的麦克风。用在手机中效果反而不明显。
6）极性曲线：极性曲线是以极坐标来表示麦克风对不同方向和距离的声音信号的灵敏度。
全指向极性曲线：如图十六，全指向麦克风的极性曲线为一个圆，表示各个方向上的灵敏度都相同。

图十六
单指向极性曲线：如图十七，单指向麦克风的曲线为一个“心型”曲线，麦克风正前方，也就是极坐标中的0O的位置灵敏度最高，而其他方向灵敏度较低。

图十七
双指向极性曲线：如图十八，双极性麦克风的极性曲线为“8字型”，在极坐标0o和180o的方向上灵敏度最高，其他方向灵敏度较低。

图十八
4.4.3 其他参数
1）连接方式
引线、FPCB、插针式，各种不同的连接方式见图16。目前较常用的有引线和FPCB两种麦克风：
1.引线：将麦克风的正、负极用导线引出来，连接在主板上。需手工进行焊接，且焊接的工艺水平对麦克风的性能可能会产生影响。
2.FPCB：Flexible Printed Circuit Board，柔性电路板。麦克风的正负极通过PCB板与主板进行焊接，性能稳定性较好。
3.插针式：两个针脚分别为正、负极，这种麦克风现在已较少用
4.触点式：麦克风正负极的触点可以弹性升缩，将麦克风与主板上对应的位置压紧时，触点紧缩，麦克风就与主板连接在一起了。
5.橡胶垫：表面看起来好象没有正负极，而且橡胶垫也不导电，其实在橡胶垫的中间有一条长方形的开口（图中黄色部分），在开口部分里嵌入了很多细的金属导电丝，，当麦克风与主板压紧时，正、负极就与主板的相应位置连接了。

图十九
2)防尘网
可以有效防止灰尘进入麦克风，其作用和原理都与喇叭的防尘网类似，这里不再重复。
3）垫圈
由橡胶做成包裹在麦克风外，主要用与固定麦克风在主板中的位置，同时起到缓冲的作用，保护麦克风不受剧烈的撞击。
4）内置电容、电阻
麦克风内置的电容、电阻可以滤除一定的射频干扰，电容、电阻的具体数值通常是根据经验来确定的，比如常用的有10pF和33pF的滤波电容。
4.5 麦克风的发展
1）性噪比更高
通过改善接地方式获得更好的屏蔽效果，降低噪声。比如常用的麦克风正负极为两个并列的连接点，容易引入干扰，而将正、负极改为同心圆（如图二十一）的连接方式，正极为圆心，负极在外包围正极，就可以良好接地，减少噪声。

图二十一
2）降低射频干扰
通过增加滤波电容，10pF电容用于滤除1800MHz的射频干扰，33pF用于滤除900MHz干扰，还有使用8.5pF来滤除1900MHz干扰。
3）半导体麦克风
封装如图21所示

图二十二
与传统麦克风不同的是，半导体麦克风采用半导体工艺使用寿命长，其最大的优点是贴片封装，可以进行SMT贴片，有利于提高生产效率；同时灵敏度稳定，受环境影响小；且耗电省，工作电流 <0.25 mA；但其最大的缺点是造价昂贵，价格约为传统麦克风的10倍左右。
4）dB MIC：
该类型是新出现的一种麦克风，封装如图22所示。它和半导体麦克风一样可以进行SMT贴片，且具有稳定的灵敏度。而且价格不像半导体麦克风那样昂贵，与普通麦克风相当。但由于是新兴产品，所以制造工艺尚不成熟。

图二十三
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