楼宇对讲系统电声设计探讨

摘  要：楼宇对讲系统在新建智能社区、商品房的应用越来越多，从非可视的手柄式对讲逐步升级至可视免提对讲智能终端，并融入了智能家居控制终端、报警终端等多种扩展功能，但作为楼宇对讲最基础和最重要的功能，对讲的语音质量直接影响到用户的使用体验，并且对讲状态后执行楼宇对讲作为小区入口、楼栋门或入户门开锁动作，因此楼宇对讲系统的语音可理解性实际上已经涉及一定的安全问题，持续提升楼宇对讲的语音质量是楼宇对讲制造商面临的难题和努力的目标。楼宇对讲系统的电声设计涉及结构、硬件及软件设计，故文章对楼宇对讲系统的电声进行分析和探讨，阐述包含麦克风和扬声器结构、音频电路及系统统调的设计。

关键词：楼宇对讲;智能社区;电声设计;语音质量

中图分类号：TU855;TP316      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）17-0063-04

Abstract：As building intercom system is more and more used in intelligent community and commercial residential building，the non-visual handle intercom escalate into visual hands-free intercom integrate into several extra functions like smart home control terminal，alarm terminal and so on. However，as the most basic and important function of building intercom，the voice quality will directly influence user experience and unlock function for entrance of residential area，building door or entry door. Therefore，the voice intelligibility of building intercom system actually is already involved in certain safety issues，continuous improve voice quality of building intercom is the challenge and object of building intercom manufacturer. Electro-acoustic design of building intercom system involves structure，hardware and software design. This essay analyzes and discusses the electro-acoustic of building intercom system，expounds the design which includes microphone and speaker structure，voice-frequency circuit and system unit adjustment.

Keywords：building intercom system;intelligent community;electro-acoustic;voice quality

0  引  言

進入二十一世纪以来，消费者的居住条件不断改善，小区住宅朝着智能化、信息化方向发展的同时，小区安防管理也得到重视，小区的门禁系统应运而生，楼宇对讲系统作为访客进入住户家中的第一道关卡，从十多年以前的非可视手柄式对讲，经过黑白CRT式手柄式对讲，已升级换代为彩色平板式免提对讲，以时尚轻巧的外形吸引消费者。但是平板化的楼宇对讲系统的音频性能却未能同步提高，甚至比老式楼宇对讲系统的音质更差，某些楼宇对讲系统产品在错误的电声设计的道路上越走越远。

1  楼宇对讲主要音频特性及设计

楼宇对讲系统的免提对讲在两个对讲终端之间进行，可以是门口机与室内分机之间的对讲，也可以是物业管理机与室内分机之间的对讲，对于数字楼宇对讲系统还可以实现户与户之间的室内分机对讲，建立呼叫时对讲终端的语音传输分为发送和接收部分，门口机和室内分机的对讲是实时双向语音状态，而免提的工作方式可以采用音控半双工或全双工，因成本原因及综合其他因素，市场上的楼宇对讲系统以音控半双工方式占主导地位。本地对讲终端的对讲语音发送由本地端麦克风采集语音，通过音频前置放大器和音控半双工切换电路后输送到远端对讲终端的音频放大及功放电路，驱动远端对讲终端的扬声器传输语音;远端对讲终端的语音发送则是相反的过程。因此本地端/远端对讲终端的麦克风及其结构、音频放大器、半双工切换电路和扬声器及其结构的任何一个环节及其统调都将影响整套楼宇对讲系统的音频特性，进而导致对讲语音质量的劣化甚至断续无法使用。

楼宇对讲系统国家标准GB/T 31070.1通用技术要求和GB/T 31070.2全数字系统技术要求的音频特性要求中，提出了全程响度评定值（OLR）、全程灵敏度/频率特性和音频转换时间的要求。在200Hz～4000Hz范围内，访客呼叫机端的全程响度评定值（OLR）的要求：20+10/-5dB;采用免提通话方式的用户接收机、管理机端的要求：23+10/-5dB; 音频转换时间要求应不大于200ms。这些要求分别对应对讲系统的响度大小（即系统条件下使用者听到对方的声音大小）、语音的频响平坦度（频响不均匀性）和半双工对讲的漏字特性。

全程响度评定值（OLR）决定接收方听到发送方的语音响度，其单位是dB，该值等效于楼宇对讲系统全程的插入损耗，以测试条件为例，当楼宇对讲本地终端发送嘴参考点的激励声压为-4.7dBPa时，等效于89.3dBSPL的声压级，通过系统在楼宇对讲远端传声器测试点（即模拟接收方的耳朵听取位置）测得的结果可知，应处于激励声压减去OLR值，远端发送至本地端接收的过程则是相反的过程，原理一致。访客呼叫机的OLR要求为：20+10/-5dB，即为15dB～30dB;免提通话方式的用户接收机、管理机端的要求为：23+10/-5dB，即为18dB～33dB。通过计算可以得到式（1）：

OLR确定了楼宇对讲语音大小的范围，声音太小受环境本底噪声影响难以听清，影响语音的可理解性;对讲声音太大，容易引起扬声器与麦克风之间形成正反馈回路，轻则导致断续丢字现象，重则导致拉尔森效应产生自激啸叫。OLR是楼宇对讲系统“全程”的音频特性参数，涉及发送和接收终端，因此从发送端麦克风到接收端扬声器的增益应满足要求，同时应重点考量信噪比的因素，麦克风的灵敏度是较低的，一般麦克风灵敏度在-38dB～-45dB（1KHz 0dB=1V/Pa）之间，麦克风拾取的音频信号属于毫伏级的水平，因此对发送端的麦克风前置放大器提高增益有利于提高系统的整体信噪比，前置放大器的总增益建议取麦克风灵敏度绝对值+/-3dB，并且麦克风至PCB的连接线需采用屏蔽线，对麦克风供电的退偶也应足够重视。接收终端的放大电路重点是功放，功放的功能是驱动扬声器实现电—声转换，应重点考量带载能力和失真度，超博型的楼宇对讲系统结构紧凑，难以使用散热片面积较大的功放，为确保电频响和失真度满足要求，建议选用BTL功放形式，D类放大器效率高，无需外挂大面积的散热片，也是楼宇对讲功放的优选。功放电路出现削顶失真时，奇次谐波剧增，除了导致听感上的破音外，还极易导致机振的机械性传递，导致本机的扬声器与麦克风之间形成正反馈通道，因此功放的裕度和失真是楼宇对讲硬件设计师必须重视的细节。

音频全程灵敏度/频率特性决定了接收方听到的语音的频率平坦度，人耳的听觉范围是20Hz～20000Hz，正常语音的范围则集中在200Hz～4000Hz，如果频带内不均匀度过大，低频不足时声音缺乏力度显得很“干瘪”，高音不足时齿音减少，穿透力极差，听感含糊不清，影响语音的可理解性。影响频率特性平坦度的因素有电频响和声频响，电频响即通过音频信号发生器从麦克风输出端注入信号，在远端对讲终端扬声器上测量电信号的频带范围内的均匀度，以当前的技术水平，除非是电路设计时参数有误，如耦合电容取值错误导致出现高通低阻的情形，或去加重电路取值错误导致的带通性能异常的情形，电频响要实现+/-1dB的平坦度都非常容易实现。因此影响楼宇对讲系统音频频率特性的常见问题是声频响因素。麦克风安装结构和扬声器安装结构是最主要的两大问题。

麦克风是拾取音频的最前端声—电转换器件，像人耳一样捕捉声音，其规格书中频响参数是在自由声场（消声室）或近场声学条件下测试得出的，在楼宇对讲产品整机上应用时，受外观、结构等诸多条件制约，最终的转换结果并非和规格书上的频响一致，要做好整機的音质和效果是一个系统性的工程，为了设计出电声性能良好的整机产品，在麦克风的安装设计上必须关注Helmholtz谐振器效应和骨传导效应等问题。楼宇对讲系统的访客呼叫机一般安装于户外，需要满足防水防尘及外壳抗破坏力要求，因此设备的面板一般为多层结构，金属面板+注塑中壳+麦克风柱状围挡的是最常见的结构设计，如图1所示是常见访客呼叫机的麦克风与前壳配合状态。

狭窄的传声孔（金属面板麦克风透声通孔）与空心腔室（注塑中壳形成的空腔）相连构成的结构，在受到声波激励时会产生声学谐振。日常生活中对着空瓶的瓶嘴上方吹气时，就会发生这种谐振现象，以该现象的发明者Hermann von Helmholtz命名，这种结构被称为Helmholtz谐振器。Helmholtz谐振的中心频率由式（2）确定：

其中c=空气速度;AH=声孔的横截面积;LH=声孔的长度;VC=空腔的容积。该方程式假设谐振器是一个空腔和一条横截面均等的管道相连组成的简单结构。在设计产品结构时，应确保麦克风前腔的谐振中心频率远高于整机有效频响范围频率，避免结构谐振导致频率特性曲线上出现剧烈波峰波谷现象，金属面板形成的麦克风透声通孔的孔径应尽可能大，透声孔的长度（即金属面板形成的麦克风透声通孔）应尽可能短，空心腔室（注塑中壳形成的空腔）的容积应尽可能小，以避免共振导致的自激和啸叫的产生，当然结构设计时应同时满足防水和结构强度以及美观的问题，切不可走极端，图1的案例在通孔防水设计、空腔容积和声孔长度方面均达到较佳的水平。

扬声器是重现语音最末端实现电—声转换的器件，声性能降低的主要原因与结构改变密不可分。早期室内分机体积较大，振膜辐射面积较大的圆形扬声器较为常见，后腔容积也较为可观，因此整体的声频响性能较佳，而近年来楼宇对讲系统无论是访客呼叫机还是室内分机在外形结构上平板化的设计越来越广泛，扬声器的外形结构随之发生极大变化，扬声器的空间越来越小，只能选用辐射面积越来越小的扬声器取代，这类扬声器的频率响应、特性灵敏度、总谐波失真等性能参数与较大口径的扬声器相比劣化明显;同时扬声器下出式和后出式的安装结构被普遍采用，高音频段声波的波长较短，指向性强，在中高频段衰减严重;低音频段由于扬声器的辐射面积越来越小，共振频率F0越来越高，并且忽略机壳透声孔与散热孔的声学结构处理，低频段受到声波干涉影响而衰减严重。不合理的结构设计造成楼宇对讲系统的声频率特性曲线呈现出“高不成、低不就”的尴尬局面。

扬声器共振频率F0对终端的频率响应的低频部分起着关键性作用，F0以下的频率输出急剧下降，失真大幅上升，因此选用合理F0的扬声器可以使终端的低音较为饱满。对于通用型楼宇对讲系统，音频频率响应的范围要求为500Hz-3400Hz，建议选用F0小于500Hz的扬声器，如果因为扬声器口径太小无法满足此要求，则只能在结构上设计扬声器后腔体及泄漏孔，压制F0位置的峰值，F0也并非越低越好，小口径扬声器降低F0常用的手段是增加振动系统的质量，这样会导致扬声器灵敏度特性的劣化，同时振动系统的质量增加对高频部分的影响更大，使高音的效果受到严重影响。

声短路现象和前室效应是结构上影响楼宇对讲系统声频率特性的两个典型问题。基于声波的干涉和叠加原理，当声场中某位置同时接收到两个声源传来的声波时，两列声波合成声场的声压等于每列声波的声压之和。当两列声波的频率相同时，就会产生干涉现象，叠加后声场的情况取决于该两列声波的相位关系。当两列声波的相位差φ=0时，合成声压振幅是单独一列波的振幅的两倍;当两列声波的相位相差φ=180°时，两列声波反相振动，声压叠加后为零。没有放置在障板或箱体中的扬声器，其纸盆振动时，纸盆一面压缩媒质使媒质产生稠密，而另一面就产生稀疏，纸盆正反两面振动幅度相同而相位相反，等同于一个偶极声源，因而无障板的扬声器低频辐射特性较差。如图2所示，声短路现象导致扬声器后方的低频声波绕到扬声器前方与其声波干涉，因此低频急剧衰减。

前室效应主要影响楼宇对讲系统声频率特性的中高音频段，理想的扬声器音盆应该是平面的，但平面音盆刚性小、易形变，因而易产生失真。为了兼顾材料的刚性和质量，扬声器音盆不得已而做成锥形。扬声器錐状的音盆向内凹进去的部分构成一个有相应容积的前室，同时扬声器安装在楼宇对讲终端的机壳上（向前或向下或向后安装方式），机壳具有一定的厚度，并且透声孔受外观及成本影响很难大孔径、大面积均匀分布，两者的配合关系决定了前室更加明显，由于前室的存在，中高频段（离喇叭中心更近处）的被推动空气在离开喇叭不远的地方交汇而产生相位干扰，前室内的空气将产生共振，声场分布上出现很大的紊乱，随着频率的升高，频响曲线产生明显的峰谷点，形成前室效应。前室效应导致中频凸起，高频出现严重的深谷，影响高音清晰度和穿透力，如图3所示。

透声孔对频响的共振吸声理论计算公式如式（3），在结构设计时应确保共振吸声频率高于整机有效频响范围要求的高频频率。

其中f=共振吸声频率，c=声速，P=透声孔开孔率，L=机壳壁厚，d=透声孔直径，D=腔深度（扬声器音盆中心到机壳的距离）。

音频转换时间是考核楼宇对讲系统双向通话语音连续且无明显漏字的关键音频特性要求。半双工的双向通话对讲方式，系统通过对讲双方的声压和语句的间断来切换双方的发送—接收状态。中文的正常语音交谈的每个汉字发音平均字长为300ms，因此在国家标准GB/T 31070.2全数字系统技术要求的音频特性要求中，音频转换时间要求应不大于200ms，其目的在于确保切换对讲双方的发送—接收状态时不会导致明显的漏字现象。音频非线性失真会出现剧增的奇次谐波，奇次谐波除了在听感上呈现破音外，极易导致终端的骨传导现象，正常情况下声音是通过驱动空气传播的，一旦在终端的扬声器—机壳—麦克风通道上建立骨传导直接传递，则系统进入正反馈状态，导致音控半双工切换电路异常，音频转换时间无法满足要求，语音断断续续，严重时产生自激啸叫即拉尔森效应。避免骨传导现象和自激要切断或减少终端扬声器的共振、机壳的共振以及麦克风的共振，减少扬声器的共振除了软阻尼安装外，应避免功放削顶失真后奇次谐波剧增导致的破音，此方面与系统的全程响度评定值（OLR）和频率响应均有关联。麦克风的安装结构上应注意前后腔的有效隔离，图2案例的麦克风带有双环状的胶套对共振的隔离有着非常好的效果，并且后腔挡墙留有封胶（蜡）的空间，可以进一步消除骨传导现象。

2  结  论

楼宇对讲系统结构设计时应先制作手板，避免声短路现象和前室效应的发生，基本原则是扬声器与机壳固定要确保不漏气，采用隔振垫圈避免谐振，扬声器透声孔应均匀分布提高开口率，并尽可能减小前壳厚度，进行扬声器后腔体和泄漏孔的试验，确定扬声器与机壳的配合曲线后再进行机壳模具开模。在扬声器和麦克风的合理结构设计前提下，音频电路的统调就相对容易实现，近年来随着DSP技术的广泛应用，通过DSP调整频响的手段也较为常见，DSP音效处理犹如食品烹饪中的味精，通过多段参量频率均衡器和DRC（动态范围控制）合理应用可以提高音质的表现水平，但是DSP音效处理电路只能作为一种提升手段，如果麦克风及其结构、扬声器及其结构设计极不合理，想依靠DSP音效处理电路来改变结果则是异想天开、本末倒置。电声设计上“有DSP不用是傻瓜，完全依赖DSP是笨蛋”的说法是很贴切的。硬件、结构、软件和电声的系统性统调在楼宇对讲系统产品的设计中非常重要，重点是需要有跨界的系统工程师在产品开发前期就系统性地协调并确定方案，以上通过对楼宇对讲系统电声设计的分析和探讨，解决了全程响度评定值（OLR）、全程灵敏度/频率特性和音频转换时间参数中容易出现的问题，提升了产品的生产直通率，增加了客户满意度，确保产品有更好的竞争力。

参考文献：

[1] 曹水轩，沙家正.扬声器及其系统 [M].南京：江苏科学技术出版社，1991.

[2] 沈勇.2012电声技术新进展 [M].北京：科学出版社，2012.

[3] 中国国家标准化管理委员会.楼寓对讲系统 第1部分：通用技术要求：GB/T 31070.1-2014 [S].北京：中国标准出版社，2015.

[4] 中国国家标准化管理委员会.楼寓对讲系统 第2部分：全数字系统技术要求：GB/T 31070.2-2018 [S].北京：中国标准出版社，2019.

作者简介：陈平（1973-），男，汉族，福建厦门人，工程师，本科，研究方向：楼宇对讲和智能家居。