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声学结构设计规范

更新时间:2022-03-02 02:05:43下载pdf

本文介绍了涂鸦语音类产品的声学设计规范。

目的

规范声学结构设计要求。

适用范围

本文件适用于涂鸦语音类产品声学结构设计。

方法及要求

结构设计

MIC 收音腔设计

  • 麦克风之间完全独立,每个麦克风均有唯一的拾音孔;
  • 人声能直达每个麦克风,避免掩蔽效应,保证声源的直达声(非反射声)到达每个麦克的机会是均等的;
  • 能用独立的一体结构件完成麦克风密封与拾音通道的搭建,就不要用多个组合件,因为生产上的误差链会导致密封一致性的下降;
  • 环形 6 麦、4 麦 :所有麦克风收音口位于同一平面,该平面与水平面的夹角应在正负 10° 范围内,最佳角度为 0 度, 即水平放置。
    线性 4 麦、双麦 :所有麦克风收音口位于同一直线,朝向可以 在朝上与朝前(朝向说话人)之间任意角度。
    单麦:麦克风收音口朝向可以在朝上与朝前(朝向说话人)之间任意角度。
  • 出音孔应避免谐振腔出现(两端小,中间大),否则会给前端信号处理造成不必要的干扰。
    声学结构设计规范

单孔型

设计标准:
MIC 整体(包含拾音通道、 防尘网、密封层、PCB 开孔、MIC 内部音腔结构)100-8kHz 频响波动在 ±1.5dB 以内(即最大值和最小值的差距 <3dB)。

Bottom 型硅麦

推荐设计:

  • 面板开孔直径≥密封层开孔直径≥PCB 开孔直径≥硅麦收音孔直径。
  • 面板、密封层、PCB 总厚度不超过 5mm。总厚度越小越好。

Bottom 型 MIC 内部结构如下图所示:

声学结构设计规范

Top 型硅麦

推荐设计:

  • 面板开孔直径≥密封层开孔直径≥硅麦收音孔直径。
  • 面板、密封层总厚度不超过 5mm。总厚度越小越好。

Top 型 MIC 内部结构如下图所示:

声学结构设计规范

以 Bottom 型硅麦为例的单孔型拾音通道示意图如下所示:

声学结构设计规范

网状自由场型

所有麦克风处于同一个开放空间内,麦克风的开放空间外表面要充分透声,不能形成反射区;无需拾音孔设计,可以裸露。建议四周塑料/金属多孔结构的开孔率不低于 45%,厚度不超过 2mm。开放空间高 h 至少 3cm 以上,且空间中不允许有任何障碍物(如支撑柱等)。

声学结构设计规范

设计图评估

设计图评估需提交如下文件 :

  • SPK 和 MIC 规格书。
  • 产品 STP 格式的 3D 图,要求包含收音腔结构,扬声器腔体结构,其他有可能影响声学的结构也需要提供,如喇叭磁铁是外磁则被动板球顶需使用非导磁材料。

MIC 隔音减震设计

  • MIC 必须跟 SPK 音腔做内部隔音,防止 SPK 发出的声音通过机器内部空间直接传递到 MIC 处。一般采用泡棉和硅胶进行隔音和减震处理,泡棉软硬程度需根据实际结构进行压缩量设计,一般要求尽可能软。
  • MIC 要远离干扰(如排风扇)或震动(喇叭震动、结构震动),避免结构震动对 MIC 造成较大影响。
  • 麦克风需要有硅胶套和固体表面隔绝,起到降低壳体震动传声以及密封的作用。
    对于驻极体麦克风,结构设计和生产过程中要考虑对麦克风的保护,避免挤压引发的麦克风一致性损失。

Bottom 型硅麦

  • 在面板和 PCB 板之间不能存在缝隙/空腔,故面板和 PCB 板之间需加入硅胶密封层。厚度 t 需结合“面板、密封层、PCB 总厚度不超过 5mm”的要求决定。
  • 硅麦本身四周需用硅胶包裹,一般厚度至少为 3mm。

Bottom 型硅麦减震隔音如下所示:

声学结构设计规范

Top 型硅麦

  • 硅麦本身四周用硅胶包裹,且硅胶上开孔,构成面板和硅麦拾音孔之间的密封层。
  • 一般四周包裹的硅胶厚度至少为 3mm,构成拾音孔的部分厚度 t 需结合“面板、密封层总厚度不超过 5mm”的要求决定。

Top 型硅麦减震隔音如下所示:

声学结构设计规范

MIC 与 SPK 内外隔离设计

  • 建议扬声器和麦克风分别放置在不同腔体内,腔体之间用性能好的密封材料进行封闭,防止结构内部串音。
  • 扬声器振膜及被动振膜不朝向麦克风,夹角大于 90°。
  • 扬声器出声口应距离麦克风拾音孔 100mm 以上,越大越好。
  • 喇叭到麦克风的声压不超过 90 分贝(在麦克风处测得),人声音量和喇叭音量强度信噪比不低于-15dB(人声到麦克风的声压约 65 分贝)。

建议调试步骤如下:

  1. 在喇叭最大播音音量下,确保麦克录音不截幅。
  2. 在喇叭最大播音音量时,距离麦克 3~5 米进行唤醒测试(超过 3 米人声需要适当提高),如果不能正常唤醒,则需调小功放增益,直到能正常唤醒为止。

内外隔离措施如下图所示:

声学结构设计规范

SPK 腔体设计

扬声器腔体设计时,应避免结构共振引起的异音、震音,还需要根据实际应用场景(语音/音乐/报警)对前后腔体进行设计。

扬声器腔体装入整机时务必进行减震处理

  • 腔体与其他部件需保留至少 2mm 的间距,并在边角位置贴泡棉减震处理;(防止装配公差及尺寸公差导致的杂音)
  • 扬声器振膜、被动振膜与其他部件需保留至少 5mm 的间距(参考扬声器规格书中定义的扬声器最大振幅 Xmax)。
  • 所有与外壳中框装配的零件在接触面贴泡棉做减震处理。
  • SPK 后腔壁需采用刚性较强厚度较厚的非导磁材料,若为平衡其他设计(如后腔需尽量大、避免材料缩水等)需采用较薄后腔壁,则考虑在后腔壁上设计加强筋,以避免后腔谐振。

扬声器后腔设计时要充分考虑使用场景来对声学性能进行优化

  • 选择合适的 SPK 单体,如智能音箱(音乐语音功能,3W/5W/10W 大功率,低失真,低 F0)/智能摄像头(远场语音功能,3W/5W 大功率,中频性能优)/报警器(超大功率,高频刺耳)。
  • SPK 前后腔体需做密封处理,防止声短路导致灵敏度降低,尤其是低频灵敏度降低。
  • SPK 后腔需做密封,防止声泄露。
  • SPK 后腔大小需要考虑结合使用场景以及选择喇叭来进行声学性能的最优设计,如智能音箱(选择低 F0 喇叭,提升低频 SPL,后腔根据实际箱体做到最大,并采用被动膜设计以提升喇叭低频性能)。
  • SPK 后腔使用被动膜设计时,要充分考虑被动膜的材料是否导磁,是否会影响 SPK 性能。

扬声器前腔设计时要充分考虑使用场景来对声学性能进行优化

  • SPK 前腔出声通道需尽量顺滑,无锐角,有突兀的角度需做圆角处理。
  • SPK 振膜振动面朝向设备放置面(参考智能音箱,SPK 振膜振动面朝向底部,底部为桌面),则需在前腔做导音锥,将声音平滑地导向底部四周出声。
  • SPK 出声孔需尽量多,面积占 SPK 振膜面积的 8%~20%(参考设计值)。
  • 若 SPK 高频听感尖锐,声音噪,则需对 SPK 高频进行抑制,可将 SPK 出声通道进行弯曲(保证通道内部平滑过渡),做侧出声处理,侧出声需对 SPK 前腔管道进行仿真,防止因管道长度过长、面积过大导致 SPK 高频截止频率过低,而使 SPK 频宽变窄。
  • 圆形喇叭用于手机中时,最好采用圆形出音孔。否则,会因为振动体与出音孔的形状差异,引起频率特性变化,使声音变得尖锐。

声学结构设计规范

器件选型

对于语音识别类产品,一般都是需要外接回声消除电路,采样点优选功放后级(扬声器端)。

MIC 选型

麦克风阵型设计建议遵循以下基本原则:

  • 麦克风数量越多,收音和抗噪效果越好,但成本也相应越高;需要根据实际情况进行确认。
  • 麦克风阵型分环阵和线阵;环阵尽量等间距放置麦克风,阵列直径范围根据信号处理算法进行匹 配。
  • 如结构无限制则优先选择环阵,因为受阵型波束影响,线阵在轴线方向上角度识别偏差较大。

推荐性能指标参考:

  • 灵敏度(sensitivity):模拟麦-38dBV~-42dBV/±1.5dBV
  • 数字麦:-26dBFS/±1.5dBFS
  • 信噪比(SNR):≥65dB
  • 总体谐波失真(THD):≤1%(1kHz)
  • 声学过载点(AOP):≥120dBSPL
  • 自由场频谱(100Hz~10kHz 内)响应波动<3dB,典型情况如下图 9 所示。
    声学结构设计规范

SPK 选型

扬声器单体选择建议遵循以下原则:

  • 扬声器单体的失真(THD)尽可能越小越好,失真越小,回声消除(AEC)效果越好,打断唤醒率越高。
  • 系统最大音量不应超过扬声器单体的额定功率。
  • 扬声器装配到整机后的声压级应满足产品使用和听音评价要求。
  • 扬声器额定功率及阻抗应与功放的功率匹配,才能产生应有的音效。
  • 参考 SPK 腔体设计中提到的结合使用场景来选择扬声器。如智能音箱扬声器要选择谐波失真低的,推荐:额定功率下 THD≤8%—5% @100Hz~200Hz, THD≤5%—3% @200~400Hz,THD≤3% @400~8000Hz。如图 10。

通常,扬声器在低频谐波失真较大,如超过要求则可以进行以下操作:

  • 排查扬声器后腔有无声泄露
  • 排查扬声器单体振膜有无偏斜振动
  • 调节 EQ,降低低频能量,但会降低音量和主观听感
  • 更换扬声器单元

扬声器额定功率谐波失真 THD 曲线如图:

声学结构设计规范

器件测试目标值

  • 产品麦克风收音频响和总谐波失真:

    • 100~8000Hz 频段中每个麦克风频响波动≤6dB。
    • 麦克风阵列:100~8000Hz 每个频点中,所有麦克风之间差异≤3dB。
    • 每个麦克风在 100 至 200Hz 频段中总谐波失真小于等于 1.5%;200 至 8000Hz总谐波失真小于等于1%。
  • 产品自放自录总谐波失真:每个麦克风 100 至 200Hz 频段中总谐波失真小于等于8%;200 至 400HZ 总谐波失真小于 5%;400 至 8000Hz 总谐波失真小于等于 3%。
    声学结构设计规范

  • 整机扬声器总谐波失真:要求同产品自放自录测试总谐波失真。

防水设计

MIC 防水设计

防尘/水网根据实际设计需求确定是否加上。

  • 选型时,请向供应商索取产品的规格书并提交至涂鸦。下图为防尘/水网声传输损失示例,图中绿线频响平坦,且各个频段的声音传输损耗较小,是较好的型号。
    声学结构设计规范

  • 收音通道中引入防尘/潮网时,需保证密封层完全包裹住防尘/潮网,即密封层直径要大于防尘/潮网的直径。
    防尘/水网的错误设计(左)和正确设计(右)如下图所示。
    声学结构设计规范

  • 需要特别注意防尘/水网受压后对声音传输的损耗,若防尘/水网受压后声音传输损耗差异较大,可把密封硅胶改换为压缩比较高的泡棉,并适当减小泡棉厚度,且在保证密封性的前提下尽量减小防尘/水网的受压力情况。

SPK 防水设计

  • 喇叭选用防水 SPK 单体。
  • Box 根据选用的 SPK 单体做防水设计,如上下壳超声无漏气。
  • 喇叭出声孔朝向产品重力下方并做成内大外小设计,使水难进易出。
  • 喇叭前腔尽量小,减少水的蓄积,喇叭振膜振动可以比较容易排出水分。
  • 如喇叭防水不满足成品防水要求,可选择声损较小的防水膜。

PCB 设计

MIC 布局

  • 面对 MIC 收音腔,MIC 呈逆时钟排列。以环形 6 麦 MIC 为例,夹角 60 度,如下图所示:
    声学结构设计规范

  • 面对 MIC 收音腔,MIC 从左到右排列,收音腔放置同一水平线。如线性 4 麦,如下图所示:
    声学结构设计规范

MIC 距离

  • 针对环形 6 麦,MIC 直径(收音腔中心点测量)可选择 40-72mm,最佳直径 60mm,如下图所示:
    声学结构设计规范
  • 针对线性 4 麦,MIC 间距可选 25mm-45mm,优选 35mm,如下图所示:
    声学结构设计规范
  • 针对环形 4 麦,MIC 直径可选 40mm-72mm,最佳直径 60mm,如下图所示:
    声学结构设计规范
  • 针对线性 2 麦,MIC 间距可选 20mm-40mm,优选 30mm,如下图所示:
    声学结构设计规范

MIC 电路布置

对于使用了模拟 MIC,MIC 的隔直电路需靠近 MIC 摆放。

模拟地与数字地的隔离

根据具体设计具体分析,原则是为了系统参考地更稳定,推荐隔离设计

驱动

安卓平台驱动移植:

针对 Android 平台,涂鸦需要在 HAL 层移植算法 patch。
移植 HAL patch 所需客供信息如下 :

  • 主芯片型号及对应规格书。
  • MIC 阵列采集 Codec 的型号及对应规格书。
  • Android 版本号。
  • 系统信息(android 系统版,/proc/cpu info 信息,/proc/asound/pcm 信息,提供/system/etc/audio_policy_conf,如果是 android8 及以上是 audio_policy_configuration.xml 等文件)。
  • MIC 阵列采集方案(如采用 1/2/4/6 哪个 MIC 方案,几路 loopback,如何获取 MIC 及 loopback 信号)。
  • tinycap 录音命令及所录音频(音频内容要求包含背景音乐播放和人声,录音时长 30 秒以上)。
    音频格式:音频数据为 16K16bit PCM 或 WAV。

    注意:音频数据也可以 16K32bit,32K32bit 等。

Linux 平台驱动

针对 Linux 平台,涂鸦会辅助客户调试相关音频采集驱动。
联调 Linux 平台驱动所需客供信息如下:

  • 主芯片型号及对应规格书。
  • MIC 阵列采集 codec 的型号及对应规格书。
  • 交叉编译工具链。
  • MIC 阵列采集方案(如采用 1/2/4/6 哪个 MIC 方案,几路 loopback,如何获取 MIC 及 loopback 信号)。
  • 音频格式:音频数据为 16K16bit PCM 或 WAV。

    注意:音频数据也可以 16K32bit,32K32bit 等。

常见不良情况分析:MIC 电路布置

MIC 相关

  • 唤醒率/识别率低
    • 优化 MIC 阵列
    • 优化 MIC 单体性能参数(灵敏度/SNR/指向性)
    • 检查 SPK 对 MIC 有无干扰
    • 优化 MIC 算法
  • MIC 灵敏度曲线离散
    • 检查 MIC 进声通道有无异物
    • 检查 MIC 防尘/水网是否有异常
    • 检查 MIC 单体 SPL 一致性
  • 啸叫
    • SPK 和 MIC 尽量远离
    • 检查 MIC 和机壳之间的密封和减震性能(硅胶套),是否有声音通过震动传播到 MIC 的干扰
    • 检查 MIC 到机壳内密封的密封性(点胶),是否有声音从内部传到 MIC 的干扰
    • 加降回声消除算法,通过算法滤除 MIC 收到喇叭的声音
    • 适当降低 SPK 的增益

SPK 相关

  • SPK 灵敏度过低
    • 调高 SPK 音量
    • 检查 SPK 出声孔透声率是否合适,有无异物堵塞出声孔
    • 检查 SPK 单体 SPL 是否符合规格
    • 结合产品使用场景考虑更换更大功率 SPK(距离增加一倍,声压级减小 6dB/更换更大功率 SPK 前需确认功放性能是否满足)。
  • 杂音
    • SPK 单体杂音:更换 SPK 单体/检查 SPK 振膜结构距离设计是否合理/检查 SPK 装配有无偏斜
    • SPK 腔体共振杂音:检查 SPK 腔体设计强度是否足够
    • SPK 腔体碰撞杂音:检查被动膜结构距离设计是否合理/SPK 腔体与外壳接触或接近位置贴泡棉缓冲
    • 其他位置共振杂音:检查线缆有无做泡棉包覆处理/检查 PCB 或者其他结构件强度是否足够
    • 电气设计噪音:检查更换电源是否会影响杂音
  • 音质不良
    • 低频不饱满:选择低频 SPL 高的单体/增大后腔体积/EQ 调高低频
    • 高频声音噪:EQ 调低高频/改造 SPK 出声通道将 SPK 高频截止频率调低/出声孔通道加吸音棉降低 SPK 品质因数/单体端降低 SPK 单体品质因数
    • 失真大:检查 SPK 后腔密封情况有无声泄露/排查扬声器单体振膜有无偏斜振动/EQ 调节降低对应频段能量/出声孔通道加吸音棉降低 SPK 品质因数

通话不良

  • 回声
    • 检查 MIC 内部密封情况
    • 检查 SPK 和 MIC 内部密封情况
    • 检查 SPK 和 MIC 距离是否合适
    • 优化回声消除算法
  • 双讲不良
    • 算法削弱回声消除
    • 检查 MIC 和 SPK 结构
    • 更换 MIC 和 SPK 单体
  • 啸叫
    • SPK 和 MIC 尽量远离
    • 检查 MIC 和机壳之间的密封和减震性能(硅胶套),是否有声音通过震动传播到 MIC 的干扰
    • 检查 MIC 到机壳内密封的密封性(点胶),是否有声音从内部传到 MIC 的干扰
    • 加降回声消除算法,通过算法滤除 MIC 收到喇叭的声音
    • 适当降低 SPK 的增益