Speaker聲腔結構設計說明

./電子產(chǎn)品speaker選型及殼體匹配結構設計聲音的優(yōu)劣主要取決于聲音的大小、所表現(xiàn)出的頻帶寬度〔特別是低頻效果和其失真度大小。對小型電子產(chǎn)品而言,Speaker、產(chǎn)品聲腔、音頻電路和音源是四個關鍵因素,它們本身的特性和相互間的配合決定了聲音的音質(zhì)。Speaker單體的品質(zhì)對于聲音的各個方面影響都很大。其靈敏度對于聲音的大小,其低頻性能對于聲音的低音效果,其失真度大小對于聲音是否有雜音都是極為關鍵的。聲腔結構則可以在一定程度上調(diào)整Speaker的輸出頻響曲線,通過聲腔參數(shù)的調(diào)整改變聲音的高、低音效果,其中后聲腔容積大小主要影響低音效果,前聲腔和出聲孔面積主要影響高音效果。音頻電路輸出信號的失真度和電壓對于鈴聲的影響主要在于是否會出現(xiàn)雜音。例如,當輸出信號的失真度超過10％時,聲音就會出現(xiàn)比較明顯的雜音。此外,輸出電壓則必須與Speaker相匹配,否則,輸出電壓過大,導致Speaker在某一頻段出現(xiàn)較大失真,同樣會產(chǎn)生雜音音源對音質(zhì)也有一定的影響,表現(xiàn)在當音源主要頻譜與聲腔和Speaker的不相匹配時,會導致較大的變音,影響聽感?？傊?音質(zhì)的改善需要以上四個方面共同配合與提高,才能取得比較好的效果。1.Speaker的選型原則1.1揚聲器<Speaker>簡介1.1.1Speaker工作原理揚聲器又名喇叭。喇叭的工作原理：是由磁鐵構成的磁間隙的音圈在電流流動時,產(chǎn)生上下方向的推動力使振動體〔振動膜振動,從而振動空氣,使聲音傳播出去,完成了電-聲轉換。喇叭實際上是一個電聲換能器。對電子產(chǎn)品來說,Speaker是為實現(xiàn)播放說話聲音,音樂等的一個元件。Speaker音壓頻率使用圍在500Hz～10KHz。1.1.2Speaker主要技術參數(shù)及要求a>.功率Power。功率分為額定功率RatedPower和最大功率MaxPower。額定功率是指在額定頻率圍饋給喇叭以規(guī)定的模擬信號〔白噪聲,96小時后,而不產(chǎn)生熱和機械損壞的相應功率。最大功率是指在額定頻率圍饋給喇叭以規(guī)定的模擬信號〔白噪聲,1分鐘后,而不產(chǎn)生熱和機械損壞的相應功率。注：小型智能設備用喇叭一般要求的功率：額定功率≥0.5W,最大功率≥1W。b>.額定阻抗RatedImpedance。喇叭的額定阻抗是一個純電阻的阻值,它是被測揚聲器單元在諧振頻率后第一個阻抗最小值,它反映在揚聲器阻抗曲線上是諧振峰后曲線平坦部分的最小阻值。注：手機用喇叭的額定阻抗一般為8Ω。c>.靈敏度級又稱聲壓級SoundPressureLevel<S.P.L>。在喇叭的有效頻率圍,饋給喇叭以相當于在額定阻抗上消耗一定電功率的噪聲電壓時,在以參考軸上離參考點一定距離處所產(chǎn)生的聲壓。注：智能電子產(chǎn)品喇叭的靈敏度一般要求≥87dB<0.1W/0.1m>。d>.總諧波失真TotalHarmonicDistortion<T.H.D>。它是指各種失真的總和。主要包括：諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)失真。注：智能電子產(chǎn)品用喇叭的總諧波失真在額定功率1KHz時應小于5%。e>.共振頻率ResonanceFrequency<fo>由阻抗曲線可見,在低頻某一頻率其阻抗值最大,此時的頻率稱之為揚聲器的共振頻率,記為fo,即在阻抗曲線上揚聲器阻抗模值隨頻率上升的第一個主峰對應的頻率。注：智能電子產(chǎn)品用喇叭的共振頻率一般在800Hz左右。1.2智能電子產(chǎn)品用揚聲器<Speaker>的評價原則Speaker的品質(zhì)特性對聲音優(yōu)劣起著決定性作用。在同一個聲腔、同樣的音源情況下,不同性能的Speaker在音質(zhì)、音量上會有較大的差異。因此選擇一個合適的Speaker可較大程度地改善手機的音質(zhì)。Speaker的性能一般可以從頻響曲線、失真度和壽命三個方面進行評價。頻響曲線反映了Speaker在整個頻域的響應特性,是最重要的評價標準。失真度曲線反映了在某一功率下,Speaker在不同頻率點輸出信號的失真程度,它是次重要指標,一般情況下,當失真度小于10％時,都認為在可接受的圍。壽命反映了Speaker的有效工作時間。由于頻響曲線是圖形,包含信息很多,為了便于比較,主要從四個方面進行評價：SPL值、低頻諧振點f0、平坦度和f0處響度值。SPL值一般是在1K～4KHz之間取多個頻點的聲壓值進行平均,反映了在同等輸入功率的情況下,Speaker輸出聲音強度的大小,它是頻響曲線最重要的指標。低頻諧振點f0反映了Speaker的低頻特性,是頻響曲線次重要的指標。平坦度反映了Speaker還原音樂的保真能力,作為參考指標。f0處響度值反映了低音的性能,作為參考指標。聽感評價是一種主觀行為,一般只作為輔助性評價。在客觀數(shù)據(jù)評定難以取舍或沒有相關測試條件時,應組織相關人員或音頻工程師進行主觀試聽評價。1.3立體聲喇叭的選擇a>.二個〔或多個喇叭的電聲性能應保持一致。否則會發(fā)生因二個〔或多個揚聲器相位特性和聲壓頻率特性不同而產(chǎn)生的聲像移位和干擾。b>.二個喇叭不能靠得太近,否則聲場會變小,左右聲道聲音容易產(chǎn)生干擾。c>.音腔設計時,注意兩個后音腔不能導通,要相互隔開且密封設計。智能電子產(chǎn)品用揚聲器<Speaker>的選型推薦詳見標準部品庫〔制定中。2.Speaker音腔性能設計音腔對于鈴聲音質(zhì)的優(yōu)劣影響很大。同一個音源、同一個Speaker在不同聲腔中播放效果的音色可能相差較大,有些比較悅耳,有些則比較單調(diào)。合理的聲腔設計可以使鈴聲更加悅耳。為了提高音效品質(zhì),提升聲腔設計水平是結構工程師的本職工作。所以本設計規(guī)主要講述音腔結構設計,其他影響音效的主要因素Speaker選型﹑音頻電路設計及音源需硬件﹑軟件工程師的大力配合,共同把設備的音效水平提升到新的高度。2.1音腔結構簡介聲腔設計主要包括后聲腔、前聲腔、出聲孔、密閉性、防塵網(wǎng)五個方面,如下圖：后聲腔后聲腔Speaker前聲腔防塵網(wǎng)出聲孔圖1聲腔結構示意圖下面,就分別從以上五個部分詳細介紹手機音腔設計必須或盡量遵循的準則2.2后聲腔對鈴聲的影響及推薦值后聲腔主要影響鈴聲的低頻部分,對高頻部分影響則較小。鈴聲的低頻部分對音質(zhì)影響很大,低頻波峰越靠左,低音就越突出,主觀上會覺得鈴聲比較悅耳。一般情況下,隨著后聲腔容積不斷增大,其頻響曲線的低頻波峰會不斷向左移動,使低頻特性能夠得到改善。但是兩者之間關系是非線性的,當后聲腔容積大于一定值時,它對低頻的改善程度會急劇下降,如圖2示。圖2后聲腔容積對低頻性能影響圖2后聲腔容積對低頻性能影響圖2橫坐標是后聲腔的容積〔cm3,縱坐標是Speaker單體的低頻諧振點與從聲腔中發(fā)出聲音的低頻諧振點之差,單位Hz。從上圖可知,當后聲腔容積小于一定值時,其變化對低頻性能影響很大。需要強調(diào)的是,Speaker單體品質(zhì)對鈴聲低頻性能的影響很大。在一般情況下,裝配在聲腔中的Speaker,即便能在理想狀況下改善聲腔的設計,其低頻性能也只能接近,而無法超過單體的低頻性能。一般情況下,后聲腔的形狀變化對頻響曲線影響不大。但是如果后聲腔中某一部分又扁、又細、又長,那么該部分可能會在某個頻率段產(chǎn)生駐波,使音質(zhì)急劇變差,因此,在聲腔設計中,必須避免出現(xiàn)這種異?？臻g情況,盡量設計形狀規(guī)則的音腔。對于不同直徑的Speaker,聲腔設計要求不太一樣,同一直徑則差異不太大。根據(jù)不同直徑Speaker的低頻諧振點f0與后聲腔容積的關系測試數(shù)據(jù),具體推薦值如下：φ13mmSpeaker：它的低頻諧振點f0一般在800Hz～1200Hz之間。當后聲腔為0.5cm3時,其低頻諧振點f0大約衰減600Hz～650Hz。當后聲腔為0.8cm3時,f0大約衰減400Hz～450Hz。當后聲腔為1cm3時,f0大約衰減300Hz～350Hz。當后聲腔為1.4cm3時,f0大約衰減250Hz～300Hz。當后聲腔為3.5cm3時,f0大約衰減100Hz～150Hz。因此對于φ13mmSPEAKER,當它低頻性能較好〔如f0在800Hz左右時,后聲腔要求可適當放寬,但有效容積也應大于0.8cm3。當?shù)皖l性能較差時〔f0>1000Hz,其后聲腔有效容積應大于1cm3。后聲腔推薦值為1.4cm3以上,當后聲腔大于3.5cm3時,其容積變化對低頻性能影響會比較小。當然,對φ13mmSpeaker,由于單體偏小,各廠商的產(chǎn)品品質(zhì)也參差不齊,聽感與更大的Speaker相比會有一定差異,一般情況下不推薦使用。φ15mmSpeaker：它的低頻諧振點f0一般在750～1000Hz之間。 當后聲腔為0.5cm3時,低頻諧振點f0大約衰減850Hz～1000Hz。當后聲腔為1cm3時,f0大約衰減600Hz～750Hz。當后聲腔為1.6cm3時,f0大約衰減400Hz～550Hz。當后聲腔為3.5cm3時,f0大約衰減200Hz～250Hz。因此對于φ15mmSPEAKER,后聲腔有效容積應大于1.6cm3。當后聲腔大于3.5cm3時,其容積變化對低頻性能影響會比較小。13×18mmSpeaker：它的低頻諧振點f0一般在780～1000Hz之間。 當后聲腔為0.5cm3時,低頻諧振點f0大約衰減850Hz～1000Hz。當后聲腔為1cm3時,f0大約衰減600Hz～750Hz。當后聲腔為1.6cm3時,f0大約衰減400Hz～550Hz。當后聲腔為3.5cm3時,f0大約衰減200Hz～250Hz。因此對于13X18mmSPEAKER,后聲腔有效容積應大于1.6cm3。當后聲腔大于3.5cm3時,其容積變化對低頻性能影響會比較小。13×18mmSpeaker在性能上和φ13mmSpeaker有些類似,一般也不推薦使用。φ16mmSpeaker：它的低頻諧振點f0一般在750～1100Hz之間。 當后聲腔為0.5cm3時,低頻諧振點f0大約衰減850Hz～1000Hz。當后聲腔為0.9cm3時,f0大約衰減600Hz～700Hz。當后聲腔為1.5cm3時,f0大約衰減400Hz～550Hz。當后聲腔為2cm3時,f0大約衰減300Hz～350Hz。當后聲腔為4cm3時,f0大約衰減150Hz～200Hz。因此對于φ16mmSpeaker,后聲腔有效容積應大于1.5cm3。后聲腔推薦值為2cm3,當后聲腔大于4cm3時,其容積變化對低頻性能影響會比較小。φ18mmSPEAKER：它的低頻諧振點f0一般在700～900Hz之間。 當后聲腔為0.5cm3時,低頻諧振點f0大約衰減700Hz～950Hz。當后聲腔為0.9cm3時,f0大約衰減500Hz～700Hz。當后聲腔為0.9cm3時,f0大約衰減500Hz～700Hz。當后聲腔為1.5cm3時,f0大約衰減400Hz～550Hz。當后聲腔為2.1cm3時,f0大約衰減250Hz～400Hz。當后聲腔為4.3cm3時,f0大約衰減120Hz～160Hz。因此對于φ18mmSpeaker,后聲腔有效容積應大于2cm3。當后聲腔大于4cm3時,其容積變化對低頻性能影響會比較小。綜上所述,可得下表：注：a>.后音腔設計時,必須保證Speaker后出聲孔出氣暢通,即Speaker后出聲孔距離最近的擋板距離應大于后出聲孔徑的0.8倍。b>.若采用殼體長出膠位密封設計后音腔,則需采用T0.5mm厚泡棉〔單面帶膠為密封材料,殼體膠位厚度設計為0.6mm以上,距離PCB間隙為0.35mm,以封閉音腔。此時泡棉起到雙重作用：即密封及緩沖。c>.后音腔容積盡量大些,一般推薦3cm32.3前聲腔對聲音的影響圖3前聲腔容積對高頻性能的影響前聲腔對低頻段影響不大,主要影響聲音的高頻部分。隨著前聲腔容積的增大,高頻波峰會往不斷左移動,高頻諧振點會越來越低。高頻諧振點變化的對數(shù)值與前聲腔容積的增量幾乎成線性關系,如圖3。圖3前聲腔容積對高頻性能的影響注：圖3中橫坐標為前聲腔容積,單位cm3?？v坐標為高頻諧振點變化的對數(shù)值。由于音樂的頻帶一般為300Hz～8000Hz,即在該頻段的頻響曲線才是有效值,因此我們一般希望頻響曲線的高頻諧振點在6000Hz～8000Hz之間。因為如果高頻波峰太高〔高頻諧振點大于10000Hz,那么在中頻段可能會出現(xiàn)較深的波谷,導致聲音偏小。如果高頻波峰太低〔高頻諧振點小于6000Hz,那么聲腔的有效頻帶可能會比較窄,導致音色比較單調(diào),音質(zhì)較差。所以前聲腔太大或太小對聲音都會產(chǎn)生不利的影響。同時,由于出聲孔面積對高頻也有較大的影響,因此設計前聲腔時,需考慮出聲孔的面積,一般情況下,前聲腔越大,則出聲孔面積也應該越大。當前聲腔過小時,還會造成一個問題,即出聲孔的位置對高頻的影響程度急劇增加,可能會給手機的出聲孔外觀位置設計造成一定的困難。綜上所述,結合手機設計的實際情況,前聲腔設計時,一般希望前聲腔的墊片壓縮后的厚度在0.5~1mm之間。由于它與出聲孔面積有一定的相關性,因此具體推薦值在下一節(jié)給出。2.4出聲孔對聲音的影響及推薦值出聲孔的面積對聲音影響很大,而且開孔的位置、分布是否均勻對聲音也有一定的影響,其程度與前音腔容積有很大關系。一般情況下,前音腔越大,開孔的位置、分布對聲音的影響程度就越小。 出聲孔的面積對頻響曲線的各個頻段都有影響,在不同條件下,對不同頻段的影響程度各不相同。當出聲孔面積小于一定值時,整個頻響曲線的SPL值會急劇下降,即聲音的聲強損失很大,這在產(chǎn)品結構設計中是必須禁止的。當出聲孔面積大于一定閾值時,隨著面積增大,高頻波峰、低頻波峰都會向右移動,但高頻變化的程度遠比低頻大,低頻變化很小,即出聲孔面積的變化主要影響頻響曲線的高頻性能,對低頻性能影響不大。出聲孔面積與高頻諧振點的變化呈非線性關系,且與前聲腔大小有一定的聯(lián)系,如圖4示。圖4出聲孔面積對高頻諧振點的影響圖4出聲孔面積對高頻諧振點的影響前聲腔0.1cm前聲腔0.033cm圖4中,橫坐標表示出聲孔的面積,單位mm2?？v坐標表示高頻諧振點變化的對數(shù)值。綜上所述,前聲腔、出聲孔面積設計推薦值如下表：直徑13mm的Speaker直徑15mm的Speaker腔墊片壓縮后厚度<mm>0.3～0.40.5～0.70.8～1.10.3～0.40.5～0.70.8～1.1前聲腔容積〔cm30.03～0.040.05～0.070.08～0.110.04～0.060.07～0.10.11～0.16出聲孔面積最小值〔mm22222.52.52.5出聲孔面積有效圍〔mm24.5～255～256～285～406～407～40出聲孔面積推薦值〔mm2101214131517直徑16mm的Speaker直徑18mm的Speaker前聲腔墊片壓縮后厚度〔mm0.3～0.40.5～0.70.8～1.10.3～0.40.5～0.70.8～1.1前聲腔容積〔cm30.05～0.070.08～0.120.13～0.180.06～0.080.10～0.150.17～0.24出聲孔面積最小值〔mm2333444出聲孔面積有效圍〔mm26～407～409～407.5～608～6010～60出聲孔面積推薦值〔mm2151618182022注：13X18mm橢圓形Speaker前聲腔和出聲孔面積可以參考φ15mmSpeaker的參數(shù)。上表中最小值表示當出聲孔面積小于該值時,整個頻響曲線會受到較大影響,音量會極大衰減。有效圍表示出聲孔面積在此圍之,一般能滿足基本要求。需要強調(diào)是：如果出聲孔在前聲腔投影圍,分布比較均勻,且過中心,那么可以取較小值,否則應取偏大一些的值。建議在一般情況下,不要取有效圍的極限值。在實際設計中,如果高頻聲音出現(xiàn)問題,可以通過實際測量結果,修正出聲孔面積進行改善。注意：出聲孔面積減小并不意味著聲強降低,相反在很多情況下,反而可以提高聲強。當然,為節(jié)省時間,在實際設計中,在一般情況下,也可以以下基本設計原則計算確定出聲孔的面積：a.出音孔的面積大約占Speaker面積10%~20%比較合適。b.Φ2.0以上及Φ0.8以下的出音孔盡可能避免。建議設計孔徑Φ1.0～Φ1.因為Φ2.0以上打出音孔時很容易進入異物,還有因尖銳的物體SPEAKER的振動膜會有損傷的風險；而Φ0.8以下孔在模具的實現(xiàn)及后續(xù)注塑時容易產(chǎn)生異常,使音效偏離設計值。c.出音孔的最小面積大約是3.6%。一般情況下不要取這個極限值。2.5后聲腔密閉性對聲音的影響后聲腔是否有效的密閉對聲音的低頻部分影響很大,當后聲腔出現(xiàn)泄漏時,低頻會出現(xiàn)衰減,對音質(zhì)造成損害,它的影響程度與泄漏面積、位置都有一定的關系。一般情況下,泄漏面積越大,低頻衰減越厲害。泄漏面積與低頻諧振點的衰減成近似線性的關系,如圖5。后聲腔后聲腔1.4cm后聲腔1cm圖5泄漏面積對低頻的影響圖5中,橫坐標表示泄漏面積,單位mm2?？v坐標表示無泄漏與有泄漏情況下低頻諧振點之差。在同等泄漏面積情況下,后聲腔越小,低頻衰減越厲害,即泄漏造成的危害越大,如圖6。圖6后聲腔容積變化時,泄漏與非泄漏對低頻影響對比圖6后聲腔容積變化時,泄漏與非泄漏對低頻影響對比泄漏面積1.3mm2無泄漏綜上所述,建議結構設計時,應盡可能保證后聲腔的密閉,否則可能會嚴重影響音質(zhì)。2.6防塵網(wǎng)對聲音的影響相比于其他幾個因素,防塵網(wǎng)對聲音的影響程度較小,它主要是影響頻響曲線的低頻峰值和高頻峰值,其中對低頻峰值影響較大。防塵網(wǎng)對聲音的影響程度主要取決于防塵網(wǎng)的聲阻值和低頻、高頻峰值的大小。一般情況下,峰值越大,受到防塵網(wǎng)衰減的程度也越大。防塵網(wǎng)主要有兩個作用,防止灰塵和削弱低頻峰值,以保護Speaker。目前,我們常用的防塵網(wǎng)一般在250?！?50＃之間,它們的聲阻值都比較小,基本上在10Ω以下,對聲音的影響很小,所以一般采用SPEAKER廠家提供的防塵網(wǎng)差異不會非常大。因此從防塵和聲阻兩個方面綜合考慮,建議采用300＃左右的防塵網(wǎng)。我們以往采用的不織布防塵網(wǎng)存在一個問題,由于不織布的不同區(qū)域密度不一樣,因此不同區(qū)域聲阻也不一樣,可能會造成同一批防塵網(wǎng)的聲阻一致性較差。但不織布的成本比網(wǎng)格布低,因此建議設計中綜合考慮性能和成本,一般情況下,盡可能不要采用不織布作為防塵網(wǎng)。3.Speaker音腔結構設計需注意的重要事項a>.Speaker出聲孔及聲腔部設計要圓滑過渡,盡量避免尖角﹑銳角,否則容易產(chǎn)生異響。b>.Speaker定位筋<Rib>僅對Speaker起到定位作用。Rib厚度設計為0.6mm,與Speaker單邊間隙設計為0.1,頂