一款载货汽车用车载麦克风设计＊

杨新红林逸高峰彭巧励王国富

（1.北京汽车研究总院;2.北京航空航天大学;3.河南科技大学;4.中国科学院自动化研究所）

一款载货汽车用车载麦克风设计＊

杨新红1,2林逸1高峰2彭巧励3王国富4

（1.北京汽车研究总院;2.北京航空航天大学;3.河南科技大学;4.中国科学院自动化研究所）

基于车载麦克风的工作原理，选用一种驻极体传声器对麦克风电路进行设计。结合外围电路对此电路进行匹配处理，借助电声测试系统对容纳驻极体传声器和电路板壳体进行优化设计，对传声器和电路板在壳体内的位置进行了合理布局。该款麦克风通过了环境适应性及电磁兼容性试验，在载货汽车上装车路试，通话效果得到认可。

1 前言

车载麦克风作为车载汽车电子装置的一部分，适用于车载免提系统[1]、车载电话[2，3]，具有拾音放大、满足汽车驾驶员通话的功能。随着车载娱乐信息系统的发展，考虑到驾车过程中驾驶员接打手机的不安全隐患，中高端轿车上都安装有麦克风[4]。

车载麦克风在轿车上应用较多，但在载货汽车上还很少见。载货汽车和轿车电气系统不同，试验标准存在差别。另外，载货汽车的行驶路况一般不如轿车好，其减振系统不如轿车，加上发动机排量较大，从而使驾驶室内干扰较多、噪声较大。因此，本文考虑设计一款载货汽车使用的车载麦克风。

2 车载麦克风工作方式

车载麦克风有车载免提和车载电话两种实现通话功能的工作方式，如图1所示。图1a为车载免提系统[5]的工作原理示意，对带有蓝牙的手机，借助车上的蓝牙控制器（或蓝牙模块），即可把麦克风输入的音频电压信号传给蓝牙控制器，再通过手机天线进行发射，实现免提通话，此时驾驶员不必接触和操作手机;图1b为SIM卡（电话卡）直接装在汽车内的车载终端上[6]，车载麦克风按照给定的通讯协议和SIM卡间建立关联，借助3G等通讯网络发挥电话功能。车载终端可以是娱乐主机、行驶记录仪、导航DVD等。本文所设计的车载麦克风工作方式如图1b所示。

3 载货汽车用车载麦克风设计

图2a所示为本文所设计的车载麦克风基本构成，包括壳体端、线束和接插件。图2b为对应的实物拆解图，壳体端内装有驻极体传声器和电路板（CB)，二者通过对应的正、负极焊接在一起，线束包括电线和端子，电线为单芯屏蔽线，电线的一端与CB焊接，另一端压接端子后装入接插件中，接插件则与外围电路相连。

3.1 驻极体传声器的选型

麦克风的关键部件是驻极体传声器，其工作机理是基于声电转换，把语音转变为音频电压信号。驻极体传声器有单向、全向及双向之分。车载麦克风主要是给驾驶员使用，不希望其它声音进来，虽然驾驶员座位可以调节，姿态、位置会发生变化，但其活动空间有限，单向定位于特定的区域范围，因此，选用单向较好。

根据前期开发经验，选用某单向驻极体电容传声器，在测试条件频率f=1 kHz、大气压Pin=1 Pa、距离为50 cm时，对应的性能指标如下：灵敏度为-49～-45 dB，输出阻抗≤2.2 kΩ，反向衰减≥16 dB，工作电流≤500 A，信噪比S/N≥60，输入最大声压≤104 dB（THD＜1%），等效噪声级≤36 dB（A）。

3.2 工作原理及CB设计

图3为车载麦克风的工作原理，声音采集模块内含有驻极体传声器，音频电压信号经过放大电路处理及噪声滤波后输出，实现电话功能。

CB包含放大电路、滤波电路和保护电路，其中放大电路用于对驻极体传声器所传输的声电信号进行放大，滤波电路有助于滤除噪声干扰，保护电路可抵御电压波动和电压反接。图4为CB的设计原理，图中虚线部分用于放大，C5、C9由不同大小电容并联而成，用于消除噪声、滤除干扰，Q3属于保护电路。

3.3 外围电路设计

声音经过驻极体传声器进行声电转换，电信号由放大器放大到车载终端适合处理的幅度后，经过耦合电容输出交流信号给车载终端。车载终端提供的外围电路须和麦克风电路相匹配，若外围电路匹配不好，会出现声音小、无声、噪声、变调、失真等不良现象。

图5所示为车载麦克风外围电路的一种方案，其为麦克风提供的工作电压为3～12 V，电源是直流电加到R2上给麦克风供电。图5中，电阻R1=330 Ω，R2=150 Ω，电容C1=2.2 μF，C2=10 μF，传声器采集的声音信号经CB后变为交流电信号，经C1输出到“应用麦克+”端。

3.4 结构、布局设计

结构指的是麦克风壳体端的上、下壳，作用是：定位及卡扣、卡槽与周边卡紧、固定，或者借助螺钉进行紧固;形成具有容纳作用的内腔，内装驻极体传声器和CB。布局指的是驻极体传声器和CB在壳体内的放置。结构、布局会影响麦克风的声学参数，而声学性能通过声学参数体现。

3.4.1 室内测试装置

室内测试装置为一电声测试系统，用于在消音室环境下对车载麦克风的性能参数进行量化，为麦克风的设计开发提供参考。所用电声测试系统为Trust System Acoustic[10]，图6为其连接示意图。

测试条件：自由场，测试距离30 cm，消音室截止频率80Hz，本底噪声26dB（A），频率1kHz，大气压1 Pa。测量的主要参数有频响曲线、失真、反向衰减等。3.4.2结构和布局

a.壳体结构。壳体选用工程塑料、注塑工艺制作。图7为壳体设计过程中产生的两种结构。图7a中，壳体上扣合有一凸出来的柱体，柱体端部和侧壁都有条状孔，用于进声;图7b中，去掉了柱体，把上壳体进行了拉伸，进声孔同样为条状孔。图2a所示的壳体是把图7b的条状孔改为了小圆孔，且在上壳体尾部对称地开了两个半圆形的出声孔。

b.布局。驻极体传声器内置于壳体前部，其进声孔正对着壳体进声孔;CB则介于壳体尾部和传声器之间;壳体内有起固定及辅助支撑作用的槽、肋。以驻极体传声器为界壳体内分为前、后腔，传声器进声孔和壳体进声孔间的空间为前腔。上壳体是一个左右对称的结构，CB可以沿对称面放置，也可以按其他方位放置。

3.4.3 测试结果

通过改变结构和布局，在消音室内按照图6所示测试系统进行测试，得出如下结果：

a.图2a所示的壳体结构比较理想，既有进声孔又有出声孔;前部的进声孔为小圆孔，尾部出声孔为从下边缘开始的半径为4 mm的两个半圆形，且间隔14 mm对称地置于上壳体尾端。

b.前腔长度即传声器进声孔和壳体进声孔间距为3 mm时声学参数较优。

c.CB纵对称地置于壳体内时效果较好。

图8为同样的驻极体传声器和CB按不同结构和布局测试后得到的部分频响曲线，3个图分别对应图7a、图7b、图2a的结构。图8a中，CB平放在下壳体内而不是纵向对称;图8b中，CB纵向对称，前腔距离为1 mm，尾部为一个5 mm半圆孔;图8c中，前腔距离为3 mm，尾部半圆孔改为对称的两个，此曲线在三者中最平缓、最理想。

4 实车调试及效果验证

4.1 实车调试

载货汽车特定的工作条件及配置使麦克风所处的环境噪声较大;麦克风和扬声器需配对使用，也存在接收回声的问题。表1对此进行了说明。

因整车减振降噪涉及到NVH研究中的车内噪声有源控制技术，目前国内尚没有非常成熟的车内主动噪声控制系统。本文基于已有环境，采用实车测试、调试法对通话效果进行改善。表2所示为利用Head analyzer Artemis在驾驶室内测量获取的部分数据，从表2可以看出，发动机转速越高，噪声值越大，且随着空调挡位增加，噪声值上升。

根据电子元器件的特性，在麦克风和外围电路间分别并入不同的电容进行通话测试，当电容值为30 pF时(图9）可显著改善载货汽车驾驶室内的通话效果。图10为并入电容前、后由专用仪器在驾驶室内测量得到的部分曲线，与表2相比可知，并入电容后噪声峰值变小，当电容值为30 pF时，对于1 500 r/min且空调4挡工况，最大噪声值降低显著。

采用类似方法可完成麦克风电路与外围电路的调试及匹配，从而对电路进行技术处理。

4.2 实车效果验证

为检验麦克风装车效果，分别在载货汽车处于静止、发动机起动与怠速、空调运行和停止、正常行驶、高速行驶时驾驶室窗户打开和关闭、电磁信号较强状态等情况进行了实车通话测试，除了发动机起动、高速行驶时驾驶室窗户打开、电磁信号较强状态时麦克风通话效果欠佳外，其余效果良好。

4.3 常规试验项目验证

模拟载货汽车工作环境，对麦克风进行功能测试、环境适应性及电磁兼容性试验，根据标准进行抽样检测，被测件全部符合要求。表3为部分试验项目。

表3 部分试验项目

4.4 声学参数

对经过上述验证后的20个载货汽车麦克风成品在图6电声测试系统中进行测试，得到该款产品的性能参数符合如下要求：灵敏度-3.5±3 dB，输出阻抗≤200 Ω，反向衰减≥12 dB，失真≤3%（3.8VSS），等效噪声≤-65dBv（Pa），负载电阻4kΩ≤RL≤12kΩ，工作电压5±0.5 V。

5 通话效果改善方案分析

为消除或减弱对麦克风产生的干扰，提高通话效果和质量，设计中常考虑如下技术方案：

a.配设电子减噪装置并进行滤波处理,进行电路优化和外围电路匹配。

b.线束电线采用带芯屏蔽线;若电线不是屏蔽线，则在传声器和CB外罩一个铜质薄壁圆筒。此处线束电线采用带芯屏蔽线，“麦克-”接地可以屏蔽信号干扰。

c.在壳体和安装位置间采用双面胶。双面胶相当于一噪声吸收装置，可以减弱振动传递，改善实际使用中的声学性能。

d.车载麦克风自带电路的设计和板面设计须分别与驻极体传声器和壳体内腔相匹配，使驻极体的前、后腔通过调整达到一种最佳布局。

e.规避指向性正对着回声方向，回声消除在车载终端的数字信号处理平台上也同时进行考虑。

1白云飞.车载免提麦克风.中国专利，200520142875.1.2007-1-3.

2罗建国，罗智.一种车载电话.中国专利，200720053219.3. 2008-05-21.

3上海汽车集团股份有限公司.车载电话系统.中国专利，200920157011.5.2010-05-26.

4百度百科.MMI系统.2011-11-3.http://baike.baidu.com/ view/1583383.html.

5李京钊.车载蓝牙免提系统.中国专利，201210090019.0.2012-7-11.

6深圳市贝思特高新电子有限公司.GPS带GMS通话功能. 2010-1-10.http://www.elebest.com.

7RSTECH公司.Trust System电声测试系统.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殷建红.国内车载娱乐信息系统发展现状及趋势.汽车与配件，2009（11）：40～42.

10中华人民共和国国务院（令第405号）.中华人民共和国道路交通安全法实施条例.2004-4-30.http://www.gov.cn/ gongbao/content/2004/content_62772.html.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为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

载货汽车麦克风电路设计壳体优化调试验证

U463.6

A

1000-3703（2014）04-0033-05

北京汽车研究总院有限公司博士后专项资助，北京市博士后工作经费资助项目。