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1、 徐柏龄徐柏龄南京大学瑞声音频声学实验室南京大学瑞声音频声学实验室南京大学瑞声音频声学实验室南京大学瑞声音频声学实验室近代声学国家重点实验室近代声学国家重点实验室近代声学国家重点实验室近代声学国家重点实验室南京大学声学研究所南京大学声学研究所南京大学声学研究所南京大学声学研究所电声讲座 徐柏龄徐柏龄 教授教授 、博士生导博士生导师师n n南京大学南京大学 声学研究所声学研究所n n 电子科学与工程系电子科学与工程系n n 中国声学学会中国声学学会 常务理事、会士常务理事、会士n n 中国声频工程学会中国声频工程学会 副主任副主任n n 中国电子学会中国电子学会 理事理事n n 江苏省声学学会江
2、苏省声学学会 副理事长副理事长n nTel:(025)83593613(O),13770518476Tel:(025)83593613(O),13770518476n nEmail:Email:AACAAC n n电声基础(音频声学简介）n n手机中的电声器件n n机壳对手机电声性能的影响n n硅微传声器简介n n结束语内容电声基础电声基础l声波、声压级、频率、声速、波长l声强级、声功率l人耳响应l电-力-声类比声波声波 声场量及其单位声场量及其单位n n声压n n质点速度n n温度n n密度声场量及其单位声场量及其单位n n声强声强n n声功率声功率n n声速声速声压级声压级声压级范围声压级
3、范围n n140dB 火箭发射 100米外（痛阈）n n120dB 柴油机，泵房，摇滚乐n n100dB 纺织车间，鼓风机房n n80dB 高声喊叫n n60dB 办公室，教室，（1米讲话）n n40dB 轻声耳语n n20dB 郊区静夜声功率级声功率级声波的频率声波的频率n n声源/质点每秒振动的次数称为声波的频率。用字母表示，单位为赫兹（H）n n人耳能听得见的声波的频率范围为2020000H。n n音频声学：研究音频声的拾取、重放、传播及传播过程中的各种物理现象和处理方法的科学。n n低于20 H的声波，称为次声；高于20000H的声波称为超声声速声速n n声波传播速度的物理量（不是质点
4、速度）n n与传播介质特性有关（温度、气压和密度等）声波的波长声波的波长n n声波在传播过程中相邻的同相位的两点之间（如相邻的两稠密或两稀疏之间）的距离称为波长。噪声频域描述n n倍频程 31.5,63,125,250,5001000,2000,4000,8000,16000Hz带宽：31.5=(22,44)n n1/3倍频程 25,31.5,40,50,63,80,100,125,160,，12500,16000,20000带宽：25=(22,28),31.5=(28,35),铃声时域波形铃声频谱铃声频谱瀑布图白噪声和粉红噪声n n白噪声各个频率的频谱密度相等n n粉红噪声各个倍频程或1/3
5、倍频程的能量相同等响曲线等响曲线响度级响度级l响度级 1000Hz的声压级（分贝数），单位为方（Phon）反映不同频率声音的等响感觉HelmhotzHelmhotz共鸣器共鸣器Vl0dn 结构结构u 共振器的线度远远小于波长共振器的线度远远小于波长u 短管体积远小于腔体积短管体积远小于腔体积u 腔壁是刚性的腔壁是刚性的电力声类比Vl0dp力声阻抗关系电力声类比应用范围u 低频时，若器件的线度远远低频时，若器件的线度远远 小于声波波长，则此时分布小于声波波长，则此时分布 系统参数可用集总系统参数系统参数可用集总系统参数 来近似描述。来近似描述。手机中的电声器件手机中的电声器件l振铃扬声器（喇叭）
6、l受话器（喇叭、听筒）l送话器（话筒、麦克风、传声器）通讯中的电声器件受话器受话器扬声器扬声器送话器送话器麦克风麦克风送话器n n驻极体麦克风按电容式原理工作的频带宽、音质好、失真小、瞬态响应好机械振动不敏感等特点n驻极体麦克风结构驻极体麦克风结构由振膜与驻极体背极形成的电容式极头由振膜与驻极体背极形成的电容式极头后接阻抗变换器后接阻抗变换器电容传声器电容传声器等效图驻极体麦克风驻极体麦克风特性n n 影响驻极体麦克风灵敏度因素 驻极体表面电荷密度的大小 振膜的张力 振膜与背极间的距离 阻抗变换器或放大器的性能n n 输出阻抗、频响、自噪声、稳定性、指向性、动态范围指向性传声器指向性传声器产品
7、测试送话器测试信号源仿真嘴放大器分析仪送话器扬声器DMS1808B-05DMSP1420B-01扬声器指标(GB939688)DMSP1625A-01n n 尺寸：尺寸：4.7H/16W/25L4.7H/16W/25Ln n 额定功率：额定功率：0.5W(0.5W(最大功率最大功率1W)1W)n n 阻抗：阻抗：8 ohm8 ohmn n 共振频率：共振频率：730Hz730Hzn n 灵敏度：灵敏度：103dB/0.5W/5cm/3KHz103dB/0.5W/5cm/3KHzn n 失真：15(700Hz-3KHz)n n 指向性n n 频率响应、电阻抗曲线、频率响应、电阻抗曲线、TSTS参
8、数参数扬声器等效电路n 辐射阻抗 ZMR扬声器电阻抗曲线和频响曲线扬声器TS参数 n n TSTS参数（参数（DMS1508H-02DMS1508H-02）受话器SDR1532H-05n n 尺寸：尺寸：15.1D/2.6H15.1D/2.6Hn n 额定功率：额定功率：0.01W(Max0.03W)0.01W(Max0.03W)n n 阻抗：阻抗：32 ohm32 ohmn n 灵敏度：灵敏度：95dB/0.18Vrms1KHz95dB/0.18Vrms1KHzn n 失真：失真：55(300Hz-4KHz)(300Hz-4KHz)n n 尺寸：尺寸：8D/2.35H 8D/2.35H （6
9、50Hz650Hz）n n 额定功率：额定功率：0.01W(Max0.03W)0.01W(Max0.03W)n n 阻抗：阻抗：32 ohm32 ohmn n 灵敏度：灵敏度：109dB/0.18Vrm1KHz109dB/0.18Vrm1KHzn n 失真：失真：55(300Hz-3.4KHz)(300Hz-3.4KHz)SDR0832EJ01-F受话器测试信号驱动仿真耳放大器分析仪受话器机壳结构对手机电声机壳结构对手机电声性能的影响性能的影响l机壳结构对振铃扬声器性能的影响l机壳结构对受话器频率特性的影响振铃扬声器的结构机壳中的振铃扬声器M2V2M1V1VfMfVbMbRbVa机壳中扬声器的
10、等效声学线路等效声学线路参数等效声学线路简化 CAf CA1 CAB值较小，频率低时，抗值大，视为开路；MAf MA1 MAB 值较小，频率低时，抗值小，视作短路；CA 抗值甚小，可视为短路。改变耦合腔V2的影响改变出声孔面积S2的影响分析和讨论机壳声结构的作用，一般为声学滤波器（低通），如前图虚线框内所示。可据扬声器的频响特性，适当设计MA2 CA2 之值，使扬声器所发之声通过声结构后，高频有所衰减，从而低频相对丰满，可使听感柔和。若为了提高振铃的输出声级，也可刻意设计腔体（即CA2）及出声孔的几何尺寸（即MA2），使其在某个频率附近发生谐振，以期提高声输出，但失真可能增大。结论机壳声结构（
11、腔和孔）的设计（主要是MA2、CA2 的设计），应与扬声器的频响特性相配合，以期达到最佳效果。不同的扬声器，声结构的几何尺寸是不同的。受话器的结构受话器在手机中的结构受话器在手机中的等效声学线路振膜背面声学线路分析n 振膜背面声学线路包括CA2、MA3、RA3、CA4四个声学元件。其中；n RA3通常用加阻尼材料（绢、无纺布等）来获得。所以，振膜背面的声学线路主要起阻尼作用。因阻尼力与振速（或容积速度）成正比，即 当有谐振出现时，v（或U）达极大，响应出现峰值。此时fR 亦大，故可将峰“压平”。受话器前面声学线路分析n 受话器装入机壳后，受话器前面与机壳形成一个声学结构，其等效声学线路受话器安
12、装至机壳后的等效声学线路虚线框内所示。此声学结构，实际上是一个声学滤波器（低通）；n MA2、CA2 的值越大，则对高频的衰减也越大，开始衰减的频率（截止频率）也越低。所以MA2 CA2值的决定，必须与受话器的频响特性相配合。受话器前和机壳配合实测例子一个发音孔受话器和机壳配合实测例（续）两个发音孔结论 （1）因CA4=V4 /c2；所以，V4 宜大不宜小。至少不小于现有的值，大则不限。（2）MA2 CA2 值的大小，直接决定着高频响应的值，不同频率特性的受话器，应配以不同的MA2 CA2 的值，且一经调定，则不宜改动。建议用户，按 AAC 提供的数据（V2 的大小、出声孔的直径、长度和个数）
13、制作，以达最佳配合。硅微传声器简介一一.MEMS简介简介硅片传感器集成电路MEMS微机电系统 Micro Electro Mechanical System 微机电系统是在硅片上加工可移动的机械零件，配合集成电路，形成单芯片系统SOP（System On a Chip），具有广阔的应用前景。n声学微机电系统是微机电系统的重要组成部分，和普通声学系统一样，它也包括微声传感器和微声驱动器。科研人员目前主要着眼于硅微传声器Silicon Microphone的研发。二二.硅微传声器优势硅微传声器优势n n微型化：微型化：传声器的微型化和信息化的产品的发展趋势一致，传声器的微型化和信息化的产品的发展趋
14、势一致，在通信、电脑、助听器、机器人及安全监听等方面一定能得到在通信、电脑、助听器、机器人及安全监听等方面一定能得到越来越广泛的应用。包括封装的越来越广泛的应用。包括封装的Silicon MicrophoneSilicon Microphone的尺寸的尺寸15mm15mm3 3。n可以使用贴片工艺相比传统的相比传统的ECMECM封装，通过平面工艺制作的硅微传封装，通过平面工艺制作的硅微传声器具有高温工作及和声器具有高温工作及和CMOSCMOS工艺兼容的优点。工艺兼容的优点。传统的传统的ECMECM若使用贴片，在贴片的高温过程中会丧若使用贴片，在贴片的高温过程中会丧失其驻极体电荷，因此必须在其他
15、元器件安装完毕失其驻极体电荷，因此必须在其他元器件安装完毕后使用手工焊接，而硅微传声器不存在这个问题，后使用手工焊接，而硅微传声器不存在这个问题，可以使用贴片工艺自动焊接。可以使用贴片工艺自动焊接。这将大大降低传声器的使用成本。这将大大降低传声器的使用成本。n n可集成性可集成性：硅微传声器与集成电路（IC）工艺兼容，可望把微传声器作为单芯片系统（SOC）的前端接口，逐步实现传声器、跟随电路、模数转换与数字电路的集成。n n批量一致性批量一致性：由半导体工艺技术制造的微传声器易于批量生产，可望降低单个器件的成本，控制好封装的工艺，可以得到性能稳定、一致性良好的传声器，可以用于微声传感器或微超声
16、换能器（MUT）阵列。040405050606SMDSMDMicrophoneMicrophoneMEMSMEMS SM0102-424 Sensitivity:-424dBOutput impedance:max100 Current Consumption :max250A Signal to Noise Ratio:Min58dBSupply Voltage:1.5v to 5.5vMaximum Input Sound Level:SPL=100dB THD1%SPL=115dB THD10%AAC microphone was developed as a cost effectiv
17、e alternative to traditional electric condenser microphone.Provided on tape-and-reel,AAC is ideally suited for high volume applications,It can be processed directly to customers PCB using standard automatic pick-and-place equipment,and surface mounted via standard solder reflow equipment.Acoustic Components for the Mobile IndustryProduct RoadmapAACAAC三三.进一步走向实用（批生产）：进一步走向实用（批生产）：n n昂贵的MEMS加工设备；n n高效率的仿真工具；n n提高器件的工艺性；n n一系列标准化的封装技术；n n提高MEMS器件的成品率。总结束语n n电声基础（电力声等效图）n n手机中的电声器件（注意应用条件）n n机壳对手机电声性能的影响（电声器件应和具体声环境结合起来考虑）n n硅微传声器走向批生产。谢谢大家！