機構整合

喇叭

昊宬公司能建議您最適當的後腔、前腔、音孔和管道的幾何設計， 以優化整體聲學系統的表現。

客戶的產品會設計音腔，音腔裡面放置喇叭。 喇叭的前方空間稱為前音腔，後方空間稱為後音腔。 通常，後方音腔的容積會影響低頻的效果，前方音腔的容積會影響高頻效果。 前後音腔對產品聲學系統設計至關重要，頻率響應曲線的各部分都會受音腔的容積， 甚至幾何形狀所影響。

喇叭產品腔體設計有五個面向，分別是前音腔、後音腔、出音孔、防塵網，密閉性。 每個面向各有各的功能。 一般音腔的結構如右圖所示：

1. 後音腔

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  • 限制喇叭後方的聲音傳播路徑， 不讓中低頻的聲音從後方干擾前方聲音，也就是避免聲短路（acoustic short circuit）的現象。 如此會強化中低頻的頻率響應， 使低頻更加飽滿。
  • 後腔越大，整體系統的低頻可以延伸到更低點。不過，容積增加也有飽和效果，一旦超過特定容積，則後續低頻的降幅就不大了。以下以昊宬某直徑36mm的喇叭為例，後腔容積一旦超過40至60 c.c.，則產品的低頻諧振大約就趨近於500hz。
  • 後音腔若不小心設計成某種幾何形狀，則可能產生內部駐波（standing wave），讓產品在某些頻率，會產生不必要的共振。我們為了避免後腔駐波，宜避免太對稱的設計，或是避免把後腔設計成狹長的空間。

2. 前音腔

  • 前音腔限制產品的高頻延伸。 優點是可以降低一些高頻的噪音， 如10khz以上的頻段。 但缺點是他也會限制產品的中高頻表現， 例如可能在6～10khz的截止頻率產生音腔共振， 使得頻率響應不平坦。
  • 前腔應該越小越好， 若前腔越大，很容易降低高頻截止頻率，這也會減少中高頻的頻寬。 除了腔體應越小之外，也要盡量讓前腔的開孔面積越大越好，前腔若有導管則導管越短越好。 開孔面積和前腔要維持一定比例，腔體越大，開孔面積就需越大。
  • 前音腔至少需要容納空間給振膜運動， 以避免喇叭振幅過大時，會拍打到產品的殼腔，產生干涉和雜音。 昊宬公司能依據不同單體， 建議不同的前腔距離。

    喇叭的振幅XD：


其中，eg為輸入電壓，VAS為等效容積，ρ0 為空氣密度，SD 為有效振膜面積，ωs 為諧振角速度(ωs= 2πfs) ，QES為電品質因素，s為振動角速度，QTS為總品質因素。值得注意的是是一個轉換函數（transfer function），s是變數，是常數，這個轉換函數是低通函數（low-pass filter），表示振膜的位移-頻率圖是低通函數。低頻的振幅較大，在共振頻率附近達到極大值，接著急遽往下。前腔必須能容納最大振幅的餘裕。產品的後腔越大，空氣流動越鬆弛順利。這會使得喇叭的振幅越大，需要特別注意管控。下圖為示意圖，以0.1W的喇叭為例，後腔從0.5cm3增加到1.5cm3，振幅向上抬升。

喇叭的Q值（Q代稱Quality），主要是指總品質因素QTS。總品質因素是電品質因素QES和機械品質因素QMS的並聯取倒數： QTS可比喻成任曲線在特定峰值的陡峭程度，Q值越高，越陡峭。 ,公式可以發現，QTS越大，XD越大，但他在s/ωs=1時效果最強，意味著QTS越大，它能使位移在諧振點（s=時達到最陡峭。並且輸入電壓（eg）越大、音圈電阻越小（RE），都可以推升位移。就SD而言，同樣的驅動力，若要推動的振膜面積越大時，相當於阻力越大，所能推動的位移就變少了。

最後，VAS是等效容積，是比較抽象的概念，指的是當振膜壓縮空氣時，被壓縮的空氣中所產生的柔順度，這個柔順度用喇叭懸邊+彈波系統的單位來說明。，其中CMS是懸邊+彈波系統的柔軟度。從上式可以看出，懸邊+彈波做得越軟，振膜能活動、壓縮的空氣容積就越多。等效空氣容積越大，代表振膜的位移就必須越大。

由上可知，喇叭的振膜位移與聲學系統息息相關：

  • 輸入電壓越大，振膜的振幅越大。
  • 振膜越柔軟、懸邊越柔軟、彈波越柔軟，振膜的振幅越大。
  • 腔體的體積越小，相當於空氣越受擠壓，振膜的振幅越小。
  • 音圈直流電阻越大，相當於耗能在線圈發熱上越大，振膜的振幅越小。

3. 出音孔

  • 一般機構ID設計常要求出音面積盡可能的小，但有時聲學設計會要求出音面積越大越好，因此只能彼此妥協。出音孔的直徑越小，有可能提高聲阻，不但會降低音量，產生噪音，也可能會與前腔產生共振。直徑若越大，整體產品頻寬也會更寬，讓高頻能越往高延伸。

  • 開孔的排列方式和開孔面積都會影響頻率響應，昊宬公司能提供一系列模擬和3D打樣，來驗證不同設計的成效。昊宬以如下直徑20mm的喇叭為例，製作不同的前腔進行驗證，以圓型喇叭和圓形前腔為例：

    • 假設開孔率、洞型、孔徑一樣，矩陣分布（1）音質表現與綜合型分布（2）相當，而上述兩者皆優於同心圓（3），同心圓又優於放射狀（4），建議洞跟洞之間的距離要固定。

    • 若您不想受限於圓形洞，則漣漪分布（5）可取代（1）和（2）。

    • 若您偏好長條柵欄狀的開洞，則柵欄面積宜均勻分散到圓殼上（6），而非限縮在中間（7） 。

    • 以圓洞為例，洞直徑需大於1mm。洞徑大於1mm後，增加洞徑對音質的提升效果有限。

    • 若您偏好機構外觀僅部分區域開孔、其他區域需密封，則建議可僅開半圓面積（8），或僅開中間部分面積（9），不建議僅開圓周部分面積（10）。

    • 喇叭單體請與前腔機構密合，並適情況增加緩衝材質避免不必要的傳震。

4. 密閉性

無論後音腔或前音腔，都必須達到絕對的氣密性。否則，聲音容易從空隙竄出，前後相互抵消，這會讓低頻衰減。在製作3D列印模型或mockup時，也須確保腔體組裝時，周邊用矽膠或黏土等封死。

5. 防塵網

防塵網通常是不織布或網格布材質，它不但能防塵，另一個作用就是作為聲阻（acoustic resistance）。聲阻能夠調適頻率響應曲線，降低某頻段的突出，讓整體頻寬增加。不同目數和厚度的防塵網能產生不同的調音效果。

受話器和耳機

  • 耳機的前洩氣孔（front venting hole）和後洩氣孔（back venting hole）可以用來平衡腔體內部的氣壓，不但讓人耳配戴更加舒適，也能避免喇叭與麥克風的振膜因為氣壓突變而損壞。此外，如果覺得低頻過多，音量過大，也可以用洩氣孔來抑制。最後，使用密閉式耳機常容易聽到體內和耳朵的摩擦雜音和脈動聲等，亦可用洩氣孔來排出一些人體內的雜音。
  • 耳機的後腔越大，低頻越強。耳機的前腔和管道會影響高頻截止頻率
  • 耳機的洩音孔上可以覆蓋透氣布，此可以達到調音效果。如果覺得低頻過於厚重，亦可用透氣布來抑制低頻
  • 一般來說，根據人體工學設計，耳機外部ID會先確定，以符合耳朵輪廓。接著規劃耳塞和耳罩材質，以提升使用者舒適度。最後再內部腔體和挑選單體，以優化音質。

麥克風

  • 麥克風收音孔位置應盡量靠近整機機殼，接近外部聲孔位置，這樣可以簡化墊圈及相關機械結構方面的設計難度。因此麥克風通常是單體帶線，或帶連接器，因為這樣可以從控制主板中拉出來，自由、有彈性的固定在機構外殼上。
  • 麥克風收音孔要儘量遠離喇叭及其他音源，避免這些不必要的信號影響麥克風收音。
  • 麥克風的前收音管盡量越短越好，這樣可以增加高頻截止頻率，使得頻寬向中高頻延伸。另外，收音管徑盡量越大越好，也就是收音開孔越大越好，這樣也可以增加高頻截止頻率，增加頻寬。
  • 增加管道後，收音效果集中在軸向，而軸向外側的聲音，就收得不是那麼清楚。
  • 麥克風的音頭一般會加上不織布（mesh），用於防水防塵。不織布一般為500目，通氣量30％以上。加上布之後，麥克風感度頂多降低0.5～1dB，影響有限。目數越多，越會抑制到高頻收音，但對中低頻收音則影響有限。
  • 收音通道不能有洩露，如果有洩露容易產生回聲及雜訊問題。為了使麥克風單體和機構緊密結合，我們通常會將單體置於橡膠套（rubber holder）之中。橡膠套有相當彈性，除了可以保持氣密之外，也能有減振的效果。
  • 如果使用到多個麥克風，那麼選擇麥克風收音孔位置時，要考量產品應用及演算法的限制。提早選擇好麥克風和收音孔的位置，可以避免後續設計錯誤而成本增加
  • 若不想嘗試平直的收音管，而想嘗試漏斗狀或葫蘆狀的話，建議盡量是漏斗狀收音進去，共振頻點可以維持在比較高。如果是葫蘆狀，讓聲音從狹小”瓶口”進入底部大葫蘆，那共振頻率降低。更嚴重的是，可能產生荷姆茲共振，就像對瓶口吹氣很容易產生風切音一樣。換言之，機構開孔可以開大，但延展到麥克風收音口附近就必須收斂
  • MEMS麥克風開孔設計
    • 上開孔型MEMS麥克風：機構外殼的直徑可以大於等於矽膠套的開孔直徑，並且矽膠套的開孔直徑要大於等於MEMS麥克風的收音孔直徑。整體而言，管道的長度不超過4～7mm，長度越小，收音效果越好。
    • 下開孔型MEMS麥克風：開孔型麥克風的打件在PCB上面，與上開孔型的座落方式完全相反。下開孔型麥克風的出音孔，在PCB與機構外殼之間不能有空隙，以避免聲音到處亂竄，此解方就是填充矽膠。麥克風另外一側也宜用矽膠包覆，整體方案的厚度不超過4～7mm。