مكبر صوت رقمي

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تُعدّ مكبرات الصوت الرقمية أو أنظمة إعادة بناء الصوت الرقمي ( DSR ) شكلاً من أشكال تكنولوجيا مكبرات الصوت . ويجب عدم الخلط بينها وبين التنسيقات والمعالجات الرقمية الحديثة، فهي لا تزال في طور التطور لتصبح تكنولوجيا ناضجة ، على الرغم من إجراء تجارب مكثفة عليها من قبل مختبرات بيل منذ عشرينيات القرن الماضي، إلا أنها لم تُطرح كمنتجات تجارية. [ 1 ]

مبدأ التشغيل

يُشغّل البت الأقل أهمية مُشغّل مكبر صوت صغير ، بغض النظر عن تصميمه؛ فقيمة "1" تُشغّل هذا المُشغّل بكامل طاقته، بينما قيمة "0" تُطفئه. هذا يُتيح كفاءة عالية للمُضخّم، الذي إما أن يمرر تيارًا صفريًا، أو يُخفّض جهد الخرج بمقدار صفر فولت، وبالتالي، نظريًا، لا يُبدّد المُضخّم أي طاقة على شكل حرارة. يُشغّل البت الأقل أهمية التالي مكبر صوت ضعف مساحة مكبر الصوت السابق (غالبًا، ولكن ليس بالضرورة، حلقة حول مكبر الصوت السابق)، إما بكامل طاقته أو يُطفئه. يُشغّل البت الأقل أهمية التالي مكبر صوت ضعف هذه المساحة، وهكذا.

توجد طرق أخرى ممكنة. على سبيل المثال، بدلاً من مضاعفة مساحة الجزء التالي الأكثر أهمية من غشاء مكبر الصوت، يمكن ببساطة تحريكه بحيث يقطع مسافة ضعف المسافة. وسيظل مبدأ التشغيل الرقمي ومزايا كفاءة مكبر الصوت المصاحبة له قائمين.

مع ظهور محولات طاقة أصغر حجمًا باستخدام عمليات تصنيع مثل CMOS و MEMS ، أصبح من الأساليب العملية إنشاء مصفوفة من مكبرات الصوت، تُعرف باسم مصفوفة مكبرات الصوت الرقمية (DLA) أو مصفوفة محولات الطاقة الرقمية (DTA). يُمثل البت الأقل أهمية بمحول طاقة واحد، ويتضاعف عدد المحولات للبت الأقل أهمية التالي. تتكون مصفوفة مكبرات الصوت ذات n بت من 2^ n -1 محول طاقة، وتحتوي البتات m في هذه المصفوفة على 2 ^m-1 محول طاقة. [ 2 ] تعمل المصفوفة بأكملها بشكل أساسي كمحول رقمي تناظري (DAC) مُشفّر حراريًا، قادر على فك تشفير إشارة PCM بنفس عدد بتات المصفوفة إلى موجة صوتية. [ 3 ] يُعد تجميع البتات أو ترميز PWM من الطرق الممكنة لفك تشفير إشارة دلتا-سيجما أحادية البت، مثل DSD . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

مشاكل

على الرغم من أن مكبرات الصوت الرقمية يمكن أن تعمل، إلا أن هناك العديد من المشاكل في هذا التصميم تجعله غير عملي لأي استخدامات عادية في الوقت الحالي.

مقاس

بالنسبة لعدد البتات المطلوبة لإعادة إنتاج صوت عالي الجودة، يصبح حجم النظام كبيرًا بشكل غير عملي. على سبيل المثال، بالنسبة لنظام 16 بت بنفس عمق البت لمعيار قرص الصوت المضغوط 16 بت ، فإن البدء بمحرك 0.5 سم²  لأقل بت أهمية سيتطلب مساحة إجمالية لمصفوفة المحركات تبلغ 32000 سم² ، أو أكثر من 34 قدمًا مربعًا (3.2 متر مربع ) . 

مخرجات الموجات فوق الصوتية

لكي يعمل الجهاز بشكل صحيح، يجب أن تعمل جميع عناصر الغشاء بشكل سليم عند تردد الساعة. يختلف استجابة التردد الطبيعي للعناصر المختلفة باختلاف أحجامها. ينتج عن ذلك محول رقمي تناظري (DAC) حيث تتميز البتات المختلفة بخصائص تمرير نطاق مختلفة. ومن المتوقع حدوث أخطاء كبيرة قصيرة المدى.

بما أن هذا النظام يحوّل الإشارة الرقمية إلى إشارة تناظرية، فإن تأثير التداخل الصوتي أمر لا مفر منه، بحيث ينعكس خرج الصوت بنفس السعة في مجال التردد ، على الجانب الآخر من تردد أخذ العينات . أحد الحلول هو زيادة تردد عناصر التحويل، وإضافة مرشح رقمي ، ثم استخدام مرشح تمرير منخفض صوتي.

حتى مع الأخذ في الاعتبار الكفاءة المنخفضة للغاية لمكبرات الصوت عند هذه الترددات العالية، كانت النتيجة هي توليد مستوى عالٍ بشكل غير مقبول من الموجات فوق الصوتية المصاحبة للإخراج المطلوب.

في عملية التحويل الإلكتروني من رقمي إلى تناظري ، يُعالج هذا الأمر باستخدام مرشحات تمرير الترددات المنخفضة لإزالة الترددات العليا غير المرغوب فيها. وبما أن هذه الترددات تُزال من الإشارة الكهربائية، فإنها لا تصل إلى مكبر الصوت، وبالتالي لا تتولد موجات فوق صوتية.

مع ذلك، فإن الترشيح الإلكتروني عاجزٌ بطبيعته عن حل هذه المشكلة مع مكبرات الصوت الرقمية. إذ يجب أن تعمل عناصر مكبر الصوت بترددات فوق صوتية لتجنب إدخال تشويشات مسموعة (بمستويات عالية)، وهذا يعني أن الموجات فوق الصوتية أمرٌ لا مفر منه. تستطيع الإلكترونيات ترشيح الإشارات الكهربائية، لكنها لا تستطيع إزالة الترددات فوق الصوتية الموجودة أصلاً في الهواء.

كفاءة

على الرغم من أن كفاءة المضخم جيدة في هذا النظام، إلا أن مكبرات الصوت ذات الملف المتحرك تعمل بكفاءة منخفضة نسبيًا في نطاق الترددات فوق الصوتية. وبالتالي، فإن الهدف الأصلي لهذه الطريقة يُفقد.

يكلف

إن العدد الكبير من مكبرات الصوت في المجموعة، والعدد الكبير بنفس القدر من قنوات مكبر الصوت لتشغيلها، يجعل النظام باهظ الثمن.

التحسينات

هناك طرق لمعالجة المشكلات المذكورة أعلاه، لكن لا تؤدي أي منها إلى نظام تنافسي أو حتى خالٍ من المشكلات.

مقاس

يمكن تصغير حجم النظام بسهولة باستخدام أقل من 16 بت. مع استخدام أقل بتة ذات حجم 0.5 سم²  ، تكون أحجام النظام كالتالي:

  • 8 بت: مساحة المصفوفة الإجمالية 128  سم مربع ، أو 11.3  سم × 11.3  سم (حوالي 4.5  بوصة × 4.5  بوصة)
  • 10 بت: حجم المصفوفة 22.6  سم × 22.6 سم. 

يمكن استيعاب عدد أكبر من البتات في مساحة محددة عن طريق تغيير مسافة رمي العناصر المختلفة ومساحتها. وهذا يُحقق زيادة في المساحة بمقدار عشرة أضعاف أو أكثر لعمق بت مُحدد . فعلى سبيل المثال، يُمكن وضع مصفوفة من 13 بت في قدم مربع واحد، أو مصفوفة من 16 بت في 4 أقدام مربعة (0.37 متر مربع ) . 

الموجات فوق الصوتية

يمكن استخدام غشاء هوائي سلبي مُركّب فوق مجموعة المحركات الرقمية كمرشح تمرير منخفض ميكانيكي. مع ذلك، يستحيل الحصول على قطع تردد حاد، لذا ستظل هناك موجات فوق صوتية ملحوظة. قد يُحسّن استخدام أغشية سلبية متعددة من هذه المشكلة، لكنه لن يُزيل الموجات فوق الصوتية تمامًا، بل سيزيد من تكلفة النظام العالية وتعقيده.

مشاكل مستعصية

إن التعقيد وبالتالي التكلفة مرتفعان مقارنة بمكبرات الصوت القياسية ذات الملف المتحرك.

تكون كفاءة مكبرات الصوت التي تعمل بترددات فوق صوتية منخفضة، مما يلغي أي زيادة في كفاءة المضخم.

تتطلب مكبرات الصوت العملية إنتاج مستويات صوت عالية إلى حد ما من صناديق صغيرة نسبياً، وهو مزيج يصعب تحقيقه باستخدام مشغلات مكبرات الصوت فوق الصوتية.

إن الإزالة الكاملة لمخرجات الموجات فوق الصوتية أمر غير عملي.

يؤدي العدد الكبير من عناصر مكبرات الصوت ومضخمات الصوت المطلوبة إلى تقليل موثوقية النظام بشكل كبير

هناك أساليب أخرى أكثر حداثة لتحقيق كفاءة عالية، وخاصة تضخيم الفئة D ، تعمل بشكل أفضل بكثير وبتكلفة أقل بكثير من مكبرات الصوت الرقمية.

المستقبل

الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة

في السنوات الأخيرة، أُجريت أبحاثٌ حول موضوع بناء مصفوفات مكبرات الصوت الرقمية في أنظمة إعادة بناء الصوت الرقمي باستخدام الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS). [ 7 ] [ 8 ] يمكن تصنيع مصفوفات مكبرات الصوت الدقيقة بتقنية MEMS على شريحة باستخدام عملية CMOS . يتميز نظام الشريحة الواحدة باختلافات أقل بين كل وحدة فرعية مقارنةً بنظام متعدد الشرائح. وقد عرضت شركة أسترالية-إسرائيلية تُدعى Audiopixels مؤخرًا برهانًا على صحة المفهوم في غرفة نظيفة تابعة للشركة. يُظهر الصوت فعالية تقنية MEMS بعد سنوات عديدة من التطوير. [ 9 ] [ 7 ] تُقلل عملية CMOS-MEMS حجم كل وحدة فرعية إلى بضع مئات من الميكرومترات في القطر. [ 10 ]

مكبرات صوت يتم تسويقها على أنها رقمية

السماعات الحديثة التي تُسوّق على أنها "رقمية" هي في الواقع سماعات تناظرية، وفي معظم الحالات تُشغّل بواسطة مضخم صوت تناظري. يُعدّ الاستخدام الواسع لمصطلح "رقمي" مع السماعات حيلة تسويقية تهدف إلى الادعاء بملاءمة أفضل مع مصادر الصوت الرقمية (مثل تسجيلات MP3 )، أو الإيحاء بتقنية "أعلى" من بعض السماعات الأخرى، وربما سعر أعلى. عند الضغط عليهم، قد يدّعي المصنّعون أن المصطلح يعني أن المنتج "جاهز" للإدخال من مشغلات رقمية؛ وهذا ينطبق على جميع أنظمة السماعات تقريبًا.

توجد أيضًا نسبة قليلة من مكبرات الصوت التناظرية التي تعمل بمضخمات رقمية من الفئتين D و T ، على الرغم من أنها لا تُستخدم عادةً في مكبرات صوت الكمبيوتر المنفصلة أو أنظمة الاستريو المنزلية. وهي شائعة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، حيث يُبرر ارتفاع سعرها بتوفير طاقة البطارية. ومع ذلك، تظل مكبرات الصوت في هذه الأجهزة تناظرية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "مكبرات الصوت الرقمية" . تبادل المتحدثين . 11 أبريل 2010. مؤرشف من الأصل في 19 يونيو 2012. تم الاسترجاع في 1 مايو 2012 .
  2. ↑ دايموند، بي إم؛ نيومان، جيه جيه؛ غابرييل، كيه جيه (2003). "إعادة بناء الصوت الرقمي باستخدام مصفوفات من مكبرات الصوت الدقيقة CMOS-MEMS". TRANSDUCERS '03. المؤتمر الدولي الثاني عشر لأجهزة الاستشعار والمحركات والأنظمة الدقيقة ذات الحالة الصلبة. ملخص الأوراق التقنية (رقم التصنيف 03TH8664) . المجلد 1. IEEE. الصفحات 238-241 . doi : 10.1109/sensor.2003.1215297 . ISBN   0-7803-7731-1.
  3. ↑ هوكسفورد، مالكولم جون (1 يونيو 2004). "مصفوفات مكبرات الصوت الرقمية الذكية (ملف PDF متاح للتنزيل)" . مجلة جمعية هندسة الصوت . الرقم الدولي الموحد للدوريات 1549-4950 . تاريخ الاسترجاع: 15 يناير 2018 . 
  4. ↑ تاتلاس، ألكسندر؛ مورجوبولوس، جون (1 يناير 2012). "مصفوفات مكبرات الصوت الرقمية التي تعمل بإشارات أحادية البت (ملف PDF متاح للتنزيل)" . ResearchGate . تاريخ الاسترجاع: 15 يناير 2018 .
  5. ↑ تاتلاس، ن. أ.؛ كونتوميكوس، فوتيوس؛ مورجوبولوس، جون (1 يناير 2009). "تصميم وأداء نموذج أولي لمصفوفة مكبرات صوت رقمية من نوع سيجما-دلتا (ملف PDF متاح للتنزيل)" . مجلة جمعية هندسة الصوت . 57 (1): 38-45 . ISSN 1549-4950 . تاريخ الاسترجاع: 15 يناير 2018 . 
  6. ↑ كونتوميكوس، فوتيوس؛ مورجوبولوس، جون؛ تاتلاس، نيكولاس-ألكسندر (1 مايو 2007). "تقنيات التشفير البديلة لمصفوفات مكبرات الصوت الرقمية" . AES . تم الاسترجاع في 15 يناير 2018 .
  7. 1 2 دايموند، بي إم؛ نيومان، جيه جيه؛ غابرييل، كيه جيه (2002). "إعادة بناء الصوت الرقمي باستخدام مصفوفات من مكبرات الصوت الدقيقة بتقنية CMOS-MEMS". الملخص الفني. المؤتمر الدولي الخامس عشر لأنظمة MEMS 2002 التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. المؤتمر الدولي الخامس عشر لأنظمة MEMS الكهروميكانيكية الدقيقة (رقم التصنيف 02CH37266) . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 292-295 . doi : 10.1109/memsys.2002.984260 . ISBN  0-7803-7185-2.
  8. ↑ أريفالو، أربيس؛ كونشوسو، د.؛ كاسترو، د.؛ جابر، ن.؛ يونس، م.إ.؛ فولز، إ.ج. (2015). "نحو جهاز MEMS لإعادة بناء الصوت الرقمي: توصيف مشغل كهرضغطية واحد قائم على PZT". المؤتمر الدولي العاشر لـ IEEE حول الأنظمة النانوية/الميكروية والجزيئية . IEEE. ص 290-295 . doi : 10.1109/nems.2015.7147429 . ISBN  978-1-4673-6695-3.
  9. ↑ "Audio Pixels Limited - Audio Pixels Limited" .
  10. ↑ كلاسكو، مايك (27 أغسطس 2015). "مكبرات الصوت الدقيقة بتقنية MEMS هي محولات رقمية حقيقية" . audioXpress . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يناير 2018 .