麥克風聲學結構對通話頻寬影響的研究

李偉 李鳳亮 胡金鈴

摘 要：通話頻帶寬度是影響通話質量的重要指標，頻帶寬度越寬，在實際通話過程中，對語音信號的影響越小，傳輸的語音信息也更真實、更清晰。本文從亥姆霍茲共鳴腔聲學理論出發，同時借助仿真和實驗，研究了不同聲學結構對頻帶寬度的影響。重點分析了麥克風的進音通道面積，進音通道長度以及腔體體積對頻帶寬度的影響。結果表明：縮短進音通道長度，增大進音通道面積以及減小腔體體積，都可以有效拓展頻帶寬度，和理論一致。同時，對比實際錄音測試得到的結果和仿真結果，吻合較好。在實際應用中，提前利用仿真工具設計麥克風的聲學結構，判斷頻帶寬度是否滿足要求，可以有效縮短產品開發周期，節省成本。

關鍵詞：頻帶寬度；截止頻率；麥克風；仿真；亥姆霍茲

隨著移動智能終端的快速發展，目前的手機集成了越來越多的功能，性能不斷提升。從第一代移動通信采用模擬調制的方式，到目前第四代數字通信系統，通話作為手機最基本的功能，經歷了從窄帶語音通話到寬帶語音通話的發展歷程，后續通訊行業標準還會對通話頻帶寬度提出更高的要求，來保證通話質量的提升。

實際通話過程中，上行（發送）語音方向的處理流程[ 1 ]如圖1所示，原始語音信號經過麥克風的拾取，放大，采樣，量化后進行語音編碼，然后經過信道編碼和數字調制，再通過射頻模塊把信息發射出去。下行（接收）語音的處理流程為逆過程。

語音頻帶寬度分為窄帶和寬帶，按照目前數字移動終端音頻性能技術標準，窄帶的通信頻寬為300Hz至3400Hz，寬帶的通信頻寬為50Hz至6300Hz。

1 理論及原理

一般情況下，麥克風設計在手機底部，通過進音通道和外部連通來拾取語音信號，剖面圖如圖5所示。麥克風焊接在FPC或者PCB板上，電池蓋和支架以及支架和FPC之間通過泡棉密封，整個進音通道包括：通道面積，通道長度和前腔體積，近似一個亥姆霍茲共鳴器[ 2 ]。

關于亥姆霍茲共鳴器的理論，瑞利第一個提出了力學類比方法，針對理想的亥姆霍茲共鳴器，聲學元件的線度比聲波波長小得多，聲學元件中各部分的運動看作是均勻的，即集中參數系統。

通道內空氣可以看成一個質量整體因聲波入射而振動，腔體內的空氣做相應的脹縮變化，這樣共鳴器的運動就和一個質量彈簧系統一樣，采用電-力-聲類比（阻抗型）的方法[ 3 ]，通道內空氣質量類比電感，腔體內空氣類比電容，其中Ma為通道空氣聲質量，Ra為通道聲阻，Ca為腔體內聲容。

其中，c是聲音在空氣中傳播的速度，L是通道長度，V是腔體內空氣體積。

上述公式是針對理想的亥姆霍茲共鳴器，聲學元件的線度比聲波波長小得多的情況下，計算得到準確的共振頻率。隨著頻率升高，進音通道不再視作集中參數系統，同時進音通道也不如理想亥姆霍茲共鳴器規則，通過上述計算公式不能得到準確結果，僅作為一個參考。

2 仿真數據和實測結果

選取一款手機的實際麥克風進音通道作為研究對象，仿真分析了麥克風的進音通道面積，進音通道長度以及腔體體積對頻帶寬度的影響。在三次的仿真對比計算中，每次改變其中一個物理量，和實際開模的模型進行對比，研究頻帶寬度的變化，對比數據如表1所示。

不難發現，腔體體積越小，通道長度越短，進音孔面積越大，共振頻率越高，頻帶寬度越寬，和理論一致。

3 結論

進音通道的聲學結構決定了共振頻率點，在設計上需要將共振頻率點往更高頻率拓展，使得共振頻率遠離我們的語音頻帶范圍之外，進而提升通話體驗。

本文從亥姆赫茲共鳴腔聲學理論出發，同時借助仿真和實驗，研究了不同聲學結構對頻帶寬度的影響。重點分析了麥克風的進音通道面積，進音通道長度以及腔體體積對頻帶寬度的影響。結果表明：縮短進音通道長度，增大進音通道面積以及減小腔體體積，都可以有效拓展頻帶寬度，和理論一致。

同時，對比實際錄音測試得到的結果和仿真結果，吻合較好。實際應用中，在設計前期對麥克風的頻寬進行仿真，優化設計模型，在開模前準確判斷頻帶寬度是否滿足要求，可以有效縮短產品開發周期，減小修模次數和降低多次改模成本。

參考文獻：

[1] 陳皓.從應用到創新：手機硬件研發與設計[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2] 馬大猷.亥姆霍茲共鳴器[J].聲學技術，2002，21（1）：2-3.

[3] 杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎[M].南京：南京大學出版社，2001.

[4] 馬大猷.亥姆霍茲共鳴器的發展[J].物理，1993，22（8）：453.