Цифровой динамик

Цифровые динамики или системы цифровой реконструкции звука ( DSR ) представляют собой разновидность технологии громкоговорителей . Не следует путать их с современными цифровыми форматами и обработкой: их еще предстоит разработать как зрелую технологию активно экспериментировала , с которой Bell Labs еще в 1920-х годах, но не реализовали как коммерческие продукты. ^[1]

Принцип работы

Младший бит управляет крошечным динамиком независимо от выбранной физической конструкции; значение «1» приводит к тому, что этот драйвер работает на полную амплитуду, значение «0» приводит к его отключению. Это обеспечивает высокую эффективность усилителя, который в любой момент либо пропускает нулевой ток, либо требует понижения выходного напряжения на ноль вольт, поэтому в теоретическом идеальном усилителе никогда не рассеивается мощность в виде тепла. Следующий наименее значимый бит переключает динамик двойной площади (чаще всего, но не обязательно, кольцо вокруг предыдущего динамика) снова либо на полную амплитуду, либо выключает. Следующий наименее значимый 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 так, чтобы он перемещался вдвое дальше. Цифровой принцип работы и сопутствующие преимущества по эффективности усилителя останутся.

С появлением преобразователей меньшего размера с использованием производственного процесса, такого как CMOS - MEMS . Более практичный подход — создать массив динамиков, известный как массив цифровых громкоговорителей (DLA) или массив цифровых преобразователей (DTA). Младший бит будет представлен одним преобразователем, а количество следующего наименее значимого бита увеличится вдвое. n-битные массивы динамиков будут состоять из 2 ^н-1 преобразователи, а m ^й биты указанных массивов будут содержать 2 ^м-1 преобразователи. ^[2] Весь массив в основном функционирует как ЦАП с термометрическим кодированием , который может декодировать сигнал PCM с тем же количеством бит, что и массив, в звуковую волну. ^[3] Группировка битов или кодирование ШИМ являются потенциальными способами декодирования 1-битного дельта-сигма-модулированного сигнала, такого как DSD . ^[4]^[5]^[6]

Проблемы

Хотя цифровые динамики могут работать, в этой конструкции существуют различные проблемы, которые в настоящее время делают ее непрактичной для обычного использования.

Размер

Для количества бит, необходимых для качественного воспроизведения звука, размер системы становится непрактично большим. Например, для 16-битной системы с той же разрядностью, что и стандарт 16-битного аудио компакт-диска , начиная с 0,5 см. ² драйвер для младшего бита потребует общей площади для массива драйверов 32 000 см². ²или 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 разные биты имеют разные характеристики полосы пропускания. Можно ожидать больших краткосрочных ошибок.

Поскольку эта система преобразует цифровой сигнал в аналоговый, эффект наложения спектров неизбежен, поэтому выходной аудиосигнал «отражается» с равной амплитудой в частотной области, по другую сторону частоты дискретизации . Одним из решений было бы разогнать преобразовательные элементы, ввести цифровой фильтр и добавить к ним акустический фильтр нижних частот.

Даже принимая во внимание значительно более низкую эффективность динамиков на таких высоких частотах, результатом было создание неприемлемо высокого уровня ультразвука, сопровождающего желаемый выходной сигнал.

При электронном цифро-аналоговом преобразовании эта проблема решается путем использования фильтров нижних частот для устранения паразитных верхних частот. Поскольку эти частоты исключаются из электрического сигнала, они не передаются в динамик и, следовательно, ультразвуковые волны не генерируются.

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

Эффективность

Хотя эффективность усилителя в этой системе хорошая, динамики с подвижной катушкой работают с относительно низкой эффективностью в ультразвуковой области 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

Существуют способы решения вышеперечисленных проблем, но ни один из них не ведет к созданию конкурентоспособной или даже беспроблемной системы.

Размер

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

8 бит: 128 см ² общая площадь массива или 11,3 × 11,3 см (около 4,5 × 4,5 дюйма)
10 бит: размер массива 22,6 см × 22,6 см.

В данном пространстве можно разместить большее количество битов, варьируя бросок различных элементов, а также их площадь. Это может обеспечить улучшение площади на величину или даже больше для заданной разрядности . Можно поместить 13-битный массив на квадратный фут или 16-битный массив на 4 квадратных фута (0,37 м2). ²).

Ультразвук

Пассивная диафрагма с воздушной связью, установленная на массиве цифровых драйверов, может действовать как механический фильтр нижних частот. Однако резкий срез частоты невозможен, поэтому значительный ультразвук все равно будет присутствовать. Несколько пассивных диафрагм могли бы улучшить эту ситуацию, но никогда не устранят весь ультразвук, а только увеличат и без того высокую стоимость и сложность системы.

Трудноразрешимые проблемы

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

Эффективность динамиков, работающих на ультразвуковых частотах, низка, что сводит на нет любой прирост эффективности усилителя.

Практичные громкоговорители требуют производства довольно больших объемов звука в довольно небольших корпусах, а такую комбинацию трудно достичь с помощью ультразвуковых динамиков.

Полное удаление ультразвукового выхода нецелесообразно.

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

Другие, более современные подходы к повышению эффективности, особенно усиление класса D , работают намного лучше и стоят гораздо дешевле, чем цифровые динамики.

Будущее развитие

Микроэлектромеханические системы

В последние годы проводятся исследования по теме построения цифровых массивов громкоговорителей в системах цифровой реконструкции звука с использованием микроэлектромеханических систем (МЭМС). ^[7]^[8] Массивы микродинамиков MEMS могут быть изготовлены на чипе с использованием процесса CMOS . В одночиповой системе будет меньше различий между каждым субблоком по сравнению с многочиповой системой. Австралийско-израильская компания Audiopixels недавно продемонстрировала подтверждение своей 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 продаются как цифровые

Современные динамики, продаваемые как «цифровые», всегда являются аналоговыми динамиками, в большинстве случаев управляемыми аналоговым усилителем. Широкое использование термина «цифровой» в отношении динамиков является маркетинговым ходом, призванным заявить о большей совместимости с «цифровым» исходным материалом (например, записями в формате MP3 ) или приписать «более высокие технологии», чем у некоторых других динамиков, и, возможно, более высокую цену. Если надавить, производители могут заявить, что этот термин означает, что продукт «готов» к вводу данных с цифровых плееров; это справедливо практически для всех акустических систем.

Существует также небольшое количество 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 такой технике по-прежнему аналоговые.

См. также

Ссылки

^ «Обмен спикерами» . 11 апреля 2010 года . Проверено 1 мая 2012 г.
^ Даймонд, БМ; Нойманн, Дж. Дж.; Габриэль, К.Дж. (2003). «Цифровая реконструкция звука с использованием массивов микродинамиков CMOS-MEMS». ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ '03. 12-я Международная конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам. Сборник технических документов (Кат. № 03TH8664) . Том. 1. ИИЭР. стр. 238–241. дои : 10.1109/sensor.2003.1215297 . ISBN 0-7803-7731-1 .
^ Хоксфорд, Малкольм Джон (1 июня 2004 г.). «Интеллектуальные цифровые массивы громкоговорителей (доступна загрузка в формате PDF)» . Журнал Общества аудиоинженеров . ISSN 1549-4950 . Проверено 15 января 2018 г.
^ Татлас, Александр; Мурхопулос, Джон (1 января 2012 г.). «Цифровые громкоговорители, управляемые 1-битными сигналами (доступна загрузка в формате PDF)» . Исследовательские ворота . Проверено 15 января 2018 г.
^ Татлас, Н.-А.; Контомихос, Фотий; Мурхопулос, Джон (1 января 2009 г.). «Проектирование и характеристики прототипа цифровой матрицы громкоговорителей Sigma-Delta (доступна загрузка в формате PDF)» . Журнал Общества аудиоинженеров . 57 (1): 38–45. ISSN 1549-4950 . Проверено 15 января 2018 г.
^ Контомихос, Фотий; Мурхопулос, Джон; Татлас, Николя-Александр (1 мая 2007 г.). «Альтернативные методы кодирования для цифровых массивов громкоговорителей» . АЕС . Проверено 15 января 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Даймонд, БМ; Нойманн, Дж. Дж.; Габриэль, К.Дж. (2002). «Цифровая реконструкция звука с использованием массивов микродинамиков CMOS-MEMS». Технический дайджест. Международная конференция MEMS 2002 IEEE. Пятнадцатая международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам (кат. № 02CH37266) . IEEE. стр. 292–295. дои : 10.1109/memsys.2002.984260 . ISBN 0-7803-7185-2 .
^ Аревало, Арпис; Кончузо, Д.; Кастро, Д.; Джабер, Н.; Юнис, Мичиган; Фулдс, ИГ (2015). «На пути к МЭМС-устройству цифровой реконструкции звука: характеристика одного пьезоэлектрического актуатора на основе ЦТС». 10-я Международная конференция IEEE по нано/микроинженерным и молекулярным системам . IEEE. стр. 290–295. дои : 10.1109/nems.2015.7147429 . ISBN 978-1-4673-6695-3 .
^ «Аудио Пикселс Лимитед — Аудио Пикселс Лимитед» .
^ Класко, Майк (27 августа 2015 г.). «Микродинамики MEMS — это действительно цифровые преобразователи» . аудиоXpress . Проверено 11 января 2018 г.

[1] «Обмен спикерами» . 11 апреля 2010 года . Проверено 1 мая 2012 г.

[Diamond_Neumann_Gabriel_p.2003-2] Даймонд, БМ; Нойманн, Дж. Дж.; Габриэль, К.Дж. (2003). «Цифровая реконструкция звука с использованием массивов микродинамиков CMOS-MEMS». ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ '03. 12-я Международная конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам. Сборник технических документов (Кат. № 03TH8664) . Том. 1. ИИЭР. стр. 238–241. дои : 10.1109/sensor.2003.1215297 . ISBN 0-7803-7731-1 .

[Hawksford_2004_p.-3] Хоксфорд, Малкольм Джон (1 июня 2004 г.). «Интеллектуальные цифровые массивы громкоговорителей (доступна загрузка в формате PDF)» . Журнал Общества аудиоинженеров . ISSN 1549-4950 . Проверено 15 января 2018 г.

[Tatlas_Mourjopoulos_2012-4] Татлас, Александр; Мурхопулос, Джон (1 января 2012 г.). «Цифровые громкоговорители, управляемые 1-битными сигналами (доступна загрузка в формате PDF)» . Исследовательские ворота . Проверено 15 января 2018 г.

[Tatlas_Kontomichos_Mourjopoulos_2009_pp._38–45-5] Татлас, Н.-А.; Контомихос, Фотий; Мурхопулос, Джон (1 января 2009 г.). «Проектирование и характеристики прототипа цифровой матрицы громкоговорителей Sigma-Delta (доступна загрузка в формате PDF)» . Журнал Общества аудиоинженеров . 57 (1): 38–45. ISSN 1549-4950 . Проверено 15 января 2018 г.

[Kontomichos_Mourjopoulos_Tatlas_2007-6] Контомихос, Фотий; Мурхопулос, Джон; Татлас, Николя-Александр (1 мая 2007 г.). «Альтернативные методы кодирования для цифровых массивов громкоговорителей» . АЕС . Проверено 15 января 2018 г.

[Diamond_Neumann_Gabriel_p.2002-7] Jump up to: ^а ^б Даймонд, БМ; Нойманн, Дж. Дж.; Габриэль, К.Дж. (2002). «Цифровая реконструкция звука с использованием массивов микродинамиков CMOS-MEMS». Технический дайджест. Международная конференция MEMS 2002 IEEE. Пятнадцатая международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам (кат. № 02CH37266) . IEEE. стр. 292–295. дои : 10.1109/memsys.2002.984260 . ISBN 0-7803-7185-2 .

[Arevalo_Conchouso_Castro_Jaber_2015_p.-8] Аревало, Арпис; Кончузо, Д.; Кастро, Д.; Джабер, Н.; Юнис, Мичиган; Фулдс, ИГ (2015). «На пути к МЭМС-устройству цифровой реконструкции звука: характеристика одного пьезоэлектрического актуатора на основе ЦТС». 10-я Международная конференция IEEE по нано/микроинженерным и молекулярным системам . IEEE. стр. 290–295. дои : 10.1109/nems.2015.7147429 . ISBN 978-1-4673-6695-3 .

[Audiopixels-9] «Аудио Пикселс Лимитед — Аудио Пикселс Лимитед» .

[Klasco_2015-10] Класко, Майк (27 августа 2015 г.). «Микродинамики MEMS — это действительно цифровые преобразователи» . аудиоXpress . Проверено 11 января 2018 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]