Gleichzeitig werden seit langem digitale Emitter verschiedener Typen in begrenzten Mengen hergestellt. Letztere sind einer Vielzahl von Verbrauchern wenig bekannt, teuer und werden relativ selten eingesetzt. Darüber hinaus eine kurze Geschichte der digitalen Tonsender, der Geräte, in denen sie verwendet und angewendet wurden, sowie Überlegungen zu ihren Aussichten.
Voraussetzungen für die Entstehung
Seit Mitte der 1920er Jahre ist die ungeteilte Dominanz in der Elektroakustik beim elektrodynamischen Lautsprecher in seinen verschiedenen Variationen erhalten geblieben. Keiner der Elektrostaten, die zunächst stark brannten, die Sessions der ersten Tonfilme in den 30er Jahren störten und dann einfach fabelhaft teuer wurden, konnte sie nicht herausdrücken. Weder Ionophone, die nicht in der Lage sind, niedrige Frequenzen angemessen wiederzugeben. Weder piezoelektrische Emitter, die aufgrund des kleinen Frequenzbereichs der Konkurrenz nicht standhalten konnten.
Ausgebrannte Subwoofer-Lautsprecherspule
In diesem Fall können die Lautsprecher kaum als technisch perfekte Lösung bezeichnet werden. Für Hochtöner ist die Spulentemperatur von 100 Grad Celsius keine Grenze, der Wirkungsgrad überschreitet aus diesem Grund selten 1%, und die Spulentemperatur der Bass-Treiber dynamischer Treiber kann bei Nennleistung leicht 150 und sogar 200 Grad überschreiten. Frequenz- und nichtlineare Verzerrungen erfordern Korrekturen oder Technologien, die sie erheblich reduzieren. Ähnliches gilt für das Einschwingverhalten, bei dem Sie bei teuren Lösungen ständig einen großen Frequenzbereich verfolgen, der im Idealfall weit über das für das menschliche Ohr hörbare Spektrum hinausgehen sollte.
Trotz aller Mängel des Redners wurde er in Bezug auf die Kombination der Vorteile am gefragtesten. Gleichzeitig haben unermüdliche Forscher nicht aufgehört, nach etwas Produktiverem, Energieeffizienterem und auch überschaubarerem zu suchen. Die Ingenieure suchten nach einer Möglichkeit, digitale Signale ohne Verwendung eines DAC direkt in Ton umzuwandeln.
akustische Experimente von Bell Labs in den 1920er Jahren
Theoretisch wurden digitale Lautsprecher in den 1920er Jahren von Bell Labs beschrieben. Ihr Prinzip war einfach genug. Das niedrigstwertige Bit steuert den Lautsprecher, bei dem der Wert „1“ ihn mit der maximalen Amplitude ansteuert, der Wert „0“ stoppt das Signal vollständig. Ferner verdoppelte das niedrigstwertige Bit die anfängliche Strahlungsfläche, das nächste Bit verdoppelte seine Fläche usw. entsprechend der Anzahl der Bits. In den 20er Jahren bestand keine dringende Notwendigkeit für diese Art der Umwandlung digitaler Signale in Ton, und theoretisch deckten die Arbeiten viele Jahre lang den Tisch.
Bell Lab Telefonlautsprecher
In früheren Versionen war der Emissionsbereich des nächsten Bits konzentrisch um das Segment des vorherigen Bits, aber diese Regel ist nicht erforderlich. Die Theorie wurde erstmals 1980 in die Praxis umgesetzt. Bell Lab wurde auch der Entwickler. Es war eine scheibenförmige Elektrode, auf der eine Dünnfilmmembran befestigt war. Die Elektrode wurde in isolierte Segmente mit dem oben beschriebenen Flächenverhältnis für die Anzahl der Entladungen von 4,3, 2,1, 0 unterteilt. Die Segmente wurden entsprechend ihrem Wert mit einem digitalen Rechtecksignal angeregt.
Für die Telefonkommunikation war die Wiedergabetreue ausreichend, aber dieser Sender war für die Wiedergabe von Musik ungeeignet. Tatsache ist, dass zur Erzielung eines ausreichenden Volumens die Fläche des entsprechenden Emitters im Formfaktor des Lautsprechersystems unannehmbar groß war. Ein Problem war auch die Konvertierungsverzerrung, die in klassischen DACs mithilfe von Filtern beseitigt werden kann. Bei digitalen Sendern ist ihre Verwendung jedoch nicht möglich, da die Konvertierung direkt erfolgt und sie das letzte Glied bei der Reproduktion sind.
Japanische Experimente
Die nächste Stufe in der Entwicklung digitaler Schallgeber war die Entwicklung von elektretischen und piezoelektrischen digitalen Lautsprechern durch SONY. Das Funktionsprinzip unterschied sich nicht sehr von dem bei Bell Lab, aber das Design war anders. Die Elektroden solcher Emitter waren konzentrische Abschnitte mit gleicher Fläche. Die Abschnitte waren in Gruppen verbunden, die Anzahl der Gruppen hing von der Kapazität des Emitters ab.
Ingenieure der Matsushita Electric Corporation (heute Panasonic Corporation) schlugen eine grundlegend andere Methode zum Teilen von Abschnitten eines digitalen Lautsprechers vor. In den Patenten, die sich noch im Besitz des Unternehmens befinden, wird vorgeschlagen, die Segmente, die Schall abgeben, gemäß dem Gewichtskoeffizienten der Entladung in Gruppen zusammenzufassen.
Keine der in diesem Abschnitt beschriebenen Entwicklungen wurde im Hinblick auf Produktionskosten, hohe Verzerrungen, geringe Herstellbarkeit und andere spezifische Probleme der Neugeborenen-Technologie entwickelt.
Digitale Lautsprecher
Versuche, einen elektrodynamischen digitalen Emitter zu erzeugen, begannen fast unmittelbar nach dem Erscheinen von Piezo- und Elektretlautsprechern dieses Typs. Die Probleme der letzteren lagen in einem engen Frequenzbereich und einer Art Frequenzgang, die es ihnen nicht ermöglichten, irgendwo effektiv eingesetzt zu werden, außer bei Kommunikationsgeräten zur Wiedergabe von Sprach- und HF-Abschnitten des Lautsprechers.
Eine Zeichnung aus einem Philips-Patent Philips
und Sony experimentierten bereits 1982 mit einem digitalen Lautsprecher. Das Prinzip war, dass die Anzahl der Spulen im Emitter zunimmt, während die Anzahl der Abschnitte der Kapazität entspricht. Das Ergebnis war ein Philips- Patent Nr. 4612420 , kurz zuvor wurde die Nr. 58-31699 in Japan registriert und zeigte ein ähnliches Design für den digitalen Lautsprecher.
Wir können davon ausgehen, dass ein digitaler Lautsprecher mit einer Mehrfachverbindungsspule eine der langlebigsten Versionen eines digitalen Emitters war. Die letzte Erwähnung einer ähnlichen Entwicklung geht auf das Jahr 2000 zurück, als B & W, das Flaggschiff der audiophilen Entwicklung, ein ähnliches Prinzip anwendete.
Piezo-Emitter der Universität
Neben Elektronikunternehmen wurde das Thema Digital Emitter an Universitäten aktiv entwickelt. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Shinzu-Universität in Nagano konzentrierte sich in den neunziger Jahren auf piezoelektrische digitale Lautsprecher. Sie erzielten 1993 ihr erstes Ergebnis und zeigten 1999 einen Emitter, der für ein 16-Bit-Signal mit einer Abtastrate von 48 kHz ausgelegt war.
Wir können sagen, dass diese Entwicklung der erste digitale Sender war, dessen Eigenschaften für eine begrenzte Multimedia-Nutzung ausreichten. Die Eigenschaften des Geräts waren wie folgt:
- Frequenzbereich: 40-10000 Hz;
- Frequenzgang ungleichmäßig innerhalb von 4dB.
- THD 3,5% bei 50 Hz und 0,1% bei 10000 Hz
- Empfindlichkeit 84 dB
Das Quantisierungsrauschen und andere Artefakte dieser Art der Digital-Analog-Wandlung, die mit einer geringen Bittiefe in solchen Emittern verbunden sind, waren stark genug, um von einer hohen Wiedergabetreue zu sprechen. Es war offensichtlich, dass Lautsprecher dieses Typs in Multimedia-Geräten nur in begrenztem Umfang verwendet werden konnten, hauptsächlich für die Kommunikation und Tonbenachrichtigung, nicht jedoch für die Wiedergabe hochwertiger Musik.
Brighton-Gitter- oder Helsinki-Algorithmus
Die berüchtigten britischen Wissenschaftler haben ein grundlegend neues Prinzip angewendet. Eine Gruppe von Forschern der Brighton University entwickelte mit finanzieller Unterstützung von B & W einen AS, bei dem sie nicht versuchten, einen digitalen Emitter in ein Gehäuse zu schieben, sondern ihn als verteiltes Array vieler separater dynamischer Emitter präsentierten, die nach der Entladung des Signals gruppiert wurden. Somit wurden zwei Richtungen für die Entwicklung digitaler Lautsprecher eröffnet. Das erste besteht darin, das Quantisierungsbit zu erhöhen, wodurch das Rauschen reduziert werden kann, das zweite darin, das Signal zu korrigieren, um Verzerrungen dynamischer (oder anderer) Emitter zu kompensieren.
Die Schaffung eines neuen Typs digitaler Sender stieß auf großes Interesse in der akademischen Gemeinschaft. Aus diesem Grund haben das finnische Unternehmen Audio Signal Processing Espoo und die Universität Helsinki einen Algorithmus entwickelt, der den Betrieb des Brighton-Sektionsgrills optimiert. Der Algorithmus ermöglichte es, die Phase und Amplitude im gesamten Spektrum reproduzierbarer Frequenzen auszurichten. Der Algorithmus erschien auch im Jahr 2000.
Der digitale Soundprojektor
Die oben genannten Entwicklungen wurden von 1..limited verwendet, um The Digital Sound Projector zu erstellen, ein Gerät, das 2002 eingeführt wurde. Wir können sagen, dass dies das erste vollwertige Produkt in der Geschichte der Elektroakustik ist, das einen digitalen Emitter verwendet, um Musik mit hoher Wiedergabetreue wiederzugeben.
Die Mikroprozessorhersteller ARM Ltd, Cambridge Display Technology, ein interdisziplinäres wissenschaftliches Unternehmen, und Analog Devices, ein Chiphersteller, waren an der Entwicklung von The Digital Sound Projector beteiligt. Später wurde die Freigabe des Produkts in kleinem Maßstab von Pioneer fortgesetzt.
Das Gerät verwendete 256 kleine Emitter, von denen jeder einen einzelnen Impuls reproduzierte. Wie die Pixel auf dem Monitor addierte das System das Gesamtbild vieler Signale. Der Prozessor steuerte gemäß dem finnischen Algorithmus die Wiedergabeparameter und führte eine Rauschunterdrückung und Verzerrungskompensation durch. Der Kompensationsprozess berücksichtigte sowohl Decodierungsartefakte als auch Welleninterferenzen von verschiedenen Emittern.
Eine der bedeutenden Errungenschaften war der Wirkungsgrad von 10%, der den Wert der klassischen analogen Lautsprecher deutlich übertraf. Das Prinzip der verteilten gesteuerten digitalen Strahlung hat auch die harmonische Verzerrung und die Intermodulationsverzerrung erheblich verringert. Der vielleicht bedeutendste und offensichtlichste Nachteil des Systems war seine Komplexität, geringe Herstellbarkeit und folglich hohe Kosten. Zu Beginn der 2000er Jahre war die Welt nicht bereit, etwas so Komplexes zu akzeptieren, und offensichtlich ist sie bis jetzt nicht bereit, dies zu akzeptieren. Konkrete Probleme in Form von Komplexität und Kosten machten die Technologie der Massengitter nicht und begruben sie auf dem Friedhof der Ideen, die nicht schossen.
Modernes Entwicklungsstadium
Trotz der offensichtlichen Schwierigkeiten hat sich die digitale Strahlungstechnologie unerwartet entwickelt. Daher wurde 2015 die Schaffung eines MEMS-Emitters angekündigt, der auf der komplementären Metalloxid-Halbleiter-Struktur (CMOS) basiert. Wir sind an MEMS-Mikrofone und MEMS-Beschleunigungsmesser gewöhnt, die Lautsprecher sind an der Reihe.
MEMS-Emitter wurden von Audio Pixels angekündigt, die kurz davor stehen, digitale Emitter zu entwickeln, die analoge Lautsprecher übertreffen können. Begrenzer sind die kleine Amplitude sowie die Begrenzung des Niederfrequenzbereichs, mit der die meisten Innovatoren auf dem Gebiet der Schallwandler konfrontiert sind.
Ein weiteres Beispiel für die Verwendung digitaler Sender sind die Audio-Technica ATH-DSR9BT-Kopfhörer , denen der übliche DAC fehlt und die mit digitalen Lautsprechern von Pure Digital Drive ausgestattet sind. Der Hersteller legt das Wesentliche der Technologie nicht im Detail offen. Nach den verfügbaren Informationen ist dies jedoch die Reinkarnation eines digitalen Lautsprechers mit vielen Spulen. Im Gegensatz zu den Philips-Emittern Mitte der 80er Jahre arbeitet Pure Digital Drive jedoch mit einem Mehrbit-Signal.
Wie ich die Probleme der Ultraschallstrahlung, des Quantisierungsrauschens sowie der Korrektur von Verzerrungen durch die mechanischen Teile des Geräts gelöst habe, weiß ich nicht. Gemessen an der Tatsache, dass das Gerät als das drahtlose Flaggschiff des Unternehmens positioniert ist, besteht jedoch die Möglichkeit, dass die Lösung effektiv ist. Es ist auch bekannt, dass der Lautsprecher in Zusammenarbeit mit Trigence Semiconductor erstellt wurde.
Warmes Analog in naher Zukunft
Ich werde versuchen, Oma Wang zu spielen und all das zusammenzufassen. Die Hoffnung auf digitale Strahlung ist MEMS, aber es hat gewaltige physikalische Einschränkungen, was bedeutet, dass ihre Verwendung auf einen überwiegend tragbaren Formfaktor beschränkt wird. Ein weiteres Problem ist die Geschwindigkeit der Entwicklung von MEMS-Technologien, die Pläne machen, wie sie unter Entwicklern in den "Hundejahren" scherzen, d. H. Wo andere Branchen bedingt ein Jahr benötigen, wird MEMS sieben Jahre dauern.
Ein weiteres Problem sind die Kosten. Und bis die Herstellbarkeit wächst, sinken die Kosten nicht und sie wachsen aufgrund der bereits erwähnten MEMS-Entwicklungsgeschwindigkeit nicht schnell. Die Hersteller sind von der Einfachheit und dem Rollback der Herstellung von Lautsprechern so begeistert, dass sehr wichtige Argumente erforderlich sind, um sie gegen etwas auszutauschen, und die Steigerung der Effizienz gehört eindeutig nicht dazu. Daher müssen sich Anhänger des techno-archaischen und anderen analogen audiophilen "Steampunk" keine Sorgen machen. Röhrenverstärker werden natürlich nicht nach dem auferstandenen Vinyl zurückkehren, aber warme und sogar heiße (im wahrsten Sinne des Wortes) echte analoge Lautsprecher werden weitere zehn oder zwei Jahre leben. Leider ist das Schicksal digitaler Lautsprecher heute noch relativ teuer, seltene experimentelle Produkte und wissenschaftliche Forschung.