Al mismo tiempo, se han producido emisores digitales de varios tipos en cantidades limitadas durante mucho tiempo. Estos últimos son poco conocidos por una amplia gama de consumidores, carreteras y se usan relativamente raramente. Además, una breve historia de los emisores de sonido digital, los dispositivos en los que fueron utilizados y aplicados, así como consideraciones sobre sus perspectivas.
Prerrequisitos para la apariencia
Desde mediados de los años 20, el dominio indiviso en electroacústica se ha mantenido con el altavoz electrodinámico, en sus diversas variaciones. Ninguno de los electrostáticos, que al principio ardieron mucho, interrumpiendo las sesiones de las primeras películas de sonido en los años 30, y luego se volvieron simplemente fabulosamente caros, no pudieron desplazarlo. Tampoco los ionófonos, que no son capaces de reproducir adecuadamente las bajas frecuencias. Ninguno de los emisores piezoeléctricos que no pudieron resistir la competencia debido al pequeño rango de frecuencia.
bobina fundida del altavoz subwoofer
Al mismo tiempo, los altavoces difícilmente pueden considerarse una solución técnicamente perfecta. Por lo tanto, para los tweeters, la temperatura de la bobina de 100 grados Celsius no es el límite, la eficiencia por este motivo rara vez supera el 1%, y la temperatura de la bobina del woofer de los controladores dinámicos puede superar fácilmente los 150 o incluso 200 grados, cuando funciona a la potencia nominal. La distorsión, tanto de frecuencia como no lineal, requiere corrección o tecnologías que puedan reducirla significativamente. Una respuesta similar ocurre con la respuesta transitoria, que en soluciones costosas te hace perseguir constantemente un amplio rango de frecuencia, que, idealmente, debería ir más allá del espectro audible para el oído humano.
Pero, a pesar de todas las deficiencias del orador, fue él quien se convirtió en el más demandado en términos de la combinación de ventajas. Al mismo tiempo, los investigadores incansables no dejaron de buscar algo más productivo, eficiente en energía y también más manejable. Los ingenieros comenzaron a buscar una forma de convertir una señal digital en sonido directamente, sin usar un DAC.
experimentos acústicos realizados por Bell Labs en la década de 1920
En teoría, los altavoces digitales fueron descritos por primera vez por Bell Labs en la década de 1920. Su principio era bastante simple. El bit menos significativo controla el altavoz, en el que un valor de "1" lo conduce a la amplitud máxima, un valor de "0" deja de señalizar por completo. Además, el bit menos significativo duplicó el área de radiación inicial, el siguiente duplicó su área, etc. de acuerdo con el número de bits. En la década de 1920, no había una necesidad imperiosa de este tipo de conversión de señales digitales en sonido y, en teoría, el trabajo estuvo sobre la mesa durante muchos años.
Altavoz del teléfono de Bell Lab
En versiones anteriores, el área de radiación del siguiente bit se ubicaba concéntricamente alrededor del segmento del bit anterior, pero esta regla no es obligatoria. La teoría se puso en práctica por primera vez en 1980. Bell Lab también se convirtió en el desarrollador. Era un electrodo en forma de disco en el que se fijaba una membrana de película delgada. El electrodo se dividió en segmentos aislados, con la relación de área descrita anteriormente para el número de descargas de 4.3, 2.1, 0. Los segmentos fueron excitados por una señal digital rectangular, de acuerdo con su valor.
Para las comunicaciones telefónicas, la fidelidad de reproducción era suficiente, pero este emisor no era adecuado para reproducir música. El hecho es que para obtener suficiente volumen, el área del radiador correspondiente en el factor de forma del sistema de altavoces era inaceptablemente grande. También fue un problema la distorsión de conversión, que en los DAC clásicos se puede eliminar mediante filtros. Pero en los emisores digitales, su uso es imposible, ya que la conversión se produce directamente y son el eslabón final en la reproducción.
Experimentos japoneses
La siguiente etapa en el desarrollo de los emisores de sonido digital fue la creación de altavoces electret y piezoeléctricos digitales por SONY. El principio de funcionamiento no era muy diferente del utilizado en Bell Lab, pero el diseño era diferente. Los electrodos de tales emisores eran secciones concéntricas con igual área. Las secciones estaban conectadas en grupos, el número de grupos dependía de la capacidad del emisor.
Los ingenieros de Matsushita Electric Corporation (hoy Panasonic Corporation) propusieron un método fundamentalmente diferente para dividir las secciones de un altavoz digital. En las patentes, y hoy propiedad de la empresa, se propone combinar los segmentos que emiten sonido en grupos, de acuerdo con el coeficiente de peso de la descarga.
Ninguno de los desarrollos descritos en la sección se desarrolló debido al costo de producción, las altas distorsiones, la baja capacidad de fabricación y otros problemas específicos de la tecnología del recién nacido.
Altavoces digitales
Los intentos de crear un emisor digital electrodinámico comenzaron casi inmediatamente después de la aparición de altavoces piezoeléctricos y electret de este tipo. Los problemas de este último estaban en un rango de frecuencia estrecho y un tipo de respuesta de frecuencia, que no permitía que se usaran efectivamente en ningún lugar, excepto en los dispositivos de comunicación para reproducir secciones de voz y HF del hablante.
un dibujo de una patente de Philips Philips
y Sony comenzaron a experimentar con un altavoz digital en 1982. El principio era que el número de bobinas en el emisor aumenta, el número de secciones en este caso corresponde a la capacidad. El resultado fue una patente de Philips No. 4612420 , poco antes de eso, el No. 58-31699 se registró en Japón, mostrando un diseño similar para el altavoz digital.
El altavoz digital de bobinas múltiples puede considerarse una de las variantes más longevas de un controlador digital. La última mención de un desarrollo similar se remonta a 2000, cuando B & W, el buque insignia del desarrollo de los audiófilos, aplicó un principio similar.
Emisores piezoeléctricos universitarios
Además de las corporaciones que crean productos electrónicos, el tema del emisor digital se desarrolló activamente en las universidades. Un grupo de científicos de la Universidad de Shinzu en Nagano centró sus esfuerzos en la década de 1990 en altavoces piezoeléctricos digitales. Obtuvieron su primer resultado en 1993, y en 1999 mostraron un radiador diseñado para una señal de 16 bits con una frecuencia de muestreo de 48 kHz.
Podemos decir que este desarrollo fue el primer emisor digital, cuyas características fueron suficientes para un uso multimedia limitado. Las características del dispositivo fueron las siguientes:
- Rango de frecuencia: 40-10000 Hz;
- Respuesta de frecuencia desigual dentro de 4 dB.
- THD 3.5% a 50 Hz y 0.1% a 10000 Hz
- Sensibilidad 84 dB
El ruido de cuantización y otros artefactos de este tipo de conversión de digital a analógico asociados con baja profundidad de bits en dichos emisores fueron lo suficientemente fuertes como para hablar de cualquier alta fidelidad. Era obvio que los altavoces de este tipo se pueden usar en dispositivos multimedia solo de forma limitada, principalmente para la comunicación y la notificación de sonido, pero no para la reproducción de música de alta calidad.
Enrejado de Brighton o algoritmo de Helsinki
Los científicos británicos más memorables aplicaron un principio fundamentalmente nuevo. Un grupo de investigadores de la Universidad de Brighton, con el apoyo financiero de B&W, desarrolló un AS en el que no intentaron meter un emisor digital en una carcasa, sino que lo presentaron como una matriz distribuida de muchos emisores dinámicos separados, que se agruparon de acuerdo con la descarga de la señal. Por lo tanto, se abrieron dos direcciones para el desarrollo de altavoces digitales. El primero es aumentar el bit de cuantificación, lo que hace posible reducir el ruido, el segundo es corregir la señal para compensar las distorsiones de los emisores dinámicos (u otros).
La creación de un nuevo tipo de emisor digital ha generado un gran interés en la comunidad académica. Como resultado, la compañía finlandesa Audio Signal Processing Espoo y la Universidad de Helsinki han creado un algoritmo que optimiza el funcionamiento de la rejilla seccional Brighton. El algoritmo permitió alinear la fase y la amplitud en todo el espectro de frecuencias reproducibles. El algoritmo también apareció en 2000.
El proyector de sonido digital
Los desarrollos descritos anteriormente fueron utilizados por 1..limited para crear The Digital Sound Projector, un dispositivo que se introdujo en 2002. Podemos decir que este es el primer producto completo en la historia de la electroacústica que utiliza un emisor digital para reproducir música con alta fidelidad.
A la creación de The Digital Sound Projector asistieron los fabricantes de microprocesadores ARM Ltd, una compañía científica interdisciplinaria Cambridge Display Technology, un fabricante de chips Analog Devices. Más tarde, la producción a pequeña escala del producto fue continuada por Pioneer.
El dispositivo utilizaba 256 pequeños emisores, cada uno de los cuales reproducía un solo pulso. Al igual que los píxeles en un monitor, el sistema reunió una imagen grande de muchas señales. El procesador, de acuerdo con el algoritmo finlandés, controlaba los parámetros de reproducción y realizaba la eliminación de ruido y la compensación de distorsión. El proceso de compensación tuvo en cuenta los artefactos de decodificación y la interferencia de onda de varios emisores.
Uno de los logros significativos fue la eficiencia, que alcanzó el 10%, que excedió significativamente los valores de los altavoces analógicos clásicos. El principio de la radiación digital controlada distribuida también ha reducido significativamente la distorsión armónica y de intermodulación. Quizás la desventaja más significativa y obvia del sistema fue su complejidad, baja capacidad de fabricación y, en consecuencia, su alto costo. A principios de la década de 2000, el mundo no estaba listo para aceptar algo tan complejo y, obviamente, no estaba listo para aceptar hasta ahora. Los problemas tangibles en forma de complejidad y costo no hicieron que la tecnología de las rejillas en masa y la enterraran en el cementerio de ideas que no se dispararon.
Etapa moderna de desarrollo.
A pesar de las dificultades obvias, la tecnología de la radiación digital ha recibido un desarrollo inesperado. Entonces, en 2015, se anunció la creación de un emisor MEMS, que se basa en la estructura complementaria de semiconductores de óxido de metal (CMOS). Estamos acostumbrados a micrófonos MEMS y acelerómetros MEMS, ha llegado el turno de los altavoces.
Audio Pixels anunció la creación de emisores MEMS, que dijeron que estaba cerca de crear emisores digitales que puedan superar a los altavoces analógicos. Los limitadores son la pequeña amplitud, así como la limitación del rango de baja frecuencia, que enfrentan la mayoría de los innovadores en el campo de los transductores de sonido.
Otro ejemplo del uso de emisores digitales son los auriculares Audio-Technica ATH-DSR9BT , que carecen del DAC habitual y están equipados con altavoces digitales Pure Digital Drive. El fabricante no revela la esencia de la tecnología, sin embargo, a juzgar por la información disponible, esta es la reencarnación de un altavoz digital con muchas bobinas, sin embargo, a diferencia de los emisores Philips de mediados de los 80, Pure Digital Drive funciona con una señal de múltiples bits.
No sé cómo resolví los problemas de la radiación ultrasónica, el ruido de cuantización y la corrección de las distorsiones introducidas por las partes mecánicas del dispositivo. Pero, a juzgar por el hecho de que el dispositivo se posiciona como un buque insignia inalámbrico de la compañía, existe la posibilidad de que la solución sea efectiva. También se sabe que el orador fue creado en asociación con Trigence Semiconductor.
Cálido análogo cercano futuro
Intentaré jugar al wang de la abuela y resumir todo lo anterior. La esperanza de la radiación digital es MEMS, pero tiene limitaciones físicas formidables que limitarán su uso a un factor de forma predominantemente portátil. Otro problema es la velocidad de desarrollo de las tecnologías MEMS, que hacen planes, como bromean entre los desarrolladores, en los "años del perro", es decir. donde otras industrias condicionalmente necesitan un año, MEMS tomará siete años.
Otro problema es el costo. Y hasta que crezca la capacidad de fabricación, el costo no disminuye, y no crece rápidamente debido a la velocidad de desarrollo de MEMS ya mencionada. Los fabricantes son tan aficionados a la simplicidad y la reversión de la producción de altavoces que, para cambiarlos por algo, se necesitan argumentos muy importantes, y aumentar la eficiencia claramente no es uno de ellos. Por lo tanto, los partidarios del "steampunk" audiófilo tecno-arcaico y de otro tipo no necesitan preocuparse. Los amplificadores de tubo, por supuesto, no volverán después del vinilo resucitado, pero los altavoces analógicos verdaderos cálidos e incluso calientes (en el sentido literal) vivirán otros diez u otros años. Desafortunadamente, la gran cantidad de altavoces digitales de hoy en día sigue siendo relativamente cara, productos experimentales raros e investigación científica.