楼寓对讲系统免提终端设备音频设计考虑要素

2011-06-25戎玲

电视技术 2011年16期

戎玲

（国家安全防范报警系统产品质量监督检验中心（上海），上海 200031）

0 引言

楼寓对讲电控系统目前已普遍应用于居民住宅小区，是公共安全防范的重要技术手段。对于楼寓对讲系统而言，评价其性能优劣时，音频性能是系统性能的核心指标之一。因此，在公安部行业标准GA/T 72—2005《楼寓对讲系统及电控防盗门通用技术条件》[1]及GA/T 678—2007《联网型可视对讲系统技术要求》[2]中，对系统通话传输特性的技术要求是产品质量检验的重点之一。这些评价指标主要包括全程响度评定值（OLR）、频率响应、非线性失真、信噪比等4个参数。具体来讲，全程响度评定值主要反映了语音经过系统传输后的音量衰减程度；频率响应及非线性失真则反映了语音经过对讲系统传输后的音质还原效果；信噪比则反映了对讲系统的噪声情况。因此，通过这些参数的检验就可以判断楼寓对讲系统的音频性能。

应该说设计一个符合标准要求的楼寓对讲终端设备，就是设计一个有着较出色音频性能的设备。目前，楼寓对讲系统的终端对讲设备采用免提通话方式的产品已越来越普遍，如何设计一款具有出色音频性能的免提对讲终端设备是生产企业必须考虑的问题。其实从设计角度来讲，音频设计主要考虑的要素可分为电路设计和结构设计两大方面。

1 对讲系统免提终端设备电路设计考虑因素

楼寓对讲系统首先是个电子系统，因此对讲系统终端电路的电气特性是决定该设备通话传输特性优劣的首要条件。对于一个终端设备来说，当只考虑对讲终端的通话特性时可用图1所示示意图描述电气特性。

由图1可见，影响终端设备音频特性的要素主要有4个：音频电路、功放、传声器及扬声器。

1.1 音频电路

音频电路可以说是决定终端设备音频特性的基础，一个出色的音频电路设计也可以降低整个终端设备的结构设计要求。成熟的音频电路实现方案有很多，分立元件可实现，集成各种功能的专用音频IC也可以实现。对于设计楼寓对讲免提终端而言，选择方案的原则应是在满足标准中的频率响应特性等要求的前提下，尽可能选择电路简单、性价比高的方案。一般来说选用电话机用的免提电路IC是较好选择。因为楼寓对讲系统的音频标准主要参考ITU国际电信联盟的数字电话标准演变而来的，只要设计得当，电话机用的免提电路IC完全可满足楼寓对讲的音频标准。

在使用免提IC电路时，要特别注意电路的频率响应特性。参照楼寓对讲系统标准中的通话传输特性要求可知，对讲系统的频率响应在400～3400 Hz范围内的波动应该控制在一定范围内，而要想满足这样的频率特性曲线，免提IC电路在这一频率范围内的频响特性就必须满足要求。有些IC低频滤波的频段会接近400 Hz从而导致低频段的音频曲线无法通过，这时就需将低频滤波的频段向下修改或关闭低频滤波功能。

还有一种现象是终端设备在通话时声音很正常，但使用楼寓对讲音频测试设备测试音频特性曲线却波动非常严重。这很可能是由于打开了免提IC芯片的降噪功能，该种降噪功能会自动将单一频率的正弦波信号作为噪音进行降噪处理。而在使用楼寓对讲音频测试设备测试时，测试仪按1/3倍频程间隔，通过输出各个频率点的正弦波信号进行测试的，因此该降噪功能可能将测试信号作为噪音处理，从而会严重影响频率响应特性。

1.2 功率放大器

除了专用的音频IC本身，一般驱动扬声器时还需要一级功放IC，该功放IC的选择除了也要满足音频电路的频响特性要求外，还必须考虑有足够的输出功率与扬声器的相匹配，避免在输出较大音量时出现失真问题。一般而言，功放的功率应该在扬声器额定功率的1.2～1.5倍。为获得较大的音频输出功率，推荐功放尽量采用较高电压直流电源供电，比如12 V直流电源。

而除功率匹配的问题外，选择功放时还应注意阻抗匹配，功率放大器的输出阻抗应和扬声器的额定输入阻抗相一致，二者才能获得最佳匹配。

1.3 传声器

音频信号的声电信号转换，一般通过传声器（又称为微音器）来实现，因此传声器的选择非常重要。目前一般选用的传声器均为驻极体电容传声器，其性能可以用一系列客观参数进行描述，主要的有灵敏度、频率响应、等效噪声级与信噪比、指向性、动态范围和输出阻抗等。

1.3.1 灵敏度

灵敏度是表征传声器电声换能能力的一个指标，一般来说，在同样的音源条件下，灵敏度越高的传声器转换的电信号越大。通常，灵敏度指标的选择要根据音频电路的要求来确定。

1.3.2 频率响应

传声器的灵敏度与频率有关，通常采用灵敏度随频率变化的关系曲线表示传声器的频率响应或频率特性，有时也用一定频率范围内的灵敏度不均匀度来表示，称为传声器频率特性的不均匀性。在标准要求的音频范围内，传声器频响曲线应该尽量均匀，否则由于传声器输入的信号至对方扬声器输出端信号可能有几十到上百倍的放大，传声器频响曲线的一点点偏离就可能造成整个对讲系统音频曲线偏离出标准范围。

1.3.3 等效噪声级与信噪比

等效噪声级是指无外声场时，仅由传声器固有噪声引起的输出电压，可表征传声器可拾取低声级的能力。等效噪声级越低，传声器接收弱信号的能力就越强。

信噪比是指传声器灵敏度与固有噪声之比。信噪比值越大，说明本底噪声越小，因此应尽量选择信噪比指标高的传声器。

1.3.4 指向性

传声器的指向性即方向性，是指传声器对不同角度入射声波的响应。当声波以不同角度入射到振膜时，因为振膜所受到的作用力的不同，相应输出也不同，即传声器灵敏度随入射声波的角度不同而产生变化的特性，称为传声器的指向性。传声器的指向一般分为心形、超心形、8字形、枪式、全向指向等（见图2）。

指向性传声器的选择一般由应用确定，但从使用经验来看，由于全向传声器通常频响范围更大，频响特性的均匀度也比单向传声器更好，因此一般推荐选用全向传声器。

1.3.5 动态范围

传声器的动态范围是指最高声级与等效噪声级之差的范围。最高声级是指传声器容许输出声级的最大值，此时传声器的非线性失真应不超过规定值。当传声器的灵敏度越低时，相应的最高声级就会越大，反之亦然。动态范围的下限取决于传声器的等效噪声级。

1.3.6 输出阻抗

传声器的输出阻抗主要关系到传声器与其后面的输入声源的配接问题。在配接时，要求负载阻抗必须比传声器的内阻大得多，近似开关状态。一般要求负载阻抗应至少比内阻大5倍。

1.4 扬声器

与作为输入设备的传声器选择时需考虑诸多参数一样，作为电声转换设备的扬声器的选择也要考虑很多技术参数。扬声器的性能参数主要有额定功率、频率特性、谐振频率、谐波失真、灵敏度和额定阻抗等。

1.4.1 额定功率

扬声器的额定功率是指扬声器在长时间工作时的平均输出功率，通常在扬声器的铭牌上标出。实际上扬声器是工作在变功率状态的，它是随着输入音频信号的强弱而变化的。在强信号时峰值脉冲信号可能会超过额定功率值很多倍，由于持续时间较短而不会损坏扬声器，但有可能出现失真。因此，扬声器需留足够的功率余量以保证在峰值脉冲出现时仍能获得很好的音质。一般扬声器的最大功率是额定功率的2～4倍。

由于对讲系统的音频标准对响度评定值有较高要求，因此选择扬声器时必须注意其额定功率能满足输出音量要求。

1.4.2 频率特性

与传声器相似，频率特性是指扬声器的输出声压随输入信号频率变化的特性。实际上就是说扬声器能工作在哪个频率范围。受结构的影响，不同的扬声器，其频率响应的范围是不同的，可根据需要选用工作在不同频段的扬声器。

扬声器的频响曲线是具有许多峰谷点的不规则连续曲线，将扬声器的谐振频率作为低频下限频率，而将频响曲线高频端的交点作为高频上限频率。低频下限与高频上限之间的频率范围称为扬声器的有效频率范围。扬声器的频率特性应尽量趋于平坦，否则会引入重放的频率失真。扬声器的频响曲线越平坦，说明频率失真越小，有效频率范围越宽。

1.4.3 谐振频率

谐振频率是指扬声器所能重放的最低频率，它与扬声器口径大小有关。低音扬声器的谐振频率值一般是随其口径的增大而降低。谐振频率是决定扬声器低频特性的重要参数，该值越低，扬声器重放低音的质感和力度也越好。

1.4.4 谐波失真

谐波失真是指在重放时，增加了原信号中没有的谐波成份。通常以最大音量时的10%总谐波失真（THD）的失真率来表示扬声器的质量级别。扬声器的谐波失真主要来源于磁体磁场不均匀、振动膜的特性、音圈位移等造成的非线性失真。对于高质量的通话电路来说，THD应当小于5%。

1.4.5 灵敏度

扬声器的灵敏度是指在输入功率为1 W噪声电压时，在扬声器的轴向正前方1 m处所测得的声压大小。灵敏度反映了扬声器的电声转换效率。灵敏度越高，则扬声器对音频信号中细节的响应能力就越高。

1.4.6 额定阻抗

额定阻抗也叫标称阻抗，是指扬声器在额定功率下所得到的交流阻抗值。只有扬声器的阻抗与功放电路输出端的阻抗相匹配时，扬声器才能得到最佳的工作状态。扬声器的标称阻抗有4 Ω，8 Ω，16 Ω，32 Ω等。额定阻抗通常为扬声器音圈直流电阻的1.1倍左右。

2 对讲系统免提终端设备结构设计应考虑的因素

在设计一款对讲系统免提终端设备时，除必须考虑上述电气特性的因素外，结构设计的合理与否也是影响设备最终音频性能的重要因素。即使电路设计再出色，如果结构设计有先天缺陷，最终也可能导致对讲终端设备的音频性能大打折扣，甚至无法达到对讲系统测试标准。结构设计方面需考虑的要素主要包括传声器的结构设计要求、扬声器的结构设计要求及两者之间布局要求。

2.1 传声器的结构设计要求

传声器的位置应放置在离声源较近的地方，理论上离声源越近越容易捕获完整的音频信号，尤其针对低频信号。具体来讲，参考对讲系统测试设备仿真嘴的位置，传声器位置应该尽量在设备中央，无法满足居中则要求置于机器左侧，传声器方向则以正对声源为佳。

传声器的开孔直径要合适，开孔过大，不美观；开孔过小，会影响传声器的灵敏度。为尽量减小振动耦合，应将传声器置于没有空气间隙的橡胶圈内。传声器在机壳内安装时正面应紧贴内壁，不应留有间隙，因为留有间隙相当于在传声器与外壳之间形成一个空腔，可能会对声音的某一些频率产生共振，从而改变了传声器的频响特性，甚至会对某一高频产生共振，从而产生高频啸叫。

传声器不应置于塑料外壳的接缝处，应尽量不与电路板或塑料外壳直接接触，必要时可以导线与电路板连接。同时，还必须注意确保任何活动部件（如听筒、键盘、键钩）不会产生能够被传声器捕获到的额外失真，通过采用软橡胶键盘或触摸屏软键可以实现这一点。另外，在室外应用中，应考虑在传声器上放置海绵片以阻挡直接气流，防止因风带来的噪声导致传声器饱和效应。

2.2 扬声器的结构设计要求

参照对讲系统测试设备仿真耳位置，扬声器位置以设备右侧或居中为佳。此外，应使用软硅胶或海绵胶等能够吸收振动的材料将扬声器固定在机壳内可靠位置，尽量减小振动。安装扬声器时，可在机壳与扬声器之间，以及扬声器安装垫和扬声器之间使用减振材料。在空间允许的情况下，尽量选用口径大的扬声器。

扬声器的声腔设计对于一个电子设备上扬声器的音频特性而言也非常重要。扬声器声腔可以在一定程度上调整扬声器本身的输出频响曲线，通过声腔参数的调整改变音频的高、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。音腔设计主要的一个原则就是，前音腔要密闭，后音腔要尽可能大，泄漏孔尽可能距离扬声器远一点。

终端设备的扬声器声腔结构示意图如图3所示。

声孔、前腔、内腔、泄漏孔等都会对终端设备的整机音质表现产生影响。首先要用橡胶圈，即环形橡胶垫把扬声器与外壳密封起来，使声音不会漏到设备内腔，然后就是声孔、前腔、内腔的合理配合。泄漏孔以远离扬声器为宜，即无法密封的位置要尽量远离扬声器，这样可以使得整机的音质表现较好。泄漏孔面积不宜过大，面积越大低频效果越差。设计时还要保证此泄漏孔不要被挡住。

声腔结构对音质的影响如表1所示。

2.3 扬声器和传声器的相对布局

对于免提通话电路来说，最大的问题是消回声问题。在结构设计时如充分考虑到扬声器与传声器的布局，可以降低电路设计的难度。通过尽量增大扬声器和传声器之间的声学隔离可进一步提高音频性能。为把塑料外壳外的声学耦合量降到最低，应将扬声器和传声器的放置位置相互垂直并放置在塑料外壳的不同侧。同时，应将扬声器封装在独立的腔体内，以减小塑料外壳内的声学耦合效应。通过在扬声器腔和塑料外壳其余部分之间使用隔音板或其他固体隔离物，都可以有效减少耦合效应。在实践中，往往只需在扬声器和外壳以及安装垫之间加一块低成本的橡胶垫就可以大大提高设备的声学性能。