DIGITÁLNÍ REPRODUKTOR S POLEM ˇU ˇ C ˚ PIEZOELEKTRICKÝCH MENI Digital Loudspeaker Using Field of Piezoelectric Transducers Karel Motl, Kamil Ptáˇcek∗
Abstrakt Tento cˇ lánek se zabývá principem funkce digitálního reproduktoru (DR) a první experimentální konstrukcí vˇcetnˇe zdroje digitálních dat a jejich výkonového zesílení. Hlavní myšlenka spoˇcívá v nahrazení stávajících cˇ ástí signálového rˇetˇezce jediným prvkem sluˇcujícím D/A pˇrevodník, zesilovaˇc a reproduktor. Vstupní digitální data jsou pˇrevedena pˇrímo na analogový akustický signál. Hlavní výhody tohoto rˇešení jsou vyšší úˇcinnost (oproti napˇr. elektrodynamickém u reproduktoru) a nízké celkové náklady. V cˇ lánku je popsáno pole piezoelektrických mˇeniˇcu˚ urˇcené pro DR. Prezentovány jsou také výsledky mˇerˇení základních parametr˚u.
Abstract In this paper principle of digital loudspeaker (DL) and its basic experimental design (the signal source and power driver for DL) are presented, along with the description of the experimental study of piezo-ceramic elements array used for DL. The base idea of the DL lies in replacing common audio chain (D/A converter-amplifier-speaker) by one device with digital input and acoustic analogue output. Main advantages of the digital loudspeaker are high efficiency (compared with electrodynamic transducer) and low total costs. Results of basic array measurements are shown and discussed.
Úvod Digitální technologie zpracování a reprodukce signál˚u jsou využívány pˇredevším díky imunitˇe v˚ucˇ i rušení a chybám, v oblasti audiotechniky slouží zejména pro záznam akustického signálu. Zbytek ˇretˇezce (tj. zesilovaˇc a reproduktorové soustavy) však z˚ustává stále analogový (vyjma nˇekterých výkonových zesilovaˇcu˚ pracujících na principu pulsnˇe-šíˇrkové modulace). Snaha rozšíˇrit digitální zpracování i do dalších cˇ lánk˚u signálového ˇretˇezce je motivována zejména zjednodušením tohoto ˇretˇezce a dále znížením finanˇcní nároˇcnosti pˇri zachování kvalitativních parametr˚u celého systému. Poté již z˚ustávají pouze ty nejnutnˇejší A/D a D/A pˇrevody, a to na samém zaˇcátku a konci signálového ˇretˇezce. Autorem prvních prací na téma digitální reproduktor byl na poˇcátku osmdesátých let J. L. Flanagan [1]. Princip funkce digitálního reproduktoru Digitální reproduktor pˇrevádí digitální elektrický signál kódovaný pulsnˇe-kódovou modulací (PCM) na analogový akustický signál, kdy je paralelní tok vstupních dat rozd eˇ len podle váhy jednotlivých bit˚u, pˇriˇcemž váze bitu odpovídá pˇríslušná celková aktivní plocha membrány (viz obr. 1). Tento zp˚usob (membrány svojí velikostí odpovídají váze pˇríslušného bitu) je jedním z možˇ Ing. Karel Motl, Ing. Kamil Ptáˇcek, Katedra radioelektroniky, FEL CVUT Praha, Technická 2, 166 27, Praha 6 tel. 02/2435 2111, e-mail:
[email protected],
[email protected] ∗
84
1. bit
2. bit
p0 ≈ 2 0
p1 ≈ 2 1 p=
n-tý bit
P
pi
pn−1 ≈ 2n−1
Obr. 1 Princip funkce digitálního reproduktoru
ných ˇrešení, další alternativa je použití více elementárních ploch, jejichž poˇcet je roven N-té mocninˇe dvou, kde N je poˇcet bit˚u. Bit s nejnižší váhou má tedy pˇriˇrazenu jednu elementární plochu, a napˇríklad bit cˇ tvrtý jich má šestnáct (viz obr. 2).
Obr. 2 Digitální reproduktor s polem shodných mˇeniˇc ˚u
Alternativní ˇrešení spoˇcívá v úpravˇe konvenˇcních elektrodynamických reproduktor˚u, kde váhám bit˚u odpovídají jednotlivá vinutí cívek (obr. 3).
Obr. 3 Alternativní rˇešení DR
Mˇeniˇce jsou napájeny paralelním tokem binárních signál˚u, který je pˇrevádˇen na akustické vlny s pr˚ubˇehem, který je tˇemto bitovým tok˚um ekvivalentní. Souˇcet tˇechto akustických puls˚u s r˚uznými amplitudami odpovídá pulsnˇe amplitudové modulaci (PAM), která se již blíží požadovanému analogovému pr˚ubˇehu (kromˇe kmitoˇct˚u ležících mimo rozsah zpracovávaného signálu). Na odstranˇení tˇechto kmitoˇct˚u lze použít akustickou dolní propust (je-li 85
použitý vzorkovací kmitoˇcet vysoký a rušení je pouze v nadakustické cˇ ásti spektra, lze jej z konstrukce vypustit). Budiˇc Klasický analogový zesilovaˇc má za úkol provést napˇet’ové a proudové zesílení signálu a tím dodat do zátˇeže (reproduktoru) požadovaný výkon. Požadavky na digitální budiˇc jsou obdobné, avšak vlastnosti reálných zesilovaˇcu˚ nedovolují realizovat pˇrenos a zesílení pravoúhlého signálu bez jeho zkreslení. Pro jednotlivé bitové skupiny jsou potˇreba samostatné zesilovaˇce, které mohou mít v pˇrípadˇe rozptylu parametr˚u vliv na linearitu D/A pˇrevodu. Aby výsledná konstrukce byla co nejjednodušší a pokud možno kompaktní, bude vhodné v maximální možné míˇre využít integrovaných obvod˚u. Výkonové operaˇcní zesilovaˇce se vyrábˇejí v širokém rozsahu výstupních výkon˚u, napájecích napˇetí a dalších parametr˚u, jako je napˇríklad jmenovitý zisk cˇ i výkonová šíˇrka pásma. Nˇekteré typy obsahují více kanál˚u v jednom pouzdru, takže je lze využít napˇríklad pro buzení vˇetší skupiny mˇeniˇcu˚ (pˇri paralelním zapojení), nebo jediným prvkem zajistit signál pro více bitových skupin (dovoluje-li to hodnota pˇreslech˚u).
Realizace digitálního reproduktoru Vlastnosti digitálního reproduktoru a jeho souˇcástí Jednotlivé cˇ ásti digitálního reproduktoru (miniaturní mˇeniˇce cˇ i elementární plochy) musí být v ideálním pˇrípadˇe schopné akceptovat a vyzáˇrit pravoúhlý signál. Je tedy tˇreba zohlednit parametry jako jsou impulsní odezva, šíˇrka pásma a vlastní tlumení. Dále je pro lepší spolupráci s výkonovým budiˇcem vhodné brát v úvahu kmitoˇctový pr˚ubˇeh vstupní impedance mˇeniˇce. Z hlediska D/A pˇrevodu je podstatná linearita, která závisí na rozptylu parametr˚u jednotlivých bitových skupin. Korektní sˇcítání akustických puls˚u je podmínˇeno jak hodnotou amplitudy, tak i fáze jednotlivých impuls˚u. Dosažitelný akustický tlak závisí na celkové ploše a maximální výchylce mˇeniˇcu˚ . S tím souvisí i maximální rozmˇery výsledného dig. reproduktoru. Kmitoˇctová charakteristika v oblasti nízkých kmitoˇct˚u souvisí s celkovou plochou aktivních element˚u, jejich možném buzení a maximální výchylkou, horní cˇ ást spektra je dána vzorkovacím kmitoˇctem. Omezení dynamický rozsah závisí na zvoleném poˇctu bit˚u.
Obr. 4 Pole pizoelektrických mˇeniˇc ˚u
Volba principu elektroakustické pˇremˇeny je zásadním krokem pˇri realizaci digitálního reproduktoru. Ta rozhoduje o dalším zp˚usobu zpracování a vlastnostech výsledného celku. Jako nejvhodnˇejší typ byl zvolen mˇeniˇc piezoelektrický, který vyhovuje po stránce elektrické, rozmˇerové i cenové a je dostupný na trhu. Konkrétnˇe se jedná o typ s pr˚umˇerem 12mm, re86
zonanˇcním kmitoˇctem 16,5kHz, pájitelnou ploškou a bez krytu. Takto realizovaný dig. reproduktor bude pracovat na principu pole shodných elementárních mˇeniˇcu˚ (viz.obr.4). Hlavní nevýhodou zvoleného mˇeniˇce je jeho maximální výchylka, což je tˇreba zohlednit pˇri buzení. Zp˚usob uchycení jednotlivých mˇeniˇcu˚ ovlivˇnuje jejich chování. Pozitivní vliv souvisí se zatlumením rezonance, což vede k rozšíˇrení pracovní šíˇrky pásma, avšak zároveˇn klesá citlivost. Pˇrívodní kabely mohou dále zp˚usobit mechanické pˇredpˇetí mˇeniˇcu˚ a také ovlivnit jejich smˇerové vyzaˇrovaní (napˇríklad díky difrakcím). Mˇerˇení pole mˇeniˇcu˚
−→ L[dB]
Provedená mˇeˇrení se zatím týkala pouze chování pole pˇri buzení analogovým signálem. Byly zjištˇeny zanedbatelné rozdíly mezi jednotlivými skupinami bit˚u (obr. 5) a pˇredevším jejich minimální smˇerovost. Pro souˇcet akustických puls˚u nebude tedy hrát podstatnou roli smˇerová char. jednotlivých mˇeniˇcu˚ , ale jejich vzdálenost v˚ucˇ i referenˇcnímu (poslechovému) bodu. Pˇri natoˇcení pole vznikají rozdíly drah, díky kterým m˚uže docházet ke zkreslení a smˇerová charakteristika celého dig. reproduktoru bude proto d˚uležitým parametrem [2]. Základní nosná deska, ke které jsou mˇeniˇce pˇripevnˇeny, není dokonale tuhá a lze ji tˇemito mˇeniˇci vybudit. To m˚uže mít vliv na výslednou smˇerovost a zkreslení (signál vyzáˇrený deskou bude interferovat se signálem z mˇeniˇcu˚ ). 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 1000
segment 26 segment 25 segment 24 segment 23 segment 22 segment 21 segment 20
10000 −→ f [Hz]
100000
Obr. 5 Meˇrení bitových skupin (odstupy 20dB byly zvoleny pro pˇrehlednost)
Mˇerˇení budiˇce Mˇeˇrení budiˇce realizovaného monolitickými integrovanými zesilovaˇci TDA2822M bylo zamˇeˇreno na katalogové parametry, které jsou pro naši potˇrebu nejpodstatnˇejší (rychost pˇrebˇehu, vstupní a výstupní impedance, pˇreslechy pro sinusový a obdelníkový vstupní signál apod.) Dále byla ovˇeˇrena schopnost zesilovaˇce pracovat do kapacitní zátˇeže s d˚urazem na vznik zkreslení a zohlednˇení rozsahu pracovních teplot. Rozdíly mezi jednotlivými zesilovaˇci byly na hranici mˇeˇritelnosti. Celkem lze shrnout, že na výsledné parametry popisovaného dig. reproduktoru budou mít vliv pˇredevším vlastnosti pole piezomˇeniˇcu˚ a nikoliv budiˇce.
87
Zdroj dat Pro funkci digitálního reproduktoru je tˇreba zajistit paralelní tok dat, pˇriˇcemž vstupní data mohou být v jakékoliv podobˇe - analogové, sériové (S/PDIF, AES/EBU). Vstupní signál je procesorem uspoˇrádán do požadovaného tvaru a následnˇe veden do registru. Výstup zdroje pˇredstavuje pˇrepínací sít’ generující tˇríúrovˇnový signál, kterým je po výkonovém zesílení napájen digitální reproduktor (viz schéma na obr. 6). Pro tyto úˇcely slouží vývojový kit Cool Runner-II (viz obr. 7). −V
+V
MSB
Analogový signál
LSB
A/D
1. segment DR
CPU
Digitální sériová data
Registr
2. segment DR
3. segment DR
Dekodér n−tý segment DR
Obr. 6 Zdroj digitálních dat
Obr. 7 Vývojový kit
Výhled do budoucna Po kompletaci celého digitálního reproduktoru vˇcetnˇe podp˚urných obvod˚u budou provedena mˇeˇrení digitálního reproduktoru jako celku. P˚ujde pˇredevším o parametry známé z analogových reproduktor˚u s d˚urazem na specifické vlastnosti pole mˇeniˇcu˚ (které byly zmínˇeny výše). Kromˇe objektivních parametr˚u bude také vhodné zvážit vliv fyziologie lidského sluchu. Na základˇe tˇechto analýz bude posouzena vhodnost popsaného ˇrešení a provedeny alternativní návrhy a zmˇeny v konstrukci. Soubˇežnˇe s dokonˇcováním projektu je pˇripravována sada simulací, které jsou zamˇeˇreny na analýzu pochod˚u majících dominantní vliv na zkreslení digitálního reproduktoru. 88
Závˇer Digitální reproduktory by mˇely eliminovat nejvˇetší nedostatky souˇcasných pˇrenosových ˇretˇezc˚u, mezi které patˇrí nutnost použití D/A pˇrevodníku a nízká úˇcinost. Nedílnou souˇcástí digitálního zpracování je také nár˚ust imunity v˚ucˇ i nejr˚uznˇejším rušivým vliv˚um. Nezanedbatelná je také perspektiva nižších výrobních a provozních náklad˚u. Vlastnosti digitálních reproduktor˚u budou záviset zejména na zvolené technologii výroby vhodných mˇeniˇcu˚ . Jejich dostupnost souvisí s rozvojem mikromechanických technologií.
Podˇekování Tento výzkum je sponzorován zámˇerem J04/98-212300016 Tvorba a monitorování životního prostˇredí.
Literatura [1] Flanagan, J.L.: Direct Digital-to-Analog Conversion of Acoustic Signals, The Bell Systems Technical Journal, Vol. 59, No.9, 1980 [2] Huang, Y., Busbridge, S.C., Gill, D.S.: Distortion and Directivity in a Digital Transducar Array Loudspeaker, J. Audio. Eng. Soc.: Vol. 49, No. 5, May 2001 [3] Hayama, A., Furihata, K., Yanagisawa, T.: Electrodynamic type plane loudspeaker driven by 16 bits digital signal and its acoustic responses, Proceedings of ICA Conference, Rome 2001 [4] Husník, L.: Výhody a nevýhody digitálního reproduktoru, Akustické listy CSAS 4 Vol. 7(2001) 19-20 [5] Husník, L.: Porovnání r˚uzných princip˚u elektroakustické pˇremˇeny z hlediska vhodnosti použití v digitálním reproduktoru, Sborník ATP 2002, Brno, 21.5.2002, pp 38-43.
89
