主题：手机声腔设计(三)

四. 手机声腔设计

    1.目的
    手机声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。
    为了提高声腔设计水平，详细说明了声腔各个参数对声音的影响程度以及它们的设计推荐值，同时还介绍了声腔测试流程。手机的声腔设计主要包括前声腔、后声腔、出声孔、密闭性、防尘网五个方面，如下图：

    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阈值时，它对低频的改善程度会急剧下降，如图2示。

    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的阈值时，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，必须避免出现这种情况。

    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。具体推荐值如下：φ13mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在800Hz～1200Hz之间。
当后声腔为0.5cm3时，其低频谐振点f0大约衰减600Hz～650Hz。当后声腔为0.8cm3时，f0大约衰减400Hz～450Hz。当后声腔 为1cm3时，f0大约衰减300Hz～350Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减250Hz～300Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大 约衰减100Hz～150Hz。因此对于φ13mm SPEAKER，当它低频性能较好（如f0在800Hz左右）时，后声腔要求可适当放宽，但有效容积也应大于0.8cm3。当低频性能较差时 （f0>1000Hz），其后声腔有效容积应大于1cm3。后声腔推荐值为1.5cm3，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。φ15mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在750～1000Hz之间。

    当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为1cm3时，f0大约衰减600Hz～750Hz。当后声腔为 1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大约衰减200Hz～250Hz。因此对于φ15mm SPEAKER，后声腔有效容积应大于1.5cm3。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。13×18mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在780～1000Hz之间。

    当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为1cm3时，f0大约衰减600Hz～750Hz。当后声腔为 1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为3.5cm3时，f0大约衰减200Hz～250Hz。因此对于13X18mm SPEAKER，后声腔有效容积应大于1.5cm3。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。φ16mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在750～1100Hz之间。

    当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减850Hz～1000Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0大约衰减600Hz～700Hz。当后声腔 为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为2cm3时，f0大约衰减300Hz～350Hz。当后声腔为4cm3时，f0大约衰 减150Hz～200Hz。因此对于φ16mm 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。
φ18mm SPEAKER：它的低频谐振点f0一般在700～900Hz之间。

    当后声腔为0.5cm3时，低频谐振点f0大约衰减700Hz～950Hz。当后声腔为0.9cm3时，f0大约衰减500Hz～700Hz。当后声腔为 0.9cm3时，f0大约衰减500Hz～700Hz。当后声腔为1.5cm3时，f0大约衰减400Hz～550Hz。当后声腔为2.1cm3时，f0 大约衰减250Hz～400Hz。当后声腔为4.3cm3时，f0大约衰减120Hz～160Hz。因此对于φ18mm 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：

    注：后声腔设计时，必须保证后出声孔出气畅通，即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。

    3.前声腔对声音的影响
    前声腔对低频段影响不大，主要影响手机铃声的高频部分。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。

    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。

    由于手机MIDI音乐的频带一般为300Hz～8000Hz，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 6000Hz～8000Hz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，可能会给外观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0.3~1mm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。

    4.出声孔对声音的影响及推荐值
    出声孔的面积（即在SPEAKER正面上总的投影有效面积）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，其程度与前声腔容积有很大关系。一般情况下，前声腔越大，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的阈值时，整个频响曲线的SPL值会急剧下降，即铃声的声强损失很大，这在手机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：

    注：13X18mm椭圆形SPEAKER前声腔和出声孔面积可以参考φ15mmSPEAKER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。

    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mm2。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。

    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。