樓寓對(duì)講系統(tǒng)免提終端設(shè)備音頻設(shè)計(jì)考慮要素

戎 玲

（國(guó)家安全防范報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（上海），上海 200031）

0 引言

樓寓對(duì)講電控系統(tǒng)目前已普遍應(yīng)用于居民住宅小區(qū)，是公共安全防范的重要技術(shù)手段。對(duì)于樓寓對(duì)講系統(tǒng)而言，評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣時(shí)，音頻性能是系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)之一。因此，在公安部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA/T 72—2005《樓寓對(duì)講系統(tǒng)及電控防盜門通用技術(shù)條件》[1]及GA/T 678—2007《聯(lián)網(wǎng)型可視對(duì)講系統(tǒng)技術(shù)要求》[2]中，對(duì)系統(tǒng)通話傳輸特性的技術(shù)要求是產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的重點(diǎn)之一。這些評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括全程響度評(píng)定值（OLR）、頻率響應(yīng)、非線性失真、信噪比等4個(gè)參數(shù)。具體來講，全程響度評(píng)定值主要反映了語音經(jīng)過系統(tǒng)傳輸后的音量衰減程度；頻率響應(yīng)及非線性失真則反映了語音經(jīng)過對(duì)講系統(tǒng)傳輸后的音質(zhì)還原效果；信噪比則反映了對(duì)講系統(tǒng)的噪聲情況。因此，通過這些參數(shù)的檢驗(yàn)就可以判斷樓寓對(duì)講系統(tǒng)的音頻性能。

應(yīng)該說設(shè)計(jì)一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的樓寓對(duì)講終端設(shè)備，就是設(shè)計(jì)一個(gè)有著較出色音頻性能的設(shè)備。目前，樓寓對(duì)講系統(tǒng)的終端對(duì)講設(shè)備采用免提通話方式的產(chǎn)品已越來越普遍，如何設(shè)計(jì)一款具有出色音頻性能的免提對(duì)講終端設(shè)備是生產(chǎn)企業(yè)必須考慮的問題。其實(shí)從設(shè)計(jì)角度來講，音頻設(shè)計(jì)主要考慮的要素可分為電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大方面。

1 對(duì)講系統(tǒng)免提終端設(shè)備電路設(shè)計(jì)考慮因素

樓寓對(duì)講系統(tǒng)首先是個(gè)電子系統(tǒng)，因此對(duì)講系統(tǒng)終端電路的電氣特性是決定該設(shè)備通話傳輸特性優(yōu)劣的首要條件。對(duì)于一個(gè)終端設(shè)備來說，當(dāng)只考慮對(duì)講終端的通話特性時(shí)可用圖1所示示意圖描述電氣特性。

由圖1可見，影響終端設(shè)備音頻特性的要素主要有4個(gè)：音頻電路、功放、傳聲器及揚(yáng)聲器。

1.1 音頻電路

音頻電路可以說是決定終端設(shè)備音頻特性的基礎(chǔ)，一個(gè)出色的音頻電路設(shè)計(jì)也可以降低整個(gè)終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。成熟的音頻電路實(shí)現(xiàn)方案有很多，分立元件可實(shí)現(xiàn)，集成各種功能的專用音頻IC也可以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于設(shè)計(jì)樓寓對(duì)講免提終端而言，選擇方案的原則應(yīng)是在滿足標(biāo)準(zhǔn)中的頻率響應(yīng)特性等要求的前提下，盡可能選擇電路簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的方案。一般來說選用電話機(jī)用的免提電路IC是較好選擇。因?yàn)闃窃?duì)講系統(tǒng)的音頻標(biāo)準(zhǔn)主要參考ITU國(guó)際電信聯(lián)盟的數(shù)字電話標(biāo)準(zhǔn)演變而來的，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，電話機(jī)用的免提電路IC完全可滿足樓寓對(duì)講的音頻標(biāo)準(zhǔn)。

在使用免提IC電路時(shí)，要特別注意電路的頻率響應(yīng)特性。參照樓寓對(duì)講系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的通話傳輸特性要求可知，對(duì)講系統(tǒng)的頻率響應(yīng)在400～3400 Hz范圍內(nèi)的波動(dòng)應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，而要想滿足這樣的頻率特性曲線，免提IC電路在這一頻率范圍內(nèi)的頻響特性就必須滿足要求。有些IC低頻濾波的頻段會(huì)接近400 Hz從而導(dǎo)致低頻段的音頻曲線無法通過，這時(shí)就需將低頻濾波的頻段向下修改或關(guān)閉低頻濾波功能。

還有一種現(xiàn)象是終端設(shè)備在通話時(shí)聲音很正常，但使用樓寓對(duì)講音頻測(cè)試設(shè)備測(cè)試音頻特性曲線卻波動(dòng)非常嚴(yán)重。這很可能是由于打開了免提IC芯片的降噪功能，該種降噪功能會(huì)自動(dòng)將單一頻率的正弦波信號(hào)作為噪音進(jìn)行降噪處理。而在使用樓寓對(duì)講音頻測(cè)試設(shè)備測(cè)試時(shí)，測(cè)試儀按1/3倍頻程間隔，通過輸出各個(gè)頻率點(diǎn)的正弦波信號(hào)進(jìn)行測(cè)試的，因此該降噪功能可能將測(cè)試信號(hào)作為噪音處理，從而會(huì)嚴(yán)重影響頻率響應(yīng)特性。

1.2 功率放大器

除了專用的音頻IC本身，一般驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器時(shí)還需要一級(jí)功放IC，該功放IC的選擇除了也要滿足音頻電路的頻響特性要求外，還必須考慮有足夠的輸出功率與揚(yáng)聲器的相匹配，避免在輸出較大音量時(shí)出現(xiàn)失真問題。一般而言，功放的功率應(yīng)該在揚(yáng)聲器額定功率的1.2～1.5倍。為獲得較大的音頻輸出功率，推薦功放盡量采用較高電壓直流電源供電，比如12 V直流電源。

而除功率匹配的問題外，選擇功放時(shí)還應(yīng)注意阻抗匹配，功率放大器的輸出阻抗應(yīng)和揚(yáng)聲器的額定輸入阻抗相一致，二者才能獲得最佳匹配。

1.3 傳聲器

音頻信號(hào)的聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換，一般通過傳聲器（又稱為微音器）來實(shí)現(xiàn)，因此傳聲器的選擇非常重要。目前一般選用的傳聲器均為駐極體電容傳聲器，其性能可以用一系列客觀參數(shù)進(jìn)行描述，主要的有靈敏度、頻率響應(yīng)、等效噪聲級(jí)與信噪比、指向性、動(dòng)態(tài)范圍和輸出阻抗等。

1.3.1 靈敏度

靈敏度是表征傳聲器電聲換能能力的一個(gè)指標(biāo)，一般來說，在同樣的音源條件下，靈敏度越高的傳聲器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)越大。通常，靈敏度指標(biāo)的選擇要根據(jù)音頻電路的要求來確定。

1.3.2 頻率響應(yīng)

傳聲器的靈敏度與頻率有關(guān)，通常采用靈敏度隨頻率變化的關(guān)系曲線表示傳聲器的頻率響應(yīng)或頻率特性，有時(shí)也用一定頻率范圍內(nèi)的靈敏度不均勻度來表示，稱為傳聲器頻率特性的不均勻性。在標(biāo)準(zhǔn)要求的音頻范圍內(nèi)，傳聲器頻響曲線應(yīng)該盡量均勻，否則由于傳聲器輸入的信號(hào)至對(duì)方揚(yáng)聲器輸出端信號(hào)可能有幾十到上百倍的放大，傳聲器頻響曲線的一點(diǎn)點(diǎn)偏離就可能造成整個(gè)對(duì)講系統(tǒng)音頻曲線偏離出標(biāo)準(zhǔn)范圍。

1.3.3 等效噪聲級(jí)與信噪比

等效噪聲級(jí)是指無外聲場(chǎng)時(shí)，僅由傳聲器固有噪聲引起的輸出電壓，可表征傳聲器可拾取低聲級(jí)的能力。等效噪聲級(jí)越低，傳聲器接收弱信號(hào)的能力就越強(qiáng)。

信噪比是指?jìng)髀暺黛`敏度與固有噪聲之比。信噪比值越大，說明本底噪聲越小，因此應(yīng)盡量選擇信噪比指標(biāo)高的傳聲器。

1.3.4 指向性

傳聲器的指向性即方向性，是指?jìng)髀暺鲗?duì)不同角度入射聲波的響應(yīng)。當(dāng)聲波以不同角度入射到振膜時(shí)，因?yàn)檎衲に艿降淖饔昧Φ牟煌?，相?yīng)輸出也不同，即傳聲器靈敏度隨入射聲波的角度不同而產(chǎn)生變化的特性，稱為傳聲器的指向性。傳聲器的指向一般分為心形、超心形、8字形、槍式、全向指向等（見圖2）。

指向性傳聲器的選擇一般由應(yīng)用確定，但從使用經(jīng)驗(yàn)來看，由于全向傳聲器通常頻響范圍更大，頻響特性的均勻度也比單向傳聲器更好，因此一般推薦選用全向傳聲器。

1.3.5 動(dòng)態(tài)范圍

傳聲器的動(dòng)態(tài)范圍是指最高聲級(jí)與等效噪聲級(jí)之差的范圍。最高聲級(jí)是指?jìng)髀暺魅菰S輸出聲級(jí)的最大值，此時(shí)傳聲器的非線性失真應(yīng)不超過規(guī)定值。當(dāng)傳聲器的靈敏度越低時(shí)，相應(yīng)的最高聲級(jí)就會(huì)越大，反之亦然。動(dòng)態(tài)范圍的下限取決于傳聲器的等效噪聲級(jí)。

1.3.6 輸出阻抗

傳聲器的輸出阻抗主要關(guān)系到傳聲器與其后面的輸入聲源的配接問題。在配接時(shí)，要求負(fù)載阻抗必須比傳聲器的內(nèi)阻大得多，近似開關(guān)狀態(tài)。一般要求負(fù)載阻抗應(yīng)至少比內(nèi)阻大5倍。

1.4 揚(yáng)聲器

與作為輸入設(shè)備的傳聲器選擇時(shí)需考慮諸多參數(shù)一樣，作為電聲轉(zhuǎn)換設(shè)備的揚(yáng)聲器的選擇也要考慮很多技術(shù)參數(shù)。揚(yáng)聲器的性能參數(shù)主要有額定功率、頻率特性、諧振頻率、諧波失真、靈敏度和額定阻抗等。

1.4.1 額定功率

揚(yáng)聲器的額定功率是指揚(yáng)聲器在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的平均輸出功率，通常在揚(yáng)聲器的銘牌上標(biāo)出。實(shí)際上揚(yáng)聲器是工作在變功率狀態(tài)的，它是隨著輸入音頻信號(hào)的強(qiáng)弱而變化的。在強(qiáng)信號(hào)時(shí)峰值脈沖信號(hào)可能會(huì)超過額定功率值很多倍，由于持續(xù)時(shí)間較短而不會(huì)損壞揚(yáng)聲器，但有可能出現(xiàn)失真。因此，揚(yáng)聲器需留足夠的功率余量以保證在峰值脈沖出現(xiàn)時(shí)仍能獲得很好的音質(zhì)。一般揚(yáng)聲器的最大功率是額定功率的2～4倍。

由于對(duì)講系統(tǒng)的音頻標(biāo)準(zhǔn)對(duì)響度評(píng)定值有較高要求，因此選擇揚(yáng)聲器時(shí)必須注意其額定功率能滿足輸出音量要求。

1.4.2 頻率特性

與傳聲器相似，頻率特性是指揚(yáng)聲器的輸出聲壓隨輸入信號(hào)頻率變化的特性。實(shí)際上就是說揚(yáng)聲器能工作在哪個(gè)頻率范圍。受結(jié)構(gòu)的影響，不同的揚(yáng)聲器，其頻率響應(yīng)的范圍是不同的，可根據(jù)需要選用工作在不同頻段的揚(yáng)聲器。

揚(yáng)聲器的頻響曲線是具有許多峰谷點(diǎn)的不規(guī)則連續(xù)曲線，將揚(yáng)聲器的諧振頻率作為低頻下限頻率，而將頻響曲線高頻端的交點(diǎn)作為高頻上限頻率。低頻下限與高頻上限之間的頻率范圍稱為揚(yáng)聲器的有效頻率范圍。揚(yáng)聲器的頻率特性應(yīng)盡量趨于平坦，否則會(huì)引入重放的頻率失真。揚(yáng)聲器的頻響曲線越平坦，說明頻率失真越小，有效頻率范圍越寬。

1.4.3 諧振頻率

諧振頻率是指揚(yáng)聲器所能重放的最低頻率，它與揚(yáng)聲器口徑大小有關(guān)。低音揚(yáng)聲器的諧振頻率值一般是隨其口徑的增大而降低。諧振頻率是決定揚(yáng)聲器低頻特性的重要參數(shù)，該值越低，揚(yáng)聲器重放低音的質(zhì)感和力度也越好。

1.4.4 諧波失真

諧波失真是指在重放時(shí)，增加了原信號(hào)中沒有的諧波成份。通常以最大音量時(shí)的10%總諧波失真（THD）的失真率來表示揚(yáng)聲器的質(zhì)量級(jí)別。揚(yáng)聲器的諧波失真主要來源于磁體磁場(chǎng)不均勻、振動(dòng)膜的特性、音圈位移等造成的非線性失真。對(duì)于高質(zhì)量的通話電路來說，THD應(yīng)當(dāng)小于5%。

1.4.5 靈敏度

揚(yáng)聲器的靈敏度是指在輸入功率為1 W噪聲電壓時(shí)，在揚(yáng)聲器的軸向正前方1 m處所測(cè)得的聲壓大小。靈敏度反映了揚(yáng)聲器的電聲轉(zhuǎn)換效率。靈敏度越高，則揚(yáng)聲器對(duì)音頻信號(hào)中細(xì)節(jié)的響應(yīng)能力就越高。

1.4.6 額定阻抗

額定阻抗也叫標(biāo)稱阻抗，是指揚(yáng)聲器在額定功率下所得到的交流阻抗值。只有揚(yáng)聲器的阻抗與功放電路輸出端的阻抗相匹配時(shí)，揚(yáng)聲器才能得到最佳的工作狀態(tài)。揚(yáng)聲器的標(biāo)稱阻抗有4 Ω，8 Ω，16 Ω，32 Ω等。額定阻抗通常為揚(yáng)聲器音圈直流電阻的1.1倍左右。

2 對(duì)講系統(tǒng)免提終端設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素

在設(shè)計(jì)一款對(duì)講系統(tǒng)免提終端設(shè)備時(shí)，除必須考慮上述電氣特性的因素外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否也是影響設(shè)備最終音頻性能的重要因素。即使電路設(shè)計(jì)再出色，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有先天缺陷，最終也可能導(dǎo)致對(duì)講終端設(shè)備的音頻性能大打折扣，甚至無法達(dá)到對(duì)講系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需考慮的要素主要包括傳聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求、揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及兩者之間布局要求。

2.1 傳聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

傳聲器的位置應(yīng)放置在離聲源較近的地方，理論上離聲源越近越容易捕獲完整的音頻信號(hào)，尤其針對(duì)低頻信號(hào)。具體來講，參考對(duì)講系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備仿真嘴的位置，傳聲器位置應(yīng)該盡量在設(shè)備中央，無法滿足居中則要求置于機(jī)器左側(cè)，傳聲器方向則以正對(duì)聲源為佳。

傳聲器的開孔直徑要合適，開孔過大，不美觀；開孔過小，會(huì)影響傳聲器的靈敏度。為盡量減小振動(dòng)耦合，應(yīng)將傳聲器置于沒有空氣間隙的橡膠圈內(nèi)。傳聲器在機(jī)殼內(nèi)安裝時(shí)正面應(yīng)緊貼內(nèi)壁，不應(yīng)留有間隙，因?yàn)榱粲虚g隙相當(dāng)于在傳聲器與外殼之間形成一個(gè)空腔，可能會(huì)對(duì)聲音的某一些頻率產(chǎn)生共振，從而改變了傳聲器的頻響特性，甚至?xí)?duì)某一高頻產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生高頻嘯叫。

傳聲器不應(yīng)置于塑料外殼的接縫處，應(yīng)盡量不與電路板或塑料外殼直接接觸，必要時(shí)可以導(dǎo)線與電路板連接。同時(shí)，還必須注意確保任何活動(dòng)部件（如聽筒、鍵盤、鍵鉤）不會(huì)產(chǎn)生能夠被傳聲器捕獲到的額外失真，通過采用軟橡膠鍵盤或觸摸屏軟鍵可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。另外，在室外應(yīng)用中，應(yīng)考慮在傳聲器上放置海綿片以阻擋直接氣流，防止因風(fēng)帶來的噪聲導(dǎo)致傳聲器飽和效應(yīng)。

2.2 揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

參照對(duì)講系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備仿真耳位置，揚(yáng)聲器位置以設(shè)備右側(cè)或居中為佳。此外，應(yīng)使用軟硅膠或海綿膠等能夠吸收振動(dòng)的材料將揚(yáng)聲器固定在機(jī)殼內(nèi)可靠位置，盡量減小振動(dòng)。安裝揚(yáng)聲器時(shí)，可在機(jī)殼與揚(yáng)聲器之間，以及揚(yáng)聲器安裝墊和揚(yáng)聲器之間使用減振材料。在空間允許的情況下，盡量選用口徑大的揚(yáng)聲器。

揚(yáng)聲器的聲腔設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)電子設(shè)備上揚(yáng)聲器的音頻特性而言也非常重要。揚(yáng)聲器聲腔可以在一定程度上調(diào)整揚(yáng)聲器本身的輸出頻響曲線，通過聲腔參數(shù)的調(diào)整改變音頻的高、低音效果，其中后聲腔容積大小主要影響低音效果，前聲腔和出聲孔面積主要影響高音效果。音腔設(shè)計(jì)主要的一個(gè)原則就是，前音腔要密閉，后音腔要盡可能大，泄漏孔盡可能距離揚(yáng)聲器遠(yuǎn)一點(diǎn)。

終端設(shè)備的揚(yáng)聲器聲腔結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

聲孔、前腔、內(nèi)腔、泄漏孔等都會(huì)對(duì)終端設(shè)備的整機(jī)音質(zhì)表現(xiàn)產(chǎn)生影響。首先要用橡膠圈，即環(huán)形橡膠墊把揚(yáng)聲器與外殼密封起來，使聲音不會(huì)漏到設(shè)備內(nèi)腔，然后就是聲孔、前腔、內(nèi)腔的合理配合。泄漏孔以遠(yuǎn)離揚(yáng)聲器為宜，即無法密封的位置要盡量遠(yuǎn)離揚(yáng)聲器，這樣可以使得整機(jī)的音質(zhì)表現(xiàn)較好。泄漏孔面積不宜過大，面積越大低頻效果越差。設(shè)計(jì)時(shí)還要保證此泄漏孔不要被擋住。

聲腔結(jié)構(gòu)對(duì)音質(zhì)的影響如表1所示。

2.3 揚(yáng)聲器和傳聲器的相對(duì)布局

對(duì)于免提通話電路來說，最大的問題是消回聲問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如充分考慮到揚(yáng)聲器與傳聲器的布局，可以降低電路設(shè)計(jì)的難度。通過盡量增大揚(yáng)聲器和傳聲器之間的聲學(xué)隔離可進(jìn)一步提高音頻性能。為把塑料外殼外的聲學(xué)耦合量降到最低，應(yīng)將揚(yáng)聲器和傳聲器的放置位置相互垂直并放置在塑料外殼的不同側(cè)。同時(shí)，應(yīng)將揚(yáng)聲器封裝在獨(dú)立的腔體內(nèi)，以減小塑料外殼內(nèi)的聲學(xué)耦合效應(yīng)。通過在揚(yáng)聲器腔和塑料外殼其余部分之間使用隔音板或其他固體隔離物，都可以有效減少耦合效應(yīng)。在實(shí)踐中，往往只需在揚(yáng)聲器和外殼以及安裝墊之間加一塊低成本的橡膠墊就可以大大提高設(shè)備的聲學(xué)性能。

表1 聲腔結(jié)構(gòu)對(duì)音質(zhì)的影響

通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在電路設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)的條件下可以使設(shè)備音頻性能更出色，在電路設(shè)計(jì)略有瑕疵時(shí)可改善設(shè)備的音頻性能使其滿足性能要求。

3 小結(jié)

綜上所述，設(shè)計(jì)樓寓對(duì)講系統(tǒng)免提終端設(shè)備時(shí)，影響音頻性能的因素雖然很多，但本質(zhì)上可歸結(jié)為電路設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大方面，而且這兩方面的因素又存在著相輔相成的關(guān)系。只要在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的諸多要素，一定可以使樓寓對(duì)講系統(tǒng)通話特性滿足對(duì)講系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的音頻技術(shù)要求。

[1]GA/T72—2005，樓寓對(duì)講系統(tǒng)及電控防盜門通用技術(shù)條件[S].2005.

[2]GA/T 678—2007，聯(lián)網(wǎng)型可視對(duì)講系統(tǒng)技術(shù)要求[S].2007.