基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计

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摘要:

手机的语音通话质量很大程度上取决于麦克风拾取语音信号的质量,而手机麦克风导音管对麦克风录入的语音信号质量有很大的影响;同时,双麦克风语音消噪逐渐在高端手机中普及,好的麦克风导音管设计对提高双麦克风语音消噪性能有至关重要的作用。本文借助SYSNOISE软件对手机麦克风导音管声学结构进行分析、仿真计算,在手机开模之前给麦克风导音管的声学性能做一个预评估,以避免修模或减少因为麦克风音频结构问题而导致修模的次数,减少测试的时间周期和费用,以加快手机研发速度,节约研发成本。

引言

随着通讯技术、信号处理技术、软件开发等相关领域的飞速发展,手机的更新换代越来越快,手机产品的生命周期也日渐缩短。短周期的手机产品寿命,要求手机产品有更短的研发周期。在保证产品质量的前提下,快,已经是手机产品行业以及其他便携式电子产品行业生存立命之关键。仿真计算就是在产品开模之前对产品的性能做一个预估,指出存在的问题,提供改进的方向,在开模之前尽量发现产品自身存在的问题,这样能有效减少开模、修模的次数,减少测试时间和费用,缩短开发周期,降低开发成本。仿真计算的作用被越来越多的企业认可,而手机麦克风导音管声学性能仿真计算正是手机音频新能预估的一个重要部分,值得我们分析和探讨。

理论及设计原理

手机的语音通话质量主要包括上行和下行两部分:下行是通过受话器到人耳的部分,上行则是人嘴巴到手机麦克风的部分。手机麦克风导音管是声音从嘴巴到麦克风的必经之路,设计好的麦克风导音管是获得好的语音通话质量的重要保障。

语音频带分为宽带和窄带,窄带最高到3.4kHz,宽带到7.4kHz,手机要想获得好的通话质量自然就要做宽频带语音。麦克风导音管设计主要用于宽频带语音设计的手机或是带语音消噪功能的高端手机。麦克风导音管的主要设计目标为以下几点:1.对于单麦克风手机,主要设计目标是导音管腔体在关心的语音频带范围内不出现共振模态,一般设计麦克风导音管的谐振频率到10kHz(这样频响的共振峰才会对7.4kHz以下影响较小)以上。2.对于双麦克带语音消噪功能的手机,一方面要设计两个麦克风的导音管的共振频率到10kHz以上,另一方面还要设计两个麦克风导音管在7kHz以下频率段的频响尽量接近或一致,这样更有利于对语音信号进行消噪处理,达到更好的消噪效果。

对于一端开口的长管状腔体,第一阶共振频率一般用以下公式计算:

基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计(1)

其中为空气中的声速,L为管状腔体的长度。对于形状接近霍姆赫兹共鸣腔的腔体,共振频率一般用以下公式计算:

基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计(2)

其中S为共鸣腔入声孔面积,l为入声孔长度,V为共鸣腔体积。

对于麦克风导音管,根据实际的形状尺寸选择合适的理论计算公式就能得到较为接近的腔体谐振频率值,但是理论公式都是规则形状和理想条件下的计算公式,只能作为腔体共振频率计算的一个参考。对于一些形状不规则的手机麦克风导音管来说,用有限元的数值方法计算则更为恰当。

导音管结构设计与仿真计算

利用声学仿真软件进行麦克风导音管声学结构设计的一般步骤为:

基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计

下面以某项目手机麦克风模组为例来进行导音管的结构设计,原麦克风导音管模组的结构设计如图1所示,PCB板、麦克风、密封rubber和外壳共同形成了麦克风导音管腔体。对于这样一个手机麦克风模组,我们要计算其导音管腔体的谐振频率,首先要将导音管腔体内的空气建成实体模型,该麦克风模组对应的导音管腔体的3D模型如图2所示。

基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计

图1 某手机麦克风模组结构剖面图 图2 根据结构图建立的导音管腔体实体模型

获得导音管腔体内空气的实体模型之后,就要对腔体进行有限元网格划分,最后将划分好的有限元网格模型导入声学仿真软件SYSNOISE进行仿真计算,计算后即可获得腔体的共振频率,原导音管腔体计算结果如图3所示。根据麦克风导音管腔体的具体尺寸,利用公式(2)获得的共振频率值为6337Hz。

基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计

图3 原导音管腔体的共振频率

从SYSNOISE的计算结果来看,导音管腔体的第一阶共振频率约为6078kHZ,这个计算结果与理论公式(2)的计算结果很接近。这个共振频率落在了我们关心的语音频带范围之内,在此导音管作用下,麦克风录入的信号感度频响曲线在6kHz附近会出现峰值,这个是我们所不期望的。造成此导音管腔体的共振频率较低的主要原因是麦克风导音管腔体的体积偏大,长度偏长,因此需要修改麦克风模组的3D结构减小导音管腔体体积,达到提高麦克风导音管共振频率的目的。、

根据前面仿真计算结果知道,需要减小导音管腔体体积。在不改变手机外形设计、保证麦克风导音管气密性的前提条件下更改了腔体结构设计,剖面图如图4所示。修改后麦克风模组对应导音管腔体内空气的实体模型如图5所示。

基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计

图4 修改后麦克风模组结构剖面图 图5 修改后麦克风模组对应的导音管腔体

获得新的导音管腔体内空气的实体模型之后,接下来对腔体进行有限元网格划分,然后将划分好的有限元网格模型导入声学仿真软件SYSNOISE进行仿真计算,计算后获得新腔体的共振频率的计算结果如图3所示。根据麦克风导音管腔体的具体尺寸,利用公式(1)获得的共振频率值为17551Hz。

基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计

图6 修改后导音管腔体的共振频率

从仿真结果看,修改后新麦克风导音管腔体的共振频率变为16546Hz(与理论值差别不大,理论值可作为设计时的简单参考),这个共振频率已经远离我们关心的语音频带范围之外,在100-7.4kHz的频率范围内频响曲线不会出现峰值,这样的设计满足了设计要求,这说明我们的修改设计时有效的。

前面从腔体的共振频率值分析了腔体的声学特性。下面将利用SYNSOISE软件从麦克风通过导音管录到信号的频响曲线来分析导音管腔体的声学特性。为了方便分析麦克风导音管腔体自身的频响特性,这里我们假设麦克风本身的频响是一根水平的直线,声信号源为扫频信号。

要计算导音管自身的频响,这里需要用到SYSNOISE中的声线边界元。获得导音管腔体的3D模型之后,通过适当的几何模型操作仅仅保留导音管腔体的声边界(模型表面),再利用网格划分工具在腔体表面划分网格后即获得SYSNOISE分析所需的边界元模型。通过SYSNOISE声学边界元获得修改前后导音管腔体自身频响曲线如图7所示。

基于LMS Sysnoise的手机麦克风导音管结构设计

图7 麦克风导音管修改前后的频响曲线对比

从图7的频响曲线看,原导音管的频响曲线在6kHz附近有个峰值,这个峰值正好与仿真计算出腔体的共振频率相对应。经过设计修改之后,腔体的共振频率提高到了16kHz以上,在7.4kHz以下的频率范围内腔体频响曲线无峰值出现。但修改后腔体的频响曲线仍然在8-10kHz范围内高频有所抬升是因为16kHz附近共振峰对它有一定的影响,因此设计腔体的共振频率越高越好。从频响曲线的计算结果看,我们通过仿真计算修改结构模型,也达到了导音管声学性能的要求。

结论

通过SYSNOISE的仿真计算结果,判断目前麦克风导音管腔体是否满足音频性能要求,然后通过计算结果给出导音管腔体的修改方向,然后通过仿真结果建议修改原3D模型,模型修改后再看是否满足设计要求,满足要求之后然后才去开模。这样可以在产品开模前找出存在的一些音频问题,能有效减少以后产品音频结构修模的次数。

从本文整个分析设计过程来看,我们可以得出以下结论:

  1. 通过理论公式与有限元模型仿真计算结果对比表明仿真结果是可信的,并且由于实际项目运用中的腔体大多数是形状不规则的,因此采用有限元数值计算的方法更为合理。
  2. 通过仿真计算结果提供的修改方向,修改了3D模型之后导音管腔体的共振频率提高到了16kHz以上,达到了设计目标。
  3. 导音管腔体体积越大,长度越长,腔体的共振频率越低。要提高导音管腔体的共振频率,其改进方向是减小导音管腔体体积,缩短导音管腔体长度。
  4. 麦克风要想通过导音管获得比较平顺的频响曲线,在关心的语音频带范围内频响曲线不出现共振峰,需要将腔体的共振频率设计到关心的语音频带范围之外,距离越远越好,即共振频率设计的越高越好。

参考文献

  1. 杜功焕、朱哲民 、龚秀芬,《声学基础》,南京大学出版社,2001年3月第二版。
  2. 盛美萍、王敏庆、孙进才,《噪声与振动控制技术基础》,科学出版社,2001年8月第一版。
  3. 李增刚,《SYSNOISE Rev5.6详解》, 国防工业出版社 ,2005年8月。

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