Цифровой динамик

Цифровые динамики или системы цифровой реконструкции звука ( DSR ) являются формой технологии громкоговорителей . Не путать с современными цифровыми форматами и обработкой, они еще не разработаны как зрелая технология , с ними активно экспериментировали Bell Labs еще в 1920-х годах, но они не были реализованы как коммерческие продукты. [1]

Принцип действия

Самый младший бит управляет крошечным динамиком , независимо от выбранной физической конструкции; значение «1» заставляет этот динамик управляться с полной амплитудой, значение «0» заставляет его быть выключенным. Это обеспечивает высокую эффективность усилителя, который в любой момент времени либо пропускает нулевой ток, либо должен понизить выходное напряжение на ноль вольт, поэтому в идеальном усилителе теоретически не рассеивает мощность в виде тепла в любой момент времени. Следующий младший бит управляет динамиком вдвое большей площади (чаще всего, но не обязательно, кольцом вокруг предыдущего динамика), снова либо на полную амплитуду, либо выключен. Следующий младший бит управляет динамиком вдвое большей площади и так далее.

Возможны и другие подходы. Например, вместо того, чтобы удваивать площадь следующего по значимости сегмента диафрагмы, его можно просто заставить двигаться вдвое дальше. Цифровой принцип работы и сопутствующие преимущества эффективности усилителя останутся.

С появлением преобразователей меньшего размера с использованием производственного процесса, такого как CMOS - MEMS . Более практичным подходом является создание массива динамиков, известного как массив цифровых громкоговорителей (DLA) или массив цифровых преобразователей (DTA). Наименее значимый бит будет представлен одним преобразователем, а сумма будет удваиваться для следующего наименее значимого бита. Массивы динамиков n-бит будут состоять из 2 n -1 преобразователей, а m -ые биты указанных массивов будут содержать 2 m -1 преобразователей. [2] Весь массив в основном функционирует как термометрически кодированный ЦАП , который может декодировать сигнал PCM того же количества бит, что и массив, в звуковую волну. [3] Группировка бит или кодирование ШИМ являются потенциальными способами декодирования 1-битного дельта-сигма-модулированного сигнала, такого как DSD . [4] [5] [6]

Проблемы

Хотя цифровые динамики могут функционировать, в их конструкции есть ряд проблем, которые делают их непригодными для обычного использования в настоящее время.

Размер

Для количества бит, необходимых для высококачественного воспроизведения звука, размер системы становится непрактично большим. Например, для 16-битной системы с той же битовой глубиной, что и у 16-битного стандарта аудио CD , начиная с драйвера 0,5 см 2 для наименее значимого бита, потребуется общая площадь для массива драйверов 32 000 см 2 или более 34 квадратных футов (3,2 м 2 ).

Ультразвуковой выход

Для правильной работы все отдельные элементы диафрагмы должны работать чисто на тактовой частоте. Собственная частотная характеристика различных элементов будет меняться в зависимости от их размера. Это создает ЦАП , в котором различные биты имеют разные характеристики полосы пропускания. Можно ожидать больших кратковременных ошибок.

Поскольку эта система преобразует цифровой сигнал в аналоговый, эффект наложения неизбежен, так что аудиовыход «отражается» с одинаковой амплитудой в частотной области, по другую сторону частоты дискретизации . Одним из решений было бы разогнать элементы преобразования, ввести цифровой фильтр и после них акустический фильтр нижних частот.

Даже с учетом значительно более низкой эффективности динамиков на таких высоких частотах результатом стала генерация неприемлемо высокого уровня ультразвука, сопровождающего желаемый выходной сигнал.

В электронном цифро-аналоговом преобразовании эта проблема решается с помощью фильтров нижних частот для устранения паразитных верхних частот. Поскольку эти частоты устраняются в электрическом сигнале, они не передаются в динамик, и, таким образом, ультразвуковые воздушные волны не генерируются.

Однако электронная фильтрация по своей сути не способна решить эту проблему с цифровым громкоговорителем. Элементы громкоговорителя должны работать ультразвуковым способом, чтобы избежать появления (высоких уровней) слышимых артефактов, а это означает, что ультразвуковые воздушные волны неизбежны. Электроника может фильтровать электрические сигналы, но не может удалить ультразвуковые частоты, которые уже находятся в воздухе.

Эффективность

Хотя эффективность усилителя в этой системе хорошая, динамики с подвижной катушкой работают с относительно низкой эффективностью в области ультразвуковых частот. Таким образом, первоначальная цель метода сводится на нет.

Расходы

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

Улучшения

Существуют способы решения вышеуказанных проблем, но ни один из них не приведет к созданию конкурентоспособной или хотя бы беспроблемной системы.

Размер

Размер системы можно легко сделать практичным, используя менее 16 бит. При размере LSB 0,5 см 2 размеры системы следующие:

  • 8 бит: общая площадь матрицы 128 см2 или 11,3 см × 11,3 см (примерно 4,5 дюйма × 4,5 дюйма)
  • 10 бит: размер матрицы 22,6 см × 22,6 см.

Большее количество битов можно разместить в заданном пространстве, изменяя бросок различных элементов, а также их площадь. Это может достичь величины или большего улучшения площади для заданной глубины бита . Можно разместить 13-битный массив на квадратном футе или 16-битный массив на 4 квадратных футах (0,37 м 2 ).

Ультразвук

Пассивная воздушная диафрагма, установленная поверх массива цифровых драйверов, может действовать как механический фильтр нижних частот. Однако резкое срезание частоты невозможно, поэтому существенные ультразвуки все равно будут присутствовать. Несколько пассивных диафрагм могли бы улучшить это, но никогда не уберут все ультразвуки и только еще больше увеличат и без того высокую стоимость и сложность системы.

Неразрешимые проблемы

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

Эффективность динамиков, работающих на ультразвуковых частотах, низкая, что сводит на нет любой выигрыш в эффективности усилителя.

Практические акустические системы требуют создания довольно высокой громкости при сравнительно небольших корпусах, чего трудно добиться с помощью ультразвуковых динамиков.

Полное устранение ультразвукового излучения нецелесообразно.

Большое количество необходимых элементов динамиков и усилителей значительно снижает надежность системы.

Другие, более современные подходы к повышению эффективности, в частности, усиление класса D , работают намного лучше и требуют гораздо меньших затрат, чем цифровые динамики.

Будущее развитие

Микроэлектромеханические системы

В последние годы проводились исследования по теме построения массивов цифровых громкоговорителей в системах цифровой реконструкции звука с использованием микроэлектромеханических систем (MEMS). [7] [8] Массивы микродинамиков MEMS могут быть изготовлены на чипе с использованием процесса CMOS . Система с одним чипом будет иметь меньше вариаций между каждым субъединицей по сравнению с системой с несколькими чипами. Австралийско-израильская компания Audiopixels недавно продемонстрировала доказательство концепции в чистой комнате компании. Аудио демонстрирует эффективность технологии MEMS после многих лет разработки. [9] [7] Процесс CMOS-MEMS уменьшает размер каждой субъединицы до нескольких сотен мкм в диаметре. [10]

Динамики, продаваемые как цифровые

Современные динамики, продаваемые как «цифровые», всегда являются аналоговыми динамиками, в большинстве случаев приводимыми в действие аналоговым усилителем. Широкое использование термина «цифровой» по отношению к динамикам является маркетинговым ходом, призванным заявить о лучшей совместимости с «цифровым» исходным материалом (например, записями MP3 ) или приписать «более высокую технологию», чем какой-либо другой динамик, и, возможно, более высокую цену. Если надавить, производители могут заявить, что этот термин означает, что продукт «готов» к входу с цифровых плееров; это справедливо по сути для всех акустических систем.

Также есть меньшинство аналоговых динамиков с цифровым усилителем класса D и класса T , хотя они обычно не встречаются в отдельных компьютерных динамиках или домашних стереосистемах. Они распространены в ноутбуках, где их более высокая стоимость оправдана экономией заряда батареи. Динамики в таком оборудовании по-прежнему аналоговые.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Speaker Exchange". 11 апреля 2010 г. Получено 1 мая 2012 г.
  2. ^ Даймонд, Б. М.; Нойманн, Дж. Дж.; Габриэль, К. Дж. (2003). «Цифровая реконструкция звука с использованием массивов микродинамиков КМОП-МЭМС». TRANSDUCERS '03. 12-я Международная конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам. Сборник технических документов (Кат. № 03TH8664) . Том 1. IEEE. С.  238– 241. doi :10.1109/sensor.2003.1215297. ISBN 0-7803-7731-1.
  3. ^ Хоксфорд, Малкольм Джон (01.06.2004). «Умные цифровые массивы громкоговорителей (доступна загрузка PDF)». Журнал Audio Engineering Society . ISSN  1549-4950 . Получено 15.01.2018 .
  4. ^ Татлас, Александр; Мурджопулос, Джон (01.01.2012). "Цифровые массивы громкоговорителей, управляемые 1-битными сигналами (доступна загрузка PDF)". ResearchGate . Получено 15.01.2018 .
  5. ^ Татлас, Н.-А.; Контомихос, Фотиос; Мурджопулос, Джон (01.01.2009). «Проектирование и эксплуатационные характеристики прототипа массива цифровых громкоговорителей сигма-дельта (доступна загрузка PDF)». Журнал Audio Engineering Society . 57 (1): 38– 45. ISSN  1549-4950 . Получено 15.01.2018 .
  6. ^ Контомихос, Фотиос; Мурджопулос, Джон; Татлас, Николас-Александр (2007-05-01). "Альтернативные методы кодирования для цифровых массивов громкоговорителей". AES . Получено 15.01.2018 .
  7. ^ ab Diamond, BM; Neumann, JJ; Gabriel, KJ (2002). "Цифровая реконструкция звука с использованием массивов микродинамиков CMOS-MEMS". Technical Digest. MEMS 2002 IEEE International Conference. Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No.02CH37266) . IEEE. pp.  292– 295. doi :10.1109/memsys.2002.984260. ISBN 0-7803-7185-2.
  8. ^ Аревало, Арпис; Кончоусо, Д.; Кастро, Д.; Джабер, Н.; Юнис, М.И.; Фулдс, И.Г. (2015). «На пути к устройству цифровой реконструкции звука MEMS: характеристика одного пьезоэлектрического привода на основе PZT». 10-я Международная конференция IEEE по нано/микроинженерным и молекулярным системам . IEEE. стр.  290–295 . doi :10.1109/nems.2015.7147429. ISBN 978-1-4673-6695-3.
  9. ^ «Audio Pixels Limited — Audio Pixels Limited».
  10. ^ Класко, Майк (27.08.2015). «Микродинамики MEMS — это действительно цифровые преобразователи». audioXpress . Получено 11.01.2018 .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Цифровой_динамик&oldid=1247378983"