为什么音箱还没有数字化?

时间:2009/03/12 来源:专业视听网

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    在消费电子或专业视听领域,是否有什么产品没有在其名称前加上“数字”这个形容词呢?有,就是音箱。但是,并不是因为缺乏尝试。在30多年的研究和开发工作之后,对于“数字音箱”仍然没有一个行业标准的定义,更别说各种各样的商用产品了。
   “你有时侯听人们说的‘数字扬声器’在真实意义上根本就不是数字的,”位于加州Northridge的JBL Professional公司的高级研发工程师Alex Salvatti说,“‘数字扬声器’通常就是一个传统的模拟驱动器以及在它前面加上的一些数字信号处理(DSP)。我甚至听说过它被用作演播室监视器,其背后就配备了一个插座,你可以插入索尼/飞利浦的数字接口格式(SPDIF)信号。”
    虽然如此,原型和各种产品通常都能被插入到下列这两类产品之一:
    DSP有源音箱
    位于加州Cupertino的Tymphany公司的首席技术官Ken Kantor说:“这些本质上是传统的带电源音箱,其中,包含一些种类的数字信号处理器(DSP)以改善它们的性能。关键问题是它们仍然采用数/模转换器、功率放大器、传统的模拟换能器,从而把电信号以基本的线性方式转换为空气的运动。”
    “真正”的数字音箱
     在传统的扬声器设计中,模拟电信号让扬声器的振动膜运动,因此,放弃DAC意味着要想办法利用数字比特本身来让空气运动。“每一个数字比特以开关的方式,要么驱动单一的换能器,要么驱动单一换能器电机的某一部分,”Kantor说,“这样的系统并没有接近商业化,许多问题依旧存在。正因为如此,这个过程如何能被完美实现仍然存在观念上的巨大竞争。”
    采用数模转换器有什么错吗?正如TI在2002年一份针对数字音箱系统的专利申请中所说,“DAC把噪声和失真添加到系统中已经存在的噪声和失真之中,并且,也额外地增加了成本。”放弃DAC就是为什么经过三十年的努力之后仍然继续探索数字音箱的原因之一。
    三十年间有许多设计
    对全数字音箱的探索已经产生了一些不同寻常的设计。例如,在1980年,索尼申请了“流体控制扬声器系统”的专利,它通过生成喷射的空气来产生声音。每一喷都来自一个指数曲线形喇叭阵列,其中,空气流本质上是根据脉冲编码调制(PCM)输入信号喷出的。
    第一款数字音箱产生于1973年,当时IBM在德国申请了专利。IBM的设计由压电束组成,在一端有一个锥形栖木。当每一个数字比特的信号打击压电束时,它就会弯成弓形,让振动膜运动起来。每一个比特在不同的点打击压电束,其位置由假定要创建的声音来确定。
    此外,最近的设计类似于目前在各种各样的消费电子和专业视听应用中所采用的数字光处理(DLP)技术。DLP芯片具有多达两百万个微型镜面,每一个镜面每秒钟倾斜几千次,以对构成图像的比特流作出响应。
    数字音箱可以采用类似的方法,但是,采用的是精微的活塞阀键,而不是镜面。每一个信号会触发一个特定的活塞阀键,从而让空气运动来产生声音这种设计如同它看起来那样复杂。例如,要再现16比特的PCM音频,大约需要65,536个活塞阀键。
    虽然如此,未来几年内制造如此复杂的系统或许是可能的。在2002年,TI它也开发了DLP技术申请了一种在硅片上有效地“生长”出来的数字扬声器阵列的专利。TI的“半导体数字音箱阵列”采用一种三明治结构,由两层导电的隔膜组成,在两者之间的空气形成了一个腔。那种方法能降低制造成本,基于那种方法设计的数字音箱有了一个好到足以实现商业化的商业案例,接下来有机会对其进行改进。
    目前进展如何?
    数字音箱的概念在30年以前就出现了。那么,显然问题就是“为什么今天它们都没有商业化呢?”
   “根据实现方案,还存在若干技术障碍,”Salvatti说,“例如,在分段电机中,你需要使所有的组件严格地是2的倍数,因为误差是累计的。然而,在阵列中,情况不是这样,因为误差是独立的。然而,接着的问题就是把大量的驱动器连线起来,并确保它们当中任何一个都不能出问题。”
    此外,挑战在于精神状态:在AV和其它高科技行业中,如计算机、电路和软件都已经快速且呈指数形式发展。那就引发了人们期望机械器件也能够以类似的速度得到改进。然而,那是不可能的,这是TI在其专利申请中指出的,目的在于解释它如何对其半导体数字音箱阵列来选择设计。
   “创新机械器件所面临的挑战要大得多,”Kantor表示,“物理系统不像电系统那么容易升级。要让一束机械/声学器件无缝地一起工作,达到20比特的精度,那是不可能的。那是你在高保真换能器中所需要的最小动态范围,它必须大于它将再生的媒体,如果你想要你的音量控制工作的话。”
    数字音箱还必须跨越若干非技术的障碍,包括可能限制其市场潜力的第一代产品的价格贴水。
   “商业化面临的最大问题是成本/受益,”Salvatti,“几年以前,人们就设计出了可以工作的原型,并且呈现给音频工程社群,但是,一般地说,它们仅仅是科学实验。现实情况是标准扬声器的所有缺点像功率处理和方向性控制仍然存在,除非现在你在它顶上具有‘迈向数字化’的额外的复杂性。”
    眼下想的是小型化
    那就提出了一个相当显而易见的问题:数字音箱能否解决现有技术无法解决的现实问题?或者,他们是出于研发的兴趣而研发吗?
   “我愿意把现有的数字音箱的特性明确地描述为科学项目,而不是开发项目,”Salvatti说,“在过去的3年左右的时间中,一直有非常有限但持续的研究,在音频工程协会的大会上提交了几篇论文。”
    这样看来,尽管目前在数字音箱上的研发是研究重于开发,但是,那个层次的活动暗示各种设计当中最终有一些将转化为商用产品。但是,最初的数字音箱或许并不是瞄准专业AV市场,主要是因为第一代产品在功率与重量比方面存在不足。
    “对于现有的尺寸、重量、复杂性和成本而言,你所获得的声学输出量将很可能是没有意义的,”Salvatti说,“我预测很可能一种小型的消费电子设备像蜂窝电话或PDA首先采用数字音箱技术。”

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