楊新紅林逸高峰彭巧勵王國富

（1.北京汽車研究總院;2.北京航空航天大學(xué);3.河南科技大學(xué);4.中國科學(xué)院自動化研究所）

一款載貨汽車用車載麥克風(fēng)設(shè)計＊

楊新紅1,2林逸1高峰2彭巧勵3王國富4

（1.北京汽車研究總院;2.北京航空航天大學(xué);3.河南科技大學(xué);4.中國科學(xué)院自動化研究所）

基于車載麥克風(fēng)的工作原理，選用一種駐極體傳聲器對麥克風(fēng)電路進(jìn)行設(shè)計。結(jié)合外圍電路對此電路進(jìn)行匹配處理，借助電聲測試系統(tǒng)對容納駐極體傳聲器和電路板殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對傳聲器和電路板在殼體內(nèi)的位置進(jìn)行了合理布局。該款麥克風(fēng)通過了環(huán)境適應(yīng)性及電磁兼容性試驗(yàn)，在載貨汽車上裝車路試，通話效果得到認(rèn)可。

1 前言

車載麥克風(fēng)作為車載汽車電子裝置的一部分，適用于車載免提系統(tǒng)[1]、車載電話[2，3]，具有拾音放大、滿足汽車駕駛員通話的功能。隨著車載娛樂信息系統(tǒng)的發(fā)展，考慮到駕車過程中駕駛員接打手機(jī)的不安全隱患，中高端轎車上都安裝有麥克風(fēng)[4]。

車載麥克風(fēng)在轎車上應(yīng)用較多，但在載貨汽車上還很少見。載貨汽車和轎車電氣系統(tǒng)不同，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)存在差別。另外，載貨汽車的行駛路況一般不如轎車好，其減振系統(tǒng)不如轎車，加上發(fā)動機(jī)排量較大，從而使駕駛室內(nèi)干擾較多、噪聲較大。因此，本文考慮設(shè)計一款載貨汽車使用的車載麥克風(fēng)。

2 車載麥克風(fēng)工作方式

車載麥克風(fēng)有車載免提和車載電話兩種實(shí)現(xiàn)通話功能的工作方式，如圖1所示。圖1a為車載免提系統(tǒng)[5]的工作原理示意，對帶有藍(lán)牙的手機(jī)，借助車上的藍(lán)牙控制器（或藍(lán)牙模塊），即可把麥克風(fēng)輸入的音頻電壓信號傳給藍(lán)牙控制器，再通過手機(jī)天線進(jìn)行發(fā)射，實(shí)現(xiàn)免提通話，此時駕駛員不必接觸和操作手機(jī);圖1b為SIM卡（電話卡）直接裝在汽車內(nèi)的車載終端上[6]，車載麥克風(fēng)按照給定的通訊協(xié)議和SIM卡間建立關(guān)聯(lián)，借助3G等通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮電話功能。車載終端可以是娛樂主機(jī)、行駛記錄儀、導(dǎo)航DVD等。本文所設(shè)計的車載麥克風(fēng)工作方式如圖1b所示。

3 載貨汽車用車載麥克風(fēng)設(shè)計

圖2a所示為本文所設(shè)計的車載麥克風(fēng)基本構(gòu)成，包括殼體端、線束和接插件。圖2b為對應(yīng)的實(shí)物拆解圖，殼體端內(nèi)裝有駐極體傳聲器和電路板（CB)，二者通過對應(yīng)的正、負(fù)極焊接在一起，線束包括電線和端子，電線為單芯屏蔽線，電線的一端與CB焊接，另一端壓接端子后裝入接插件中，接插件則與外圍電路相連。

3.1 駐極體傳聲器的選型

麥克風(fēng)的關(guān)鍵部件是駐極體傳聲器，其工作機(jī)理是基于聲電轉(zhuǎn)換，把語音轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l電壓信號。駐極體傳聲器有單向、全向及雙向之分。車載麥克風(fēng)主要是給駕駛員使用，不希望其它聲音進(jìn)來，雖然駕駛員座位可以調(diào)節(jié)，姿態(tài)、位置會發(fā)生變化，但其活動空間有限，單向定位于特定的區(qū)域范圍，因此，選用單向較好。

根據(jù)前期開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，選用某單向駐極體電容傳聲器，在測試條件頻率f=1 kHz、大氣壓Pin=1 Pa、距離為50 cm時，對應(yīng)的性能指標(biāo)如下：靈敏度為-49～-45 dB，輸出阻抗≤2.2 kΩ，反向衰減≥16 dB，工作電流≤500 A，信噪比S/N≥60，輸入最大聲壓≤104 dB（THD＜1%），等效噪聲級≤36 dB（A）。

3.2 工作原理及CB設(shè)計

圖3為車載麥克風(fēng)的工作原理，聲音采集模塊內(nèi)含有駐極體傳聲器，音頻電壓信號經(jīng)過放大電路處理及噪聲濾波后輸出，實(shí)現(xiàn)電話功能。

CB包含放大電路、濾波電路和保護(hù)電路，其中放大電路用于對駐極體傳聲器所傳輸?shù)穆曤娦盘栠M(jìn)行放大，濾波電路有助于濾除噪聲干擾，保護(hù)電路可抵御電壓波動和電壓反接。圖4為CB的設(shè)計原理，圖中虛線部分用于放大，C5、C9由不同大小電容并聯(lián)而成，用于消除噪聲、濾除干擾，Q3屬于保護(hù)電路。

3.3 外圍電路設(shè)計

聲音經(jīng)過駐極體傳聲器進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，電信號由放大器放大到車載終端適合處理的幅度后，經(jīng)過耦合電容輸出交流信號給車載終端。車載終端提供的外圍電路須和麥克風(fēng)電路相匹配，若外圍電路匹配不好，會出現(xiàn)聲音小、無聲、噪聲、變調(diào)、失真等不良現(xiàn)象。

圖5所示為車載麥克風(fēng)外圍電路的一種方案，其為麥克風(fēng)提供的工作電壓為3～12 V，電源是直流電加到R2上給麥克風(fēng)供電。圖5中，電阻R1=330 Ω，R2=150 Ω，電容C1=2.2 μF，C2=10 μF，傳聲器采集的聲音信號經(jīng)CB后變?yōu)榻涣麟娦盘?，?jīng)C1輸出到“應(yīng)用麥克+”端。

3.4 結(jié)構(gòu)、布局設(shè)計

結(jié)構(gòu)指的是麥克風(fēng)殼體端的上、下殼，作用是：定位及卡扣、卡槽與周邊卡緊、固定，或者借助螺釘進(jìn)行緊固;形成具有容納作用的內(nèi)腔，內(nèi)裝駐極體傳聲器和CB。布局指的是駐極體傳聲器和CB在殼體內(nèi)的放置。結(jié)構(gòu)、布局會影響麥克風(fēng)的聲學(xué)參數(shù)，而聲學(xué)性能通過聲學(xué)參數(shù)體現(xiàn)。

3.4.1 室內(nèi)測試裝置

室內(nèi)測試裝置為一電聲測試系統(tǒng)，用于在消音室環(huán)境下對車載麥克風(fēng)的性能參數(shù)進(jìn)行量化，為麥克風(fēng)的設(shè)計開發(fā)提供參考。所用電聲測試系統(tǒng)為Trust System Acoustic[10]，圖6為其連接示意圖。

測試條件：自由場，測試距離30 cm，消音室截止頻率80Hz，本底噪聲26dB（A），頻率1kHz，大氣壓1 Pa。測量的主要參數(shù)有頻響曲線、失真、反向衰減等。3.4.2結(jié)構(gòu)和布局

a.殼體結(jié)構(gòu)。殼體選用工程塑料、注塑工藝制作。圖7為殼體設(shè)計過程中產(chǎn)生的兩種結(jié)構(gòu)。圖7a中，殼體上扣合有一凸出來的柱體，柱體端部和側(cè)壁都有條狀孔，用于進(jìn)聲;圖7b中，去掉了柱體，把上殼體進(jìn)行了拉伸，進(jìn)聲孔同樣為條狀孔。圖2a所示的殼體是把圖7b的條狀孔改為了小圓孔，且在上殼體尾部對稱地開了兩個半圓形的出聲孔。

b.布局。駐極體傳聲器內(nèi)置于殼體前部，其進(jìn)聲孔正對著殼體進(jìn)聲孔;CB則介于殼體尾部和傳聲器之間;殼體內(nèi)有起固定及輔助支撐作用的槽、肋。以駐極體傳聲器為界殼體內(nèi)分為前、后腔，傳聲器進(jìn)聲孔和殼體進(jìn)聲孔間的空間為前腔。上殼體是一個左右對稱的結(jié)構(gòu)，CB可以沿對稱面放置，也可以按其他方位放置。

3.4.3 測試結(jié)果

通過改變結(jié)構(gòu)和布局，在消音室內(nèi)按照圖6所示測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，得出如下結(jié)果：

a.圖2a所示的殼體結(jié)構(gòu)比較理想，既有進(jìn)聲孔又有出聲孔;前部的進(jìn)聲孔為小圓孔，尾部出聲孔為從下邊緣開始的半徑為4 mm的兩個半圓形，且間隔14 mm對稱地置于上殼體尾端。

b.前腔長度即傳聲器進(jìn)聲孔和殼體進(jìn)聲孔間距為3 mm時聲學(xué)參數(shù)較優(yōu)。

c.CB縱對稱地置于殼體內(nèi)時效果較好。

圖8為同樣的駐極體傳聲器和CB按不同結(jié)構(gòu)和布局測試后得到的部分頻響曲線，3個圖分別對應(yīng)圖7a、圖7b、圖2a的結(jié)構(gòu)。圖8a中，CB平放在下殼體內(nèi)而不是縱向?qū)ΨQ;圖8b中，CB縱向?qū)ΨQ，前腔距離為1 mm，尾部為一個5 mm半圓孔;圖8c中，前腔距離為3 mm，尾部半圓孔改為對稱的兩個，此曲線在三者中最平緩、最理想。

4 實(shí)車調(diào)試及效果驗(yàn)證

4.1 實(shí)車調(diào)試

載貨汽車特定的工作條件及配置使麥克風(fēng)所處的環(huán)境噪聲較大;麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器需配對使用，也存在接收回聲的問題。表1對此進(jìn)行了說明。

因整車減振降噪涉及到NVH研究中的車內(nèi)噪聲有源控制技術(shù)，目前國內(nèi)尚沒有非常成熟的車內(nèi)主動噪聲控制系統(tǒng)。本文基于已有環(huán)境，采用實(shí)車測試、調(diào)試法對通話效果進(jìn)行改善。表2所示為利用Head analyzer Artemis在駕駛室內(nèi)測量獲取的部分?jǐn)?shù)據(jù)，從表2可以看出，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，噪聲值越大，且隨著空調(diào)擋位增加，噪聲值上升。

根據(jù)電子元器件的特性，在麥克風(fēng)和外圍電路間分別并入不同的電容進(jìn)行通話測試，當(dāng)電容值為30 pF時(圖9）可顯著改善載貨汽車駕駛室內(nèi)的通話效果。圖10為并入電容前、后由專用儀器在駕駛室內(nèi)測量得到的部分曲線，與表2相比可知，并入電容后噪聲峰值變小，當(dāng)電容值為30 pF時，對于1 500 r/min且空調(diào)4擋工況，最大噪聲值降低顯著。

采用類似方法可完成麥克風(fēng)電路與外圍電路的調(diào)試及匹配，從而對電路進(jìn)行技術(shù)處理。

4.2 實(shí)車效果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)麥克風(fēng)裝車效果，分別在載貨汽車處于靜止、發(fā)動機(jī)起動與怠速、空調(diào)運(yùn)行和停止、正常行駛、高速行駛時駕駛室窗戶打開和關(guān)閉、電磁信號較強(qiáng)狀態(tài)等情況進(jìn)行了實(shí)車通話測試，除了發(fā)動機(jī)起動、高速行駛時駕駛室窗戶打開、電磁信號較強(qiáng)狀態(tài)時麥克風(fēng)通話效果欠佳外，其余效果良好。

4.3 常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證

模擬載貨汽車工作環(huán)境，對麥克風(fēng)進(jìn)行功能測試、環(huán)境適應(yīng)性及電磁兼容性試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽樣檢測，被測件全部符合要求。表3為部分試驗(yàn)項(xiàng)目。

表3 部分試驗(yàn)項(xiàng)目

4.4 聲學(xué)參數(shù)

對經(jīng)過上述驗(yàn)證后的20個載貨汽車麥克風(fēng)成品在圖6電聲測試系統(tǒng)中進(jìn)行測試，得到該款產(chǎn)品的性能參數(shù)符合如下要求：靈敏度-3.5±3 dB，輸出阻抗≤200 Ω，反向衰減≥12 dB，失真≤3%（3.8VSS），等效噪聲≤-65dBv（Pa），負(fù)載電阻4kΩ≤RL≤12kΩ，工作電壓5±0.5 V。

5 通話效果改善方案分析

為消除或減弱對麥克風(fēng)產(chǎn)生的干擾，提高通話效果和質(zhì)量，設(shè)計中常考慮如下技術(shù)方案：

a.配設(shè)電子減噪裝置并進(jìn)行濾波處理,進(jìn)行電路優(yōu)化和外圍電路匹配。

b.線束電線采用帶芯屏蔽線;若電線不是屏蔽線，則在傳聲器和CB外罩一個銅質(zhì)薄壁圓筒。此處線束電線采用帶芯屏蔽線，“麥克-”接地可以屏蔽信號干擾。

c.在殼體和安裝位置間采用雙面膠。雙面膠相當(dāng)于一噪聲吸收裝置，可以減弱振動傳遞，改善實(shí)際使用中的聲學(xué)性能。

d.車載麥克風(fēng)自帶電路的設(shè)計和板面設(shè)計須分別與駐極體傳聲器和殼體內(nèi)腔相匹配，使駐極體的前、后腔通過調(diào)整達(dá)到一種最佳布局。

e.規(guī)避指向性正對著回聲方向，回聲消除在車載終端的數(shù)字信號處理平臺上也同時進(jìn)行考慮。

1白云飛.車載免提麥克風(fēng).中國專利，200520142875.1.2007-1-3.

2羅建國，羅智.一種車載電話.中國專利，200720053219.3. 2008-05-21.

3上海汽車集團(tuán)股份有限公司.車載電話系統(tǒng).中國專利，200920157011.5.2010-05-26.

4百度百科.MMI系統(tǒng).2011-11-3.http://baike.baidu.com/ view/1583383.html.

5李京釗.車載藍(lán)牙免提系統(tǒng).中國專利，201210090019.0.2012-7-11.

6深圳市貝思特高新電子有限公司.GPS帶GMS通話功能. 2010-1-10.http://www.elebest.com.

7RSTECH公司.Trust System電聲測試系統(tǒng).2009-11-17. http://www.rstech.com.cn/article/201104/56.html.

8Sanyo Electric Co.,Ltd.，Sanyo Consumer Electronics Co., Ltd..In-vehicle electronic equipment：European Patent Office，PCT/JP2009/071203.2009-12-21.

9殷建紅.國內(nèi)車載娛樂信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢.汽車與配件，2009（11）：40～42.

10中華人民共和國國務(wù)院（令第405號）.中華人民共和國道路交通安全法實(shí)施條例.2004-4-30.http://www.gov.cn/ gongbao/content/2004/content_62772.html.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年2月1日。

Design of Truck Microphone

Yang Xinhong1，2,Lin Yi1,GAO Feng2,Peng Qiaoli3,Wang Guofu4
（1.Beijing Automobile Research Institute Co.,Ltd;2.Beijing University of Aeronautics&Astronautics;3.Henan University of Science&Technology;4.Institute of Automation Chinese Academy of Sciences）

Based on the working principle of in-vehichle microphone,a type of electret microphone is selected,the microphone circuit is designed and is matched by combining with the peripheral circuit,the housing accommodating electret microphone and circuit board(CB)is optimally designed by means of electro-acoustic test system,and the positions of electret microphone and CB in the housing are layouted reasonably.This microphone passes environmental adaptability and EMC test,the quality of in-vehicle calling and talking is verified by road test.

Truck,Microphone,Circuit design,Housing optimization,Debugging and verification

載貨汽車麥克風(fēng)電路設(shè)計殼體優(yōu)化調(diào)試驗(yàn)證

U463.6

A

1000-3703（2014）04-0033-05

北京汽車研究總院有限公司博士后專項(xiàng)資助，北京市博士后工作經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目。