POROVNÁNÍ RŮZNÝCH PRINCIPŮ ELEKTROAKUSTICKÉ PŘEMĚNY Z HLEDISKA VHODNOSTI PRO POUŽITÍ V DIGITÁLNÍM REPRODUKTORU Comparison of Various Electroacoustic Transducer Principles for Application in Digital Loudspeaker Libor Husník *
Abstrakt Principem digitálního reproduktoru, neboli přímé digitálně (elektrické) - analogové (akustické) přeměny, se prvně zabývaly články na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let dvacátého století. Byly provedeny první úvahy a experimenty, nicméně další nové informace se objevily až na konci devadesátých let, kdy bylo představeno několik dalších systémů. Z hlediska budoucnosti dalšího vývoje digitálních reproduktorů je vhodné porovnat jednotlivé principy elektroakustické přeměny z hlediska možnosti jejich použití v této oblasti.
Abstract Principles of the digital loudspeaker, or direct digital (electric) to analog (acoustic) conversion, were dealt with for the first time at the turn of the seventies and eighties of the 20th century when first thoughts and experiments were presented. Nevertheless some more information showed up no sooner than at the end of the nineties when several principles were introduced. In the light of the future development in the field of digital loudspeakers, comparison of individual electroacoustic transducer types in terms of their application convenience in digital loudspeakers is necessary.
Současný stav Principem digitálního reproduktoru, neboli přímé digitálně (elektrické) – analogové (akustické) přeměny, se prvně zabývaly články na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let minulého století [1]. Byly provedeny první úvahy a experimenty, nicméně další nové informace se objevily až na konci let devadesátých (např. [2]), kdy bylo představeno několik dalších systémů. Z hlediska budoucnosti dalšího vývoje digitálních reproduktorů má určitě význam posoudit vhodnost použitelnosti jednotlivých fyzikálních principů elektroakustických měničů pro tuto oblast, která zatím stále čeká na větší rozmach.
Požadavky na měniče dané principem Pod pojmem digitální reproduktor (DR) se rozumí princip elektroakustické přeměny, kdy se jednotlivé bity digitálního zvukového signálu přivedou na měniče, jejichž membrány mají aktivní plochy přímo úměrné váze jednotlivých bitů a počet těchto membrán je roven počtu bitů, nebo celkový počet měničů je součtem geometrické řady 1, 2, 4, 8…. Místo jedné akustické vlny, která je tvořena jedním měničem (nebo velmi malým počtem), se budí vln mnoho, v závislosti na počtu použitých bitů a jejich váhách. Akustické tlaky jednotlivých vln se pak v plynném prostředí skalárně sečtou, digitálně/analogový převod je tedy realizován pomocí superpozice vln. Jednotlivé měniče jsou tedy velmi úzce specializované z hlediska zpracovávaného signálu. To však má za důsledek velké nároky buď na počet měničů (u *
Libor Husník, České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, Technická 2, 166 27 Praha 6. tel: 02/24352115, fax: 02/33339801, e-mail:
[email protected]
38
desetibitového reproduktoru, který však z hlediska kvality není zdaleka optimální, by počet stejně velkých měničů musel být 2047, v případě použití váhovaných velikostí ploch membrán by poměr mezi plochou membrány příslušící nejvyššímu bitu a nejnižšímu bitu byl 1:1024). To znamená buď velký počet měničů a nebo jejich velká konstrukční rozmanitost daná rozměry potřebnými rozdíly v rozměrech ploch membrán pro jednotlivé bity.
Obr. 1. Příklad uspořádání soustředných membrán desetibitového digitálního reproduktoru, velikost ploch membrán je v poměru vah jednotlivých bitů.
Obr. 2. Příklad uspořádání pole sedmibitového reproduktoru. Celkem je třeba 127 elementů. Používané principy elektro-akustické přeměny Z principů elektroakustické přeměny jsou (nebo byly) využívány následující: elektrodynamický (z komerčního hlediska nejvíce využívaný, běžné reproduktory a některé mikrofony), elektromagnetický, elektrostatický (vhodný především pro měřící mikrofony), s ním související elektretový (lacinější verze elektrostatického mikrofonu nevyžadující vysoká polarizační napětí), piezoelektrický (rozmanité použití, snímače vibrací atd.), piezoplastický (vhodné pro reproduktory či sluchátka), piezorezistivní, magnetostrikční (málo používaný princip), termoakustický (miniaturní, ale málo účinný), optoakustický, popř. plazmový (spíše laboratorně). Různé principy elektroakustické přeměny se ve svých aplikacích velmi liší mj. možnostmi prostorového uspořádání jednotlivých prvků, impulzními odezvami, frekvenčním průběhem výchylky a také možnostmi miniaturizace. Vzhledem k velkým nárokům na počet měničů
39
a/nebo velké rozdíly v plochách jednotlivých membrán bude právě možnost miniaturizace a variabilita prostorového uspořádání zásadními kriterii. Miniaturizace při velkém počtu měničů je žádoucí také z hlediska poměru vlnové délky a rozměrů systému, aby nedocházelo k problémům s fází jednotlivých složek signálu. Proto je při návrhu digitálního reproduktoru vhodné od porovnání těchto vlastností začít. A) Měniče s magnetickým polem Elektrodynamický měnič Digitální reproduktor na tomto principu (signálový proud protékající kmitací cívkou v magnetickém poli vyvolává sílu, která působí na membránu) byl již představen [3]. Výhodou je značná variabilita možností uspořádání spoje systému membrána – kmitací cívka, kde jsou omezení dána spíše dostupností potřebných různých tvarů permanentních magnetů či magnetických obvodů. Proto je pravděpodobnější řešení pomocí membrán s bitově váhovanými plochami než velký počet stejně velkých měničů. U uvedeného provedení z obr. 3 je uváděna vyrovnaná kmitočtová charakteristika až do 10 kHz.
Obr. 3. Provedení DR pomocí elektrodynamického měniče. Elektromagnetický Přeměna je v tomto případě realizována silovým působením magnetického toku vyvolaného signálovým proudem na feromagnetický materiál kotvy spojené s membránou. Zde je možno (jako koneckonců ve všech uvedených případech) uvažovat o poli měničů, nicméně vzhledem ke snadné realizovatelnosti váhování bitů pomocí počtu závitů cívek vytvářejících magnetický tok je tento systém také perspektivní, nicméně tato varianta už vybočuje z konceptu DR, protože D/A přeměna se děje v magnetickém poli a ne v poli akustickém. Magnetostrikční Tyto měniče jsou málo využívané a tak jejich využití pro DR je málo pravděpodobné. B) Měniče s elektrickým polem Elektrostatický měnič Pohyb membrány je v tomto případě zajištěn působením změn elektrostatického pole, které jsou vyvolány elektrickým signálem. Velmi dobrá možnost miniaturizace daná rozvojem mikroelektronických technologií je nadějná zejména v dlouhodobějším horizontu [4]. Předpoklad možnosti vytvoření velkého množství miniaturních měničů na malé ploše je zajímavý právě pro digitální reproduktor nebo spíše sluchátko. Aby mohl elektrostatický
40
reproduktor budit akustickou vlnu ve volném poli, musí být použito vysoké polarizační, nebo alespoň vysoké signálové napětí. Při důrazu na kvalitu by bylo nutno použít takového množství zesilovačů, jaký je počet bitů, což by bylo sice konstrukčně možné, nicméně velmi nákladné a energeticky náročné. Hlavně z tohoto důvodu se zdá být využití elektrostatického principu pro digitální aktuátor omezeno na sluchátka. Další možností je využití spirálního uspořádání [5]. Piezoelektrický Využití piezoelektrického jevu v měničích má výhodu ve značné variabilitě uspořádání a s tím spojená žádoucí miniaturizace, spektrum látek vykazující piezoelektrické vlastnosti je poměrně široké a dobrých hodnot dosahuje i účinnost. Také piezoelektrický měnič byl již pro potřeby DR použit [2]. Byly použity piezoelektrické sirény. B
A
C Obr. 4. Piezoelektrický měnič, který byl vyvinutý pro potřeby digitálního reproduktoru. Piezokeramická spirála (A) působí přes polymerní toroid (B) na jádro (C), které se pohybuje ve směru šipky.
Obr. 5. Příklad provedení miniaturního piezorezistivního měniče na silikonovém substrátu Piezoplastický Z fyzikálního hlediska pouze materiálová varianta piezoelektrického měniče, použití piezoelektrické (piezoplastické) fólie [6] však dává velkou možnost variability uspořádání – stočení fólie (vydutí umožňuje akustické buzení plynného média) dává velký prostor pro značnou redukci rozměrů.
41
Obr. 6. Spirální uspořádání piezoelektrického měniče, vyzařujícího laterálně. Piezoplastická fólie (10) je navinuta spolu s pásky zajišťující přesně definovanou mezeru mezi sousedními otáčkami fólie. C) Měniče dalších principů Termoakustický Tento typ přeměny [7] je co se týče praktického využití také na okraji zájmu, zejména pro svou nízkou účinnost, nicméně jeho konstrukční nenáročnost (dutina s vláknem) a možnost miniaturizace jsou zajímavé.
Obr. 7. Průřez optoakustickým měničem. Přeměna se děje v tlakové komůrce (3) naplněné uhlíkovými vlákny (6). Optoakustický Dalším z alternativních principů je optoakustický měnič, používaný jako aktuátor [8]. Měnič se sestává ze světelného zdroje (laseru, dioda LED), která vyzařuje do absorbční komůrky s grafitovými vlákny, spojená kapilárou s další komůrkou. Vzhledem k nízké účinnosti je také použitelný zejména jako sluchátko. Miniaturizace a prostorová variabilita a hlavně možnost vytvoření tohoto měniče pomocí mikromechanické technologie však činí tento systém perspektivní.
42
Obr. 8. Příklad provedení optoakustického měniče na silikonovém substrátu Plazmový Tento druh měniče je vzhledem k fyzikálnímu principu (modulace plazmového výboje elektrickým signálem) pro běžné komerční využití nevhodný, nicméně v laboratorních podmínkách by vytvoření pole těchto měničů mohlo představovat jednu z možností, ovšem pouze experimentální. Závěr Technologie digitálního reproduktoru je na výběru typu použitého měniče značně závislá. Přednost dostanou měniče s možností značné miniaturizace, především vytvořené pomocí mikromechanických technologií. Ty však přes značnou pozornost, věnovanou tomuto odvětví, zatím nepřinesly spolehlivý a široce využitelný systém, proto je tento směr spíše otázkou budoucnosti, také s ohledem na možné odstranění nevýhod [9] tohoto systému. Literatura [1] Flanagan, J.L.: Direct Digital-to-Analog Conversion of Acoustic Signals, The Bell System Technical Journal, Vol. 59, No.9, 1980 [2] 1.. Ltd.: Digital Loudspeaker, White Paper, 1998 [3] Hayama, A., Furihata, K., Yanagisawa, T.: Electrodynamic type plane loudspeaker driven by 16 bits digital signal and its acoustic responses, Proceedings of ICA, Rome 2001 [4] Sessler, G., M.: Silicon Microphones, J. Audio Eng. Soc., Vol. 44, No.1-2, 1996, p16-22. [5] Škvor, Zd.: Electrostatic Transducer in Spiral Arrangement, 8th ICA London 1974, p680. [6] Škvor, Zd.: Piezoelektrický elektroakustický měnič s membránou z piezopolymérové fólie, Patent PV 01090-92, 1993 [7] Škvor, J.: Thermoacoustic Transducer, Poster 98, ČVUT, Praha 1998 [8] Škvor, Zd.: Transducteur optoacoustique, 11e ICA, Paris, 1983 pp285-298. [9] Husník, L.: Výhody a nevýhody digitálního reproduktoru, Akustické listy ČSAS 4(2001) [10] Škvor, Zd.: Akustika a elektroakustika, Academia 2001 Poděkování Tento výzkum je sponzorován grantem GAČR 102/00/1661 Elektroakustické měniče s elektrickým polem a výzkumným záměrem J04/98 212300016 Tvorba a monitorování životního prostředí.
43
