Mic & Speaker One Piece

第一章 緒論

1.1 前言

近年來，隨著電子產業的發展以及無線通訊市場快速成長，消費者 對於輕、薄、短、小及可攜性（Portable）的需求日切，因為如此的趨勢，

在相關的無線電通訊產品的設計趨勢也逐漸朝著輕、薄、短、小及可攜性 的方向來發展。目前 3C 無線通訊之消費電子產品如手機、無線耳機、車 用 免 持 聽 筒 等 設 備 愈 趨 向 清 輕 薄 短 小 ， 由 於 上 述 產 品 之 麥 克 風 (Microphone)、喇叭(Speaker)單體在同一機殼內(即通訊產業界所謂 One Piece) ， 而 其 中 的 車 用 免 持 聽 筒 因 為 需 要 較 大 的 喇 叭 揚 聲 音 量 (85db~120db)，使得喇叭聲音音波容易經由機殼外之空氣介質及機殼內部 的傳導共振等原因傳到接收聲音之麥克風內，因而使得遠方發話使用者會 聽到自己的聲音而產生所謂的回音(Echo)現象，而此回音之作用會嚴重影 響雙方通話的品質，嚴重者甚至無法使用，而要消除回音現象，目前一般 主要是透過回音消除處理晶片所提供之軟應體來進行回音現象的消除或 改善，但是由於 Speaker 發聲之聲波及振動而容易造成機殼共振而使得 Speaker 發聲之聲波隨著相關路徑共振傳遞至收音之麥克風或負責處理 回音訊號的麥克風內，或是有內部漏音等現象時，便會造成回音消除晶片 無法處理或辨識進而產生回音現象，而目前一般回音消除等軟體系統業者 所提供之 IC 參考電路及調整軟體在配合機構等機殼後一般只能消除部份

百分比之回音等 NOISE，而無法發揮其原有設計回音消除 IC 線路及相關 軟體所預期之功用，其造成之原因最主要來自於當相關機構設計不良，如 防振橡膠、機殼無法有效避免或抑制來自於喇叭發音產生之共振，而使得 相關不當之噪音(Noise)進入麥克風時，造成回音消除晶片無法處理或辨 識進而產生回音現象。

目前國內外廠商在發展上述產品如車用藍芽無線免持聽筒擴音裝 置(Bluetooth hands-free Car kit)，為避免上述回音現象產生，大都使 用麥克風與喇叭分離方式，即採用外接或沿伸式麥克風，來避免喇叭等振 動產生之 Noise 直接進入麥克風而產生回音，一般皆有點煙頭之設計且體 積過大缺點(圖 1.1)(圖 1.2)，並不符合前面所言輕、薄、短、小及可攜 性（Portable）的設計趨勢及消費需求，目前市面上實際較符合該設計需 求之量產產品只有美國的 Motorola 所開發出來之 HF-800 藍芽無線免持受 話機(圖 1.2)，其亦有體積及重量稍嫌過大之缺點，且其充電器 Motorola 只提供點煙頭車充，所以基本上亦較不符合可攜性之設計需求，不過因為 HF-800 的喇叭及麥克風屬於所謂 One Piece 設計類型，所以在本文中仍 將其定義為成功案例。

圖 1.1 目前市面上的藍芽無線 Hands-free Car Kit

圖 1.2 可攜式 Hands-free Car Kit 麥克風喇叭擺放設計類型

Mic & Speaker Detached

Mic detached

Mic & Speaker One Piece

Microphone & Speaker Detached Sample

Microphone & Speaker One Piece Sample

Motorola HF-800

目前國內外積極發展之 MP4/3G 等相關產業，在喇叭放音部份，大 都採傳統之 PHON JACK/PLUG 外接耳機或外接喇叭方式(圖 1.3)。

圖 1.3 市面一般常見 MP3/MP4

隨著該相關產品設計往輕薄短小發展，若進一步加入行動無線通訊 通訊的需求，上述所作 3C 無線通訊消費電子機殼之相關設計研究亦可沿 伸作為 MP4 與 3G 等相關產品之機構設計參考及依據，所以如何有效利用 機構設計(例如喇叭防振墊、外殼，麥克風收音防振墊等設計)來達到減 振、避振及避免無形之噪音(Noise)聲波放大來有效地配合回音消除 IC 參考電路及軟體以避免產生如回音等雜音，進而影響雙方通話品質，為目 前相關通訊產業機構設計人員所必須具備之設計能力，本論文將針對上述 相關產品中之超薄型可攜式的車用藍芽無線免持聽筒擴音裝置機構設計 方式作較深入的研究與探討，希望可以在符合輕、薄、短、小及可攜性

（Portable）的設計需求下找出該機構設計在解決回音問題方面較佳之機

構設計方式，以便有效地配合軟體系統業者所提供之 IC 參考電路及調整 軟體來做為該產品之回音消除解決方案，並作為未來相關消費通訊電子產 品在回音消除方面等之機構設計參考依據。

1.2 文獻回顧

文獻[1]為美國 Forte-media 公司針對 One Piece Hands-free Car kit 所提供藍芽無線通訊專用之回音消除處理晶片模組之設計參考之技術支 援文件，其中包含參考電路、調整軟體、麥克風及喇叭等機構件相關擺設 之機構相關設計參考數據及其原理說明，而該晶片模組正是本論文之主題 超薄型行動無線免持聽筒擴音機殼裝置所預定使用之回音消除核心晶片 (Chip)。

其回音消除原理是利用雙工單晶片模組及其參考電路、軟體，並利用 2 顆所謂陣列型麥克風，其中一顆指向性(Uni-directional)麥克風，主 要負責處理接收對方接聽所需要聲音訊號(接收本設備使用者發聲訊號而 不希望接收到其他會造成對方回音等之干擾雜)，雖然 Forte-media 公司 技術文件上定義該顆麥克風為指向性麥克風，本論文將於稍後章節內進行 驗證本指向性麥克風能否以一般全向性麥克風替代，因指向性麥克風在機 殼、麥克風防振墊等設計上皆有特殊要求及困難度，在超薄型機殼中並不 易設計，加上指向性麥克風因其特殊性使得元件費用高於全向性麥克風，

而 2 顆陣列型麥克風中的另外一顆全向性(Omni-directional)麥克風，主 要負責接收對方來聲之喇叭發音訊號，但不希望接收到因喇叭振動而引起 的機殼等共振產生之噪音，並利用矩陣數學運算加以處理判斷，抑制不當 聲音或干擾進入第一顆麥克風造成對方講話時回音之產生，但其處理前提 是 2 顆麥克風之間之 dB 值差異必須大到讓軟體能夠進行處理及調整，二 顆陣列麥克風的收音聲壓 db 值大小需有相當之差異值(8 到 15db)，收近 端人聲之主要麥克風聲壓值要小，希望只收到近端人聲，收喇叭等周圍噪 音之參考麥克風聲壓值要大，所以因喇叭振動而引起的機殼等共振產生之 噪音必須以機構設計方式降到最低，否則將無法達到回音消除效果，其參 考電路、調整軟體、麥克風及喇叭等機構件相關擺設之機構相關設計參考 數據，請參考(圖 1.4)(圖 1.5)(圖 1.6)。

圖 1.4 Portable One Piece Hands-free Car Kit 功能方塊圖

圖 1.5 麥克風與喇叭擺放位置說明圖

圖 1.6 麥克風建議擺放位置圖

Microphone holder with Santoprene material 201- 70

Grill

Uni-directional microphone

Omni-directional microphone To p View

Front View

Cone-shaped beamforming with 150 degrees S p eaker

依照 Forte-media 公司對於 One Piece Hands-free Car kit 有其相 關規定與功能上之要求如下:

1.不需要延伸的麥克風

2.喇叭聲音頻率響應值應達到(最佳 125dB/最小 85dB) 3.語音訊號處理全雙工

4.噪音及回音抑制需達到 8 到 15dB 5.不需要專業的安裝

6.使用 2 顆陣列麥克風(2 array microphones) 7.麥克風與喇叭間距為 4.5 公分

8.聲音處理能力需大於 5 米

根據文獻[2]蔡國隆等共同編著之聲學原理與噪音量測控制，聲波 Sound Wave)的產生是因為傳遞介質受到聲音能量的擾動後，介質的彈性 特質產生聲音能量傳遞的波動現象，在真空或完全的剛性介質中，聲波無 法傳遞，而聲音在空氣中傳遞時，其剪力非常小，可視為只有縱波 (Longitudinal wave)型式，即介質受到壓力應變後擾動所產生的波動，

方向與空氣粒子運動方向平行，當聲波傳遞的介質為固體結構時，還會產 生振動(Vibration)，而振動波也會經由結構的傳遞與放大而成為聲波，

單一頻率的聲音波動現象，在一固定位置點觀察介質振盪的位移量隨時間

變化關係，一般波形為正弦或餘弦函數。

表示聲音的基本參數，最常利用聲壓(Sound Pressure)、聲功率 (Sound Power)及聲強(Sound Intensity)三個參數表示，聲音的物物理量 以聲壓作為表示，大小為聲壓值或聲壓準位(Sound PressureLevel)，以 Lp 表示。聲功率定義為每單位時間內音源所產生的能量，相當於音源輸 出的功率，大小為聲功率值或聲功率準位(Sound Pressure Level)，以 Lw 表示。聲強的定義為每單位時間內通過單位面積的能量，大小為聲強 值或聲強準位(Sound Pressure Level)，以 Li 表示。聲壓、聲功率及聲 強單位都是以分貝表示(decibel，db)，人耳對聲壓感覺並非絕對物理量，

而是像對數值的變化，例如聲壓以 Lp=20log(p/p0)表示，頻率為單位時 間内反覆運動的次數，單位是 Hertz(Hz)，人耳可以聽到的聲波頻率範圍 是 20Hz 到 20KHz。麥克風(Microphone)主要功能是將聲音(物理量)轉換 為電，而麥克風敏感度(Sensitivity)是指量測聲壓值與電壓值的比值，

一般又稱為開迴路敏感度，理想的麥克風必須在量測頻率範圍上有平坦的

響應(Response)，也就是可使用範圍，當僅針對單一方向射入音具有最佳 的響應，而對其他方向射入音則加以抑制，此類麥克風稱為指向性麥克風 (Unidirectional Microphone) ，其作用一般是為了收集單方向的聲音，

反之無方向性的麥克風稱全向性麥克風(Omnidirectional Microphone)。

1.3 研究動機

近年來，隨著電子產業的發展以及無線通訊市場快速成長，消費者對 於輕、薄、短、小及可攜性（Portable）的產品需求日切，因此相關的無 線電通訊產品的設計趨勢也逐漸朝著輕、薄、短、小及可攜性的方向來發 展，但也因此使得該上述相關產品之機構設計亦更具挑戰性，因為其相關 限制、設計條件、生產條件等皆更為嚴苛，關於本論文討論之超薄型行動 無線免持聽筒擴音機殼之設計分析，由於非常輕薄短小，能夠利用與設計 之空間相對非常有限，以至於一些看似簡單的理論實際具有相當實務上的 困難與複雜性。

由於一般公司將其視為研發機密，加上國內外相關研究相當缺乏，以 至於相關之設計資料取得困難，亦使得國內外相關產業在此部份的開發雖 耗費相當大的財力、物力確不得其門而入，本文作者公司之前即因上述種 種原因設計出有問題之產品機構(先定義為原失敗案例 PH-1)，Portable One Piece Hands-free Car kit(圖 1.7)，不但耗費金錢時間製作出無法 量產之樣品(Mockup)，又無法立即找出解決的對策，所以希望能藉由本文 的討論加以釐清各設計疑點，建立正確之設計理論與方向，以加速產品之 開發時效與正確性，並利用聲音等量測方法，建立正確之比較參考數據，

再利用上述理論分析，加以模擬試驗，找出最有效、經濟的解決方向、概 念及數據，並建立相關圖表及模型作為正確設計之參考依據，原則上會以

如(圖 1.7)(圖 1.8)有問題產品之數據作為失敗案例比較參考數據，並以 Motorola HF-800 之語音通話品質等數據作為較成功案例之比較參考數據 (圖 1.9)。基本上述討論主題，已含蓋大部份超薄型無線通訊機殼之機構 設計理念與實際需求，相信只要能夠有系統、有效的理論分析，模擬，實 驗找出最有效的解決方向、數據及概念並建立相關模型，再配合適當的 ID 外觀設計，便能快速反應無線通訊產品企業界之設計需求，並朝更輕 薄短小而音質更佳之設計方向前進，進而創造國內相關產品在國際上之競 爭能力。

圖 1.7 原失敗案例 PH-1 回音功能測試

圖 1.8 原失敗案例 PH-1 拆解及組裝相片

Test method:

1.Practical test by normal telephone And test sample connect with Bluetooth Mobile phone

2.Sound level meter: Speaker 85 dB Test result: Fail(Echo too large)

Left:Fail test sample PH-1(A) Right:Motorola HF-800(B)

Size compare:(A)85mmX55mmX10mm (B)88mmX53mmX25mm Weight compare:(A)45.5g (B)63.5g

Speaker output(dB): (A)85 dB (B)120 dB

圖 1.9 成功與原失敗案例比較

1.4 研究方向

由於成功案例 Motorola HF-800 與原失敗案例 PH-1 皆同樣使用美國 Forte-media 公司所提供之相同回音消除之晶片模組及軟，且硬體設計方 式相似，所以先定義 Forte-media 公司所提供之回音消除晶片模組是確實 可行的解決方案。

由圖 1.4 及相關技術文件可知，二顆陣列麥克風的收音波形與訊號 數據大小是決定 Forte-media 公司所提供之回音消除之晶片模組是否有 處理能力的重要關鍵，在 1.2 節文獻回顧中有提及二顆陣列麥克風的收音 聲壓 db 值大小需有相當之差異值(8 到 15db)，收近端人聲之主要麥克風 聲壓值要小，希望只收到近端人聲，收喇叭等周圍噪音之參考麥克風聲壓 值要大，所以首先必須利用聲音量測之相關軟硬體進行相關的量測實驗，

設法找出成功案例與失敗案例在二顆陣列麥克風的收音波形與訊號數據

大小上有何差異，進而才有辦法能繼續後面相關的研究與實驗。

由於之前在回音等聲音相關測試上，都是以實際通話狀態並以人聲 及人耳來進行測試，基本上並不客觀，且無法從中了解基礎聲學原理及 Forte-media 公司所提供之回音消除晶片模組運作情形，更無法建立一套 標準且具公信力之量測標準，反之若能借由上述相關正確的實驗與量測方 法，不但能從中了解基礎聲學原理及相關量測方法，更能經由此設法找出 原失敗案例的解決方法及提升日後相關產品的設計能力。所以本文的基本 研究方向如下:

1. 建立一套標準實用的聲音量測方式

2. 找出成功案例與失敗案例在麥克風收音波形的差異性 3. 設法由二者差異性找出相關重點及推論

4. 建立基礎實驗模型加以驗證

5. 分析 PH-1 機構對回音作用的影響 6. 產品機構改善方案

7. 對最後產品進行人聲回音測試

接下來將針對上述研究方向進一步加以說明:

1. 建立一套標準實用的聲音量測方式

本文相關實驗中，需要量測到喇叭的聲壓-時間波形圖、頻率響 應圖，麥克風的聲壓-時間波形圖、頻率響應圖，上述波形主要是作為成

功與失敗案例的差異點比較及各改善方案的波形辨識與數據量測，當最後 進行實際的人聲回音消除作用測試時需要用到頻譜圖進行驗證，所以需要 依上述圖形所需找到一套適用本文相關實驗的測試軟體及測試方法，並進 行測試環境架設。

2. 找出成功案例與失敗案例在麥克風收音波形的差異性

借由分析成功案例麥克風收音波形，可以驗證 Forte-media 晶片 模組處理時所需的波形或範圍，並可將其定義為機構在解決回音消除時的 波形比較參考基準，本文先假設原失敗案例的麥克風收音波形應當與成功 案例波形會有所不同，所以導致 Forte-media 晶片模組無法辨別及處理，

進而發生無法接受的回音現象產生，所以只要能找出原失敗案例麥克風收 音波形，再與上述成功案例波形進行比較，才能驗證上述的假設與推論是 否正確。

3. 設法由二者差異性找出相關重點及推論

若能經由上述實驗分析，找出成功案例與失敗案例在麥克風收音波形 的差異性，不只可以驗證第 2 項研究方向的假設與推論是否正確，更可由 此分析找出成功案例與原失敗案例在機構上造成回音作用的差異處，進而 找出影響回音作用的機構相關重點及各機構重點對於回音作用程度的影 響性評估，然後針對機構影響回音作用程度的先後順序設法找出相關機構 的改善方案。

4. 建立基礎實驗模型加以驗證

在第 3 項研究方向中所得到的重點與推論，希望能經由本研究方向中 所建立的基礎實驗模型來加以驗證。

5. 分析 PH-1 機構對回音作用的影響

對於 PH-1 會影響回音作用的機構，若依聲波的傳遞路徑可大體區分 為喇叭防振系統、機殼的影響、內部零件的防振、麥克風防振系統等四大 項，希望能經由前面相關的結論及本項相關實驗項目，找出 PH-1 相關機 構對於回音作用影響程度。

6. 產品機構改善方案

希望能夠綜合上述各項實驗結果，找出能夠確實有效改善原失敗案 例 PH-1 在影響回音的機構改善方案，並作為日後相關產品在解決回音問 題的機構設計參考。

7. 對最後產品進行人聲回音測試

由於本文最終目的在為使用回音消除模組之超薄型無線行動免持 聽筒機構之設計提供有效的解決方案，所以經由上述所有相關實驗結果及 改善方案所得到的產品模型最終必須通過實際人聲的回音測試，但是目前 業界對於相關產品在人聲回音測試一般仍採用以人聲及人耳方式進行實 際測試，並不夠客觀，所以本文希望能經由本次研究找出具量化且客觀實 用的實際人聲回音測試方法及標準，並以此驗證本次實驗最終的產品模型 是否能夠達到回音消除的要求，以決定為該產品模型是否可以真正完成研 發階段並進而導入實際的量產。

1.5 論文大綱

第一章 緒論:介紹本論文研究的前言，文獻的回顧、研究的方向、研 究的動機與目的及論文大綱。

第二章 研究方法與步驟：本章節對於本論文的研究方法與步驟做詳 細的介紹及實驗的規劃。

第三章 實驗結果與討論：本章節針對研究所得到的結果，做一系列 的討論並分析其結果。

第四章 結論與未來展望：本章節將研究的結果做最後的結論，並規 劃未來的展望。

第二章 研究方法與步驟 2.1 研究對象

本論文最主要在研究探討超薄型可攜式車用藍芽無線免持聽筒擴音 裝 置 機構 在 回音 消 除的 設 計方 式 ，在 第 一章 節 中提 到 的 One Piece Hands-free Car Kit Motorola HF-800 在本文中將定義為成功案例,並將 Portable One Piece Hands-free Car Kit PH-1 先定義為失敗案例，由 於二者都可歸類為 Portable One Piece Hands-free Car Kit 型式，加上 二者皆使用美國 Forte-media 所提供藍芽無線通訊專用之回音消除處理 晶片模組，使用二顆陣列麥克風，所以可以當成相對應之比較參考模型，

本文中將利用相關儀器設備及軟體針對二者進行必要的實驗與量測，希望 能找出二者的差異點，並建立其相關圖形與數據，作為後續研究基礎，希 望能為原失敗案例 PH-1 機構找到改善回音現象的方法或依據。

2.2 實驗分析工具

本實驗選用 Adobe Audition 1.5 版為主要的測試軟體，其操作測 試界面請參考(圖 2.1)，並利用該軟體來量喇叭及麥克風的聲壓/聲功率 波形、頻率響應及頻譜圖。TES-1350A 噪音計，主要作為量測喇叭出聲的 聲壓值總量之用。數字型三用電，主要用來量測喇叭、麥克風、PCB 及各 測試連接線之正負極量測，一般使用其二極體功能測量。Vectech-967 銲 接設備，主要作為喇叭、麥克風、PCB 等待測物體銲線或解銲之用。改裝

後音響測試連接線，主要作為電腦之音效卡、電話答錄機、喇叭、麥克風、

PCB 等待測物體之間的連接。Panasonic KX-TM100B 電話答錄機，主要作 為需要人音測試時的雙向錄音。Nokia6260 藍芽手機及一般電話機，主要 作為需要無線人音測試及 PCB 回音消除功能驗證之用。量測分析所需硬體 設備為 Intel x86 P4 的 PC 工作平台，CPU 為 P4 2.4G Hz，RAM 為 1024 MB，

音 效 卡 為 內 建 式 PCI Audio Device ， 作 業 系 統 為 Windows XP Professional，上述部份試驗設備實際相片請參考(圖 2.2) 。

圖 2.1 量測軟體 Adobe Audition 1.5 電腦操作界面

圖 2.2 實驗的部分設備

2.3 實驗環境

由於本實驗主要針對成功案例 HF-800 及失敗案例 PH-1 進行量測聲 壓值、頻率分析，以求得分析用之波形、頻率響應、頻譜等圖形，照理若 能在無響室(Anechoic Chamber)進行相關量測過程，因其不受氣候、地面 或其他反射音干擾，加上足夠低的背景噪音等條件，其所得圖形及數據將 更為正確，但是因為本文主要是針對 Portable One Piece Hands-free Car Kit 機構來進行分析，該設備雖是可攜式，但是其最主要功能仍是以車上 使用環境為主，而車上由於有風切聲、引擎聲、輪胎與地面磨擦振動等噪 音源，所以車內環境一般屬於較大的背景噪音環境，且 Forte-media 所提 供藍芽無線通訊專用之回音消除處理晶片模組亦有處理適度背景噪音的 能力，但是由於本實驗一開始是在做成功與失敗案例的聲音波形等基礎量 測，為求其分析用之波形、頻率響應、頻譜等圖形正確性及適度反應車內 環境，所以在本文所進行之相關實驗環境，將不在無響室內進行，而是選 擇在一般無對外開窗、具空調等條件下之實驗室作為實驗量測的環境，在 進行部份實驗將會關閉空調來將背景噪音儘量降低，以求得較正確的圖形 及數據。

2.4 實驗流程與步驟

本文之實驗流程與步驟，請參考流程圖(圖 2.3)。

圖 2.3 實驗流程圖

而實驗流程的方法及詳細內容將在稍後敘述與討論，在此僅先介紹 實驗流程的概略步驟如下:

1.建立一套標準實用的聲音量測方法

(1)喇叭、麥克風的聲壓-時間波形圖及頻率響應圖 (2)實際人聲回音消除測試的頻譜圖

2.找出成功案例與失敗案例在麥克風收音波形的差異性 (1)建立成功案例 HF-800 相關數據及圖表

(2)建立失敗案例 PH-1 相關數據及圖表

(3)比較 HF-800 與 PH-1 麥克風收音波形的差異性

建立標準實用 聲音量測方法

建立 HF-800 參考數據或圖

建立 PH-1 參考數據或圖

建立基礎試驗 模型原型 產品機構改善

方案

由差異點找出 相關重點及推論

對各基礎模型 進行測試實驗

分析 PH-1 機構 對回音作用影響 對產品原型進行

測試實驗

建立產品原型 參考數據或圖表 比較分析

產品實驗之結論 NO

YES

3.由二者差異性找出相關重點及推論

(1)PH-1 機構加 HF-800 麥克風橡膠座實驗 (2)泡棉筒長度實驗

(3)PH-1 整機加吸管實驗 4.建立基礎實驗模型加以驗證

(1)PH-1 麥克風收音空間與收音能量量測實驗 (2)PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗 (3)再次比較分析 HF-800 與 PH-1 之測試結果 5.分析 PH-1 機構對回音作用的影響

(1)PH-1 喇叭防振橡膠墊影響實驗 (2)PH-1 機殼影響實驗

(3)PH-1 內部零件振動噪音實驗 (4) PH-1 機構影響回音作用的評估 6.產品機構改善方案

7.對最後產品進行人聲回音測試

2.4.1 建立一套標準實用的聲音量測方法

1. 喇叭、麥克風的聲壓-時間波形圖及頻率響應圖

本文希望能分析找出 Forte-media 回音消除之晶片模組所需的麥 克風波形及數據，所以先假設經由分析成功案例 HF-800 的麥克風波形可

以對應出 Forte-media 回音消除之晶片模組所需波形及數據，並設法利用 聲音量測之相關軟硬體進行相關的量測實驗，找出成功案例與失敗案例在 二顆振列麥克風的收音波形與訊號數據大小上有何差異，才有辦法能繼續 後面相關的改善方案研究與實驗，而上述相關實驗的波形及數據都必須依 靠量測喇叭、麥克風的聲壓-時間波形圖及頻率響應圖才能分析得到，相 關實驗結果所需的喇叭、麥克風的聲壓-時間波形圖及頻率響應圖，其實 驗過程的量測方法基本上是相同的，只在於被測物改變不同，其量測及設 備間訊號接線方法示意圖請參考(圖 2.4)。

Speaker Signal Output Microphone Signal Input

Speaker Signal Line

Microphone Signal Line

Voice Out Voice Input

Speaker R.MIC M.MI

Test Object

+ - + - + -

Red Black

圖 2.4 量測及設備間訊號接線方法示意圖

如圖所示，麥克風二條訊號線夾上改裝過之訊號線材連接到 PC 端之 麥克風訊號輸入孔，然後開啟 PC 上 Adobe Audition 語音測試軟體二個視 窗，一個視窗負責訊號音源的發音作業及讀取相關波形數據，另一個視窗 負責收音麥克風的錄音作業及讀取相關波形數據，分別以固定的噪音雜訊 (White Noise)及固定純音量(Tone)為訊號音源透過喇叭出聲，量測喇 叭、麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖，實驗過程中根據需要 變換音源訊號及量測目標物，如視實驗需要切換雜訊(Noise)或固定純音 量(Tone) ，或是改變量測目標物如成功案例 HF-800 或原失敗案例 PH-1 機殼或其相關機構如參考、主要麥克風等。

2. 實際人聲回音消除測試的頻譜圖

因為回音一般係由人聲尾音產生，具模擬與複製效果，而固定大小 之雜訊及音調並無法產生能夠清楚辨別的回音作用，因此麥克風亦無法透 過軟體進行可辨別之回音記錄，加上聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖 亦無法判讀回音作用，所以判斷實驗結果所需的圖形必須改變使用所謂的 頻譜圖(頻率-時間) ，並且使用人聲作為量測音訊訊號源。測試軟體仍然 以 Adobe Audition 1.5 為準，並以該軟體之錄音功能配合麥克風錄下測 試基準實際人聲中文數字由一到十，紀錄下此測試基準實際人聲頻譜圖 (頻率-時間)，並以此實際人聲測試基準作為本文中回音消除人聲測試的發 聲音源訊號標準，其量測及設備間訊號接線方法示意圖請參考(圖 2.5)。

如圖所示當室內電話及行動電話系統連通之後，將預先錄製在電腦 中的實際人聲測試基準音源透過電腦喇叭放音，並經由電話系統將人聲傳 到位於另一實驗室內與行動電話相配對接通之測試目標物，如 HF-800 或 PH-1 等，並經由測試目標物的喇叭放音，再經由麥克風接收聲音訊號，

將有無經回音消除晶片處理的聲音訊號傳回電話答錄機內並錄下聲音，接 下來需將剛剛以電話答錄機錄下之聲音設法轉錄到 PC 中，將人聲轉為電 聲訊號，最後再轉成可以 Adobe Audition 測試軟體辨別人聲回音軌跡的 頻譜圖。

2.4.2 找出成功案例與失敗案例在麥克風收音波形的差異性

Recorder

Cell Phone System

PC Loundspeaker

Cell phone

Test Object

圖 2.5 人聲回音測試之量測及設備間訊號接線方法示意圖

1.建立成功案例 HF-800 相關數據及圖表

首先進行 HF-800 整機喇叭及麥克風測試，先將 HF-800 上蓋打開取 下，將内部電池接頭取下，利用銲槍將喇叭及二顆麥克風解銲與電路板 (PCB)解銲分離，再將喇叭及二顆麥克風分別銲上適度長度之訊號線材(圖 2.6)，在蓋回上蓋前應設法將喇叭及二顆麥克風訊號線拉出機殼外，將外 露於機殼外的喇叭訊號線夾上改裝過之訊號線材連接到 PC 端之喇叭訊號 輸 出 孔 ， 在 本 文 中 距 離 喇 叭 較 近 的 一 顆 麥 克 風 定 義 為 參 考 麥 克 風 (Reference Microphone)，距離較遠的麥克風定義為主要麥克風(Main Microphone) ，首先先將主要麥克風二條外露於機殼外的訊號線夾上改裝 過之訊號線材連接到 PC 端之麥克風訊號輸入孔，連接方式請參考(圖 2.4)，然後開啟 PC 上 Adobe Audition 語音測試軟體二個視窗，一個視窗 負責訊號音源的發音作業及讀取相關波形數據，另一個視窗負責收音麥克 風的錄音作業及讀取相關波形數據，在此部份先以 Sample Rate 為 44100、Channels 為 Mono、Resolution 為 16 bit、固定大小音量的噪音 雜訊(White Noise)為訊號音源透過喇叭出聲，量測喇叭、麥克風的聲壓- 時間準位波形圖及頻率響應圖，參考麥克風測完後接著再依相同方法量測 主要麥克風(圖 2.7)，得到主要麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響 應圖。

當訊號音源為固定大小的噪音雜訊時，其量測到的聲壓-時間準位 波形圖中的波形只適合看其大小趨勢，無法作較精準的波形及數據比對，

所以接下來將上述實驗步驟中的固定的噪音雜訊(Noise)訊號音源，改為 固定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源，

其餘接線及量測方式皆相同，得到二顆麥克風的聲壓-時間準位波形圖。

3. 建立失敗案例 PH-1 相關數據及圖表

進行原定義失敗案例 PH-1 整機喇叭及麥克風測試，先將 PH-1 上蓋 圖 2.6 HF-800 喇叭、麥克風訊號線內部連接圖

圖 2.7 HF-800 喇叭、麥克風訊號線外部連接圖

打開取下，將内部電池接頭取下，利用銲槍將喇叭及二顆麥克風解銲與電 路板(PCB)解銲分離，再將喇叭及二顆麥克風分別銲上適度長度之訊號線 材(圖 2.8)，為求與成功案例量測基準儘量相同，在以下 PH-1 的相關測 試中，二顆麥克風皆使用 HF-800 的麥克風，即將 HF-800 麥克風及線材直 接移植到 PH-1 機構上，在蓋回上蓋前應設法將喇叭及二顆麥克風訊號線 拉出機殼外，其餘接線及量測方式皆相同於 HF-800 整機量測方式，在此 部份先以固定的噪音雜訊(Noise)為訊號音源，量測喇叭及二顆麥克風的 聲壓-時間準位波形圖(圖 2.9)。

圖 2.8 PH-1 喇叭、麥克風訊號線內部連接圖

圖 2.9 PH-1 喇叭、麥克風訊號線外部連接圖

接下來將上述實驗步驟中的固定噪音雜訊(Noise)訊號音源，改為固定頻 率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源，其餘接 線及量測方式皆相同，得到二顆麥克風的聲壓-時間準位波形圖。

3.比較 HF-800 與 PH-1 麥克風收音波形的差異性

將上述 HF-800 整機(含完整機構、硬體件)測試與 PH-1 整機(含完 整機構、硬體件)測試中，將 PC 之麥克風 Gain 值分成較大及較小方式，

並以固定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音 源進行測試所得到主要與參考麥克風的聲壓-時間準位波形圖進行比較，

並將波型圖中之聲壓 db 值記錄下來，繪製成 HF-800 與 PH-1 之麥克風測 試聲壓 db 值比較圖。

2.4.3 由二者差異性找出相關重點及推論

本節較詳細內容將於第三章加以說明，在此僅作簡單的敘述，由上 述相關實驗可知，若能掌握到進入麥克風收音波形之正確與否將是決定是 否能讓 Forte-media 晶片軟體能正常有效發揮作用的最重要關鍵，而經由 上述實驗結果，發現影響麥克風收音波形最重要因素有可能是麥克風收音 防振橡膠墊的設計，為了證明這樣的懷疑與推論，所以增加下列與麥克風 收音防振橡膠墊有關的實驗項目。

1.PH-1 機構加 HF-800 麥克風橡膠座實驗

先將 PH-1 機構內二顆麥克風及其收音防振橡膠墊取出，並將二顆

麥克風裝入 HF-800 麥克風收音防振橡膠墊，由於 HF-800 麥克風收音防振 橡膠墊外型與 PH-1 機殼內之防振橡膠墊槽座並不相伏合，所以一次只能 放進一顆麥克風，先量測參考麥克風，再量測主要麥克風(圖 2.10)，以 固定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源來 進行量測作業，得到麥克風的聲壓-時間準位波形圖。

2.泡棉筒長度實驗

選擇參考麥克風以裸露在外的方式與原機殼等機構按原本於同一 機殼內喇叭與麥克風的中心距固定於實驗桌面上，再按照圖 2.6 的接線方 式，以固定的噪音雜訊(White Noise)訊號音源來進行量測作業，剪下第 一段長度(約 24 MM)泡棉雙面膠，將泡棉雙面膠包覆麥克風後捲成筒狀，

然後依麥克風裸露分離實驗相同方法進行量測(圖 2.11)，得到麥克風包 覆 24MM 長度泡棉筒的聲壓-時間準位波形圖，接著將包覆麥克風的 24MM 長度泡棉筒更換為 12MM 長度泡棉筒(圖 2.12)，依上述量測方法再次進行 量測。

圖 2.10 PH-1 機構加 HF-800 麥克風收音防振橡膠墊測試

3.PH-1 整機加吸管實驗

將 PH-1 成為整機狀態，同樣在蓋回上蓋前應設法將喇叭及麥克風 訊號線拉出機殼外，剪下一段 7MM 長度的吸管，黏貼在 PH-1 機殼參考麥 克風收音圓孔上(圖 2.13)，其餘接線及量測方式皆相同於 PH-1 整機測試 方式，得到麥克風的聲壓-時間準位波形圖。

圖 2.11 PH-1 24MM 長泡棉筒分離測試

圖 2.12 PH-1 12MM 短泡棉筒測試

2.4.4 建立基礎實驗模型加以驗證

在前面相關實驗結果中發現麥克風前面收音空間的體積大小的確 會影響麥克風收音波形的改變，且空間越大其波形放大的倍率越大，反之 則越小，本節實驗主要目的就是在找出麥克風前面收音空間的體積大小與 麥克風收音能量聲壓 db 值之間的詳細關係，並利用相關實驗模型驗證如 何利用改善麥克風收音防振橡膠墊控制所需的麥克風收音波形曲線，至於 更詳細內容將於第三章相關段落介紹，在此不另加敘述。

1.PH-1 麥克風收音空間與收音能量量測實驗

本實驗是利用類似 2.3.1 節中 PH-1 整機加吸管實驗方法，但是將 原 7MM 長的吸管換成一支 45CM 長的吸管，吸管上並每隔 0.5CM 作一記號，

並將該吸管設法固定在參考麥克風的收音圓孔內，以固定頻率 1KHz、固 圖 2.13 PH-1 整機加 7MM 長吸管測試

定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源來進行量測作業，並記 錄下其參考麥克風的聲壓-時間準位波形圖，利用剪刀每隔 0.5CM 剪斷吸 管(圖 2.14)，並進行每一段不同吸管長度時的麥克風錄音及存取其聲壓- 時間準位波形圖，紀錄吸管長度由 4.5CM 到 0.5CM 改變時其相對應的 db 值變化，並依據上述數據製成聲壓-長度變化關係圖。

2. PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗 (1)PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗一

將 PH-1 機構內二顆麥克風及其收音防振橡膠墊取出，並剪下三條 泡棉雙面膠，黏貼於防振橡膠墊上，再將二顆麥克風及其貼有泡棉之收音 防振橡膠墊安裝回 PH-1 機殼内，再按照上一節的接線方式及以固定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源來進行量測作 業(圖 2.15)，同樣先量測參考麥克風，測完後接著再依相同方法量測主 要麥克風，得到主要與參考麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖。

圖 2.14 PH-1 麥克風收音空間與收音能量量測實驗

(2)PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗二

完全相同於上一小節的實驗方法，只是將原本固定頻率 1KHz、固 定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源改為固定頻率 1KHz、

固定音量 Volume -8db 的固定純音調(Tone)訊號音源來進行量測作業，同 樣先量測參考麥克風，測完後接著再依相同方法量測主要麥克風，得到麥 克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖。

(3)PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗三

首先將 PH-1 機構內二顆麥克風及其收音防振橡膠墊取出，只先留 下主要麥克風，參考麥克風及原舊有收音防振橡膠墊在本實驗中不需使 用，再將主要麥克風裝上由麥克風廠商提供之標準 6MM 直徑收音防振橡膠 墊(圖 2.16)，首先將麥克風與標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊中間空間完 全緊密如(圖 2.18)，以一般雙面膠固定於機殼上蓋右側麥克風收音圓孔 內，蓋回上蓋後按固定的接線方式，以固定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0

圖 2.15 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗一

db 的固定純音調(Tone)訊號音源來進行量測作業，得到方向朝上的主要 麥克風聲壓-時間準位波形圖。

接下來實驗將麥克風與標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊中間預留較大 空間(圖 2.17)，裝回 PH-1 機殼內，方向垂直朝右，並在多餘之空間置入 適當泡面雙面膠進行麥克風固定，按固定的接線方式，以固定頻率 1KHz、

固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源來進行量測作業，測 完後接著將上述麥克風與標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊再次取出，將麥克 風與標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊中間預留較大空間取消(圖 2.18)，然 後再裝回 PH-1 機殼內，並在多餘之空間置入適當泡面雙面膠進行麥克風 固定，蓋回上蓋，再依相同方法接線及量測，得到麥克風的聲壓-時間準 位波形圖。

圖 2.16 PH-1 主要麥克風方向垂直 90 度標準防振橡膠墊實驗

圖 2.17 較大空間 PH-1 主要麥克風收音防振橡膠墊示意圖

圖 2.18 較小空間 PH-1 主要麥克風收音防振橡膠墊示意圖 Right Microphone

Rubber Holder

Large Space

PH-1 Shell

PH-1 Shell Small Space

Rubber Holder

Right Microphone

(4)PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗四

將 PH-1 機構內二顆麥克風及其收音防振橡膠墊取出，將收音防振 橡膠墊切對半，只留下參考麥克風在該防振橡膠墊內，另外主要麥克風按 照上一小節內容中的麥克風與標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊中間無預留 空間方式(圖 2.18)，裝回 PH-1 機殼內，並在二橡膠墊間多餘之空間置入 適當泡面雙面膠進行固定(圖 2.19)，再按照相同的接線方式及以固定頻 率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源來進行量 測作業，先量測參考麥克風後再量測主要麥克風，得到二顆麥克風的聲壓 -時間準位波形圖及頻率響應圖。

圖 2.19 PH-1 主要與參考麥克風收音防振橡膠墊合併改善實驗

(5)指向性麥克風測試

由文獻[1]Forte-media 公司針對 One Piece Hands-free Car kit 所提供藍芽無線通訊專用之回音消除處理晶片模組之設計參考之技術支 援文件中有提到，建議主要麥克風可以使用指向性麥克風，而本章節前面 所有的相關實驗中的主要麥克風，都是使用與 HF-800 右側同一顆麥克風 為測試標準，而 HF-800 右側麥克風為一般全向性麥克風，所以可以推論 指向性麥克風可以用全向性麥克風替代，基本上本文內容中的 PH-1 屬於 超薄型機構，若以指向性麥克風的相關配合機構設計規範及要求限制來 看，要使用指向性麥克風相當困難，因指向性麥克風後面需有適當大小的 反射空間且機殼上必需開通音孔，所以基本上若能以全向性麥克風替代指 向性麥克風，又能保證通話品質的話，對於簡化機構設計及實驗成本是最 好不過的，但是本節實驗內容仍將上述已改善完成的主要全向性麥克風在 相同改善機構下以指向性麥克風替代測試，希望能證明上述的推論

實驗主要按照 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗四的相同實 驗步驟，只是把主要麥克風使用的標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊內的全向 性麥克風改成以指向性麥克風取代，分別以固定頻率 1KHz、固定音量 Volume -18 db 及-30db 的固定純音調(Tone)訊號音源來進行量測作業，

得到主要指向麥克風的聲壓-時間準位波形圖，並將其聲壓 db 值記錄下來 並與全向性麥克風之 db 值進行比較。

3.再次比較分析 HF-800 與 PH-1 之測試結果

將 PH-1 參考與主要麥克風收音防振橡膠墊合併改善實驗所得到的 二顆麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖與 2.4.2 節實驗所得到 的 HF-800 整機以固定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調 (Tone)訊號音源所量測出之二顆麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響 應圖進行比較，再以喇叭音量-10db 量測，並將圖中之聲壓 db 值記錄下 來進行 HB-800 與 PH-1 改善前後的 db 值比較。

2.4.5 分析 PH-1 機構對回音作用的影響

在前面段落所進行的實驗，主要都是針對成功案例 HF-800 及原失敗 案例 PH-1 在改變麥克風收音防振橡膠墊後，對於麥克風收音波形影響的 相關實驗，雖然由前面的推論與實驗結果知道影響麥克風收音波形最重要 的應是麥克風收音防振橡膠墊，而由第一章文獻回顧[2]中所提聲波會經 由結構的傳遞改變其波形，而在原失敗案例 PH-1 機構中會影響麥克風收 音波形的項目，除了麥克風收音防振橡膠墊外還有喇叭防振橡膠墊、機 殼、內部零件振動噪音等三大項，所以本文也將藉由下列實驗來分析除麥 克風收音防振橡膠墊外的喇叭防振橡膠墊、機殼及內部零件振動噪音對於 麥克風收音波形的影響重要性大小程度，並找出影響的先後順序為求實驗 有一參考標準值，在 PH-1 的麥克風收音防振橡膠墊將使用 PH-1 主要與參

考麥克風收音防振橡膠墊合併改善實驗中的改善機構作為參考標準。

1. PH-1 喇叭防振橡膠墊影響實驗

首先先設法將圖 2.19 中右上角的喇叭防振橡膠墊螺絲、塑膠固定架 及黑色的喇叭防振橡膠墊自 PH-1 機構中移除，並將喇叭以泡棉雙面膠固 定在下蓋，在蓋回上蓋前應設法將喇叭及二顆麥克風訊號線拉出機殼外，

如圖 2.4 訊號線連接方法將外露於機殼外的喇叭、麥克風訊號線夾上改裝 過之訊號線材連接到 PC 端之喇叭訊號輸出孔及麥克風訊號輸入孔，以固 定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源所量 測出之二顆麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖，再與 PH-1 主要 與參考麥克風收音防振橡膠墊合併改善實驗所得到的主要與參考麥克風 的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖進行比較。

2.PH-1 機殼影響實驗

首先將固定 PH-1 機殼上下蓋的固定螺絲取下，並將原本實驗過程 中一直使用來固定上下蓋的紙膠帶全數移除，使上下蓋機殼保持為鬆動狀 態，按圖 2.4 訊號線連接方法將外露於機殼外的喇叭、麥克風訊號線夾上 改裝過之訊號線材連接到 PC 端之喇叭訊號輸出孔及麥克風訊號輸入孔，

以固定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源 所量測出之二顆麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖，再與圖 2.23 中 PH-1 主要與參考麥克風收音防振橡膠墊合併改善實驗所得到的二 顆麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖進行比較。

3.PH-1 內部零件振動噪音實驗

首先設法將圖 1.7 與圖 2.19 中 PCB 下方之 PCB 固定防振橡膠墊自 PH-1 機構內移除，使 PCB 保持為鬆動狀態，然後蓋回上蓋後按圖 2.4 訊 號線連接方法將外露於機殼外的喇叭、麥克風訊號線夾上改裝過之訊號線 材連接到 PC 端之喇叭訊號輸出孔及麥克風訊號輸入孔，以固定頻率 1KHz、固定音量 Volume 0 db 的固定純音調(Tone)訊號音源所量測出之二 顆麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖，再與圖 2.19 中 PH-1 主 要與參考麥克風收音防振橡膠墊合併改善實驗所得到的二顆麥克風的聲 壓-時間準位波形圖及頻率響應圖進行比較。

4. PH-1 機構影響回音作用的評估

將上述 PH-1 機構影響回音作用的相關實驗結果進行綜合評估，比 較實驗所得的主要與參考麥克風的聲壓-時間準位波形圖，希望能找出影 響麥克風收音波形最大及最小機構項目，並獲得綜合性的結論。

2.4.6 產品機構改善方案

由 2.4.1 到 2.4.5 節的所有最後相關實驗結果，可以確定原失敗案 例 PH-1 產品機構在部分機構進行改善後對於消除回音作用是否可行，即 PH-1 原機構外型等在改善後可繼續使用，所以希望能在本節中確定最後 整機產品的機構改善方案。

2.4.7 對最後產品進行人聲回音測試

當確定了產品機構的改善方案後，除了前面實驗結果所用來分析進 入麥克風收音波形曲線的主要與參考麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻 率響應圖，最後也是最重要的實驗項目，就在於對最後產品進行實際人聲 的回音測試，由前面 2.4.1 節中所提由於本章節中前面所述所有相關實 驗，皆以 PC 中 Adobe Audition 測試軟體所產生之固定頻率 1KHz、固定 音量 db 的固定雜訊(Noise)或純音調(Tone)訊號音源來進行量測作業，

所得到的喇叭、主要麥克風、參考麥克風的聲壓-時間準位波形圖及頻率 響應圖，若要進行實際回音消除測試，會發現其實並無法判斷回音項目，

因為回音一般係由人聲尾音產生，具模擬與複製效果，而固定大小之雜訊 及音調並無法產生能夠清楚辨別的回音作用，因此麥克風亦無法透過軟體 進行可辨別之回音紀錄，加上聲壓-時間準位波形圖及頻率響應圖亦無法 判讀回音作用，所以在此必須改變原本的實驗方式，針對回音消除功能進 行實際人聲測試，但若只是以一般電話、行動電話作為測試工具，然後利 用人員透過人耳以近端及遠端方式相連通來進行回音消除測試，其實並不 客觀，且無可以證明之數據或圖表，所以有必要找出較佳且具說服力之測 試方法，經過多次實驗，找到適何此類相關產品的實際人聲回音消除測試 方法，將在接下來的內容中作詳細的敘述。

首先測試軟體仍然以 Adobe Audition 1.5 為準，並以該軟體之錄 音功能配合麥克風錄下測試基準實際人聲中文數字由一到十，

記錄下此測試基準實際人聲的聲壓-時間準位波形圖及頻譜圖(時間-頻 率)，並以此實際人聲測試基準作為本文中回音消除人聲測試的發聲音源 訊號標準。

1. 回音消除人聲測試實驗一

以原失敗案例 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗五的機構配合 HF-800 PCB 作為測試，相關實驗設備請參考(圖 2.20)，其相關測試裝備 間的界面及訊號線連接方式請參考(圖 2.5)，首先將電話話機與電話答錄 機進行連接，並確認電話線路通話正常，然後將電話話筒另外固定在電腦 喇叭前，本次實驗是將話筒固定在電腦螢幕內建喇叭前，注意確保此時電 話仍維持正常，將 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗五的 PH-1 整機機 構的喇叭、二顆麥克風的外露訊號線與 HF-800 的 PCB 相關連接，目的是 為了利用成功案例 HF-800 PCB 來加以驗證改善後 PH-1 機構的實際人音回 音消除功能是否達到要求，將 PC、一般電話及電話答錄機等設備定義為 遠端發話使用者，維持在原本實驗室，而將 HF-800 PCB 配合 PH-1 機構及 行動電話 Nokia 6260 等設備定義為近端收話使用者，所以必須放置在另 外一間距離較遠的密閉實驗室中，HF-800 PCB 此時已與其原本電池相連 接，且必須與行動電話進行藍芽無線系統配對完畢。

實驗一開始先將遠端使用者一般電話與近端使用者行動電話保持通 話狀態，按下另一實驗室內的 HF-800 PCB 上的啟動接聽鍵，啟動 HF-800 的免持聽筒擴音功能，接著在原來實驗室內開始播放一開始錄下的基準音 源實際人聲中文數字一到十，並同時以電話答錄機進行雙向同步錄音，基 準人聲訊號音源此時透過行動電話系統傳到 HF-800 PCB 並透過 PH-1 喇叭 放音，再透過 PH-1 麥克風進行收音後回傳到遠端發話的電話機及電話答 錄機，並以電話答錄機錄下 PH-1 傳回的聲音，此時電話系統仍舊保持連 線狀態，立即設法將 HF-800 及 PH-1 負責回音消除的參考麥克風訊號線改 為中斷狀態，使 HF-800 PCB 的回音消除功能停止運作，再次以相同方法 播放基準音源實際人聲中文數字一到十，此時電話答錄機仍舊持續進行雙 向同步錄音，等基準音源播放停止後結束本次錄音，本段錄音稱為第一段 人聲回音測試錄音，接著依相同方法單獨錄下 HF-800 PCB 有啟動回音功 能及無啟動回音功能時的測試錄音，本段所謂有無啟動 HF-800 PCB 回音

圖 2.20 PH-1 機構回音消除人聲測試相關設備

功能是指 PH-1 參考麥克風有無連接到 HF-800 PCB，無回音功能的錄音為 第二段錄音，有回音功能的錄音為第三段錄音。

接下來需將剛剛以電話答錄機錄下之聲音設法轉錄到 PC 中，將人聲 轉為電聲訊號，才能以 Adobe Audition 測試軟體讀取可以辨別回音軌跡 的頻譜圖，在連接訊號線材前需注意，由於電話答錄機內阻值、電流等電 子等因素，需在答錄機內的擴音喇叭正極銲點上串接電容正極，然後將電 容負極夾上連接到 PC 之訊號線，請參考(圖 2.21)，設備完成連接後開始 進行轉錄作業，最後再以 Adobe Audition 存成 WAV 聲音檔及 MP3 播放檔，

並得到實驗所需之頻譜圖。

2. 回音消除人聲測試實驗二

本實驗相關步驟及訊號線連接等相同於回音消除人聲測試實驗 一，只是將原本以原失敗案例 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗五的 機構配合 HF-800 PCB 作為測試的實驗對象中的 HF-800 PCB 替換成原失敗 案例 PCB，並接上 PH-1 原有電池成為改善完成後的 PH-1 整機產品(圖

圖 2.21 電話答錄機電容及訊號線連接方法

2.22)，實驗目的是為了驗證 PH-1 產品(含所有相關軟硬體)的機構在改善 後整體回音消除功能是否能發揮應有的作用，測試及量測方法同回音消除 人聲測試實驗一，最後得到本次實驗所需的第四段錄音及頻譜圖。

3. 回音消除人聲測試實驗結果比較

將上述相關回音消除人聲測試實驗結果所得到之頻譜圖中之回音 產生之次數及頻率值(KHz)記錄下來，並進行比較。

圖 2.22 PH-1 實際人聲回音消除測試

第三章 實驗結果與討論

本論文主要在研究探討使用回音消除模組之超薄型藍芽無線免持聽 筒機構之設計，本章節將針對在第二章中所進行實驗與量測的相關圖形及 數據結果進行討論，希望能夠找到改善 PH-1 回音現象方法。

3.1 找出成功案例與失敗案例在麥克風收音波形的差異性 3.1.1 建立成功案例 HF-800 相關數據及圖表

由 2.4.2 節所進行 HF-800 整機喇叭及麥克風測試，量測後得到喇叭 及二顆麥克風的聲功率/聲壓-時間準位波形圖(圖 3.1)，將二顆麥克風波 形與喇叭訊號音源波形進行比較，可以明顯看出參考麥克風訊號波形被放 大而主要麥克風較不明顯，在前面章節中有提到當訊號音源為固定大小的 噪音雜訊時，其量測到的聲功率/聲壓-時間準位波形圖只適合看其大小趨 勢，無法作較精準的波形及數據比對，所以為了得到較精準的波形，將上 述實驗步驟中的固定的噪音雜訊(Noise)訊號音源，改為固定大小的固定 純音調(Tone)訊號音源，得到喇叭及二顆麥克風的喇叭聲功率/聲壓-時間 準位波形圖(圖 3.2)及頻率響應圖(圖 3.3)，由於喇叭是量測純電氣訊 號，加上為固定頻率所以由該聲功率/聲壓-時間準位波形圖中可更明顯看 出喇叭呈現為固定 SIN 波(在本文相關實驗中將之定義為標準 SIN 波)，而 其頻率響應圖的波形 PEAK 亦在頻率 1KHz 時特別突出，比較左測喇叭的聲 壓-時間準位圖可明顯看出參考麥克風訊號波形呈現上下被截斷的波形，

其仍舊屬於 SIN 波，但是因為訊號強度已大於麥克風本身所設定之感度 值，即 Gain 值大於零，所以訊號在 Audition 軟體上所呈現出來是上下被 截掉的波形，而其頻率響應圖形所呈現的是很均勻分怖的諧波。

再來比較主要麥克風的聲功率/聲壓-時間準位波形圖，可以看出其 訊號大小相似於喇叭的 SIN 波，並無放大效果，而其頻率響應圖在前面部 份頻率呈現較突出狀態，由二顆麥克風圖形可看出聲音透過空氣、喇叭、

圖 3.1 HF-800 整機喇叭、麥克風聲壓-時間波形曲線圖(Noise)

Speaker Wave Reference Mic. Wav

Main Mic. Wav

Ref. Mic. Tone Wave

Speaker Tone Wave Main Mic. Tone Wave

圖 3.2 HF-800 整機喇叭、麥克風聲壓-時間波形曲線圖(Tone)

Speaker Frequency Ref. Mic. Frequency Main Mic. Frequency

圖 3.3 HF-800 整機喇叭、麥克風頻率響應圖(Tone)

機殼等機構的影響，會導致聲音音波有失真或衰減的情況出現，由於 HF-800 是屬於成功案例，這也表示出麥克風所接收的波形若屬於合理範 圍內的失真，則 Forte-media 所提供藍芽無線通訊專用之回音消除處理晶 片模組有處理的能力，當然波形若能儘量不失真與衰減，其處理效果理應 更佳，而上述實驗所的到圖形將作為下來其他實驗結果的比較參考基準。

3.1.2 建立失敗案例 PH-1 相關數據及圖表

在 2.4.2 節進行 PH-1 整機測試實驗中，量測之後得到二顆麥克風的 聲功率/聲壓-時間準位波形圖(圖 3.4)，由圖面中可以看出參考麥克風波 形不但沒有放大且衰減，而主要麥克風波形與喇叭訊號音源波形相當，若 將圖 3.1 與圖 3.4 放在一起進行比較(圖 3.5)可發現，HF-800 與 PH-1 參 考 麥 克風 的 波形 差 異很 大 ，基 本 上 HF-800 二顆 麥 克風 波 形有 達 到 Forte-media 所要求的二顆麥克風 db 值差異要大的要求，反之 PH-1 二顆 麥克風 db 值差異明顯地並無達到 Forte-media 的要求，所以 Forte-media 晶片軟體並無法正常發揮其作用，因此造成無法達到回音消除的預期功 能，因此如何使得 PH-1 能夠儘量趨近 HF-800 左右二顆麥克風的波形及 Forte-media 所要求之波形及大小為接下來所要探討的內容。

3.1.3 比較 HF-800 與 PH-1 麥克風收音波形的差異性

將 HF-800 及 PH-1 整機測試中所得到二顆側麥克風的聲壓-時間準 位波形圖進行比較，分別得到在不同麥克風 Gain 值下之二者之波形比較 圖(圖 3.6)(圖 3.7) ，並依據圖中聲壓 db 值記錄下來，繪製成在不同麥 克風 Gain 值下之 HF-800 與 PH-1 之麥克風測試聲壓 db 值比較圖(圖

HF-800 Speaker HF-800 Ref. Mic. HF-800 Main Mic.

PH-1 Speaker PH-1 Ref. Mic. Ph-1 Main Mic.

圖 3.4 PH-1 整機喇叭、麥克風聲壓-時間波形曲線圖(Noise)

Speaker Wave Ref. Mic. Wave Main Mic. Wave

圖 3.5 HF-800 & PH-1 喇叭、麥克風聲壓-時間波形曲線比較圖

3.8)(圖 3.9)。

Speaker -10dB

Speaker -10dB

HF-800 Ref. MIC. -12.5dB HF-800 Main MIC. -36dB

PH-1 Ref. MIC. -37dB PH-1 Main MIC. -45dB Speaker -10dB

HF-800 Ref. MIC. CUT(<-0dB) HF-800 Main MIC. -11dB

PH-1 Ref. MIC. -10.5dB PH-1 Main MIC. -21.5dB Speaker -10dB

圖 3.6 HF-800 與 PH-1 麥克風聲壓-時間波形比較圖(Gain 值較大)

圖 3.7 HF-800 與 PH-1 麥克風聲壓-時間波形比較圖(Gain 值較小)

由圖 3.6 與圖 3.7 中可看出，當 PC 麥克風 Gain 值較大時，所收進 來的 PH-1 聲音波形會比 Gain 值較小時的大，且波形更容易失真，而因車 上環境及晶片軟體處理所需，實際麥克風 Gain 值無法過小，所以可看出 原失敗案例 PH-1 在麥克風收音波形顏重失真下導致回音消除的功能無法

-25 -22.5 -20 -17.5 -15 -12.5 -10 -7.5 -5 -2.5 0

Main Mic.

Ref. Mic.

SPEAKER

Lp (d B )

HF-800 PH-1(Fail)

圖 3.8 HF-800 與 PH-1 麥克風聲壓 db 值比較圖(Gain 值較大)

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Main Mic.

Ref. Mic.

SPEAKER

Lp (d B )

HF-800 PH-1(Fail)

圖 3.9 HF-800 與 PH-1 麥克風聲壓 db 值比較圖(Gain 值較小)

有效作用或啟動，由圖 3.8 與圖 3.9 圖中得知雖然 PH-1 麥克風波形與 HF-800 比較並無為違反參考麥克風聲聲壓需大於主要麥克風聲壓值，但 PH-1 聲壓值比例明顯不同，衰減過大，這可能也是造成回音消除的功能 無法有效作用或啟動的原因，但應以波形嚴重失真為最大原因，因數值比 例最後還可以利用晶片處理軟體的調整參數進行調整，但波形一旦嚴重失 真將導致軟體無法辨別。

3.2 由二者差異性找出相關重點及推論

由上述相關實驗可知，若能掌握到進入麥克風收音波形之正確與否 將是決定是否能讓 Forte-media 晶片軟體能正常有效發揮作用的最重要 關鍵，接下來就是要找出能符合或趨近於 HF-800 左右麥克風波形的關鍵 點，而經由上述實驗結果，發現影響麥克風收音波形最重要因素有可能是 麥克風收音防振橡膠墊的設計，也可以假設推論說若是沒有作好麥克風收 音防振橡膠墊的設計來獲得可以處理接受的聲音波形，則其餘機構設計如 喇 叭 防 振 系 統 、 機 殼 、 內 部 零 件 防 振 系 統 等 作 得 再 好 都 無 法 使 得 Forte-media 晶片軟體能正常發揮作用，也就是說，只有正確作好麥克風 收音防振橡膠墊的設計前提下，則其餘影響回音的機構設計會發揮其原有 回音消除的作用，但是由第一章文憲回顧中知道，除麥克風收音防振橡膠 墊外的機構設計會影響波形正確與標準性，所以接下來的實驗重點即在驗 證上述的假設推論是否正確。

3.2.1 PH-1 機構加 HF-800 麥克風橡膠座實驗結果

本實驗是以 HF-800 麥克風收音防振橡膠墊取代原有 PH-1 麥克風收 音防振橡膠墊，進行量測作業，得到二顆麥克風的聲功率/聲壓-時間準位 波形圖(圖 3.10)，由圖中比較喇叭與二顆麥克風波形可以發現左右二顆 麥克風波形雖因失真等因素而有些不同，不過整體上來說皆可視為因訊號 被放大而導致上下波形被截掉的 SIN 波，波形屬可接受範圍，由本實驗可 以得到以下證明，影響麥克風收音波形最重要因素是麥克風收音防振橡膠 墊的設計。

3.2.2 PH-1 泡棉筒長度實驗結果

由 2.4.3 節的泡棉筒長度實驗中，分別得到麥克風包覆 24MM、12MM 長度泡棉筒時的聲功率/聲壓-時間準位波形圖(圖 3.11)，由圖中比較喇叭 與包覆長短不同泡棉筒時的麥克風收音波形可以發現長度越長其波形放 大的倍率越大，反之則越小，由此實驗結果可以假設麥克風前面收音空間 的體積大小會影響麥克風收音波形的改變，且空間越大其波形放大的倍率 越大，反之則越小，至於麥克風前面收音空間的體積大小與麥克風收音聲

PH-1 Speaker Wave Reference Mic. Wave Main Mic. Wave

圖 3.10 PH-1 機構加 HF-800 麥克風橡膠座實驗聲壓-時間波形曲線圖

壓 db 值的詳細關係，將在後續的實驗中討論。

3.2.3 PH-1 機構加吸管實驗結果

由 2.4.3 節 PH-1 機構加吸管實驗中，得到以 7MM 長度的吸管黏貼 在 PH-1 機殼左側麥克風收音圓孔上時的麥克風的聲壓-時間準位波形圖 (圖 3.12) 。

由圖中比較喇叭與麥克風收音波形可以發現波形明顯的被放大，所以 由此實驗結果可以再次確認原失敗案例 PH-1 中麥克風被衰減的波形，經 過將麥克風收音防振橡膠墊機構作適度的修改確實可以達到如成功案例

PH-1 Speaker Wave Tube Length 24MM Wave Tube Length 12MM Wave

圖 3.11 PH-1 麥克風包覆泡棉筒長度變化實驗聲壓-時間波形曲線圖

Tube Length 7MM Microphone Test Wave PH-1 Speaker Wave

圖 3.12 PH-1 整機加 7MM 長吸管實驗聲壓-時間波形曲線圖

HF-800 中被放大的麥克風波形，請參考圖 3.1，所以接下來的實驗即針對 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊進行改善，使得 PH-1 的二顆麥克風收音波形 儘量趨近於 HF-800 的二顆麥克風收音波形。

3.3 建立基礎實驗模型加以驗證

本節實驗主要目的在找出麥克風前面收音空間的體積大小與麥克 風收音能量聲壓 db 值之間的詳細關係，並利用實驗來了解實際麥克風收 音防振橡膠墊與麥克風收音能量聲壓 db 值之間的關係，唯有充分了解其 二者之間相對關係及變化，才有可能有效利用麥克風收音防振橡膠墊設計 達到 Forte-media 晶片軟體處理所需聲音波形，並利用相關實驗模型驗證 如何利用改善麥克風收音防振橡膠墊控制所需的麥克風收音波形曲線。

3.3.1 麥克風收音空間體積與收音能量大小實驗結果

本實驗得到吸管長度由 4.5CM 到 0.5CM 每隔 0.5CM 長度改變時的麥 克風聲功率/聲壓-時間準位波形圖(圖 3.13)，例如圖 3.13 中所示為吸管 長度 4.5MM、3MM、0.5MM 時的波形，並由該圖較大解析度波形讀取其相對 應的 db 值，雖然本實驗希望找出聲壓與體積的關係圖，但是在實驗模型 中麥克風與吸管的面積為固定值，所以將關係式簡化為聲壓與長度的變化 關係，並依據所得數據製成聲壓-長度變化關係圖(圖 3.14)，由圖中可看 出麥克風前方收音空間加大會有如共振腔波形放大現象。

3.3.2 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗 1.PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗一結果

麥克風收音防振橡膠墊改善實驗一中，最主要是針對當 PH-1 之收 音防振橡膠墊上方黏貼三條泡棉後的波形改變進行研究，得到二顆麥克風 的聲功率/聲壓-時間準位波形圖(圖 3.15)及頻率響應圖(圖 3.16)，由圖 3.15 中可以發現二顆麥克風收音波形呈現為訊號被放大而導致上下被截

-15

-12

-9

-7.5

-6 -5

-3 -2

-1 -20

-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Length (CM)

Vo lu m e le v el s (d B )

V= (Π*D²) 4 *L

L4.5CM Microphone Wave L3CM Microphone Wave L0.5CM Microphone Wave

圖 3.13 麥克風收音空間與收音能量實驗聲壓-時間波形曲線圖

圖 3.14 麥克風收音能量聲壓與收音空間長度變化關係圖

斷的波形，經與 HF-800 圖 3.2 的參考麥克風波形進行比較發現與 HF-800 的參考麥克風波形類似，所以可以確定本改善方案對於麥克風來說相當於 增加了收音空間的體積，也再次驗證麥克風收音空間體積改變會影響波形 的改變(共振腔現象)。

再來比較圖 3.3 參考麥克風頻率響應波形及圖 3.16 波形可發現皆屬 於均勻分怖之諧波，所以經本實驗模型所得到結果確定可以有效控制參考 麥克風波形（訊號被放大而上下被截斷的 SIN 波）的方法，但要如何使得 PH-1 主要麥克風波形亦能趨近於圖 3.2 中 HF-800 主要麥克風波形則為接 下來的實驗所要達成的重點。

2.PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗二結果

PH-1 Speaker Wave Ref. Microphone Wave Main Microphone Wave

圖 3.15 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗一聲壓-時間波形圖

Ref. Mic. Frequency Main Mic. Frequency

圖 3.16 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗一頻率響應圖

本實驗的目的主要在確認上一小節中麥克風的波形是否為真正 SIN 波，因為由前面討論知道波形越能趨近標準 SIN 波則 Forte-media 晶片處 理效果越好，因在麥克風收音防振橡膠墊改善實驗二所得到的波形為訊號 放大上下被截斷波形，所以本實驗嘗試將訊號音源音量降低，看是否能將 波形縮小到不被截斷，訊號音源改為-8db 的固定純音調(Tone)訊號音源 來進行量測作業，得到二顆麥克風的聲功率/聲壓-時間準位波形圖(圖 3.17)，由圖中可以看出二顆麥克風收音波形確是標準 SIN 波。

3.PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗三結果

由上述相關麥克風收音防振橡膠墊改善實驗結果可知，基本上都是 在控制麥克風收音波形趨近於圖 3.2 中 HF-800 參考麥克風波形，而 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗三，最主要目的是為了使得 PH-1 主要麥 克風波形趨近於圖 3.2 中 HF-800 主要麥克風波形。

本實驗得到加裝標準 6MM 直徑收音防振橡膠方向朝上的主要麥克 風聲壓-時間準位波形圖(圖 3.18)。

PH-1 Speaker Wave Ref. Microphone Wave Main Microphone Wave

圖 3.17 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗二聲壓-時間波形圖

由上圖中可以發現，當使用標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊中間空 間保持緊密測試所得到的主要麥克風波形，雖無明顯訊號放大但確有有失 真現象，波形為 Forte-media 晶片無法處理之複合波形，分析其原因，可 能是因麥克風朝上並直接貼於機殼內壁，而 PH-1 機殼基本斷面外形屬於 平板薄殼型機構，本來就容易導致共振噪音等現象產生，加上標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊肉厚很薄，因此造成主要麥克風收音波形明顯的失 真。

為求能在不改變 PH-1 機殼外形原則下改善主要麥克風收音波形失 真現象，接下來實驗嘗試將朝上的麥克風角度改為垂直 90 度向右，目的 是因麥克風朝右時所接觸的內壁剛性較好，較不會產生共振現象，並分成 麥克風與標準 6MM 直徑收音防振橡膠墊中間預留較大空間及較小空間二 組，得到 2 組不同麥克風收音空間的主要麥克風聲功率/聲壓-時間準位波 形圖(圖 3.19)。

PH-1 Speaker Wave Main Microphone Wave

圖 3.18 主要麥克風朝上防振橡膠墊改善實驗聲壓-時間波形圖

由圖 3.19 中可以發現只要麥克風與收音防振橡膠墊中間預留有較 大空間時，便會造成訊號被放大而上下被截斷的波形出現，當空間越小時 則訊號放大及上下被截斷的情形越不明顯，亦越趨向於正常的 SIN 波波 形，而此種波形正是主要麥克風所必需要的波形，所以經本實驗模型所得 到結果，確定可以有效控制主要麥克風波形。

4.PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗四結果

由上述 2 及 3 小節的實驗結果證明該二組實驗模型確實可以有效控 制二顆麥克風收音必要波形的產生，即原失敗案例 PH-1 二顆麥克風收音 防振橡膠墊經過改善之後可使得收音波形趨近成功案例 HF-800 二顆麥克 風的波形，但是上述二組實驗是分開進行，為確保 PH-1 最後產品的二顆 麥克風收音波形仍能夠同時符合 Forte-media 晶片處理軟體的要求，所以 本實驗 PH-1 麥克風收音防振橡膠墊改善實驗五，最主要的目的即是將上 述的實驗模型進行合併，成為一組實驗模型，也就是要驗證本組模型是真 正能夠發揮回音消除作用的麥克風收音防振橡膠墊設計，實驗得到二顆麥

PH-1 Speaker Wave Larger Space Wave Small Space Wave

圖 3.19 主要麥克風朝右防振橡膠墊改善實驗聲壓-時間波形圖