手机听筒音量和音质的研究

【摘 要 】针对手机音频入网时对听筒音量和音质的要求, 说明了音频入网时采用的仿真耳的耳型差异, 分析了手机听筒选型和听筒音腔设计的 3 种方案, 编写了软件进行仿真。通过软件仿真和实际测量, 验证了方案的合理性,将通话时使用者的主观感受与入网要求值对应起来。

本文发表于2007，请酌情阅读。谢谢！

1    引言

手机音频入网时对接收通路的要求为: 接收频响 ( Receiving Frequency Response, RFR) 曲线必须在规定 的框线内, 接收响度( Receiving Loudness Rating, RLR) 值必须在 2±3 dB 的范围内。这 2 个指标可直接反映 使用者用手机通话时, 听筒出来声音的质量和大小。 手机在音频入网的时候, 通常采用 ITU- T 规定的仿 真 耳( 也称人工耳) 来测量以上指标。仿真耳包括 Type1 仿真耳型和 Type3.x 仿真耳型。实际测量时将手 机听筒和仿真耳紧密封闭, 这样测量出的 RFR 曲线和 RLR 值虽满足入网指标, 并不能与使用者实际使用时 对声音的质量和大小的感受对应起来: 实际使用时, 不同使用者的使用习惯不同, 有的将手机听筒紧贴着耳朵, 有的在手机和耳朵间会有空隙, 存在泄漏, 从而导致不同使用者的主观感受不同。如何在主观感受和客观指标方面形成统一成为需要研究的问题。

2    理论分析与仿真

要在主观和客观之间形成统一, 就要使客观测量 时的状态与使用者真实使用时的情况一致, 引入一定的泄漏量。

手机音频入网测试时, 要求接收通路频率响应曲线在规定的框线内。图 1 示出手机 RFR 曲线要求。以3GPP- TS26.131 的要求为例,当采用 Type3.x 仿真耳 测试时, RFR 曲线要求在图 1 示出的 2 条框线内。在300~3 400 Hz 范围内, 框线最窄的地方为 9 dB, 最宽的 地方为 14 dB。要满足这一要求, 除了进行滤波器调整 外, 还要求听筒及其结构设计在人工耳下测试的频响 曲线在这一频段内尽量平坦。

听筒在仿真耳上测试时的声学类比线路如图 2 所示。其中, Za 为听筒系统的输出声阻抗,
Za 为仿真耳的输入声阻抗。

ps一定时, 若 Zar>>Zae, 体积速度 U 基本为常量; 若 Zar<<Zae, 人工耳检测到的声压 pe基本为常量。由此可 以看出, 要想使仿真耳测得的频响曲线比较平坦, 300~3 400 Hz 范围内必须使 Zar<<Zae, 即听筒系统的输出特 性呈现低阻状态。

2.1    结构设计方案 1

听筒在手机机壳中最简单的结构设计如图 3 所示。

其中, Pin与输入的电信号有关, 听筒参数为听筒单体本身参数。人工耳可根据需要换成 4185 人工耳型、4195 低泄漏人工耳型( 4195LL) 、4195 高泄露人工耳型( 4195HL) 的类比线路, 根据此类比线路图, 可编制仿真软件,仿真听筒在不同结构设计情况下在人工耳上的表现。人工耳测得的声压 Po表示为: Po=U·Zear。

实验测量结果表明理论仿真可信。仿真发现采用此结构设计时, 在不同的人工耳情况下, 结果差异很大, 尤其在低频段。这主要是由于低频段不同仿真耳的声阻抗差异较大。

2.2 结构设计方案 2

要减小由仿真耳阻抗差异导致的结果差异, 必须减小听筒在结构中的输出阻抗, 以尽量满足 Zar<<Zae。 图 4 示出泄漏式听筒腔体设计方案, 其结构设计出发点为形成 1个反馈网络。利用电学的基尔霍夫定 律, 可求出流过人工耳的体积速度, 从而求出人工耳检 测到的声压。由仿真结果看出, 采用此方案可有效消除不同人工耳测试时的结果差异。

2.3    结构设计方案 3

方案 3 的出发点也是形成合适的反馈网络,将前后音腔连通起来, 如图5所示。人为降低低频段的辐射效率, 从而降低 300~4 000 Hz 范围内的辐射声压差异。利用电学的基尔霍夫定律, 可求出流过人工耳的体积速度, 从而求出人工耳检测到的声压。软件仿真示出1个恰当的前后腔连通的结构设计的频率响应。可以看出, 恰当的结构设计可使 300~3 400 Hz内的曲线波动范围在 20 dB 之内, 有利于实现音频入网; 但此方案听筒的灵敏度随之降低。

3 实验结果

对公司几款采用同样的听筒但腔体设计不同的手 机进行主客观测试, 结果如表 1 所示。

从表1看出,采用 Type1 4185人工耳型调试时,调试达标容易, 但不同的结构设计方案的主观感受和 客观指标不一致。虽然 Type3.x 人工耳的调试困难, 但 可改善主观感受; 采用高泄漏人工耳调试时的主观感受最好。同时, 采用方案 2 或 3 时, 不同人工耳调试时 的主观感受差别不大。

表 1 不同听筒腔体设计的手机客观指标情况和主观感受对比

4    结论

要保证手机听筒的音量和音质, 最好选用泄漏式人工耳来调试, 同时在结构设计上最好引入反馈网络, 人为提高泄漏量( 如采用提出的结构设计方案 2 或 3)。提出的软件仿真可指导泄漏式的结构设计, 提供具体的结构设计参数, 简化补偿滤波器的调节。