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

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，经历了从窄帶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[ 1 ]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[ 2 ]。

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-力-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。

其中，c是声音在空气中传播的速度，L是通道长度，V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。在三次的仿真对比计算中，每次改变其中一个物理量，和实际开模的模型进行对比，研究频带宽度的变化，对比数据如表1所示。

不难发现，腔体体积越小，通道长度越短，进音孔面积越大，共振频率越高，频带宽度越宽，和理论一致。

3 结论

进音通道的声学结构决定了共振频率点，在设计上需要将共振频率点往更高频率拓展，使得共振频率远离我们的语音频带范围之外，进而提升通话体验。

本文从亥姆赫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。实际应用中，在设计前期对麦克风的频宽进行仿真，优化设计模型，在开模前准确判断频带宽度是否满足要求，可以有效缩短产品开发周期，减小修模次数和降低多次改模成本。

参考文献：

[1] 陈皓.从应用到创新：手机硬件研发与设计[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2] 马大猷.亥姆霍兹共鸣器[J].声学技术，2002，21（1）：2-3.

[3] 杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础[M].南京：南京大学出版社，2001.

[4] 马大猷.亥姆霍兹共鸣器的发展[J].物理，1993，22（8）：453.