Alto-falante digital - Digital speaker
Os alto-falantes digitais ou o sistema Digital Sound Reconstruction (DSR) são uma forma de tecnologia de alto-falantes . Não devem ser confundidos com formatos e processamento digital modernos, eles ainda precisam ser desenvolvidos como uma tecnologia madura , tendo sido experimentados extensivamente pela Bell Labs já na década de 1920, mas não realizados como produtos comerciais.
Princípio da Operação
O bit menos significativo dirige um minúsculo driver de alto-falante , de qualquer design físico escolhido; um valor de "1" faz com que este driver seja acionado em amplitude total, um valor de "0" faz com que ele seja desligado. Isso permite alta eficiência no amplificador, que a qualquer momento está passando da corrente zero ou é obrigado a diminuir a tensão de saída em zero volts, portanto, em um amplificador ideal teórico, sem dissipar energia como calor a qualquer momento. O próximo bit menos significativo leva um alto-falante com o dobro da área (na maioria das vezes, mas não necessariamente, um anel ao redor do driver anterior), novamente para a amplitude total ou desliga. O próximo bit menos significativo aciona um alto-falante com o dobro dessa área e assim por diante.
Outras abordagens são possíveis. Por exemplo, em vez de dobrar a área do próximo segmento mais significativo do diafragma, ele poderia simplesmente ser acionado de forma que percorresse o dobro. O princípio digital de operação e os benefícios da eficiência do amplificador auxiliar permaneceriam.
Com o advento de transdutores menores usando processos de manufatura como CMOS - MEMS . Uma abordagem mais prática é construir um conjunto de alto-falantes, conhecido como Digital Loudspeaker Array (DLA) ou Digital Transducer Array (DTA). O bit menos significativo será representado por um único transdutor e a quantidade dobrará para o próximo bit menos significativo. A matrizes de altifalantes de n-bits será composta por 2 n -1 transdutores, e o m th bits de ditos arranjos conterá 2 m-1 transdutores. O array inteiro funciona basicamente como um DAC codificado por termômetro que pode decodificar o sinal PCM do mesmo número de bits que o array em onda sonora. O agrupamento de bits ou codificação PWM são formas potenciais de decodificar o sinal modulado delta-sigma de 1 bit , como o DSD .
Problemas
Embora os alto-falantes digitais possam funcionar, há vários problemas com esse design que o tornam impraticável para qualquer uso normal no momento.
Tamanho
Para o número de bits necessários para a reprodução de som de alta qualidade, o tamanho do sistema torna-se impraticávelmente grande. Por exemplo, para um sistema de 16 bits com a mesma profundidade de bits do padrão de CD de áudio de 16 bits , começar com um driver de 0,5 cm² para o bit menos significativo exigiria uma área total para a matriz de driver de 32.000 cm², ou mais de 34 pés quadrados (3,2 m²).
Saída ultrassônica
Para funcionar corretamente, todos os elementos individuais do diafragma teriam que operar de forma limpa na frequência do clock. A resposta de frequência natural dos vários elementos varia de acordo com seu tamanho. Isso cria um DAC onde os vários bits têm diferentes características de passagem de banda. Grandes erros de curto prazo podem ser esperados.
Uma vez que este sistema está convertendo o sinal digital em analógico, o efeito de aliasing é inevitável, de modo que a saída de áudio é "refletida" em igual amplitude no domínio da frequência, do outro lado da frequência de amostragem . Uma solução seria fazer um overclock dos elementos de conversão, introduzir um filtro digital e segui-los com um filtro passa-baixo acústico.
Mesmo levando em conta a eficiência muito mais baixa dos drivers de alto-falante em tais frequências altas, o resultado foi gerar um nível inaceitavelmente alto de ultrassom acompanhando a saída desejada.
Na conversão digital eletrônica para analógica , isso é resolvido pelo uso de filtros passa-baixa para eliminar as frequências superiores espúrias produzidas. Uma vez que essas frequências são eliminadas no sinal elétrico, elas não são passadas para o alto-falante e, portanto, ondas ultrassônicas não são geradas.
No entanto, a filtragem eletrônica é inerentemente incapaz de resolver esse problema com o alto-falante digital. Os elementos do alto-falante devem operar ultrassonicamente para evitar a introdução de (altos níveis de) artefatos audíveis, e isso significa que as ondas ultrassônicas são inevitáveis. A eletrônica pode filtrar os sinais elétricos, mas não pode remover as frequências ultrassônicas que já estão no ar.
Eficiência
Embora a eficiência do amplificador seja boa com este sistema, os alto-falantes com bobina móvel operam com eficiência relativamente baixa na região da frequência ultrassônica. Assim, o objetivo original do método é derrotado.
Custo
O grande número de drivers de alto-falante no conjunto e o número igualmente grande de canais de amplificador para acioná-los tornam o sistema caro.
Melhorias
Existem maneiras de lidar com os problemas acima, mas nenhum leva a um sistema competitivo ou mesmo livre de problemas.
Tamanho
O tamanho do sistema pode ser facilmente praticado usando menos de 16 bits. Com um LSB de 0,5 cm², os tamanhos do sistema são:
- 8 bits: área total da matriz de 128 cm² ou 11,3 cm x 11,3 cm (apx 4,5 polegadas x 4,5 polegadas)
- 10 bits: tamanho da matriz de 22,6 cm x 22,6 cm.
Um número maior de bits pode ser acomodado em um determinado espaço variando o lançamento dos diferentes elementos, bem como sua área. Isso pode atingir uma magnitude ou mais de melhoria de área para uma determinada profundidade de bit . Pode-se encaixar uma matriz de 13 bits em um pé quadrado, ou uma matriz de 16 bits em 4 pés quadrados (0,37 m 2 ).
Ultrassônico
Um diafragma acoplado a ar passivo instalado sobre o conjunto de drivers digitais pode atuar como um filtro passa-baixo mecânico. No entanto, um corte de frequência nítido é impossível, portanto, ultrassônicos significativos ainda estariam presentes. Vários diafragmas passivos poderiam melhorar isso, mas nunca removeriam todos os ultrassônicos e apenas aumentariam o já alto custo e complexidade do sistema.
Problemas intratáveis
A complexidade e, portanto, o custo são altos em comparação com os alto-falantes de bobina móvel padrão.
A eficiência dos alto-falantes operados em frequências ultrassônicas é baixa, eliminando qualquer ganho de eficiência no amplificador.
Alto-falantes práticos exigem produção de volumes bastante altos em gabinetes bastante pequenos, uma combinação que é difícil de conseguir usando drivers de alto-falantes ultrassônicos.
A remoção completa da saída ultrassônica é impraticável.
O grande número de elementos de alto-falante e amplificador necessários reduz a confiabilidade do sistema significativamente
Outras abordagens mais modernas para alta eficiência, particularmente amplificação classe D , funcionam muito melhor e a um custo muito menor do que os alto-falantes digitais.
Desenvolvimento futuro
Sistemas microeletromecânicos
Nos últimos anos, tem havido pesquisas sobre o tema da construção de matrizes de alto-falantes digitais em sistema de Reconstrução de Som Digital utilizando Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) . Matrizes de micro-alto-falantes MEMS podem ser fabricadas em um chip usando um processo CMOS . Um sistema de chip único terá menos variações entre cada subunidade em comparação com um sistema de vários chips. Uma empresa australiana-israelense chamada “Audiopixels” demonstrou recentemente uma prova de conceito na sala limpa da empresa. O áudio demonstra a eficácia da tecnologia MEMS após muitos anos de desenvolvimento. O processo CMOS-MEMS reduz o tamanho de cada subunidade para algumas centenas de μm de diâmetro.
Alto-falantes comercializados como digitais
Os alto-falantes modernos comercializados como 'digitais' são sempre alto-falantes analógicos, na maioria dos casos acionados por um amplificador analógico. O uso generalizado do termo 'digital' com alto-falantes é uma jogada de marketing destinada a reivindicar melhor adequação com material de origem 'digital' (por exemplo, gravações de MP3 ), ou imputar 'tecnologia superior' do que algum outro alto-falante, e talvez preço mais alto. Se pressionado, os fabricantes podem reivindicar que o termo significa que o produto está "pronto" para entrada de reprodutores digitais; isso é verdade essencialmente para todos os sistemas de alto-falantes.
Também há uma minoria de alto-falantes analógicos controlados por amplificadores digitais de Classe D e Classe T , embora eles não sejam normalmente encontrados em alto-falantes de computador separados ou sistemas estéreo domésticos. Isso é comum em laptops, onde seu custo mais alto é justificado pela economia de energia da bateria. Os alto-falantes desse tipo de equipamento ainda são analógicos.