麦克风声学结构对通话频宽影响的研究

作者:李伟;李凤亮;胡金铃; 刊名:科技风 上传者:伍小波

【摘要】通话频带宽度是影响通话质量的重要指标,频带宽度越宽,在实际通话过程中,对语音信号的影响越小,传输的语音信息也更真实、更清晰.本文从亥姆霍兹共鸣腔声学理论出发,同时借助仿真和实验,研究了不同声学结构对频带宽度的影响.重点分析了麦克风的进音通道面积,进音通道长度以及腔体体积对频带宽度的影响.结果表明:缩短进音通道长度,增大进音通道面积以及减小腔体体积,都可以有效拓展频带宽度,和理论一致.同时,对比实际录音测试得到的结果和仿真结果,吻合较好.在实际应用中,提前利用仿真工具设计麦克风的声学结构,判断频带宽度是否满足要求,可以有效缩短产品开发周期,节省成本.

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科技风 2017年 5月上 电子信息 D0hl0.19392/j.cnki.1671-7341.201709076 麦克风声学结构对通话频宽影响的研究 李 伟 李凤亮 胡金铃 维沃移动通信有限公司 广东东莞 523860 摘 要:通话频带宽度是影响通话质量的重要指标 ,频带宽度越宽,在实际通话过程中,对语音信号的影响越小,传输的语音信 息也更真实、更清晰。本文从亥姆霍兹共鸣腔声学理论 出发,同时借助仿真和实验,研究了不同声学结构对频带宽度的影响。重点分 析 了麦克风的进音通道面积,进音通道长度以及腔体体积对频带宽度的影响。结果表明:缩短进音通道长度,增大进音通道面积以 及减小腔体体积,都可以有效拓展频带宽度 ,和理论一致。同时,对比实际录音测试得到的结果和仿真结果,吻合较好。在实际应用 中,提前利用仿真工具设计麦克风的声学结构,判断频带宽度是否满足要求,可以有效缩短产品开发周期,节省成本。 关键词 :频带宽度;截 止频 率;麦克风 ;仿真 ;亥姆 霍兹 随着移动智能终端的快速发展,目前的手机集成了越来越 多的功能,性能不断提升。从第一代移动通信采用模拟调制的方 式 ,到目前第四代数字通信系统 ,通话作为手机最基本的功能 , 经历了从窄带语音通话到宽带语音通话的发展历程,后续通讯 行业标准还会对通话频带宽度提出更高的要求,来保证通话质 量的提升。 实际通话过程中,上行(发送)语音方向的处理流程⋯如图 1 所示,原始语音信号经过麦克风的拾取,放大,采样 ,量化后进行 语音编码,然后经过信道编码和数字调制,再通过射频模块把信 息发射出去。下行(接收)语音的处理流程为逆过程。 语学锫弓 -一{ 一一再 % ⋯ - 商塥砖一 - 数字诵割⋯ - 蝣蠼臻⋯一 摹 图 1语音信号处理流程 语音频带宽度分为窄带和宽带,按照目前数字移动终端音 频性能技术标准,窄带的通信频宽为 300Hz至 3400Hz,宽带的 通信频宽为 50Hz至 6300Hz。 1理论及原理 一 般情况下,麦克风设计在手机底部 ,通过进音通道和外部 连通来拾取语音信号,剖面图如图5所示。麦克风焊接在 FPC 或者 PCB板上,电池盖和支架以及支架和 FPC之间通过泡棉密 封,整个进音通道包括:通道面积,通道长度和前腔体积,近似一 个亥姆霍兹共鸣器【 。 关于亥姆霍兹共鸣器的理论 ,瑞利第一个提出了力学类 比 方法 ,针对理想的亥姆霍兹共鸣器 ,声学元件的线度 比声波波 长小得多,声学元件 中各部分的运动看作是均匀的,即集中参 数系统。 通道内空气可以看成一个质量整体因声波入射而振动,腔 体内的空气做相应的胀缩变化,这样共鸣器的运动就和一个质 量弹簧系统一样 ,采用电一力 一声类比(阻抗型)的方法【3】,通道 内空气质量类比电感,腔体内空气类比电容,其中 Ma为通道空 气声质量,Ra为通道声阻,Ca为腔体内声容。 进音通道所形成亥姆霍兹共鸣器在容性声抗与感性声抗相 等的条件下产生共振 ,共振频率的表达式为[4]: 产击 其中,C是声音在空气中传播的速度,£是通道长度, 是腔 体内空气体积。 上述公式是针对理想的亥姆霍兹共鸣器,声学元件的线度 比声波波长小得多的情况下,计算得到准确的共振频率。随着频 率升高 ,进音通道不再视作集中参数系统,同时进音通道也不如 理想亥姆霍兹共鸣器规则,通过上述计算公式不能得到准确结 果 ,仅作为一个参考。 2 仿真数据和 实测结果 选取一款手机的实际麦克风进音通道作为研究对象 ,仿真 分析了麦克风的进音通道面积 ,进音通道长度以及腔体体积对 频带宽度的影响。在三次

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