经典手机电声器件基础

一基本概念

电声学的研究对象集中在200-20KHz的可听频率范围。而与电声学相关的元件就是电声器件。手机中最基本的几个电声器件，分别是喇叭、受话器和麦克风，它们的作用如下。

喇叭（SPEAKER）：手机中用于播放铃声的电声器件。

受话器（RECEIVER）：手机中用于输出语音的电声器件。

麦克风（MICROPHONE）：手机中用于接收话音的电声器件。

各器件在手机中的位置示例

以最常见的折叠手机为例，喇叭、受话器和麦克风在手机中的位置分别如图一所示。

图一

二手机电声原理

2.1 手机通话原理

手机与基站之间的基本通话原理如图二所示。

图二

2.1.1 Up-link:上行线路

手机麦克风接收话音—>手机对话音进行处理—>处理后的语音信号发送给基站。

2.1.2 Down-link:下行线路

基站将语音信号发送给手机—>手机将语音信号还原为话音—>话音通过手机的受话器播放出来。

2.1.3 Side-tone:侧音

即说话者不仅能从受话器中听到对方说话的声音，同时也能听到自己说话的声音及环境噪声。侧音相对于话音来说通常是被覆盖掉的。

2.2 手机的信号流程

手机内部对语音信号进行处理的过程如图三所示，手机的麦克风接收到了语音信号（模拟信号），经过手机DSP芯片的处理，转化为数字信号，分别通过高通滤波器和低通滤波器，滤除高频和低频的干扰信号，再将剩余的语音信号通过受话器还原为声音，传到人耳里，这就是手机对语音信号处理的全过程。

图三

所以说，手机的通话过程就是一个将声音信号转化为电信号，再将电信号还原为声音信号的过程。

三手机电声器件工作原理

3.1 喇叭和受话器的工作原理

3.1.1 喇叭和受话器的分类

按功能可以将喇叭和受话器分为以下几类：

1）单体喇叭；

2）单体受话器；

3）二合一单面发声喇叭：同时具有喇叭和受话器的功能，且喇叭和受话器都从同一面发声；

4）二合一双面发声喇叭：同时具有喇叭和受话器的功能，但喇叭和受话器都分别由两面发声；

3.1.2 喇叭和受话器的结构

在不同类型的喇叭和受话器中，以二合一双面发声的喇叭结构最为复杂，同时包含了喇叭和受话器的结构。因此以二合一双面发声喇叭为例，讲解喇叭和受话器的结构。图四是一个二合一双面发声喇叭的结构图，图中朝上的一面为喇叭（直径较大），朝下的一面为受话器（直径较小），喇叭和受话器共用一套振动磁芯和发声腔体，但有各自的震动膜，向不同的方向辐射出声音。

图四

图中：

1）为喇叭外壳的框架；

2）和3）分别是受话器和喇叭的栅格，也就是供发声的发声孔；

4）和5）分别是受话器和喇叭的振膜，是进行振动发声的主要部件；

6）和7）分别是受话器和喇叭的绕线，缠绕在磁铁的周围，通电后在磁场的作用下运动，带动振膜振动，从而产生声音；

8）是受话器和喇叭中间起到隔断作用的一个套；

9）是受话器和喇叭共用的磁铁，会对通电的线圈产生一定的作用力，迫使线圈运动；

10）金属板；

11）接线端，受话器和喇叭的绕线都引到这里，连接引线；

12)和13）为防尘网，防止灰尘进入喇叭和受话器内部；

14）引线，引出喇叭和受话器的正负极，另一端与主板相连，输入/输出电信号。

3.1.3 喇叭和受话器的发声原理

在喇叭的线圈上通过一定的电流I，在磁场的作用下，线圈将产生一电动力，引起线圈的运动，而线圈连接着振动膜的边缘，带动振动膜一起振动，便向空气辐射了声波。

喇叭和受话器都是将电信号转换为声信号的器件。

3.2 喇叭和受话器的性能参数

3.2.1 外型尺寸参数

1）形状：圆形，椭圆形，跑道形（如图五），……

图五

直径：通常为10~17mm

高度：通常为2-6mm，根据结构尺寸而定

3.2.2电性能参数

1）声压级

声压级是衡量喇叭响度的参数，定义如下

其中Po = 2 × 10-5Pa，为参考的压级，这个数值是正常人耳对1KHz声音刚刚能觉

察其存在的声压值。通常使用的喇叭声压级的数值在80~100dB之间。

2）响应频率

即喇叭的固有频率，由喇叭的材料、形状等特性决定。

在F0上喇叭的声压级最大。

固有频率较低的喇叭对低频的表现力较好，但同时也可能会有音量较小的问题。

3）频响范围

喇叭在此频段内有较为均匀的声辐射功率，通常在F0到10KHz之间，这一频段也是人耳对声音较为敏感的频段。

4）额定功率和最大功率

额定功率是喇叭和受话器正常工作状态下的功率，而最大功率是喇叭和受话器允许输入的功率最大值。输入功率越大，喇叭和受话器的声压级也越大，但是如果输入功率过大，就会导致振膜的振动幅度过大，由于喇叭高度的限制，振膜向上振动时就有可能碰到喇叭内的铁壳，从而发出刺耳的响声，也就是通常我们所说的“破音”。

5）频响曲线

喇叭/受话器在不同频率上的声压值所构成的曲线。

一张典型的喇叭频响曲线如图六所示。

3.2.3 其他参数

1）连接方式

引线方式，柔性PCB方式，弹片接触式；

2）防尘网

可以有效防止灰尘进入喇叭，除了防尘外，还具有防水、防静电等效果。不同的效果是由于使用了不同的材质，比如防尘、防水的效果使用普通的无防布织成的网就可以了，而防静电则需要选用金属材料的导电织布，有利于将电荷导到接地的地方。

同时防尘网对于声学来说起到一个“声阻”的作用，它在一定程度上将声音滤平，使声音不会太尖锐、刺耳。现在常用的防尘网声阻通常在2~4欧姆，声阻的大小是有防尘网的疏密程度决定的，防尘网越密声阻越大。

3）垫圈

垫圈的厚度决定了喇叭前声腔的厚度

3.3 喇叭和受话器的发展

1）声压级更高

提高输入功率，将铜线圈以实心铜圈代替，输入功率可由0.5W提升至2W，改进振膜材料；

2）频率范围更宽

对各种频率的声音表现力更强，铃声更加悦耳；

3）频响曲线更符合通话要求

通话更清晰，300-30KHz的语音部分声压级较高，噪声较小。

符合人体听觉特性的受话器的频响曲线为如图七的“马鞍型”曲线。