手机声腔设计和音频电路检测

声音的基础知识

1.声压：

由声波引起的压强变化称为声压，用符号P表示，单位为微巴（ubar）或帕（Pa）

1 ubar＝0.1Pa＝0.1N/m2

一个标准大气压P0＝1.03 x10-5Pa

表达式： P=Po(ωt-kx+Ψ)

通常所指的声压是指声压的均方根值，即有效声压。

2.频率：

声源每秒振动的次数称为频率，单位为Hz.

人耳可听得见的声波频率范围约为20Hz~ 20000Hz,即音频范围

3.声速：

在介质中传播速度称为声速。固体最快，液体次之，空气中最慢。

在空气中传播340m/s,水中1450 m/s，钢铁中5000m/s

4.波长：

相邻同相位的两点之间的距离称为波长
λ

Co= λf Co为空气中声速 f为频率

5.声压级：

Lp=20lg(P/Po) (dB) Po为基准声压 2x10-5 pa

基准声压为为2x10-5 pa，称为听阀，即为0dB

当声压为20Pa时，称为痛阀，即为120dB

由此可见，声压相差百万倍时，用声压级表示时，就变成了0dB到120dB的变化范围。

由上式可以看出声压变化10倍，相当于声压级变化20dB；声压变化100倍，相当于声压级变化40dB

一般交谈为30 dB

纺织车间为100 dB

6.声压级与功率的关系：

ΔP=10lg(w/wo) (dB)

wo为参考功率

功率增加一倍，声压级增加3 dB

7.声压级与距离的关系：

ΔP=-20lg(r1/ro) (dB) ro为参考距离

距离增加一倍，声压级减小6 dB

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。

二. 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。

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。

 

三.SPEAKER选型

1. 目的

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可较大程度的改善手机的音质。

为了便于设计工程师选择合适的SPEAKER，本章介绍了SPEAKER的评价原则、测试流程和根据实验结果提供的不同半径SPEAKER选型推荐。

2. SPEAKER的评价原则

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，是最重要的评价标准。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。f₀处响度值反映了低音的性能，作为参考指标。

3. SPEAKER选型推荐

根据2.2节的评价方法，对常用的SPEAKER进行评价。由于供应商提供的SPEAKER参数是在不同条件下测量得到，很难进行对比，因此我们对本公司常用的30多种SPEAKER在同等条件进行实测，根据实验结果，判定SPEAKER的优劣（测试数据见附录一）。

4. SPEAKER测试流程

本流程的目的是为了对SPEAKER性能进行评价，便于工程师选择合适的SPEAKER产品。

4.1实验内容

1.EA 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.EA 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.听感评价

（SPEAKER音质主观评价，作参考）

4.2测试方法与步骤：

测试地点：中期试验部静音室

测试仪器：HEAD acoustics GmbH

测试夹具：12cc标准密闭盒或0.8m×1m障板，我司现用0.8m×1m障板。

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：

点开文件夹选择EA Frequency Response, sweep 12^th octave LS，在右栏设定中选择电平（level）使经过放大器输出分别为：

0.1w（1KHz，负载8欧姆时用示波器测有效值电压为0.894V，P-P值为1.264V）；

0.2w（1KHz，负载8欧姆时用示波器测有效值电压为1.265V，P-P值为1.789V）；

0.3w（1KHz，负载8欧姆时用示波器测有效值电压为1.549V，P-P值为2.190V）；

0.4w（1KHz，负载8欧姆时用示波器测有效值电压为1.789V，P-P值为2.530V）；

0.5w（1KHz，负载8欧姆时用示波器测有效值电压为2.000V，P-P值为2.828V），

频率范围为300~10000Hz。单击右键选择开始测定，将测定结果创建报告并储存。

（二）失真率测定：

点开文件夹选择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0.1w，0.3w，0.5w时电压为标准输入电压，然后以6^th octave row b选择频率范围为500~10000Hz单击右键选择开始测定，将测定结果创建报告并储存。

（三）听感评价：

听感评价是一种主观行为，现只作为辅佐性评价，在客观数据评定难以取舍时，组织相关工程师或音频工程师评价。

4.3实验数据记录和处理（以下数据和图面仅作参考）

1. 频响曲线测试结果

a. 频响曲线图

b. 频响曲线点测数据（SPL）

c. 根据失真测试度数据绘制失真度曲线

四. 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，如下图：

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，如图2示。

图2横坐标是后声腔的容积（cm³），纵坐标是SPEAKER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的阈值时，其变化对低频性能影响很大。

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。

综上所述，可得下表：

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，如图3。

    注：图3中横坐标为前声腔容积，单位cm³。纵坐标为高频谐振点变化的对数值。

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，如图4示。

图4中，横坐标表示出声孔的面积，单位mm²。纵坐标表示高频谐振点变化的对数值。

综上所述，前声腔、出声孔面积设计推荐值如下表：

注：13X18mm椭圆形SPEAKER前声腔和出声孔面积可以参考φ15mmSPEAKER的参数。

上表中最小值表示当出声孔面积小于该值时，整个频响曲线会受到较大影响，音量会极大衰减。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。

 

图5中，横坐标表示泄漏面积，单位mm²。纵坐标表示无泄漏与有泄漏情况下低频谐振点之差。

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，如图6。

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 12^th 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6^th 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。

2.3 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。