Speaker声腔结构设计

电子产品speaker选型及壳体匹配结构设计声音的优劣主要取决于声音的大小、所表现出的频带宽度（特别是低频效果）和其失 真度大小。对小型电子产品而言，Speaker、产品声腔、音频电路和音源是四个关键因素， 它们本身的特性和相互间的配合决定了声音的音质。Speaker单体的品质对于声音的各个方面影响都很大。其灵敏度对于声音的大小，其低 频性能对于声音的低音效果，其失真度大小对于声音是否有杂音都是极为关键的。声腔结构则可以在一定程度上调整Speaker的输出频响曲线，通过声腔参数的调整改 变声音的高、低音效果，其中后声腔容积大小主要影响低音效果，前声腔和出声孔面积主 要影响高音效果。音频电路输出信号的失真度和电压对于铃声的影响主要在于是否会出现杂音。例如， 当输出信号的失真度超过10%时，声音就会出现比较明显的杂音。此外，输出电压则必须 与Speaker相匹配，否则，输出电压过大，导致Speaker在某一频段出现较大失真，同样会 产生杂音音源对音质也有一定的影响，表现在当音源主要频谱与声腔和Speaker的不相匹配时， 会导致较大的变音，影响听感。总之，音质的改善需要以上四个方面共同配合与提高，才能取得比较好的效果。1. Speaker的选型原则1.1扬声器（Speaker）简介1.1.1 Speaker工作原理扬声器又名喇叭。喇叭的工作原理：是由磁铁构成的磁间隙内的音圈在电流流动时， 产生上下方向的推动力使振动体（振动膜）振动，从而振动空气，使声音传播出去， 完成了电-声转换。喇叭实际上是一个电声换能器。对电子产品来说，Speaker是为实现播放说话声音，音乐等的一个元件。Speaker 音压频率使用范围在500Hz10KHz。1.1.2 Speaker主要技术参数及要求a.功率Power。功率分为额定功率Rated Power和最大功率Max Power。额定功率是指在额定频率范围内馈给喇叭以规定的模拟信号（白噪声），96小时后， 而不产生热和机械损坏的相应功率。最大功率是指在额定频率范围内馈给喇叭以规定的模拟信号（白噪声），1分钟后， 而不产生热和机械损坏的相应功率。注：小型智能设备用喇叭一般要求的功率：额定功率N0.5W，最大功率N1W。b.额定阻抗 Rated Impedanceo喇叭的额定阻抗是一个纯电阻的阻值，它是被测扬声器单元在谐振频率后第一个阻抗最小值，它反映在扬声器阻抗曲线上是谐振峰后曲线平坦部分的最小阻值。注：手机用喇叭的额定阻抗一般为8Q。c.灵敏度级又称声压级 Sound Pressure Level（S.P.L）。在喇叭的有效频率范围内，馈给喇叭以相当于在额定阻抗上消耗一定电功率的噪声电 压时，在以参考轴上离参考点一定距离处所产生的声压。注：智能电子产品喇叭的灵敏度一般要求N87dB（0.1W/0.1m）。d.总谐波失真 Total Harmonic Distortion(T.H.D)。它是指各种失真的总和。主要包括：谐波失真、互调失真、瞬态失真。注：智能电子产品用喇叭的总谐波失真在额定功率1KHz时应小于5%。e.共振频率 Resonance Frequency (fo)由阻抗曲线可见，在低频某一频率其阻抗值最大，此时的频率称之为扬声器的共振频 率，记为fo,即在阻抗曲线上扬声器阻抗模值随频率上升的第一个主峰对应的频率。注：智能电子产品用喇叭的共振频率一般在800Hz左右。1.2智能电子产品用扬声器(Speaker)的评价原则Speaker的品质特性对声音优劣起着决定性作用。在同一个声腔、同样的音源情况下， 不同性能的Speaker在音质、音量上会有较大的差异。因此选择一个合适的Speaker可 较大程度地改善手机的音质。Speaker的性能一般可以从频响曲线、失真度和寿命三个方面进行评价。频响曲线反 映了 Speaker在整个频域内的响应特性，是最重要的评价标准。失真度曲线反映了在某 一功率下，Speaker在不同频率点输出信号的失真程度，它是次重要指标，一般情况下， 当失真度小于10%时，都认为在可接受的范围内。寿命反映了 Speaker的有效工作时间。由于频响曲线是图形，包含信息很多，为了便于比较，主要从四个方面进行评价：SPL 值、低频谐振点f0、平坦度和f0处响度值。SPL值一般是在1K4KHz之间取多个频点的声 压值进行平均，反映了在同等输入功率的情况下，Speaker输出声音强度的大小，它是频 响曲线最重要的指标。低频谐振点f0反映了Speaker的低频特性，是频响曲线次重要的指标。平坦度反映Speaker还原音乐的保真 能力，作为参考指标。f0处响度值反映了低音的性能，作为参考指标。听感评价是一种主观行为，一般只作为辅助性评价。在客观数据评定难以取舍或没 有相关测试条件时，应组织相关人员或音频工程师进行主观试听评价。1.3立体声喇叭的选择a.二个(或多个)喇叭的电声性能应保持一致。否则会发生因二个(或多个)扬声器相位特性和声压频率特性不同而产生的声像移位 和干扰。b.二个喇叭不能靠得太近，否则声场会变小，左右声道声音容易产生干扰。c.音腔设计时，注意两个后音腔不能导通，要相互隔开且密封设计。智能电子产品用扬声器(Speaker)的选型推荐详见标准部品库(制定中)。2. Speaker音腔性能设计音腔对于铃声音质的优劣影响很大。同一个音源、同一个Speaker在不同声腔中播放 效果的音色可能相差较大，有些比较悦耳，有些则比较单调。合理的声腔设计可以使铃 声更加悦耳。为了提高音效品质，提升声腔设计水平是结构工程师的本职工作。所以本设计规范主 要讲述音腔结构设计，其他影响音效的主要因素Speaker选型、音频电路设计及音源需 硬件、软件工程师的大力配合，共同把设备的音效水平提升到新的高度。2.1音腔结构简介声腔设计主要包括后声腔、前声腔、出声孔、密闭性、防尘网五个方面，如下图:Speaker 前声腔图1声腔结构示意图下面，就分别从以上五个部分详细介绍手机音腔设计必须或尽量遵循的准则2.2后声腔对铃声的影响及推荐值后声腔主要影响铃声的低频部分，对高频部分影响则较小。铃声的低频部分对音质影 响很大，低频波峰越靠左，低音就越突出，主观上会觉得铃声比较悦耳。一般情况下，随着后声腔容积不断增大，其频响曲线的低频波峰会不断向左移动，使 低频特性能够得到改善。但是两者之间关系是非线性的，当后声腔容积大于一定值时， 它对低频的改善程度会急剧下降，如图2示。图2后声腔容积对低频性能影响图2横坐标是后声腔的容积（cm3），纵坐标是Speaker单体的低频谐振点与从声腔中 发出声音的低频谐振点之差，单位Hz。从上图可知，当后声腔容积小于一定值时，其变化对低频性能影响很大。需要强调的是，Speaker单体品质对铃声低频性能的影响很大。在一般情况下，装配 在声腔中的Speaker，即便能在理想状况下改善声腔的设计，其低频性能也只能接近， 而无法超过单体的低频性能。一般情况下，后声腔的形状变化对频响曲线影响不大。但是如果后声腔中某一部分又 扁、又细、又长，那么该部分可能会在某个频率段产生驻波，使音质急剧变差，因此，在 声腔设计中，必须避免出现这种异常空间情况，尽量设计形状规则的音腔。对于不同直径的Speaker，声腔设计要求不太一样，同一直径则差异不太大。根据不 同直径Speaker的低频谐振点匕与后声腔容积的关系测试数据，具体推荐值如下：613mm Speaker:它的低频谐振点fo一般在800Hz1200Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，其低频谐振点fo大约衰减600Hz650Hz。当后声腔为0.8cm3时， fo大约衰减400Hz450Hz。当后声腔为1cm3时，f大约衰减300Hz350Hz。当后声腔为 1.4cm3时，f0大约衰减250Hz300Hz。当后声腔为3.5cm3时，f大约衰减100Hz150Hz。 因此对于613mm SPEAKER，当它低频性能较好(如f在800Hz左右)时，后声腔要求可适 0当放宽，但有效容积也应大于0.8cm3。当低频性能较差时(f01000Hz)，其后声腔有效容 积应大于1cm3。后声腔推荐值为1.4cm3以上 当后声腔大于3.5cm3时，其容积变化对低频 性能影响会比较小。当然，对613mm Speaker，由于单体偏小，各厂商的产品品质也参差不齐，听感与更 大的Speaker相比会有一定差异，一般情况下不推荐使用。615mm Speaker:它的低频谐振点f一般在7501000Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz1000Hz。当后声腔为1cm3时，f。大 约衰减600Hz750Hz。当后声腔为1.6cm3时，f大约衰减400Hz550Hz。当后声腔为3.5cm3 时，f0大约衰减200Hz250Hz。因此对于615mmSPEAKER，后声腔有效容积应大于1.6cm3。当后声腔大于3.5cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。13X 18mm Speaker:它的低频谐振点f0一般在7801000Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz1000Hz。当后声腔为1cm3时，f。大 约衰减600Hz750Hz。当后声腔为1.6cm3时，f大约衰减400Hz550Hz。当后声腔为3.5cm3 时，f0大约衰减200Hz250Hz。因此对于13X18mm SPEAKER，后声腔有效容积应大于1.6cm3。当后声腔大于3.5cm3时，其容 积变化对低频性能影响会比较小。13 X 18mm Speaker在性能上和613mm Speaker有些类似，一般也不推荐使用。616mm Speaker:它的低频谐振点f一般在7501100Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz1000Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0 大约衰减600Hz700Hz。当后声腔为1.5cm3时，f大约衰减400Hz550Hz。当后声腔为 2cm3时，f0大约衰减300Hz350Hz。当后声腔为4cm3时，f大约衰减150Hz200Hz。因此 对于616mm Speaker，后声腔有效容积应大于1.5cm3。后声腔推荐值为2cm3，当后声腔大于4cm3时，其容积变化对低频性能影响会比较小。618mm SPEAKER：它的低频谐振点f一般在700900Hz之间。当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减700Hz950Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0 大约衰减500Hz700Hz。当后声腔为0.9cm3时，f大约衰减500Hz700Hz。当后声腔为 1.5cm3时，f0大约衰减400Hz550Hz。当后声腔为2.1cm3时，f大约衰减250Hz400Hz。当后声腔为4.3cm3时，f0大约衰减120Hz160Hz。因此对于618mm Speaker，后声腔有 效容积应大于2cm3。当后声腔大于4cm3时，其 容积变化对低频性能影响会比较小。综上所述，可得下表:Spe ake r外形尺寸(mm)后音腔最小容积（cm3 )后音腔推荐容积（cm3)1 30.811.4以上1 51.21.51.6以上1 61.21.51.8以上1 81.522.0以上13X181.21.51.6以上402.02.54.0以上注：a.后音腔设计时，必须保证Speaker后出声孔出气畅通，即Speaker后出声孔距离 最近的挡板距离应大于后出声孔径的0.8倍。b.若采用壳体长出胶位密封设计后音腔，则需采用T0.5mm厚泡棉（单面带胶）为 密封材料，壳体胶位厚度设计为0.6mm以上，距离PCB间隙为0.35mm，以封闭音腔。此 时泡棉起到双重作用：即密封及缓冲。c.后音腔容积尽量大些，一般推荐3 cm3以上，但在手机实际设计中难以达到这个 要求，则以上述推荐容积设计。2.3前声腔对声音的影响前声腔对低频段影响不大，主要影响声音的高频部分。随着前声腔容积的增大，高频 波峰会往不断左移动，高频谐振点会越来越低。高频谐振点变化的对数值与前声腔容积 的增量几乎成线性关系，如图3。图3前声腔容积对高频性能的影响注：图3中横坐标为前声腔容积，单位cm3。纵坐标为高频谐振点变化的对数值。由于音乐的频带一般为300Hz8000Hz，即在该频段内的频响曲线才是有效值，因此 我们一般希望频响曲线的高频谐振点在6000Hz8000Hz之间。因为如果高频波峰太高（高频谐振点大于10000Hz）,那么在中频段可能会出现较深的波谷，导致声音偏小。如果高 频波峰太低（高频谐振点小于6000Hz），那么声腔的有效频带可能会比较窄，导致音色比 较单调，音质较差。所以前声腔太大或太小对声音都会产生不利的影响。同时，由于出声 孔面积对高频也有较大的影响，因此设计前声腔时，需考虑出声孔的面积，一般情况下， 前声腔越大，则出声孔面积也应该越大。当前声腔过小时，还会造成一个问题，即出声孔的位置对高频的影响程度急剧增加， 可能会给手机的出声孔外观位置设计造成一定的困难。综上所述，结合手机设计的实际情况，前声腔设计时，一般希望前声腔的垫片压缩后 的厚度在0.51mm之间。由于它与出声孔面积有一定的相关性，因此具体推荐值在下一 节给出。2.4出声孔对声音的影响及推荐值出声孔的面积对声音影响很大，而且开孔的位置、分布是否均匀对声音也有一定的影 响，其程度与前音腔容积有很大关系。一般情况下，前音腔越大，开孔的位置、分布对声 音的影响程度就越小。出声孔的面积对频响曲线的各个频段都有影响，在不同条件下，对不同频段的影响程 度各不相同。当出声孔面积小于一定值时，整个频响曲线的SPL值会急剧下降，即声音 的声强损失很大，这在产品结构设计中是必须禁止的。当出声孔面积大于一定阈值时， 随着面积增大，高频波峰、低频波峰都会向右移动，但高频变化的程度远比低频大，低 频变化很小，即出声孔面积的变化主要影响频响曲线的高频性能，对低频性能影响不大。出声孔面积与高频谐振点的变化呈非线性关系，且与前声腔大小有一定的联系，如图 4示。图4中，横坐标表示出声孔的面积，单位mm2。纵坐标表示高频谐振点变化的对数值。 综上所述，前声腔、出声孔面积设计推荐值如下表：直径 13mm 的 Speaker直径 15mm 的 Speaker腔垫片压缩后厚度（mm）0.3 0.40.5 0.70.8 1.10.3 0.40.5 0.70.8 1.1前声腔容积（cm3）0.03 0.040.05 0.070.08 0.110.04 0.060.07 0.10.11 0.16出声孔面积最小值（mm2）2222.52.52.5出声孔面积有效范围（mm2）4.5 25525628540640740出声孔面积推荐值（mm2）101214131517直径 16mm 的 Speaker直径 18mm 的 Speaker前声腔垫片压缩后厚度（mm）0.3 0.40.5 0.70.8 1.10.3 0.40.5 0.70.8 1.1前声腔容积（cm3）0.05 0.070.08 0.120.13 0.180.06 0.080.10 0.150.17 0.24出声孔面积最小值（mm2）333444出声孔面积有效范围（mm2）6407409407.5 6086010 60出声孔面积推荐值（mm2）151618182022注：13X18mm椭圆形Speaker前声腔和出声孔面积可以参考。15mm Speaker的参数。上表中最小值表示当出声孔面积小于该值时，整个频响曲线会受到较大影响，音量会 极大衰减。有效范围表示出声孔面积在此范围之内，一般能满足基本要求。需要强调是： 如果出声孔在前声腔投影范围内，分布比较均匀，且过中心，那么可以取较小值，否则应 取偏大一些的值。建议在一般情况下，不要取有效范围的极限值。在实际设计中，如果高频声音出现问题，可以通过实际测量结果，修正出声孔面积进 行改善。注意：出声孔面积减小并不意味着声强降低，相反在很多情况下，反而可以提高 声强。当然，为节省时间，在实际设计中，在一般情况下，也可以以下基本设计原 则计算确定出声孔的面积：a. 出音孔的面积大约占Speaker面积10% 20%比较合适。b. 2.0以上及中0.8以下的出音孔尽可能避免。建议设计孔径中1.01.5mm之间。因为2.0以上打出音孔时很容易进入异物，还有因尖锐的物体SPEAKER的振动膜会 有损伤的风险；而0.8以下孔在模具的实现及后续注塑时容易产生异常，使音效偏 离设计值。c. 出音孔的最小面积大约是3.6%。一般情况下不要取这个极限值。2.5后声腔密闭性对声音的影响后声腔是否有效的密闭对声音的低频部分影响很大，当后声腔出现泄漏时，低频会 出现衰减，对音质造成损害，它的影响程度与泄漏面积、位置都有一定的关系。一般情况下，泄漏面积越大，低频衰减越厉害。泄漏面积与低频谐振点的衰减成 近似线性的关系，如图5。图5中，横坐标表示泄漏面积，单位皿么纵坐标表示无泄漏与有泄漏情况下低频谐振 点之差。在同等泄漏面积情况下，后声腔越小，低频衰减越厉害，即泄漏造成的危害越大，如 图6。图6后声腔容积变化时，泄漏与非泄漏对低频影响对比综上所述，建议结构设计时，应尽可能保证后声腔的密闭，否则可能会严重影响音质。2.6防尘网对声音的影响相比于其他几个因素，防尘网对声音的影响程度较小，它主要是影响频响曲线的低 频峰值和高频峰值，其中对低频峰值影响较大。防尘网对声音的影响程度主要取决于防尘网的声阻值和低频、高频峰值的大小。一般 情况下，峰值越大，受到防尘网衰减的程度也越大。防尘网主要有两个作用，防止灰尘和削弱低频峰值，以保护Speaker。目前，我们常 用的防尘网一般在250#350#之间，它们的声阻值都比较小，基本上在10Q以下，对 声音的影响很小，所以一般采用SPEAKER厂家提供的防尘网差异不会非常大。因此从防 尘和声阻两个方面综合考虑，建议采用300#左右的防尘网。我们以往采用的不织布防尘网存在一个问题，由于不织布的不同区域密度不一样， 因此不同区域声阻也不一样，可能会造成同一批防尘网的声阻一致性较差。但不织布的 成本比网格布低，因此建议设计中综合考虑性能和成本，一般情况下，尽可能不要采用 不织布作为防尘网。3.Speaker音腔结构设计需注意的重要事项a. Speaker出声孔及声腔内部设计要圆滑过渡，尽量避免尖角、锐角，否则容易产生 异响。b. Speaker定位筋（Rib）仅对Speaker起到定位作用。Rib厚度设计为0.6mm,与Speaker单边间隙设计为0.1,顶部有导向斜角C0.20.3，便于装配。RIB的高度可以以低于Speaker接线端的高度0.5mm为基准，一般不宜高出 Speaker周边，否则RIB会阻碍后音腔空气流通，话音特性会严重下降。c.对外壳为塑胶的Speaker，背面轭（即金属磁罩）受力过大容易脱落。在结构设计时， Speaker 底部塑胶定位骨或垫圈类应设计超出轭单边1.0mm，以使受力分散到Speaker塑胶壳上， 避免轭受力过大被压塌陷。d. Speaker前面与壳体间必须有防尘网。Speaker前方不织布是否是属薄且稀疏材质让声音不致被闷住，建议用网格布，不 要用不织布。e. Speaker前音腔泡棉需双面带胶，固定在壳体上，保证前后音腔的密闭性。因 Speaker前后音腔振幅相等相位相反，因此不能互通，必须将前后音腔隔离开。否则两者相位叠加， 声音会变很小。f.需考虑ESD问题。Speaker与外界连通，ESD很容易打进去，因此speaker周围的 卡座、电源、连接器等相关元件也要同步考虑好接地。g.对焊线式Speaker，引线要方便焊接，塑胶位需做导线槽，避免走线混乱及塑胶压 线的情况，引线端头剥线长度1.5mm。h.对弹片式Speaker，PCB焊盘与接触片X/Y方向必须居中（接触片必须设计成原始 和压缩两种状态），且要求单边大于接触片0.5以上。i.若手机空间允许，则Speaker可尽量自带音腔，由Speaker供应商直接整体供货。j.如果后音腔不能做到密封，则后音腔容积尽量大些，且泄漏孔需远离Speaker， 这样会减少后音腔密闭性不好所带来的负面影响。k.圆形喇叭用于手机中时，最好采用圆形出音孔。否则，会因为振动体与出音孔的形状差异，引起频率特性变化，使声音变得尖锐。以上音腔设计的资料是通过大量网上资料，经验总结得到但是由于声音具有一定的特殊性，因此，建议设计师采取理论结合实践的方法，通 过手板等实际测试，以对一些设计细节进行调整、优化。欢迎大家对此规范提出改善意见，我们将不断补充、完善！