На протяжении столетия самым популярным типом излучателей звука являются динамические громкоговорители. Традиционные аналоговые динамики применяются повсеместно. Именно они остаются последним аналоговым устройством в привычном для современного человека тракте звуковоспроизведения. Но если бы аналоговые динамические громкоговорители обнаружили археологи какой-нибудь цивилизации далекого будущего, они бы, вероятно, ломали голову, зачем их предкам нужны были настолько нелогичные обогревательные приборы. Большую часть энергии динамик превращает в тепло и это не единственная его проблема.
При этом достаточно давно в ограниченных количествах производятся цифровые излучатели различных типов. Последние малоизвестны широкому кругу потребителей, дороги и применяются сравнительно редко. Далее, краткая история цифровых излучателей звука, устройства в которых они применялись и применяются, а также соображения об их перспективах.
С середины 20-х безраздельное доминирование в электроакустике остается за электродинамическим громкоговорителем, в его разнообразных вариациях. Потеснить его не смогли ни электростаты, которые сначала здорово горели, срывая сеансы первых звуковых фильмов в 30-х, а потом стали просто баснословно дороги. Ни ионофоны, которые не способны к адекватному воспроизведению НЧ. Ни пьезоэлектрические излучатели, которые не выдержали конкуренции в силу небольшого частотного диапазона.
сгоревшая катушка динамика сабвуфера
При этом динамики сложно назвать технически совершенным решением. Так, для ВЧ динамиков температура катушки 100 градусов Цельсия не является пределом, КПД по этой причине редко превышает 1 %, а температура катушки НЧ динамических драйверов может легко превысить 150 и даже 200 градусов, при работе с номинальной мощностью. Искажения, как частотные, так и нелинейные, требуют коррекции или технологий, которые позволят их значительно уменьшить. Аналогичная история происходит с переходной характеристикой, которая в дорогих решениях заставляет постоянно гнаться за большим частотным диапазоном, который в идеале должен выходить значительно дальше слышимого человеческим ухом спектра.
Но, несмотря на все недостатки динамика, именно он стал наиболее востребованным по совокупности достоинств. При этом неутомимые исследователи не прекращали искать нечто более производительное, энергоэффективное, а также более управляемое. Инженеры стали искать способ преобразовать цифровой сигнал в звук напрямую, без использования ЦАП.
акустические эксперименты Bell Labs в 1920-х
Теоретически, цифровые динамики были описаны в разработках Bell Labs еще в 1920-х годах. Их принцип был достаточно прост. Наименьший значащий бит управляет динамиком, в котором значение «1» приводит его в действие с максимальной амплитудой, значение «0» полностью прекращает подачу сигнала. Далее младший значащий бит удваивал начальную площадь излучения, следующий за ним удваивал его площадь и т.д в соответствии с количеством разрядов. В 20-х не было насущной необходимости в таком типе преобразования цифровых сигналов в звук и теоретически труды легли в стол на долгие годы.
В ранних вариантах площадь излучения следующего бита располагалась концентрически вокруг сегмента предыдущего бита, но это правило не является обязательным. Теория впервые воплотилась в практику в 1980-м. Разработчиком также стала компания Bell Lab. Это был дискообразный электрод, на котором закреплялась тонкая пленочная мембрана. Электрод был разделен на изолированные сегменты, с соотношением площади, описанным выше, по числу разрядов 4,3, 2,1,0. Сегменты возбуждалось цифровым сигналом прямоугольной формы, в соответствии с его значением.
Для телефонной связи верности воспроизведения хватало, но для воспроизведения музыки этот излучатель был непригоден. Дело в том, что для получения достаточной громкости площадь соответствующего излучателя в форм-факторе акустической системы была неприемлемо большой. Также проблемой были искажения преобразования, которые в классических ЦАП можно устранить при помощи фильтров. Но в цифровых излучателях их применение невозможно, так как преобразование происходит напрямую и они являются конечным звеном воспроизведения.
Следующим этапом в развитии цифровых излучателей звука стало создание электретных и пьезоэлектрических цифровых громкоговорителей компанией SONY. Принцип действия не очень сильно отличался от использовавшегося в Bell Lab, но конструкция была иной. Электроды таких излучателей представляли собой концентрические секции с равной площадью. Секции подключались группами, количество групп зависело от разрядности излучателя.
Принципиально другой метод разделения секций цифрового громкоговорителя был предложен инженерами корпорации Matsushita Electric (сегодня Panasonic Corporation). В патентах, и сегодня принадлежащих компании, предложено объединять сегменты, излучающие звук по группам, в соответствии с весовым коэффициентом разряда.
Ни одна из описанных в разделе разработок не получила развитие в виду затратности производства, высоких искажений, низкой технологичности и других специфических проблем новорожденной технологии.
Попытки создания электродинамического цифрового излучателя начались почти сразу после появления пьезо и электретных громкоговорителей этого типа. Проблемы последних заключались в узком диапазоне частот и своеобразной АЧХ, которая не позволяла их эффективно использовать нигде, кроме устройств связи для воспроизведения голоса и ВЧ секций АС.
чертеж из патента Philips
Philips и Sony начали эксперименты по созданию цифрового динамика ещё в 1982-м. Принцип заключался в том, что количество катушек в излучателе увеличивается, число секций при этом соответствует разрядности. Результатом стал патент компании Philips №4612420, незадолго до этого в Японии был зарегистрирован № 58-31699, демонстрирующий похожую конструкцию цифрового динамика.
Можно считать, что цифровой динамик с многозвеньевой катушкой был одним из самых долгоживущих вариантов цифрового излучателя. Последнее упоминание об аналогичной разработке датируется 2000 годом, когда похожий принцип применила компания B&W, флагман аудиофильской разработки.
Помимо корпораций, создающих электронику, тему цифрового излучателя активно разрабатывали в университетах. Группа ученых из университета Шинцу в Нагано в 1990-х сосредоточила усилия на создании пьезоэлектрических цифровых громкоговорителей. Они получили первый результат в 1993-м году, а к 1999-му показали излучатель, рассчитанный на 16-битный сигнал с частотой дискретизации 48 кГц.
Можно говорить, что эта разработка стала первым цифровым излучателем, характеристики которой были достаточны для ограниченного мультимедийного использования. Характеристики устройства были следующими:
Шумы квантования и другие артефакты подобного типа цифро-аналогового преобразования, связанные с малой разрядностью, в таких излучателях были достаточно сильны, чтобы говорить о сколько-нибудь высокой верности воспроизведения. Было очевидно, что громкоговорители такого типа можно применять в мультимедийных устройствах лишь ограниченно, в основном для связи и звукового оповещения, но никак не для высококачественного воспроизведения музыки.
Приснопамятные британские ученые применили принципиально новый принцип. Группа исследователей из Брайтонского университета при финансовой поддержке B&W разработала АС, в которой цифровой излучатель не пытались впихнуть в один корпус, а представили в виде распределенной решетки из множества отдельных динамических излучателей, которые объединялись в группы в соответствии с разрядом сигнала. Таким образом было открыто два направления для развития цифровых громкоговорителей. Первый — повышение разрядности квантования, что позволяло уменьшить шумы, второй — коррекция сигнала, для компенсации искажений динамических (или иных) излучателей.
Создание нового типа цифрового излучателя вызвало живой интерес в академическом сообществе. В результате финская компания Audio Signal Processing Espoo и Хельсинкский университет создали алгоритм, оптимизирующий работу брайтонской секционной решетки. Алгоритм позволил выровнять фазу и амплитуду во всем спектре воспроизводимых частот. Алгоритм также появился в 2000-м году.
Описанные выше разработки были использованы компанией 1..limited для создания The Digital Sound Projector, устройства, которое было представлено в 2002-м году. Можно сказать, это первый в истории электроакустики полноценный продукт, использующий для воспроизведения музыки с высокой верностью, цифровой излучатель.
В создании The Digital Sound Projector приняли участие производители микропроцессоров ARM Ltd, междисциплинарная научная компания Cambridge Display Technology, производитель микросхем Analog Devices. Позже мелкосерийный выпуск продукта продолжила компания Pioneer.
В устройстве использовалось 256 небольших излучателей, каждый из которых воспроизводил единичный импульс. Подобно пикселям на мониторе, система складывала общую картину из множества сигналов. Процессор, в соответствии с финским алгоритмом, контролировал параметры воспроизведения и осуществлял устранение шумов и компенсацию искажений. В процессе компенсации учитывались как артефакты декодирования, так и интерференция волн от различных излучателей.
Одним из значимых достижений стал КПД, который достигал 10 %, что существенно превышало значения классических аналоговых динамиков. Принцип распределенного управляемого цифрового излучения также позволил значительно снизить гармонические и интермодуляционные искажения. Пожалуй, самым значительный и явным недостатком системы была её сложность, низкая технологичность, а соответственно, высокая стоимость. В начале нулевых мир не был готов принять нечто настолько сложное и, очевидно, что не готов принять до сих пор. Ощутимые проблемы в виде сложности и стоимости не сделали технологию решеток массовой и похоронили её на кладбище не выстреливших идей.
Несмотря на очевидные сложности, технология цифрового излучения получила неожиданное развитие. Так в 2015-м году было заявлено о создании MEMS-излучателя, в основе которого лежит комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (CMOS). Мы привыкли к MEMS-микрофонам и MEMS-акселерометрам, пришла очередь громкоговорителей.
О создании MEMS излучателей сообщила компания Audio Pixels, которая заявила о том, что близка к созданию цифровых излучателей, способных превзойти аналоговые динамики. Ограничителями является небольшая амплитуда, а также ограничение низкочастотного диапазона, с которым сталкиваются большинство новаторов в области излучателей звука.
Ещё одним примером использования цифровых излучателей являются наушники Audio-Technica ATH-DSR9BT, которые лишены привычного ЦАПа и оснащены цифровыми громкоговорителями Pure Digital Drive. Суть технологии производитель подробно не раскрывает, однако, судя по доступной информации, это реинкарнация цифрового динамика с множеством катушек, однако в отличие от излучателей Philips середины 80-х, Pure Digital Drive оперирует мультибитным сигналом.
Каким образом решены проблемы ультразвукового излучения, шумов квантования, а также коррекции искажений, вносимых механическими частями устройства, мне неизвестно. Но, судя по тому, что устройство позиционируют как беспроводной флагман компании, есть вероятность, что решение является эффективным. Известно также, что динамик создавался в партнерстве с Trigence Semiconductor.
Попробую поиграть в бабушку вангу и резюмировать всё изложенное выше. Надеждой цифрового излучения является MEMS, однако он имеет сложнопреодолимые физические ограничения, вангую, что это ограничит их использование преимущественно носимым форм-фактором. Ещё одной проблемой является скорость развития MEMS-технологий, которые строят планы, как шутят в среде разработчиков, в “собачьих годах”, т.е. там, где другим отраслям условно нужен год, для MEMS понадобится семь лет.
Ещё одной проблемой является стоимость. И пока не вырастет технологичность, стоимость не уменьшится, а она не вырастет быстро по причине уже упомянутой скорости развития MEMS. Простота и откатанность производства динамиков настолько полюбились производителям, что для того, чтобы их на что-то поменять нужны очень веские аргументы, и повышение КПД явно не один из них. Поэтому сторонники техноархаики и прочего аналогового аудиофильского «стимпанка» могут не беспокоится. Ламповые усилители, конечно, не вернутся вслед за воскресшим винилом, но теплые и даже горячие (в прямом смысле) true-аналоговые динамики поживут ещё десяток — другой лет. К сожалению, удел цифровых громкоговорителей сегодня — это всё ещё сравнительно дорогие редкие экспериментальные продукты и научные изыскания.
При этом достаточно давно в ограниченных количествах производятся цифровые излучатели различных типов. Последние малоизвестны широкому кругу потребителей, дороги и применяются сравнительно редко. Далее, краткая история цифровых излучателей звука, устройства в которых они применялись и применяются, а также соображения об их перспективах.
Предпосылки к появлению
С середины 20-х безраздельное доминирование в электроакустике остается за электродинамическим громкоговорителем, в его разнообразных вариациях. Потеснить его не смогли ни электростаты, которые сначала здорово горели, срывая сеансы первых звуковых фильмов в 30-х, а потом стали просто баснословно дороги. Ни ионофоны, которые не способны к адекватному воспроизведению НЧ. Ни пьезоэлектрические излучатели, которые не выдержали конкуренции в силу небольшого частотного диапазона.
сгоревшая катушка динамика сабвуфера
При этом динамики сложно назвать технически совершенным решением. Так, для ВЧ динамиков температура катушки 100 градусов Цельсия не является пределом, КПД по этой причине редко превышает 1 %, а температура катушки НЧ динамических драйверов может легко превысить 150 и даже 200 градусов, при работе с номинальной мощностью. Искажения, как частотные, так и нелинейные, требуют коррекции или технологий, которые позволят их значительно уменьшить. Аналогичная история происходит с переходной характеристикой, которая в дорогих решениях заставляет постоянно гнаться за большим частотным диапазоном, который в идеале должен выходить значительно дальше слышимого человеческим ухом спектра.
Но, несмотря на все недостатки динамика, именно он стал наиболее востребованным по совокупности достоинств. При этом неутомимые исследователи не прекращали искать нечто более производительное, энергоэффективное, а также более управляемое. Инженеры стали искать способ преобразовать цифровой сигнал в звук напрямую, без использования ЦАП.
акустические эксперименты Bell Labs в 1920-х
Теоретически, цифровые динамики были описаны в разработках Bell Labs еще в 1920-х годах. Их принцип был достаточно прост. Наименьший значащий бит управляет динамиком, в котором значение «1» приводит его в действие с максимальной амплитудой, значение «0» полностью прекращает подачу сигнала. Далее младший значащий бит удваивал начальную площадь излучения, следующий за ним удваивал его площадь и т.д в соответствии с количеством разрядов. В 20-х не было насущной необходимости в таком типе преобразования цифровых сигналов в звук и теоретически труды легли в стол на долгие годы.
Телефонный громкоговоритель Bell Lab
В ранних вариантах площадь излучения следующего бита располагалась концентрически вокруг сегмента предыдущего бита, но это правило не является обязательным. Теория впервые воплотилась в практику в 1980-м. Разработчиком также стала компания Bell Lab. Это был дискообразный электрод, на котором закреплялась тонкая пленочная мембрана. Электрод был разделен на изолированные сегменты, с соотношением площади, описанным выше, по числу разрядов 4,3, 2,1,0. Сегменты возбуждалось цифровым сигналом прямоугольной формы, в соответствии с его значением.
Для телефонной связи верности воспроизведения хватало, но для воспроизведения музыки этот излучатель был непригоден. Дело в том, что для получения достаточной громкости площадь соответствующего излучателя в форм-факторе акустической системы была неприемлемо большой. Также проблемой были искажения преобразования, которые в классических ЦАП можно устранить при помощи фильтров. Но в цифровых излучателях их применение невозможно, так как преобразование происходит напрямую и они являются конечным звеном воспроизведения.
Японские эксперименты
Следующим этапом в развитии цифровых излучателей звука стало создание электретных и пьезоэлектрических цифровых громкоговорителей компанией SONY. Принцип действия не очень сильно отличался от использовавшегося в Bell Lab, но конструкция была иной. Электроды таких излучателей представляли собой концентрические секции с равной площадью. Секции подключались группами, количество групп зависело от разрядности излучателя.
Принципиально другой метод разделения секций цифрового громкоговорителя был предложен инженерами корпорации Matsushita Electric (сегодня Panasonic Corporation). В патентах, и сегодня принадлежащих компании, предложено объединять сегменты, излучающие звук по группам, в соответствии с весовым коэффициентом разряда.
Ни одна из описанных в разделе разработок не получила развитие в виду затратности производства, высоких искажений, низкой технологичности и других специфических проблем новорожденной технологии.
Цифровые динамики
Попытки создания электродинамического цифрового излучателя начались почти сразу после появления пьезо и электретных громкоговорителей этого типа. Проблемы последних заключались в узком диапазоне частот и своеобразной АЧХ, которая не позволяла их эффективно использовать нигде, кроме устройств связи для воспроизведения голоса и ВЧ секций АС.
чертеж из патента Philips
Philips и Sony начали эксперименты по созданию цифрового динамика ещё в 1982-м. Принцип заключался в том, что количество катушек в излучателе увеличивается, число секций при этом соответствует разрядности. Результатом стал патент компании Philips №4612420, незадолго до этого в Японии был зарегистрирован № 58-31699, демонстрирующий похожую конструкцию цифрового динамика.
Можно считать, что цифровой динамик с многозвеньевой катушкой был одним из самых долгоживущих вариантов цифрового излучателя. Последнее упоминание об аналогичной разработке датируется 2000 годом, когда похожий принцип применила компания B&W, флагман аудиофильской разработки.
Университетские пьезоизлучатели
Помимо корпораций, создающих электронику, тему цифрового излучателя активно разрабатывали в университетах. Группа ученых из университета Шинцу в Нагано в 1990-х сосредоточила усилия на создании пьезоэлектрических цифровых громкоговорителей. Они получили первый результат в 1993-м году, а к 1999-му показали излучатель, рассчитанный на 16-битный сигнал с частотой дискретизации 48 кГц.
Можно говорить, что эта разработка стала первым цифровым излучателем, характеристики которой были достаточны для ограниченного мультимедийного использования. Характеристики устройства были следующими:
- Диапазон частот: 40-10000 Гц;
- Неравномерность АЧХ в пределах 4дБ.
- THD 3,5% на частоте 50 Гц и 0,1% на 10000 Гц
- Чувствительность 84 дБ
Шумы квантования и другие артефакты подобного типа цифро-аналогового преобразования, связанные с малой разрядностью, в таких излучателях были достаточно сильны, чтобы говорить о сколько-нибудь высокой верности воспроизведения. Было очевидно, что громкоговорители такого типа можно применять в мультимедийных устройствах лишь ограниченно, в основном для связи и звукового оповещения, но никак не для высококачественного воспроизведения музыки.
Брайтонская решетка или хельсинкский алгоритм
Приснопамятные британские ученые применили принципиально новый принцип. Группа исследователей из Брайтонского университета при финансовой поддержке B&W разработала АС, в которой цифровой излучатель не пытались впихнуть в один корпус, а представили в виде распределенной решетки из множества отдельных динамических излучателей, которые объединялись в группы в соответствии с разрядом сигнала. Таким образом было открыто два направления для развития цифровых громкоговорителей. Первый — повышение разрядности квантования, что позволяло уменьшить шумы, второй — коррекция сигнала, для компенсации искажений динамических (или иных) излучателей.
Создание нового типа цифрового излучателя вызвало живой интерес в академическом сообществе. В результате финская компания Audio Signal Processing Espoo и Хельсинкский университет создали алгоритм, оптимизирующий работу брайтонской секционной решетки. Алгоритм позволил выровнять фазу и амплитуду во всем спектре воспроизводимых частот. Алгоритм также появился в 2000-м году.
The Digital Sound Projector
Описанные выше разработки были использованы компанией 1..limited для создания The Digital Sound Projector, устройства, которое было представлено в 2002-м году. Можно сказать, это первый в истории электроакустики полноценный продукт, использующий для воспроизведения музыки с высокой верностью, цифровой излучатель.
В создании The Digital Sound Projector приняли участие производители микропроцессоров ARM Ltd, междисциплинарная научная компания Cambridge Display Technology, производитель микросхем Analog Devices. Позже мелкосерийный выпуск продукта продолжила компания Pioneer.
В устройстве использовалось 256 небольших излучателей, каждый из которых воспроизводил единичный импульс. Подобно пикселям на мониторе, система складывала общую картину из множества сигналов. Процессор, в соответствии с финским алгоритмом, контролировал параметры воспроизведения и осуществлял устранение шумов и компенсацию искажений. В процессе компенсации учитывались как артефакты декодирования, так и интерференция волн от различных излучателей.
Одним из значимых достижений стал КПД, который достигал 10 %, что существенно превышало значения классических аналоговых динамиков. Принцип распределенного управляемого цифрового излучения также позволил значительно снизить гармонические и интермодуляционные искажения. Пожалуй, самым значительный и явным недостатком системы была её сложность, низкая технологичность, а соответственно, высокая стоимость. В начале нулевых мир не был готов принять нечто настолько сложное и, очевидно, что не готов принять до сих пор. Ощутимые проблемы в виде сложности и стоимости не сделали технологию решеток массовой и похоронили её на кладбище не выстреливших идей.
Современный этап развития
Несмотря на очевидные сложности, технология цифрового излучения получила неожиданное развитие. Так в 2015-м году было заявлено о создании MEMS-излучателя, в основе которого лежит комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (CMOS). Мы привыкли к MEMS-микрофонам и MEMS-акселерометрам, пришла очередь громкоговорителей.
О создании MEMS излучателей сообщила компания Audio Pixels, которая заявила о том, что близка к созданию цифровых излучателей, способных превзойти аналоговые динамики. Ограничителями является небольшая амплитуда, а также ограничение низкочастотного диапазона, с которым сталкиваются большинство новаторов в области излучателей звука.
Ещё одним примером использования цифровых излучателей являются наушники Audio-Technica ATH-DSR9BT, которые лишены привычного ЦАПа и оснащены цифровыми громкоговорителями Pure Digital Drive. Суть технологии производитель подробно не раскрывает, однако, судя по доступной информации, это реинкарнация цифрового динамика с множеством катушек, однако в отличие от излучателей Philips середины 80-х, Pure Digital Drive оперирует мультибитным сигналом.
Каким образом решены проблемы ультразвукового излучения, шумов квантования, а также коррекции искажений, вносимых механическими частями устройства, мне неизвестно. Но, судя по тому, что устройство позиционируют как беспроводной флагман компании, есть вероятность, что решение является эффективным. Известно также, что динамик создавался в партнерстве с Trigence Semiconductor.
Теплое аналоговое ближайшее будущее
Попробую поиграть в бабушку вангу и резюмировать всё изложенное выше. Надеждой цифрового излучения является MEMS, однако он имеет сложнопреодолимые физические ограничения, вангую, что это ограничит их использование преимущественно носимым форм-фактором. Ещё одной проблемой является скорость развития MEMS-технологий, которые строят планы, как шутят в среде разработчиков, в “собачьих годах”, т.е. там, где другим отраслям условно нужен год, для MEMS понадобится семь лет.
Ещё одной проблемой является стоимость. И пока не вырастет технологичность, стоимость не уменьшится, а она не вырастет быстро по причине уже упомянутой скорости развития MEMS. Простота и откатанность производства динамиков настолько полюбились производителям, что для того, чтобы их на что-то поменять нужны очень веские аргументы, и повышение КПД явно не один из них. Поэтому сторонники техноархаики и прочего аналогового аудиофильского «стимпанка» могут не беспокоится. Ламповые усилители, конечно, не вернутся вслед за воскресшим винилом, но теплые и даже горячие (в прямом смысле) true-аналоговые динамики поживут ещё десяток — другой лет. К сожалению, удел цифровых громкоговорителей сегодня — это всё ещё сравнительно дорогие редкие экспериментальные продукты и научные изыскания.
Использованы фото:
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
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
