樓寓對講系統免提終端設備音頻設計考慮要素

戎 玲

（國家安全防范報警系統產品質量監督檢驗中心（上海），上海 200031）

0 引言

樓寓對講電控系統目前已普遍應用于居民住宅小區，是公共安全防范的重要技術手段。對于樓寓對講系統而言，評價其性能優劣時，音頻性能是系統性能的核心指標之一。因此，在公安部行業標準GA/T 72—2005《樓寓對講系統及電控防盜門通用技術條件》[1]及GA/T 678—2007《聯網型可視對講系統技術要求》[2]中，對系統通話傳輸特性的技術要求是產品質量檢驗的重點之一。這些評價指標主要包括全程響度評定值（OLR）、頻率響應、非線性失真、信噪比等4個參數。具體來講，全程響度評定值主要反映了語音經過系統傳輸后的音量衰減程度；頻率響應及非線性失真則反映了語音經過對講系統傳輸后的音質還原效果；信噪比則反映了對講系統的噪聲情況。因此，通過這些參數的檢驗就可以判斷樓寓對講系統的音頻性能。

應該說設計一個符合標準要求的樓寓對講終端設備，就是設計一個有著較出色音頻性能的設備。目前，樓寓對講系統的終端對講設備采用免提通話方式的產品已越來越普遍，如何設計一款具有出色音頻性能的免提對講終端設備是生產企業必須考慮的問題。其實從設計角度來講，音頻設計主要考慮的要素可分為電路設計和結構設計兩大方面。

1 對講系統免提終端設備電路設計考慮因素

樓寓對講系統首先是個電子系統，因此對講系統終端電路的電氣特性是決定該設備通話傳輸特性優劣的首要條件。對于一個終端設備來說，當只考慮對講終端的通話特性時可用圖1所示示意圖描述電氣特性。

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

1.1 音頻電路

音頻電路可以說是決定終端設備音頻特性的基礎，一個出色的音頻電路設計也可以降低整個終端設備的結構設計要求。成熟的音頻電路實現方案有很多，分立元件可實現，集成各種功能的專用音頻IC也可以實現。對于設計樓寓對講免提終端而言，選擇方案的原則應是在滿足標準中的頻率響應特性等要求的前提下，盡可能選擇電路簡單、性價比高的方案。一般來說選用電話機用的免提電路IC是較好選擇。因為樓寓對講系統的音頻標準主要參考ITU國際電信聯盟的數字電話標準演變而來的，只要設計得當，電話機用的免提電路IC完全可滿足樓寓對講的音頻標準。

在使用免提IC電路時，要特別注意電路的頻率響應特性。參照樓寓對講系統標準中的通話傳輸特性要求可知，對講系統的頻率響應在400～3400 Hz范圍內的波動應該控制在一定范圍內，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的頻響特性就必須滿足要求。有些IC低頻濾波的頻段會接近400 Hz從而導致低頻段的音頻曲線無法通過，這時就需將低頻濾波的頻段向下修改或關閉低頻濾波功能。

還有一種現象是終端設備在通話時聲音很正常，但使用樓寓對講音頻測試設備測試音頻特性曲線卻波動非常嚴重。這很可能是由于打開了免提IC芯片的降噪功能，該種降噪功能會自動將單一頻率的正弦波信號作為噪音進行降噪處理。而在使用樓寓對講音頻測試設備測試時，測試儀按1/3倍頻程間隔，通過輸出各個頻率點的正弦波信號進行測試的，因此該降噪功能可能將測試信號作為噪音處理，從而會嚴重影響頻率響應特性。

1.2 功率放大器

除了專用的音頻IC本身，一般驅動揚聲器時還需要一級功放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聲器的相匹配，避免在輸出較大音量時出現失真問題。一般而言，功放的功率應該在揚聲器額定功率的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，選擇功放時還應注意阻抗匹配，功率放大器的輸出阻抗應和揚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

音頻信號的聲電信號轉換，一般通過傳聲器（又稱為微音器）來實現，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進行描述，主要的有靈敏度、頻率響應、等效噪聲級與信噪比、指向性、動態范圍和輸出阻抗等。

1.3.1 靈敏度

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

1.3.2 頻率響應

傳聲器的靈敏度與頻率有關，通常采用靈敏度隨頻率變化的關系曲線表示傳聲器的頻率響應或頻率特性，有時也用一定頻率范圍內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。在標準要求的音頻范圍內，傳聲器頻響曲線應該盡量均勻，否則由于傳聲器輸入的信號至對方揚聲器輸出端信號可能有幾十到上百倍的放大，傳聲器頻響曲線的一點點偏離就可能造成整個對講系統音頻曲線偏離出標準范圍。

1.3.3 等效噪聲級與信噪比

等效噪聲級是指無外聲場時，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的能力。等效噪聲級越低，傳聲器接收弱信號的能力就越強。

信噪比是指傳聲器靈敏度與固有噪聲之比。信噪比值越大，說明本底噪聲越小，因此應盡量選擇信噪比指標高的傳聲器。

1.3.4 指向性

傳聲器的指向性即方向性，是指傳聲器對不同角度入射聲波的響應。當聲波以不同角度入射到振膜時，因為振膜所受到的作用力的不同，相應輸出也不同，即傳聲器靈敏度隨入射聲波的角度不同而產生變化的特性，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用確定，但從使用經驗來看，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 動態范圍

傳聲器的動態范圍是指最高聲級與等效噪聲級之差的范圍。最高聲級是指傳聲器容許輸出聲級的最大值，此時傳聲器的非線性失真應不超過規定值。當傳聲器的靈敏度越低時，相應的最高聲級就會越大，反之亦然。動態范圍的下限取決于傳聲器的等效噪聲級。

1.3.6 輸出阻抗

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

1.4 揚聲器

與作為輸入設備的傳聲器選擇時需考慮諸多參數一樣，作為電聲轉換設備的揚聲器的選擇也要考慮很多技術參數。揚聲器的性能參數主要有額定功率、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

揚聲器的額定功率是指揚聲器在長時間工作時的平均輸出功率，通常在揚聲器的銘牌上標出。實際上揚聲器是工作在變功率狀態的，它是隨著輸入音頻信號的強弱而變化的。在強信號時峰值脈沖信號可能會超過額定功率值很多倍，由于持續時間較短而不會損壞揚聲器，但有可能出現失真。因此，揚聲器需留足夠的功率余量以保證在峰值脈沖出現時仍能獲得很好的音質。一般揚聲器的最大功率是額定功率的2～4倍。

由于對講系統的音頻標準對響度評定值有較高要求，因此選擇揚聲器時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，頻率特性是指揚聲器的輸出聲壓隨輸入信號頻率變化的特性。實際上就是說揚聲器能工作在哪個頻率范圍。受結構的影響，不同的揚聲器，其頻率響應的范圍是不同的，可根據需要選用工作在不同頻段的揚聲器。

揚聲器的頻響曲線是具有許多峰谷點的不規則連續曲線，將揚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聲器的有效頻率范圍。揚聲器的頻率特性應盡量趨于平坦，否則會引入重放的頻率失真。揚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

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

1.4.4 諧波失真

諧波失真是指在重放時，增加了原信號中沒有的諧波成份。通常以最大音量時的10%總諧波失真（THD）的失真率來表示揚聲器的質量級別。揚聲器的諧波失真主要來源于磁體磁場不均勻、振動膜的特性、音圈位移等造成的非線性失真。對于高質量的通話電路來說，THD應當小于5%。

1.4.5 靈敏度

揚聲器的靈敏度是指在輸入功率為1 W噪聲電壓時，在揚聲器的軸向正前方1 m處所測得的聲壓大小。靈敏度反映了揚聲器的電聲轉換效率。靈敏度越高，則揚聲器對音頻信號中細節的響應能力就越高。

1.4.6 額定阻抗

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

2 對講系統免提終端設備結構設計應考慮的因素

在設計一款對講系統免提終端設備時，除必須考慮上述電氣特性的因素外，結構設計的合理與否也是影響設備最終音頻性能的重要因素。即使電路設計再出色，如果結構設計有先天缺陷，最終也可能導致對講終端設備的音頻性能大打折扣，甚至無法達到對講系統測試標準。結構設計方面需考慮的要素主要包括傳聲器的結構設計要求、揚聲器的結構設計要求及兩者之間布局要求。

2.1 傳聲器的結構設計要求

傳聲器的位置應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，尤其針對低頻信號。具體來講，參考對講系統測試設備仿真嘴的位置，傳聲器位置應該盡量在設備中央，無法滿足居中則要求置于機器左側，傳聲器方向則以正對聲源為佳。

傳聲器的開孔直徑要合適，開孔過大，不美觀；開孔過小，會影響傳聲器的靈敏度。為盡量減小振動耦合，應將傳聲器置于沒有空氣間隙的橡膠圈內。傳聲器在機殼內安裝時正面應緊貼內壁，不應留有間隙，因為留有間隙相當于在傳聲器與外殼之間形成一個空腔，可能會對聲音的某一些頻率產生共振，從而改變了傳聲器的頻響特性，甚至會對某一高頻產生共振，從而產生高頻嘯叫。

傳聲器不應置于塑料外殼的接縫處，應盡量不與電路板或塑料外殼直接接觸，必要時可以導線與電路板連接。同時，還必須注意確保任何活動部件（如聽筒、鍵盤、鍵鉤）不會產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現這一點。另外，在室外應用中，應考慮在傳聲器上放置海綿片以阻擋直接氣流，防止因風帶來的噪聲導致傳聲器飽和效應。

2.2 揚聲器的結構設計要求

參照對講系統測試設備仿真耳位置，揚聲器位置以設備右側或居中為佳。此外，應使用軟硅膠或海綿膠等能夠吸收振動的材料將揚聲器固定在機殼內可靠位置，盡量減小振動。安裝揚聲器時，可在機殼與揚聲器之間，以及揚聲器安裝墊和揚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聲器。

揚聲器的聲腔設計對于一個電子設備上揚聲器的音頻特性而言也非常重要。揚聲器聲腔可以在一定程度上調整揚聲器本身的輸出頻響曲線，通過聲腔參數的調整改變音頻的高、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。音腔設計主要的一個原則就是，前音腔要密閉，后音腔要盡可能大，泄漏孔盡可能距離揚聲器遠一點。

終端設備的揚聲器聲腔結構示意圖如圖3所示。

聲孔、前腔、內腔、泄漏孔等都會對終端設備的整機音質表現產生影響。首先要用橡膠圈，即環形橡膠墊把揚聲器與外殼密封起來，使聲音不會漏到設備內腔，然后就是聲孔、前腔、內腔的合理配合。泄漏孔以遠離揚聲器為宜，即無法密封的位置要盡量遠離揚聲器，這樣可以使得整機的音質表現較好。泄漏孔面積不宜過大，面積越大低頻效果越差。設計時還要保證此泄漏孔不要被擋住。

聲腔結構對音質的影響如表1所示。

2.3 揚聲器和傳聲器的相對布局

對于免提通話電路來說，最大的問題是消回聲問題。在結構設計時如充分考慮到揚聲器與傳聲器的布局，可以降低電路設計的難度。通過盡量增大揚聲器和傳聲器之間的聲學隔離可進一步提高音頻性能。為把塑料外殼外的聲學耦合量降到最低，應將揚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。同時，應將揚聲器封裝在獨立的腔體內，以減小塑料外殼內的聲學耦合效應。通過在揚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。在實踐中，往往只需在揚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備的聲學性能。

表1 聲腔結構對音質的影響

通過合理的結構設計，在電路設計滿足標準的條件下可以使設備音頻性能更出色，在電路設計略有瑕疵時可改善設備的音頻性能使其滿足性能要求。

3 小結

綜上所述，設計樓寓對講系統免提終端設備時，影響音頻性能的因素雖然很多，但本質上可歸結為電路設計與結構設計兩大方面，而且這兩方面的因素又存在著相輔相成的關系。只要在設計時綜合考慮電路設計和結構設計的諸多要素，一定可以使樓寓對講系統通話特性滿足對講系統標準中的音頻技術要求。

[1]GA/T72—2005，樓寓對講系統及電控防盜門通用技術條件[S].2005.

[2]GA/T 678—2007，聯網型可視對講系統技術要求[S].2007.