数字声音发射器的简要历史或为什么我们仍然使用模拟扬声器

一个多世纪以来,最流行的声音换能器类型是动态扬声器。传统的模拟扬声器随处可见。它们仍然是现代人熟悉的声音再现路径中的最后一个模拟设备。但是,如果在不久的将来,某个文明的考古学家发现了模拟动态扬声器,他们可能会对自己的祖先为什么需要这种不合逻辑的加热设备感到困惑。扬声器将大部分能量转化为热量,这不是唯一的问题。







同时,很长时间以来已经大量生产了各种类型的数字发射器。后者对于广泛的消费者来说鲜为人知,价格昂贵并且相对很少使用。此外,简要介绍了数字声音发射器的历史,使用和应用它们的设备以及有关其前景的注意事项。



外观的前提条件



自1920年代中期以来,电动扬声器一直保持着在电声领域不可分割的主导地位,并且变化多样。最初都燃烧得很厉害,破坏了30年代的第一部有声电影的播放器,然后变得简直太贵了的两种静电调节器都无法取代它。没有没有足够的低音再现能力的离子电话。两种压电发射器都无法承受竞争,因为它们的频率范围很小。





烧坏的低音炮扬声器线圈



在这种情况下,很难将扬声器称为技术上完美的解决方案。因此,对于高音扬声器而言,100摄氏度的线圈温度不是极限,因此效率很少超过1%,并且在额定功率下运行时,动态驱动器的低音线圈的温度很容易超过150甚至200度。频率和非线性失真都需要进行校正或采用能够显着降低失真的技术。发生具有过渡特征的类似故事,这在昂贵的解决方案中使我们不断追赶较大的频率范围,理想情况下,该范围应比人耳听到的频谱远得多。



但是,尽管演讲者有很多缺点,但就优势的结合而言,正是他成为了最需要的人。同时,孜孜不倦的研究人员并没有停止寻找更具生产力,更节能和更易管理的产品。工程师开始寻找一种无需使用DAC就可以将数字信号直接转换为声音的方法。





贝尔实验室在1920年代进行的声学实验



理论上,贝尔实验室在1920年代描述了数字扬声器。他们的原理很简单。最低有效位控制扬声器,其中值“ 1”以最大幅度驱动扬声器,值“ 0”完全停止信号。此外,根据位数,最低有效位使初始辐射面积增加了一倍,下一个有效位使辐射面积增加了一倍,依此类推。在1920年代,迫切需要将数字信号转换为声音,从理论上讲,这项工作已经进行了很多年。



贝尔实验室电话扬声器



在较早的版本中,下一位的辐射区域同心地位于前一位的段周围,但此规则不是强制性的。该理论于1980年首次投入实践。贝尔实验室也成为开发人员。它是固定有薄膜膜的盘状电极。按照放电面积4.3、2.1.0,将电极按上述面积比分为隔离段。根据其值,用数字矩形信号激励这些段。



对于电话通信,复制的保真度已足够,但是此辐射器不适合复制音乐。事实是,为了获得足够的响度,扬声器系统形状因数中相应散热器的面积过大。转换失真也是一个问题,在传统DAC中,可以使用滤波器消除这种失真。但是在数字发射器中,它们的使用是不可能的,因为转换直接发生,并且它们是复制的最终环节。



日本实验



开发数字声音发射器的下一步是SONY创建驻极体和压电数字扬声器。操作原理与贝尔实验室所用的原理没有很大不同,但是设计有所不同。这种发射器的电极是具有相等面积的同心部分。这些部分成组连接,组的数量取决于发射器的容量。



松下电器公司(现为松下公司)的工程师提出了一种根本上不同的数字扬声器分段方法。在该专利中,并由该公司如今拥有,提出了根据放电的重量系数来组合发出声音的片段的组。



由于生产成本,高变形,低可制造性以及新生儿技术的其他特定问题,本节中没有描述任何开发。



数码音箱



在这种类型的压电和驻极体扬声器出现之后,几乎立即开始尝试创建电动数字发射器。后者的问题在于狭窄的频率范围和一种频率响应,这使得它们不能有效地用于任何地方,除了扬声器的语音和高频部分的通信设备。





飞利浦



飞利浦的专利从飞利浦和索尼的图纸开始于1982年进行试验。原理是发射器中的线圈数增加,而分段数则对应于容量。结果是飞利浦(Philips)的4612420号专利,在此之前不久,第58-31699号在日本注册,显示了数字扬声器的类似设计。

多线圈数字扬声器可以被认为是数字驱动器寿命最长的变体之一。关于类似开发的最后一次提及可以追溯到2000年,当时发烧友开发的旗舰公司B&W应用了类似原理。



大学压电发射器



除电子公司外,大学还积极开发了数字发射器主题。长野县新津大学的一组科学家在1990年代将工作重点放在了压电数字扬声器上。他们在1993年获得了第一个结果,到1999年,他们展示了为16位信号设计的发射器,其采样率为48 kHz。

可以说,这种发展是第一个数字发射器,其特性足以限制多媒体的使用。该设备的特征如下:

  • 频率范围:40-10000 Hz;
  • 4 dB之内的频率响应不均匀。
  • 总谐波失真(THD)在50 Hz时为3.5%,在10000 Hz时为0.1%
  • 灵敏度84 dB


与此类发射器中的低位深度相关联的这种类型的数模转换的量化噪声和其他伪像足够强大,足以说明任何高保真度。显然,这种扬声器只能在有限的范围内用于多媒体设备,主要用于通信和声音警报,而不能用于高质量的音乐播放。



布赖顿格子或赫尔辛基算法



臭名昭著的英国科学家采用了根本上新的原则。布莱顿大学的一组研究人员在B&W的财政支持下开发了一款扬声器,他们没有试图将数字发射器塞入一个外壳中,而是以许多单独的动态发射器的分布式阵列的形式来展示它,这些动态发射器根据信号放电被分组。因此,为数字扬声器的开发打开了两个方向。第一个是量化比特深度的增加,这使得减少噪声成为可能,第二个是信号校正以补偿动态(或其他)发射器的失真。



新型数字发射器的创建引起了学术界的浓厚兴趣。结果,芬兰的Audio Signal Processing Espoo公司和赫尔辛基大学创建了一种算法,可以优化Brighton分段烤架的运行。该算法使在可复制频率的整个频谱中对齐相位和幅度成为可能。该算法也出现在2000年。



数字声音投影仪



1..limited使用以上开发成果创建了数字声音投影仪,该设备于2002年推出。可以说,这是电声史上第一款成熟的产品,它使用数字发射器来播放高保真音乐。







微处理器制造商ARM Ltd,跨学科的科学公司Cambridge Display Technology和芯片制造商Analog Devices参与了The Digital Sound Projector的创建。后来,先锋继续小批量生产该产品。



该设备使用了256个小发射器,每个发射器都产生一个脉冲。像监视器上的像素一样,该系统将许多信号汇总在一起。处理器根据芬兰算法控制播放参数,并执行噪声消除和失真补偿。补偿过程考虑了解码伪像和来自各种发射器的波的干扰。







效率方面的重大成就之一就是达到了10%,大大超过了传统模拟扬声器的价值。分布式受控数字辐射原理还大大降低了谐波和互调失真。该系统最明显的缺点可能是它的复杂性,低可制造性以及相应的高成本。在2000年代初,世界还没有准备好接受如此复杂的事物,显然,到目前为止,还没有准备好接受。复杂性和成本形式的可察觉的问题并未使光栅技术大量生产并将其埋在失败的想法的坟墓中。



发展的现代阶段



尽管存在明显的困难,但数字辐射技术却取得了出人意料的发展。因此,在2015年,宣布了基于互补金属氧化物半导体(CMOS)结构的MEMS发射器的创建。我们已经习惯了MEMS麦克风和MEMS加速度计,现在轮到扬声器了。





MEMS发射器是由Audio Pixels宣布的,该公司表示他们已经接近创建可以胜过模拟扬声器的数字发射器。限制器是小幅度,以及低频范围的限制,这是声音换能器领域中大多数创新者所面临的问题。







使用数字发射器的另一个示例是Audio-Technica ATH-DSR9BT耳机,它没有通常的DAC,而是配备了Pure Digital Drive数字扬声器。制造商并未详细披露该技术的实质,但是,根据现有信息判断,这是带有多个线圈的数字扬声器的转世,但是与80年代中期的飞利浦发射器不同,Pure Digital Drive采用多位信号进行操作。







我不知道如何解决超声波辐射,量化噪声以及设备机械部件引入的畸变校正问题。但是从该设备被定位为公司的旗舰无线产品的事实来看,该解决方案很有可能有效。还众所周知,该扬声器是与Trigence Semiconductor合作创建的。







不久的将来会有温暖的模拟



我将扮演外婆的王,并总结以上所有内容。MEMS是数字辐射的希望,但它具有巨大的物理局限性,这意味着它将限制它们的使用为主要可穿戴的外形尺寸。另一个问题是MEMS技术的发展速度,这在“狗年”即开发者中开玩笑地制定计划。如果其他行业有条件地需要一年,则MEMS将花费7年。



另一个问题是成本。并且在可制造性提高之前,成本不会降低,并且由于已经提到的MEMS开发速度,它也不会迅速增长。制造商非常喜欢扬声器的简单性和回滚性,因此,为了将其更改为某种用途,需要非常繁琐的论据,而提高效率显然不是其中之一。因此,技术仿古和其他模拟发烧友“ steampunk”的支持者不必担心。当然,电子管放大器在乙烯基复活后不会恢复,但是温暖甚至热(按字面意义)的真实模拟扬声器将再使用十年或两年。不幸的是,当今数字扬声器的命运仍然是相对昂贵的稀有实验产品和科学研究。



使用的照片:
www.bluesmobil.ru/topic/15989-peremotka-katushki-nch-dina

www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?01/15/67

www.ixbt.com/ds/audio-technica-dsr9bt-review.html

patents.justia.com/patent/4612420

audioxpress.com/article/MEMS-Microspeakers-Are-Truly-Digital-Transducers




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