手机声学基础

1 fh 2
1 1 m m sn d v
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
-6 dB
A1
2 × A1
Distance, r
Measurement Region


Near Sound Field
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。
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
定心支片 声圈
盆架
导磁板
低声扬声器爆炸图
导磁柱
磁体
电动扬声器
电动扬声器

低频段-声压频率关系
| p | p0 f f0 1 Q ( f f0 f0 f ) ；
2 0
Q0
Rv m0 s0 ( Bl) 2
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

特性
（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 ）
电容式（需极化电压型）
电容式传声器 动圈式传声器
牢固、抗机械冲击、不 机械强度较差，使用寿命短、 易被摔坏、工作稳 使用相对麻烦、价格高 定、寿命长、使用 方便
频率响应好，音色清脆、灵 灵敏度低、频率响应较 敏度高、信噪比高、失 好、音色浑厚 真小
电容式传声器常用于专业录音及测试
驻极体式(ECM)

Microphone Measurement Region
λ/4
L 2L or λ/4 or 1m Near field
λ/4 Reverberate field Free field
Sound Fields
Lp
Near field
Far field
Free field
Reverberant field
耳机测试
IEC318 IEC711 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：10k Hz声波波长=340/10000=0.03m
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R
E=Q/C
△E=Q/△C
全指向产品结构示意图
PCB(FET)
CHAMBER
RING
PLATE
SPACER
DLAPHRAGM
CASE SCREEN
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。
振膜式 (Foil) 驻极体电容传声器 （ECM）分类： 背极式 (Back) 前极式 (Front)
驻极体式麦克风常用于3C产品
ECM工作原理
1、振膜式ECM静态原理示意图
金属层
P
驻极体薄膜 空气间隙
E
R
铜 板
振膜式ECM特点：驻极体和振动膜合二为一。
ECM工作原理简述 镀金属层薄膜与背极板形成空气 介质电容。


Free sound Field
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

Reverberant Field 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。
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

Pressure Field
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

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
2L INE S
MATERIAL:AL
CON.MIC INSERT HOLE
3、设计时应注意的几个问题 ●尽量不要形成谐振腔
谐振腔
Mic
耳机
动圈 密闭式 开放式 半开放半密闭式 动铁 分频

耳机
= 20×(-2)
= -40(dB)
2、频率响应（Frequency Response):
频率响应是指传声器正常工作的频带宽度。
全指向产品——20~20KHZ
①ECM频宽：
单指向产品——100~10KHZ 300~3，400HZ
②语音频宽：
200~5，000HZ
实际频响曲线
全 指 向 曲 线 图
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

特性：

指向性
全指向 心型、超心形 双指向性
灵敏度 频率响应 阻抗

动圈式
压差式：心形指向，低频好
压强式：全指向
动圈式麦克风常用于舞台演唱及表演
5
1Pa=94dB 等效噪声级与 信噪比的关系 S/N=94-Ln
= 20㏒
= 20㏒(0.5×10 ) = 20㏒(5×10 4) = 80+20㏒5 = 80+20×0.7 =94 (dB)
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℃
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 ㏒(
Vn M×Po
)
Ln: 传声器等效噪声级
Vn:噪声电压（A计权）（uV）

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1 mW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
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
单指向
双指向
8字型（Bi-directional)
心脏图（极性图）
心型（X ） 扁心型（B)
超心型（C）
扁圆型（G）
8字型
圆型
锐心型
4、等效噪声级 (Self Noise)与信噪比 (S／N Ratio) 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。
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
灵敏度级 M
Mr
灵敏度
参考灵敏度 0dB=1V/Pa
例： M=10mV／Pa Lm = 20㏒10
10mv／pa
1V／pa
2 ×10
100 2
-2
=20 ㏒50 =20 (1+ ㏒5) =20 × 1.7
=34 (dB)
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㏒
M Vn
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)
M：自由场灵敏度（Mv/Pa） Po:（参考声压）2 ×10-5 Pa
例：一电容传声器测量数据为：
灵敏度：＝10 mv／Pa
则：等效噪声级Ln为
固有噪声电压（A计权）：10uV
10uV 10mV／Pa×2×10 -5 Pa 10 10 ×10 ×2 ×10 1
3 -5
Ln=20 ㏒ =20 ㏒ =20 ㏒ =20 ㏒

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 / △C
振膜式工作动态原理图
P
金属层
动态时薄膜上下振动示意图
驻极体薄膜 空气间隙
E
R
铜 板
E=Q/C
△E=Q/△C
背极式工作动态原理图
动态时薄膜上下振动示意图
金属层 涤纶薄膜 空气间隙
P
E
驻极体 铜 板
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)=94dB SPL
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。
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。
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。
全指向 圆心（Omnidirectional)
心型（Cardioid) 超心型（super-cardioid 锐心型（Hyper-cardoiod)
ECM指向 性分类
（无方向、全方向)
声质量：振膜（含声圈和胶水）的质量Mmd 孔的声质量Mah
1 ×10 0.8
3
等效噪声级与信噪比的关系：
根据等效噪声级公式推导：
Vn
M×Po
Vn
M
Ln=20 ㏒(
=20 ㏒（ =20 ㏒
)
× 1 Po
)
Vn M
1 Po
+
M Vn
20 ㏒
=94 - 20 ㏒
=94-S／N
Ln=94-S/N
1Pa=20㏒ = 20㏒
I Po 1 2×10-5 10 5 2