تاريخ موجز لبواعث الصوت الرقمية أو لماذا ما زلنا نستخدم مكبرات الصوت التناظرية

لأكثر من قرن ، كان النوع الأكثر شيوعًا من محول الصوت هو مكبرات الصوت الديناميكية. يتم استخدام مكبرات الصوت التناظرية التقليدية في كل مكان. وهي تظل الجهاز التناظري الأخير في مسار إعادة إنتاج الصوت المألوف لدى الشخص الحديث. ولكن إذا تم اكتشاف مكبرات صوت ديناميكية تناظرية من قبل علماء الآثار من بعض الحضارات في المستقبل البعيد ، فمن المحتمل أن يتجادلوا حول سبب حاجة أجدادهم لمثل هذه الأجهزة غير المنطقية للتدفئة. يحول مكبر الصوت معظم الطاقة إلى حرارة وهذه ليست مشكلتها الوحيدة.







في الوقت نفسه ، تم إنتاج أجهزة بث رقمية من أنواع مختلفة بكميات محدودة لفترة طويلة. هذه الأخيرة غير معروفة لمجموعة كبيرة من المستهلكين ، وهي غالية الثمن ونادرًا ما تستخدم. علاوة على ذلك ، تاريخ موجز لبواعث الصوت الرقمية ، والأجهزة التي تم استخدامها وتطبيقها ، وكذلك اعتبارات حول آفاقها.

الشروط المسبقة للظهور

منذ منتصف العشرينات ، ظلت الهيمنة غير المقسمة في الصوتيات الكهربائية مع مكبر الصوت الديناميكي الكهربي ، في أشكاله المختلفة. لم تستطع الإلكتروستات ، التي أحرقت في البداية بشكل كبير ، مما عطل جلسات الأفلام الصوتية الأولى في الثلاثينيات ، ثم أصبحت ببساطة باهظة الثمن ، أن تحل محلها. لا الأيونوفونات ، التي لا يمكنها التكاثر الكافي للترددات المنخفضة. لا بواعث كهرضغطية ، والتي لم تستطع الصمود أمام المنافسة بسبب نطاق ترددها الصغير.





ملف محترق لمكبر الصوت



في الوقت نفسه ، بالكاد يمكن وصف مكبرات الصوت بالحل المثالي تقنيًا. لذلك ، بالنسبة إلى مكبرات الصوت ، فإن درجة حرارة الملف التي تبلغ 100 درجة مئوية ليست حدًا ، نادرًا ما تتجاوز الكفاءة لهذا السبب 1 ٪ ، ويمكن أن تتجاوز درجة حرارة الملف للسائقين للسائقين الديناميكيين بسهولة 150 وحتى 200 درجة عند العمل في الطاقة المقدرة. يتطلب التشويه ، سواء التردد أو غير الخطي ، تصحيحًا أو تقنيات يمكنها تقليلها بشكل كبير. تحدث قصة مماثلة مع خاصية انتقالية ، والتي في الحلول باهظة الثمن تجعلنا نطارد باستمرار نطاق تردد كبير ، والذي من الأفضل أن يذهب أبعد بكثير من الطيف الذي تسمعه الأذن البشرية.



ولكن ، على الرغم من جميع أوجه القصور في المتحدث ، كان هو الذي أصبح الأكثر طلبًا من حيث مجموعة المزايا. في الوقت نفسه ، لم يتوقف الباحثون الدؤوبون عن البحث عن شيء أكثر إنتاجية وكفاءة في استخدام الطاقة وأكثر قابلية للإدارة. بدأ المهندسون في البحث عن طريقة لتحويل إشارة رقمية إلى صوت مباشرة ، دون استخدام DAC.





تجارب صوتية بواسطة Bell Labs في عشرينيات القرن العشرين



من الناحية النظرية ، تم وصف مكبرات الصوت الرقمية لأول مرة بواسطة Bell Labs في العشرينيات. كان مبدأهم بسيطًا بما فيه الكفاية. يتحكم البت الأقل أهمية في السماعة ، حيث تقوم القيمة "1" بدفعها بأقصى سعة ، وتوقف القيمة "0" الإشارة تمامًا. علاوة على ذلك ، ضاعف البت الأقل أهمية منطقة الإشعاع الأولية ، وضاعف البت التالي مساحته ، وما إلى ذلك ، وفقًا لعدد البتات. في عشرينيات القرن العشرين ، لم تكن هناك حاجة ملحة لهذا النوع من تحويل الإشارات الرقمية إلى صوت ، ومن الناحية النظرية ، كان العمل على الطاولة لسنوات عديدة.

مكبر صوت الهاتف

في الإصدارات الأولى ، كانت منطقة البث في البت التالي متحدة المركز حول مقطع البت السابق ، ولكن هذه القاعدة غير مطلوبة. تم تطبيق النظرية لأول مرة في عام 1980. أصبح Bell Lab أيضًا المطور. كان قطبًا على شكل قرص تم تثبيت غشاء رقيق عليه. تم تقسيم القطب إلى أجزاء معزولة ، مع نسبة المساحة الموصوفة أعلاه لعدد التصريفات 4.3 ، 2.1 ، 0. تم تحريك الأجزاء بإشارة رقمية مستطيلة ، وفقًا لقيمتها.



بالنسبة للاتصالات الهاتفية ، كانت دقة الاستنساخ كافية ، ولكن هذا المبرد لم يكن مناسبًا لاستنساخ الموسيقى. والحقيقة هي أنه للحصول على حجم كافٍ ، كانت مساحة الباعث المقابل في عامل شكل نظام السماعات كبيرة بشكل غير مقبول. كانت تشوهات التحويل أيضًا مشكلة ، والتي يمكن التخلص منها في DACs الكلاسيكية باستخدام الفلاتر. ولكن في أجهزة البث الرقمية ، يكون استخدامها مستحيلاً ، لأن التحويل يحدث بشكل مباشر وهم هم الرابط النهائي في التكاثر.

التجارب اليابانية

كانت الخطوة التالية في تطوير بواعث الصوت الرقمية هي إنشاء مكبرات صوت رقمية كهربية وكهرضغطية بواسطة سوني. لم يكن مبدأ التشغيل مختلفًا تمامًا عن ذلك المستخدم في Bell Lab ، لكن التصميم كان مختلفًا. كانت أقطاب هذه البواعث عبارة عن أقسام متحدة المركز بمساحة متساوية. تم توصيل الأقسام في مجموعات ، ويعتمد عدد المجموعات على قدرة الباعث.



تم اقتراح طريقة مختلفة بشكل أساسي لتقسيم أقسام مكبر الصوت الرقمي من قبل المهندسين في شركة ماتسوشيتا الكتريك (اليوم شركة باناسونيك). في براءات الاختراع ، والتي تملكها الشركة اليوم ، يُقترح دمج الأجزاء التي تصدر الصوت في مجموعات ، وفقًا لمعامل الوزن للتفريغ.



لم يتم تطوير أي من التطورات الموضحة في القسم بسبب تكلفة الإنتاج والتشوهات العالية وقابلية التصنيع المنخفضة والمشكلات المحددة الأخرى لتكنولوجيا الأطفال حديثي الولادة.

مكبرات الصوت الرقمية

بدأت محاولات إنشاء باعث رقمي ديناميكي كهربائي على الفور تقريبًا بعد ظهور مكبرات صوت بيزو وإلكتريت من هذا النوع. كانت مشاكل هذا الأخير في نطاق تردد ضيق ونوع من استجابة التردد ، والتي لم تسمح باستخدامها بشكل فعال في أي مكان ، باستثناء أجهزة الاتصال لإعادة إنتاج أقسام الصوت و HF من السماعة.





بالاعتماد على براءة اختراع من Philips



، بدأت Philips و Sony في إجراء تجارب على إنشاء مكبر صوت رقمي في عام 1982. كان المبدأ هو أن عدد الملفات في الباعث يزداد ، في حين أن عدد الأقسام يتوافق مع السعة. وكانت النتيجة هي براءة اختراع Philips # 4612420 ، قبل فترة وجيزة من تسجيلها في اليابان رقم 58-31699 ، مما يدل على تصميم مكبر صوت رقمي مماثل.

يمكن اعتبار السماعة الرقمية متعددة الملفات واحدة من المتغيرات الأطول عمرا للسائق الرقمي. يعود آخر ذكر لتطور مماثل إلى عام 2000 ، عندما تم تطبيق مبدأ مماثل من قبل B&W ، الرائد في تطوير عشاق الموسيقى.

بواعث بيزو الجامعة

بالإضافة إلى شركات الإلكترونيات ، تم تطوير موضوع الباعث الرقمي بنشاط في الجامعات. ركزت مجموعة من العلماء من جامعة شينزو في ناغانو جهودهم في التسعينات على مكبرات الصوت الرقمية الكهروإجهادية. لقد حصلوا على أول نتيجة لهم في عام 1993 ، وبحلول عام 1999 أظهروا باعثًا مصممًا لإشارة 16 بت بمعدل أخذ عينات يبلغ 48 كيلوهرتز.

يمكننا القول أن هذا التطور كان أول باعث رقمي ، وكانت خصائصه كافية للاستخدام المحدود للوسائط المتعددة. كانت خصائص الجهاز كما يلي:

• نطاق التردد: 40-10000 هرتز ؛
• استجابة التردد غير متساوية ضمن 4dB.
• THD 3.5٪ عند 50 هرتز و 0.1٪ عند 10000 هرتز
• الحساسية 84 ديسيبل

كانت ضوضاء التكمية وغيرها من القطع الأثرية من هذا النوع من التحويل الرقمي إلى التناظري المرتبط بعمق منخفض منخفض في مثل هذه البواعث قوية بما يكفي للتحدث عن أي دقة عالية. كان من الواضح أن مكبرات الصوت من هذا النوع يمكن استخدامها في أجهزة الوسائط المتعددة فقط إلى حد محدود ، بشكل رئيسي للاتصال والإعلام الصوتي ، ولكن ليس لإعادة إنتاج الموسيقى عالية الجودة.

شبكة برايتون أو خوارزمية هلسنكي

طبق العلماء البريطانيون الأكثر تميزا مبدأ جديد في الأساس. طورت مجموعة من الباحثين من جامعة برايتون ، بدعم مالي من B&W ، متحدثًا لم يحاولوا فيه حشر الباعث الرقمي في مبيت واحد ، ولكن قدموه في شكل مجموعة موزعة من العديد من بواعث ديناميكية فردية تم دمجها في مجموعات وفقًا لتفريغ الإشارة. وهكذا ، تم فتح اتجاهين لتطوير مكبرات الصوت الرقمية. الأول هو زيادة بتات التكمية ، مما يجعل من الممكن تقليل الضوضاء ، والثاني هو تصحيح الإشارة للتعويض عن تشوهات البواعث الديناميكية (أو الأخرى).



ولّد إنشاء نوع جديد من الباعث الرقمي اهتمامًا شديدًا بالمجتمع الأكاديمي. ونتيجة لذلك ، أنشأت الشركة الفنلندية Audio Signal Processing Espoo وجامعة هلسنكي خوارزمية تعمل على تحسين تشغيل شبكة برايتون المقطعية. جعلت الخوارزمية من الممكن محاذاة الطور والسعة في الطيف الكامل للترددات القابلة للتكرار. ظهرت الخوارزمية أيضًا في عام 2000.

جهاز عرض الصوت الرقمي

تم استخدام التطورات المذكورة أعلاه بواسطة 1..limited لإنشاء جهاز عرض الصوت الرقمي ، وهو جهاز تم تقديمه في عام 2002. يمكننا القول أن هذا هو أول منتج كامل في تاريخ الصوتيات الكهربائية يستخدم باعثًا رقميًا لتشغيل الموسيقى بدقة عالية.







شاركت شركات تصنيع المعالجات الدقيقة ARM Ltd ، و Cambridge Display Technology ، وهي شركة علمية متعددة التخصصات ، و Analog Devices ، وهي شركة تصنيع شرائح ، في إنشاء جهاز العرض الصوتي الرقمي. في وقت لاحق ، واصلت بايونير الإنتاج على نطاق صغير للمنتج.



استخدم الجهاز 256 بواعث صغيرة ، كل منها ينتج نبضة واحدة. مثل وحدات البكسل الموجودة على الشاشة ، قام النظام بتجميع صورة كبيرة من العديد من الإشارات. يتحكم المعالج ، وفقًا للخوارزمية الفنلندية ، في معلمات التشغيل ويقوم بإزالة الضوضاء وتعويض التشويه. أخذت عملية التعويض في الاعتبار كل من القطع الأثرية فك التشفير والتداخل الموجي من بواعث مختلفة.







كان أحد الإنجازات الهامة هو الكفاءة ، التي وصلت إلى 10 ٪ ، والتي تجاوزت بشكل كبير قيم المتحدثين التناظريين الكلاسيكيين. كما قلل مبدأ الإشعاع الرقمي المحكم الموزع بشكل كبير من التشوه التوافقي والتشكيل البيني. ربما كان العيب الأبرز والواضح للنظام هو تعقيده ، وقابليته التصنيعية المنخفضة ، وبالتالي ارتفاع تكلفته. في بداية العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، لم يكن العالم مستعدًا لقبول شيء معقد للغاية ، ومن الواضح أنه لم يكن مستعدًا للقبول حتى الآن. المشاكل الملموسة في شكل التعقيد والتكلفة لم تجعل تقنية صريف الإنتاج بكميات كبيرة ودفنها في مقبرة الأفكار الفاشلة.

مرحلة التطور الحديثة

على الرغم من الصعوبات الواضحة ، تلقت تكنولوجيا الإشعاع الرقمي تطوراً غير متوقع. لذلك في عام 2015 ، تم الإعلان عن إنشاء باعث MEMS ، والذي يعتمد على هيكل مكمل أشباه الموصلات من أكسيد الفلز (CMOS). لقد اعتدنا على ميكروفونات MEMS ومقاييس تسارع MEMS ، والآن حان دور مكبرات الصوت.





أعلنت شركة Audio Pixels عن إنشاء بواعث MEMS ، والتي قالت إنها على وشك إنشاء بواعث رقمية يمكنها التفوق على مكبرات الصوت التناظرية. المحددات هي السعة الصغيرة ، وكذلك الحد من نطاق التردد المنخفض ، الذي يواجهه معظم المبتكرين في مجال محولات الصوت.







مثال آخر على استخدام أجهزة البث الرقمية هي سماعات Audio-Technica ATH-DSR9BT ، والتي تكون خالية من DAC المعتادة ومجهزة بمكبرات صوت رقمية Pure Drive. لا تكشف الشركة المصنعة عن جوهر التكنولوجيا بالتفصيل ، ومع ذلك ، من خلال المعلومات المتاحة ، هذا هو تناسخ مكبر الصوت الرقمي مع العديد من الملفات ، ومع ذلك ، على عكس بواعث Philips في منتصف الثمانينيات ، يعمل Pure Digital Drive مع إشارة متعددة البتات.







لا أعرف كيف يتم حل مشكلات الإشعاع بالموجات فوق الصوتية ، وضجيج التكميم ، وكذلك تصحيح التشوهات التي تحدثها الأجزاء الميكانيكية للجهاز. ولكن ، بحكم حقيقة أن الجهاز يتم وضعه كرائد لاسلكي للشركة ، هناك احتمال أن يكون الحل فعالًا. من المعروف أيضًا أن المتحدث تم إنشاؤه بالشراكة مع Trigence Semiconductor.

التناظرية الدافئة المستقبل القريب

سأحاول أن ألعب وانغ الجدة وتلخيص كل ما سبق. أمل الإشعاع الرقمي هو MEMS ، ولكن له قيود مادية هائلة ستحد من استخدامها إلى عامل شكل يمكن ارتداؤه في الغالب. مشكلة أخرى هي سرعة تطوير تقنيات MEMS التي تضع الخطط ، مثل المزاح بين المطورين ، في "سنوات الكلاب" ، أي حيث تحتاج الصناعات الأخرى بشكل مشروط إلى عام ، ستستغرق MEMS سبع سنوات.



قضية أخرى هي التكلفة. وإلى أن تنمو قابلية التصنيع ، لن تنخفض التكلفة ، ولن تنمو بسرعة بسبب السرعة المذكورة بالفعل لتطوير MEMS. كانت البساطة والتكتم في إنتاج المتحدثين مغرمين جدًا بالمصنعين لدرجة أنه من أجل تغييرها لشيء ما ، هناك حاجة إلى حجج جيدة جدًا ، ومن الواضح أن زيادة الكفاءة ليست واحدة منها. لذلك ، لا داعي للقلق من أنصار التقنية القديمة وغيرها من عشاق الصوتيات "steampunk". بالطبع ، لن تعود مكبرات الصوت الأنبوبية بعد الفينيل المنبعث ، ولكن ستعيش مكبرات الصوت التناظرية الحارة وحتى الساخنة (بالمعنى الحرفي) عشر أو عامين آخرين. لسوء الحظ ، فإن مصير مكبرات الصوت الرقمية اليوم لا يزال باهظ الثمن نسبيًا للمنتجات التجريبية والبحوث العلمية.