手机音腔设计规范

XXX移动通讯 电声部品选型及音腔结构设计 1. 声音的主观评价 声音的评价分为主观和客观两个方面,客观评价主要依赖于频响曲线﹑SPL值等声学物理参数,主观则因人而异。一般来说,高频是色彩,高中频是亮度,中低频是力度,低频是基础。音质评价术语和其声学特性的关系如下表示: 从人耳的听觉特性来讲,低频是基础音,如果低频音的声压值太低,会显得音色单纯,缺乏力度,这部分对听觉的影响很大。对于中频段而言,由于频带较宽,又是人耳听觉最灵敏的区域,适当提升,有利于增强放音的临场感,有利于提高清晰度和层次感。而高于8KHz略有提升,可使高频段的音色显得生动活泼些。一般情况下,手机发声音质的好坏可以用其频响曲线来判定,好的频响曲线会使人感觉良好。 声音失真对听觉会产生一定的影响,其程度取决于失真的大小。对于输入的一个单一频率的正弦电信号,输出声信号中谐波分量的总和与基波分量的比值称为总谐波失真(THD),其对听觉的影响程度如下: THD<1%时,不论什么节目信号都可以认为是满意的; THD>3%时,人耳已可感知; THD>5%时,会有轻微的噪声感; THD>10%时,噪声已基本不可忍受。 对于手机而言,由于受到外形和Speaker尺寸的限制,不可能将它与音响相比,因此手机铃声主要关注声音大小、是否有杂音、是否有良好的中低音效果。 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,Speaker、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。 Speaker单体的品质对于铃声的各个方面影响都很大。其灵敏度对于声音的大小,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Speaker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。 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Speaker相匹配,否则,输出电压过大,导致Speaker在某一频段出现较大失真,同样会产生杂音。 共11页 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Speaker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。 3. Speake r的选型原则 3.1 扬声器(Speaker)简介 3.1.1 Speaker工作原理 扬声器又名喇叭。喇叭的工作原理:是由磁铁构成的磁间隙内的音圈在电流流动时,产生上下方向的推动力使振动体(振动膜)振动,从而振动空气,使声音传播出去,完成了电-声转换。喇叭实际上是一个电声换能器。 对手机来说,Speaker是为实现播放来电铃声﹑音乐等的一个元件。手机Speaker音压频率使用范围在500Hz~10KHz。 3.1.2 手机用Speaker主要技术参数及要求 a>. 功率Power。功率分为额定功率Rated Power和最大功率Max Power。 额定功率是指在额定频率范围内馈给喇叭以规定的模拟信号(白噪声),96小时后,而不产生热和机械损坏的相应功率。 最大功率是指在额定频率范围内馈给喇叭以规定的模拟信号(白噪声),1分钟后,而不产生热和机械损坏的相应功率。 注:手机用喇叭一般要求的功率:额定功率≥0.5W,最大功率≥1W。 b>. 额定阻抗Rated Impedance。 喇叭的额定阻抗是一个纯电阻的阻值,它是被测扬声器单元在谐振频率后第一个阻抗最小值,它反映在扬声器阻抗曲线上是谐振峰后曲线平坦部分的最小阻值。 注:手机用喇叭的额定阻抗一般为8Ω。 c>. 灵敏度级又称声压级Sound Pressure Level(S.P.L)。 在喇叭的有效频率范围内,馈给喇叭以相当于在额定阻抗上消耗一定电功率的噪声电压时,在以参考轴上离参考点一定距离处所产生的声压。 注:手机用喇叭的灵敏度一般要求≥87dB(0.1W/0.1m)。 d>. 总谐波失真T otal Harmonic Distortion(T.H.D)。 它是指各种失真的总和。主要包括:谐波失真、互调失真、瞬态失真。 注:手机用喇叭的总谐波失真在额定功率1KHz时应小于5%。 e>. 共振频率Resonance Frequency (fo) 由阻抗曲线可见,在低频某一频率其阻抗值最大,此时的频率称之为扬声器的共振频率,记为fo,即在阻抗曲线上扬声器阻抗模值随频率上升的第一个主峰对应的频率。 注:手机用喇叭的共振频率一般在800Hz左右。 3.2 手机用扬声器(Speaker)的评价原则 Speaker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Speaker在音质、音量上会有较大的差异。因此选择一个合适的Speaker可较大程度地改善手机的音质。 Speaker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Speaker 在整个频域内的响应特性,是最重要的评价。失真度曲线反映了在某一功率下,Speaker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Speaker的有效工作时间。 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,Speaker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 共11页 Speaker 的低频特性,是频响曲线次重要的指标。平坦度反映了Speaker 还原音乐的保真能力,作为参 考指标。f 0处响度值反映了低音的性能,作为参考指标。 听感评价是一种主观行为,一般只作为辅助性评价。在客观数据评定难以取舍或没有相关测试条件时,应组织相关人员或音频工程师进行主观试听评价。 3.3立体声手机喇叭的选择 a>. 二个(或多个)喇叭的电声性能应保持一致。 否则会发生因二个(或多个)扬声器相位特性和声压频率特性不同而产生的声像移位和干扰。 b>. 二个喇叭不能靠得太近,否则声场会变小,左右声道声音容易产生干扰。 c>. 音腔设计时,注意两个后音腔不能导通,要相互隔开且密封设计。 3.4 手机用扬声器(Speaker)的选型推荐 详见标准部品库(制定中)。 4. 手机Speaker 音腔性能设计 手机音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。 为了提高手机音效品质,提升声腔设计水平是结构工程师的本职工作。所以本设计主要讲述音腔结构设计,其他影响音效的主要因素Speaker 选型﹑音频电路设计及MIDI 音乐选型需硬件部﹑软件部﹑音频小组等各部门的大力配合,共同把手机的音效水平提升到新的高度。 4.1 音腔结构简介 手机的声腔设计主要包括后声腔、前声腔、出声孔、密闭性、防尘网五个方面,如下图: 下面,就分别从以上五个部分详细介绍手机音腔设计必须或尽量遵循的准则。 4.2 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值时,它对低频的改善程度会急剧下降,如图2示。 后声腔 Speaker 防尘网 出声孔 图1 声腔结构示意图 图2横坐标是后声腔的容积(cm3),纵坐标是Speake r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值时,其变化对低频性能影响很大。 需要强调的是,Speake r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Speake r,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,必须避免出现这种异常空间情况,尽量设计形状规则的音腔。 对于不同直径的Speake r,声腔设计要求不太一样,同一直径则差异不太大。根据不同直径Speake r 的低频谐振点f 与后声腔容积的关系测试数据,具体推荐值如下: φ13mm Speake r: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1.4cm3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1cm。后声腔推荐值为1.4cm以上,当后声腔大于3.5cm 时,其容积变化对低频性能影响会比较小。 当然,对φ13mm Speake r,由于单体偏小,各厂商的产品品质也参差不齐,听感与更大的Speake r 相比会有一定差异,一般情况下不推荐使用。 φ15mm Speake r: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1.6cm3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1.6cm3。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 Speake r: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1.6cm3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1.6cm3。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 Speake r在性能上和φ13mm Speake r有些类似,一般也不推荐使用。 φ16mm Speake r: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 Speake r,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。 共11页 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 Speake r,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。 综上所述,可得下表: 注: a>. 后音腔设计时,必须保证Speake r后出声孔出气畅通,即Speake r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。 b>. 若采用壳体长出胶位密封设计后音腔,则需采用T0.5mm厚泡棉(单面带胶)为密封材料,壳体胶位厚度设计为0.6mm以上,距离PCB间隙为0.35mm,以封闭音腔。此时泡棉起到双重作用:即密封及缓冲。 c>. 后音腔容积尽量大些,一般推荐3cm3以上,但在手机实际设计中难以达到这个要求,则以上述推荐容积设计。 d>. 后音腔如果太小,比如小于1.5或1 cm3,。,则不可设计密封音腔。 4.3 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,如图3。 注:图 图3 前声腔容积对高频性能的影响 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 共11页 继续阅读