Цифровой динамик - Digital speaker

Цифровые колонки или система цифровой реконструкции звука (DSR) являются формой громкоговоритель технологии. Не путать с современными цифровыми форматами и обработкой, они еще не разработаны как зрелая технология, после обширных экспериментов Bell Labs еще в 20-е годы прошлого века, но не реализовывались как коммерческие продукты.[1]

Принцип действия

В младший бит водит крошечный оратор драйвер любой выбранной физической конструкции; значение «1» заставляет этот драйвер работать на полную амплитуду, значение «0» вызывает его выключение. Это обеспечивает высокий КПД усилителя, который в любой момент либо пропускает нулевой ток, либо требуется понизить выходное напряжение на ноль вольт, поэтому в теоретическом идеальном усилителе мощность в любое время не рассеивается в виде тепла. Следующий младший бит приводит в движение динамик с удвоенной площадью (чаще всего, но не обязательно, кольцо вокруг предыдущего динамика), снова либо на полную амплитуду, либо в выключенное состояние. Следующий младший бит управляет динамиком, площадь которого вдвое больше, и так далее.

Возможны другие подходы. Например, вместо того, чтобы удвоить площадь следующего по значимости сегмента диафрагмы, им можно было бы просто управлять так, чтобы он прошел вдвое больше. Цифровой принцип работы и сопутствующий выигрыш в эффективности усилителя сохранятся.

С появлением преобразователя меньшего размера с использованием таких производственных процессов, как CMOS -МЭМС. Более практичный подход - создать массив динамиков, известный как массив цифровых громкоговорителей (DLA) или массив цифровых преобразователей (DTA). Наименее значащий бит будет представлен одним преобразователем, а для следующего наименее значащего бита количество удвоится. N-битные массивы динамиков будут состоять из 2п-1 преобразователи, а мth биты указанных массивов будут содержать 2м-1 преобразователи.[2] Весь массив в основном функционирует как ЦАП с термометром который может расшифровать PCM сигнал того же количества бит, что и массив, в звуковую волну.[3] Группировка битов или ШИМ кодирование - это потенциальные способы декодирования 1-битных дельта-сигма модулированный сигнал, такой как DSD.[4][5][6]

Проблемы

Хотя цифровые колонки могут функционировать, с этой конструкцией связаны различные проблемы, которые делают ее непрактичной для любого обычного использования в настоящее время.

Размер

Для количества битов, необходимых для высококачественного воспроизведения звука, размер системы становится непрактично большим. Например, для 16-битной системы с той же битовой глубиной, что и у 16-битной аудио компакт-диск По стандарту, начиная с драйвера 0,5 см² для младшего разряда, потребуется общая площадь для массива драйверов 32 000 см² или более 34 квадратных футов (3,2 м²).

Ультразвуковой выход

Для правильной работы все отдельные элементы диафрагмы должны четко работать на тактовой частоте. Собственная частотная характеристика различных элементов зависит от их размера. Это создает ЦАП где разные биты имеют разные характеристики полосы пропускания. Можно ожидать крупных краткосрочных ошибок.

Поскольку эта система преобразует цифровой сигнал в аналоговый, эффект сглаживание неизбежно, так что выходной аудиосигнал "отражается" с одинаковой амплитудой в частотной области с другой стороны частота дискретизации. Одним из решений было бы разогнать элементы преобразования, ввести цифровой фильтр и следовать за ними с помощью акустического фильтра нижних частот.

Даже с учетом значительно более низкого эффективность динамиков на таких высоких частотах, в результате был получен недопустимо высокий уровень ультразвук сопровождая желаемый результат.

В электронном цифровой в аналоговый преобразование, это решается с помощью фильтры нижних частот для устранения паразитных верхних частот. Поскольку эти частоты устраняются в электрическом сигнале, они не передаются в динамик, и поэтому ультразвуковые волны не генерируются.

Однако электронная фильтрация по своей сути не может решить эту проблему с цифровым громкоговорителем. Элементы динамика должны работать в ультразвуковом режиме, чтобы избежать появления (высоких уровней) слышимых артефактов, а это означает, что ультразвуковые радиоволны неизбежны. Электроника может фильтровать электрические сигналы, но не может удалять ультразвуковые частоты, уже присутствующие в воздухе.

Эффективность

Хотя эффективность усилителя в этой системе хорошая, динамики с подвижной катушкой работают с относительно низким КПД в области ультразвуковых частот. Таким образом, первоначальная цель метода терпит поражение.

Расходы

Большое количество динамиков в массиве и такое же большое количество каналов усилителя для их управления делают систему дорогой.

Улучшения

Есть способы решить вышеупомянутые проблемы, но ни один из них не ведет к созданию конкурентоспособной или даже свободной от проблем системы.

Размер

Размер системы можно легко сделать практичным, используя менее 16 бит. Размеры системы с LSB 0,5 см² составляют:

  • 8 бит: общая площадь массива 128 см² или 11,3 x 11,3 см (прибл. 4,5 x 4,5 дюйма)
  • 10 бит: размер массива 22,6 x 22,6 см.

В данном пространстве можно разместить большее количество битов, варьируя выброс различных элементов, а также их площадь. Это может привести к значительному или большему улучшению площади для данного битовая глубина. Можно разместить 13-битный массив в квадратном футе или 16-битный массив в 4 квадратных фута (0,37 м2).

Ультразвук

Пассивная диафрагма с воздушной связью, установленная на массиве цифровых драйверов, может действовать как механический фильтр нижних частот. Однако резкое срезание частоты невозможно, поэтому значительный ультразвук все равно будет присутствовать. Использование нескольких пассивных диафрагм могло бы улучшить это, но никогда не удалило бы весь ультразвук, а только увеличило бы и без того высокую стоимость и сложность системы.

Трудноразрешимые проблемы

Сложность и, следовательно, стоимость высоки по сравнению со стандартными динамиками с подвижной катушкой.

Эффективность громкоговорителей, работающих на ультразвуковых частотах, низкая, что сводит на нет любое повышение эффективности усилителя.

Практические громкоговорители требуют производства довольно больших объемов из довольно небольших корпусов, что трудно достичь с помощью ультразвуковых динамиков.

Полное удаление ультразвукового излучения нецелесообразно.

Большое количество необходимых элементов динамика и усилителя значительно снижает надежность системы

Другие, более современные подходы к высокой эффективности, в частности класс D усилители, работают намного лучше и по гораздо более низкой цене, чем цифровые колонки.

Дальнейшее развитие

Микроэлектромеханические системы

В последние годы были проведены исследования на тему построения цифровых массивов громкоговорителей в системе цифровой реконструкции звука с использованием Микроэлектромеханические системы (МЭМС).[7][8] Массивы МЭМС-микродинамиков могут быть изготовлены на кристалле с использованием CMOS процесс. Система с одной микросхемой будет иметь меньше различий между каждым субблоком по сравнению с системой с несколькими микросхемами.[7] Процесс CMOS-MEMS уменьшает размер каждой субъединицы до нескольких сотен мкм в диаметре.[9]

Колонки продаются как цифровые

Современные динамики, которые продаются как «цифровые», всегда являются аналоговыми динамиками, в большинстве случаев приводимыми в действие аналоговым усилителем. Широко распространенное использование термина «цифровой» в отношении ораторов - это маркетинговый ход, призванный заявить о большей совместимости с «цифровыми» исходными материалами (например, MP3 записи), или вменяют «более высокие технологии», чем у некоторых других ораторов, и, возможно, более высокую цену. При нажатии производители могут заявить, что этот термин означает, что продукт «готов» к вводу с цифровых плееров; это верно практически для всех акустических систем.

Есть также меньшинство Класс D и Класс Т аналоговые громкоговорители, управляемые цифровым усилителем, хотя их обычно не найти в отдельных компьютерных громкоговорителях или домашних стереосистемах. Они распространены в ноутбуках, где их более высокая стоимость оправдана экономией энергии аккумулятора. Динамики в такой аппаратуре по-прежнему аналоговые.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Обмен спикерами». Получено 1 мая 2012.
  2. ^ Diamond, B.M .; Neumann, J.J .; Габриэль, К.Дж. Цифровая реконструкция звука с использованием массивов CMOS-MEMS микродинамиков. IEEE. Дои:10.1109 / сенсор.2003.1215297. ISBN  0-7803-7731-1.
  3. ^ Хоксфорд, Малкольм Джон (2004-06-01). «Интеллектуальные цифровые массивы громкоговорителей (доступна загрузка PDF-файла)». Журнал Общества звукорежиссеров. ISSN  1549-4950. Получено 2018-01-15.
  4. ^ Татлас, Александр; Мурхопулос, Джон (01.01.2012). «Цифровые массивы громкоговорителей, управляемые 1-битными сигналами (доступна для скачивания PDF-версия)». ResearchGate. Получено 2018-01-15.
  5. ^ Татлас, Н.-А .; Контомичос, Фотиос; Мурхопулос, Джон (01.01.2009). «Проектирование и характеристики прототипа массива цифровых громкоговорителей сигма-дельта (доступна для скачивания PDF)». Журнал Общества звукорежиссеров. 57 (1): 38–45. ISSN  1549-4950. Получено 2018-01-15.
  6. ^ Контомичос, Фотиос; Мурхопулос, Джон; Татлас, Николай-Александр (01.05.2007). «Альтернативные методы кодирования для массивов цифровых громкоговорителей». AES. Получено 2018-01-15.
  7. ^ а б Diamond, B.M .; Neumann, J.J .; Габриэль, К.Дж. Цифровая реконструкция звука с использованием массивов CMOS-MEMS микродинамиков. IEEE. Дои:10.1109 / memsys.2002.984260. ISBN  0-7803-7185-2.
  8. ^ Аревало, Арпис; Conchouso, D .; Castro, D .; Jaber, N .; Юнис, M. I .; Фулдс, И. Г. (2015). На пути к МЭМС-устройству цифровой реконструкции звука: характеристика одиночного пьезоэлектрического привода на основе PZT. IEEE. Дои:10.1109 / nems.2015.7147429. ISBN  978-1-4673-6695-3.
  9. ^ Класко, Майк (27.08.2015). "Микро-динамики MEMS - действительно цифровые преобразователи". audioXpress. Получено 2018-01-11.