Ao mesmo tempo, emissores digitais de vários tipos são produzidos em quantidades limitadas há muito tempo. Estes últimos são pouco conhecidos por uma ampla gama de consumidores, são caros e são usados relativamente raramente. Além disso, uma breve história dos emissores de som digital, os dispositivos em que foram usados e aplicados, bem como considerações sobre suas perspectivas.
Pré-requisitos para a aparência
Desde meados da década de 1920, o domínio indiviso da eletroacústica permaneceu com o alto-falante eletrodinâmico, em suas diversas variações. Nem os eletrostatos, que a princípio queimaram muito, interrompendo as sessões dos primeiros filmes sonoros nos anos 30 e depois se tornaram simplesmente fabulosamente caros, não puderam substituí-lo. Nem ionofones, que não são capazes de reproduzir adequadamente as baixas frequências. Nem emissores piezoelétricos, que não puderam suportar a concorrência devido à sua pequena faixa de frequência.
bobina queimada do alto-falante do subwoofer
Ao mesmo tempo, dificilmente os alto-falantes podem ser chamados de uma solução tecnicamente perfeita. Portanto, para os tweeters, a temperatura da bobina de 100 graus Celsius não é um limite, a eficiência por esse motivo raramente excede 1% e a temperatura da bobina dos drivers de graves de drivers dinâmicos pode facilmente exceder 150 e até 200 graus ao trabalhar com potência nominal. A distorção, tanto de frequência quanto não linear, requer correção ou tecnologias que possam reduzi-las significativamente. Uma história semelhante ocorre com a resposta transitória, que em soluções caras faz com que você busque constantemente uma grande faixa de frequência, que, idealmente, deve ir muito além do espectro audível para o ouvido humano.
Mas, apesar de todas as deficiências do orador, foi ele quem se tornou o mais exigido no conjunto de vantagens. Ao mesmo tempo, pesquisadores incansáveis não pararam de procurar algo mais produtivo, energeticamente eficiente e mais gerenciável. Os engenheiros começaram a procurar uma maneira de converter um sinal digital em som diretamente, sem usar um DAC.
Experimentos acústicos da Bell Labs na década de 1920
Em teoria, os alto-falantes digitais foram descritos pela primeira vez pelo Bell Labs na década de 1920. O princípio deles era bastante simples. O bit menos significativo controla o alto-falante, no qual um valor de "1" o conduz à amplitude máxima, um valor de "0" para de sinalizar completamente. Além disso, o bit menos significativo dobrou a área de radiação inicial, o próximo dobrou sua área etc. de acordo com o número de bits. Na década de 1920, não havia uma necessidade premente desse tipo de conversão de sinais digitais em som e, teoricamente, o trabalho permaneceu na mesa por muitos anos.
Bell Speaker
Nas versões anteriores, a área de emissão do próximo bit era concêntrica em torno do segmento do bit anterior, mas essa regra não é necessária. A teoria foi posta em prática pela primeira vez em 1980. O Bell Lab também se tornou o desenvolvedor. Era um eletrodo em forma de disco no qual uma membrana de filme fino foi fixada. O eletrodo foi dividido em segmentos isolados, com a taxa de área descrita acima, pelo número de descargas 4.3, 2.1.0. Os segmentos foram excitados com um sinal retangular digital, de acordo com seu valor.
Para as comunicações telefônicas, a fidelidade da reprodução era suficiente, mas esse radiador era inadequado para a reprodução de música. O fato é que, para obter volume suficiente, a área do radiador correspondente no fator de forma do sistema de alto-falantes era inaceitavelmente grande. Um problema também foi a distorção de conversão, que nos DACs clássicos pode ser eliminada usando filtros. Porém, nos emissores digitais, seu uso é impossível, uma vez que a conversão ocorre diretamente e eles são o elo final na reprodução.
Experimentos japoneses
O próximo passo no desenvolvimento de emissores de som digitais foi a criação de alto-falantes digitais eletreto e piezoelétricos pela SONY. O princípio de operação não era muito diferente do usado no Bell Lab, mas o design era diferente. Os eletrodos de tais emissores eram seções concêntricas com área igual. As seções foram conectadas em grupos, o número de grupos dependia da capacidade do emissor.
Um método fundamentalmente diferente de dividir seções de um alto-falante digital foi proposto por engenheiros da Matsushita Electric Corporation (hoje Panasonic Corporation). As patentes, que ainda são de propriedade da empresa, propuseram combinar os segmentos de emissão de som em grupos de acordo com o fator de ponderação da descarga.
Nenhum dos desenvolvimentos descritos na seção foi desenvolvido em vista do custo de produção, altas distorções, baixa adaptabilidade e outros problemas específicos da tecnologia do recém-nascido.
Alto-falantes digitais
As tentativas de criar um emissor digital eletrodinâmico começaram quase imediatamente após o aparecimento de alto-falantes piezo e eletreto desse tipo. Os problemas deste último consistiam em uma faixa de frequência estreita e um tipo de resposta de frequência, que não permitia que fossem efetivamente usados em qualquer lugar, exceto em dispositivos de comunicação para reproduzir seções de voz e HF do alto-falante.
um desenho de uma patente da Philips Philips
e Sony começaram a experimentar um alto-falante digital em 1982. O princípio era que o número de bobinas no emissor aumenta, enquanto o número de seções corresponde à capacidade. O resultado foi a patente Philips # 4612420 , pouco antes da registração no Japão # 58-31699, mostrando um design similar do alto-falante digital.
O alto-falante digital com várias bobinas pode ser considerado uma das variantes mais antigas de um driver digital. A última menção a um desenvolvimento semelhante remonta a 2000, quando um princípio semelhante foi aplicado pela B&W, a capitânia do desenvolvimento audiófilo.
Emissores piezo universitários
Além das empresas de eletrônicos, o tema do emissor digital foi desenvolvido ativamente nas universidades. Um grupo de cientistas da Universidade Shinzu, em Nagano, concentrou seus esforços nos anos 90 em alto-falantes digitais piezoelétricos. Eles obtiveram seu primeiro resultado em 1993 e, em 1999, mostraram um radiador projetado para um sinal de 16 bits com uma frequência de amostragem de 48 kHz.
Podemos dizer que esse desenvolvimento foi o primeiro emissor digital, cujas características foram suficientes para o uso limitado de multimídia. As características do dispositivo foram as seguintes:
- Faixa de frequência: 40-10000 Hz;
- Resposta de frequência desigual dentro de 4dB.
- THD 3,5% a 50 Hz e 0,1% a 10000 Hz
- Sensibilidade 84 dB
O ruído de quantização e outros artefatos desse tipo de conversão de digital para analógico associados à baixa profundidade de bits nesses emissores eram fortes o suficiente para falar de qualquer alta fidelidade. Era óbvio que os alto-falantes desse tipo podiam ser usados em dispositivos multimídia apenas em uma extensão limitada, principalmente para comunicação e notificação sonora, mas não para reprodução de música de alta qualidade.
Malha de Brighton ou algoritmo de Helsinque
Os cientistas britânicos mais memoráveis aplicaram um princípio fundamentalmente novo. Um grupo de pesquisadores da Universidade de Brighton, com o apoio financeiro da B&W, desenvolveu um AS no qual eles não tentavam colocar um emissor digital em um compartimento, mas o apresentavam como uma matriz distribuída de muitos emissores dinâmicos separados, que eram combinados em grupos de acordo com a descarga do sinal. Assim, foram abertas duas direções para o desenvolvimento de alto-falantes digitais. O primeiro é um aumento na profundidade do bit de quantização, o que tornou possível reduzir o ruído, e o segundo é uma correção de sinal para compensar distorções de emissores dinâmicos (ou outros).
A criação de um novo tipo de emissor digital gerou grande interesse na comunidade acadêmica. Como resultado, a empresa finlandesa Audio Signal Processing Espoo e a Universidade de Helsinque criaram um algoritmo que otimiza a operação do grill secional de Brighton. O algoritmo tornou possível equalizar a fase e a amplitude em todo o espectro de frequências reproduzíveis. O algoritmo também apareceu em 2000.
O projetor de som digital
Os desenvolvimentos acima foram usados pela 1..limited para criar o Digital Sound Projector, um dispositivo que foi introduzido em 2002. Podemos dizer que este é o primeiro produto completo na história da eletroacústica que usa um emissor digital para tocar música com alta fidelidade.
Os fabricantes de microprocessadores ARM Ltd, Cambridge Display Technology, uma empresa científica interdisciplinar e Analog Devices, um fabricante de chips, participaram da criação do The Digital Sound Projector. Mais tarde, a produção em pequena escala do produto foi continuada pela Pioneer.
O dispositivo usava 256 pequenos emissores, cada um dos quais reproduzia um único pulso. Como os pixels em um monitor, o sistema reúne uma imagem grande de muitos sinais. O processador, de acordo com o algoritmo finlandês, controlava os parâmetros de reprodução e executava eliminação de ruído e compensação de distorção. O processo de compensação levou em consideração os artefatos de decodificação e a interferência de ondas de vários emissores.
Uma das conquistas significativas foi a eficiência, que atingiu 10%, o que excedeu significativamente os valores dos alto-falantes analógicos clássicos. O princípio da radiação digital controlada distribuída também reduziu significativamente a distorção harmônica e de intermodulação. Talvez a desvantagem mais significativa e óbvia do sistema seja sua complexidade, baixa capacidade de fabricação e, consequentemente, alto custo. No início dos anos 2000, o mundo não estava pronto para aceitar algo tão complexo e, obviamente, não estava pronto para aceitar até agora. Problemas perceptíveis na forma de complexidade e custo não tornaram a tecnologia de grade produzida em massa e a enterraram no cemitério de idéias fracassadas.
Fase moderna de desenvolvimento
Apesar das dificuldades óbvias, a tecnologia de radiação digital se desenvolveu inesperadamente. Assim, em 2015, foi anunciada a criação de um emissor MEMS, baseado na estrutura complementar de metal-óxido-semicondutor (CMOS). Estamos acostumados a microfones MEMS e acelerômetros MEMS, chegou a vez dos alto-falantes.
A Audio Pixels anunciou a criação de emissores MEMS, que disseram estar próximos de criar emissores digitais que podem superar os alto-falantes analógicos. Limitadores são a pequena amplitude, bem como a limitação da faixa de baixa frequência, que a maioria dos inovadores no campo dos transdutores de som enfrenta.
Outro exemplo do uso de emissores digitais são os fones de ouvido Audio-Technica ATH-DSR9BT , que não possuem o DAC usual e estão equipados com alto-falantes digitais Pure Digital Drive. O fabricante não divulga a essência da tecnologia em detalhes; no entanto, a julgar pelas informações disponíveis, esta é a reencarnação de um alto-falante digital com muitas bobinas; no entanto, ao contrário dos emissores da Philips de meados dos anos 80, o Pure Digital Drive opera com um sinal de vários bits.
Não sei como são resolvidos os problemas de radiação ultrassônica, ruído de quantização e também a correção de distorções introduzidas pelas partes mecânicas do dispositivo. Mas, a julgar pelo fato de o dispositivo estar posicionado como um carro-chefe sem fio da empresa, existe a possibilidade de a solução ser eficaz. Sabe-se também que o palestrante foi criado em parceria com a Trigence Semiconductor.
Analógico quente futuro próximo
Vou tentar jogar a vovó Wang e resumir tudo isso acima. A esperança da radiação digital é MEMS, mas possui limitações físicas formidáveis que limitarão seu uso a um fator de forma predominantemente vestível. Outro problema é a velocidade do desenvolvimento das tecnologias MEMS, que fazem planos, como brincam entre os desenvolvedores, nos "anos do cão", ou seja, onde outras indústrias precisam condicionalmente de um ano, os MEMS levarão sete anos.
Outra questão é o custo. E até que a capacidade de fabricação cresça, o custo não diminuirá e não crescerá rapidamente devido à já mencionada velocidade do desenvolvimento de MEMS. A simplicidade e a reticência da produção de alto-falantes gostavam tanto dos fabricantes que, para trocá-los por algo, são necessários argumentos muito bons, e aumentar a eficiência claramente não é um deles. Portanto, os apoiadores do techno-arcaico e de outros "steampunk" audiófilos analógicos não precisam se preocupar. Os amplificadores valvulados, é claro, não retornarão depois do vinil ressuscitado, mas os falantes analógicos verdadeiros quentes e até quentes (no sentido literal) viverão mais dez ou dois anos. Infelizmente, hoje o destino dos alto-falantes digitais ainda é relativamente raro: produtos experimentais raros e pesquisas científicas.