手机声学基础

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L2Lorλ/4or1mNearfieldλ/4ReverberatefieldFreefieldλ/4MicrophoneMeasurementRegionSoundFieldsNearfieldFarfieldFreefieldReverberantfieldLpDistance,rA12×A1-6dBMeasurementRegionNearSoundField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。FreesoundField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ReverberantField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。PressureField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)(1||002000ffffQffpp0020)(smBlRQv为品质因素，决定扬声器的频率响应特性；一般取Q0=0.7~0.5（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∝(κρ)-1/2,减少ρ----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。ndvhsmmf1121高频：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，充分表现声乐的神韵。压电扬声器1.超薄（≤1.5mm）、紧凑，易用于手机、笔记本电脑等便携式设备。2.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）。3.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）。4.无磁铁材料5.无线圈材料6.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：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）电容式传声器动圈式传声器机械强度较差，使用寿命短、使用相对麻烦、价格高牢固、抗机械冲击、不易被摔坏、工作稳定、寿命长、使用方便频率响应好，音色清脆、灵敏度高、信噪比高、失真小灵敏度低、频率响应较好、音色浑厚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PER金属层驻极体薄膜空气间隙铜板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/△CECM工作原理简述振膜式工作动态原理图ER动态时薄膜上下振动示意图金属层驻极体薄膜空气间隙铜板PE=Q/C△E=Q/△C背极式工作动态原理图PER动态时薄膜上下振动示意图金属层涤纶薄膜空气间隙驻极体铜板E=Q/C△E=Q/△C全指向产品结构示意图PCB(FET)CHAMBERRINGPLATESPACERDLAPHRAGMCASESCREEN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（mv／Pa)——国际标准毫伏/微巴（mv／ubar)——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)=94dBSPLPa与ubar的换算关系为:1Pa=10ubar所以：1mv/ubar=10mv／paECM灵敏度参数一般用灵敏度级表示.单位为分贝（dB).公式:Lm=20㏒10例：M=10mV／PaLm=20㏒10=20×(-2)=-40(dB)灵敏度级MMr灵敏度参考灵敏度0dB=1V/Pa1V／pa10mv／pa2、频率响应（FrequencyResponse):频率响应是指传声器正常工作的频带宽度。全指向产品——20~20KHZ①ECM频宽：单指向产品——100~10KHZ300~3，400HZ②语音频宽：200~5，000HZ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（G）心脏图（极性图）8字型圆型锐心型4、等效噪声级(SelfNoise)与信噪比(S／NRatio)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。①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。②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。③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㏒()VnM×PoLn:传声器等效噪声级Vn:噪声电压（A计权）（uV）M：自由场灵敏度（Mv/Pa）Po:（参考声压）2×10Pa-5例：一电容传声器测量数据为：灵敏度：＝10mv／Pa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)10uV10mV／Pa×2×10Pa-51010×10×2×103-512×10-21002信噪比（S／N）：传声器灵敏度与固有噪声（A计权）之比。一般用dB值表示。S／N=20㏒例：一动圈传声器的灵敏度为1mv／Pa固有噪声电压为0.8uV则信噪比为:S／N=20㏒=64(dB)MVn1×100.83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-S／NLn=94-S/NVnM×PoVnM1Po1PoVnMMVn1Pa=20㏒=20㏒=20㏒=20㏒(0.5×10)=20㏒(5×10)=80+20㏒5=80+20×0.7=94(dB)IPo12×10102等效噪声级与信噪比的关系S/N=94-Ln1Pa=94dB-5554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：400±20℃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2LINESCON.MICINSERTHOLEMATERIAL:AL3、设计时应注意的几个问题谐振腔Mic●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1mW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IEC318IEC711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：10kHz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;1B0.5B：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f’0m0=m0’f’02/(f02-f’02)kg等效力劲s0s0=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%障板面积），B=1简化：装机后的共振频率RichardH.Small仿真软件PspiceSpectrum公司MicrocapSp