Hispanopedia WikiLos altavoces digitales o sistemas de reconstrucción de sonido digital ( DSR ) son una forma de tecnología de altavoces . No deben confundirse con los formatos y el procesamiento digital modernos, ya que aún no se han desarrollado como una tecnología madura , si bien Bell Labs experimentó con ellos extensamente desde la década de 1920, pero no llegaron a comercializarse. [ 1 ]
Principio de funcionamiento
El bit menos significativo controla un pequeño transductor de altavoz , independientemente del diseño físico elegido; un valor de "1" hace que este transductor funcione a máxima amplitud, mientras que un valor de "0" lo desactiva. Esto permite una alta eficiencia en el amplificador, que en todo momento no deja pasar corriente o requiere una caída de tensión de salida de cero voltios; por lo tanto, en un amplificador ideal teórico, no disipa potencia en forma de calor. El siguiente bit menos significativo controla un altavoz del doble de área (generalmente, aunque no necesariamente, un anillo alrededor del transductor anterior), también a máxima amplitud o desactivado. El siguiente bit menos significativo controla un altavoz del doble de área, y así sucesivamente.
Existen otras alternativas. Por ejemplo, en lugar de duplicar el área del siguiente segmento de diafragma más significativo, se podría simplemente ajustar su recorrido para que sea el doble de largo. El principio de funcionamiento digital y las ventajas de eficiencia del amplificador se mantendrían.
Con la llegada de transductores de menor tamaño mediante procesos de fabricación como CMOS - MEMS , un enfoque más práctico consiste en construir una matriz de altavoces, conocida como matriz de altavoces digitales (DLA) o matriz de transductores digitales (DTA). El bit menos significativo estará representado por un único transductor, y la cantidad se duplicará para el siguiente bit menos significativo. Una matriz de altavoces de n bits constará de 2n - 1 transductores, y los m -ésimos bits de dicha matriz contendrán 2m -1 transductores. [ 2 ] La matriz completa funciona básicamente como un DAC con codificación de termómetro que puede decodificar una señal PCM del mismo número de bits que la matriz en una onda sonora. [ 3 ] La agrupación de bits o la codificación PWM son formas potenciales de decodificar una señal modulada delta-sigma de 1 bit, como DSD . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
Problemas
Si bien los altavoces digitales pueden funcionar, este diseño presenta varios problemas que lo hacen poco práctico para cualquier uso normal en la actualidad.
Tamaño
Para la cantidad de bits necesarios para una reproducción de sonido de alta calidad, el tamaño del sistema se vuelve excesivamente grande. Por ejemplo, para un sistema de 16 bits con la misma profundidad de bits que el estándar de CD de audio de 16 bits , comenzar con un controlador de 0,5 cm² para el bit menos significativo requeriría un área total para el conjunto de controladores de 32 000 cm² , o más de 34 pies cuadrados (3,2 m² ) .
Salida ultrasónica
Para un funcionamiento correcto, todos los elementos del diafragma deben operar de forma precisa a la frecuencia del reloj. La respuesta en frecuencia natural de los distintos elementos varía según su tamaño. Esto da como resultado un convertidor digital- analógico (DAC) donde los diferentes bits presentan características de paso de banda distintas. Cabe esperar errores importantes a corto plazo.
Dado que este sistema convierte la señal digital en analógica, el efecto de aliasing es inevitable, de modo que la salida de audio se "refleja" con la misma amplitud en el dominio de la frecuencia , al otro lado de la frecuencia de muestreo . Una solución sería aumentar la frecuencia de los elementos de conversión, introducir un filtro digital y, a continuación, añadir un filtro acústico de paso bajo.
Incluso teniendo en cuenta la eficiencia mucho menor de los transductores de los altavoces a frecuencias tan altas, el resultado fue generar un nivel inaceptablemente alto de ultrasonidos que acompañaba a la salida deseada.
En la conversión electrónica digital-analógica , esto se soluciona mediante el uso de filtros de paso bajo para eliminar las frecuencias altas no deseadas. Dado que estas frecuencias se eliminan en la señal eléctrica, no se transmiten al altavoz y, por lo tanto, no se generan ondas ultrasónicas.
Sin embargo, el filtrado electrónico es inherentemente incapaz de resolver este problema con el altavoz digital. Los elementos del altavoz deben operar ultrasónicamente para evitar la introducción de artefactos audibles (de alta intensidad), lo que implica que las ondas ultrasónicas son inevitables. La electrónica puede filtrar señales eléctricas, pero no puede eliminar las frecuencias ultrasónicas presentes en el aire.
Eficiencia
Si bien la eficiencia del amplificador es buena con este sistema, los altavoces de bobina móvil operan con una eficiencia relativamente baja en la región de frecuencias ultrasónicas. Por lo tanto, el objetivo original del método se ve frustrado.
Costo
La gran cantidad de transductores de altavoz en el conjunto, y la igualmente gran cantidad de canales de amplificación para controlarlos, hacen que el sistema sea costoso.
mejoras
Existen maneras de abordar los problemas mencionados, pero ninguna conduce a un sistema competitivo o siquiera exento de problemas.
Tamaño
El tamaño del sistema se puede hacer fácilmente práctico utilizando menos de 16 bits. Con un LSB de 0,5 cm² , los tamaños del sistema son:
- 8 bits: área total de la matriz de 128 cm², o 11,3 cm × 11,3 cm (aprox. 4,5 pulgadas × 4,5 pulgadas)
- 10 bits: tamaño de la matriz de 22,6 cm × 22,6 cm.
Se puede alojar un mayor número de bits en un espacio determinado variando el recorrido de los diferentes elementos, así como su área. Esto puede lograr una mejora de área de un orden de magnitud o superior para una profundidad de bits dada. Se podría alojar una matriz de 13 bits en un pie cuadrado, o una matriz de 16 bits en 4 pies cuadrados (0,37 m² ) .
Ultrasonidos
Un diafragma pasivo acoplado al aire, instalado sobre el conjunto de transductores digitales, puede funcionar como un filtro mecánico de paso bajo. Sin embargo, es imposible lograr un corte de frecuencia abrupto, por lo que persistirían importantes ruidos ultrasónicos. El uso de varios diafragmas pasivos podría mejorar esta situación, pero nunca eliminaría por completo los ruidos ultrasónicos y solo incrementaría aún más el ya elevado coste y la complejidad del sistema.
Problemas intratables
La complejidad y, por lo tanto, el coste son elevados en comparación con los altavoces de bobina móvil estándar.
La eficiencia de los altavoces que funcionan a frecuencias ultrasónicas es baja, lo que anula cualquier ganancia de eficiencia en el amplificador.
Los altavoces prácticos requieren la producción de volúmenes bastante altos a partir de gabinetes bastante pequeños, una combinación difícil de lograr utilizando transductores de altavoces ultrasónicos.
La eliminación total de la emisión ultrasónica no es práctica.
La gran cantidad de elementos de altavoz y amplificador necesarios reduce significativamente la fiabilidad del sistema.
Otros enfoques más modernos para lograr una alta eficiencia, en particular la amplificación de clase D , funcionan mucho mejor y a un costo mucho menor que los altavoces digitales.
Desarrollo futuro
Sistemas microelectromecánicos
En los últimos años, se ha investigado sobre la construcción de conjuntos de altavoces digitales en sistemas de reconstrucción de sonido digital utilizando sistemas microelectromecánicos (MEMS). [ 7 ] [ 8 ] Los conjuntos de microaltavoces MEMS se pueden fabricar en un chip utilizando un proceso CMOS . Un sistema de un solo chip tendrá menos variaciones entre cada subunidad en comparación con un sistema de múltiples chips. Una empresa australiano-israelí llamada Audiopixels demostró recientemente una prueba de concepto en la sala limpia de la empresa. El audio demuestra la eficacia de la tecnología MEMS después de muchos años de desarrollo. [ 9 ] [ 7 ] El proceso CMOS-MEMS reduce el tamaño de cada subunidad a unos pocos cientos de μm de diámetro. [ 10 ]
Altavoces comercializados como digitales
Los altavoces modernos comercializados como «digitales» son siempre analógicos, y en la mayoría de los casos, alimentados por un amplificador analógico. El uso generalizado del término «digital» en los altavoces es una estrategia de marketing para afirmar una mayor compatibilidad con fuentes digitales (por ejemplo, grabaciones MP3 ) o para atribuir una tecnología superior a la de otros altavoces, y quizás un precio más elevado. Si se les presiona, los fabricantes pueden argumentar que el término significa que el producto está «listo» para recibir audio de reproductores digitales; esto es cierto para prácticamente todos los sistemas de altavoces.
También existen algunos altavoces analógicos con amplificadores digitales de clase D y clase T , aunque no suelen encontrarse en altavoces de ordenador ni en sistemas estéreo domésticos. Son comunes en portátiles, donde su mayor precio se justifica por el ahorro de batería. Los altavoces de estos equipos siguen siendo analógicos.
Véase también
Referencias
- ↑ "Altavoces digitales" . The Speaker Exchange . 11 de abril de 2010. Archivado del original el 19 de junio de 2012. Consultado el 1 de mayo de 2012 .
- ↑ Diamond, BM; Neumann, JJ; Gabriel, KJ (2003). "Reconstrucción de sonido digital mediante matrices de microaltavoces CMOS-MEMS". TRANSDUCERS '03. XII Conferencia Internacional sobre Sensores, Actuadores y Microsistemas de Estado Sólido. Resumen de Artículos Técnicos (Cat. No. 03TH8664) . Vol. 1. IEEE. págs. 238–241 . doi : 10.1109/sensor.2003.1215297 . ISBN 0-7803-7731-1.
- ↑ Hawksford, Malcolm John (1 de junio de 2004). "Arreglos de altavoces digitales inteligentes (descarga en PDF disponible)" . Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio . ISSN 1549-4950 . Consultado el 15 de enero de 2018 .
- ↑ Tatlas, Alexander; Mourjopoulos, John (1 de enero de 2012). "Matrices de altavoces digitales controladas por señales de 1 bit (descarga en PDF disponible)" . ResearchGate . Consultado el 15 de enero de 2018 .
- ↑ Tatlas, N.-A.; Kontomichos, Fotios; Mourjopoulos, John (2009-01-01). "Diseño y rendimiento de un prototipo de matriz de altavoces digitales sigma-delta (descarga en PDF disponible)" . Journal of the Audio Engineering Society . 57 (1): 38– 45. ISSN 1549-4950 . Consultado el 15 de enero de 2018 .
- ↑ Kontomichos, Fotios; Mourjopoulos, John; Tatlas, Nicolas-Alexander (2007-05-01). "Técnicas de codificación alternativas para matrices de altavoces digitales" . AES . Recuperado el 15 de enero de 2018 .
- 1 2 Diamond, BM; Neumann, JJ; Gabriel, KJ (2002). "Reconstrucción de sonido digital mediante matrices de microaltavoces CMOS-MEMS". Resumen técnico. Conferencia Internacional IEEE MEMS 2002. Decimoquinta Conferencia Internacional IEEE sobre Sistemas Microelectromecánicos (Cat. No. 02CH37266) . IEEE. págs. 292–295 . doi : 10.1109/memsys.2002.984260 . ISBN 0-7803-7185-2.
- ↑ Arevalo, Arpys; Conchouso, D.; Castro, D.; Jaber, N.; Younis, MI; Foulds, IG (2015). "Hacia un dispositivo MEMS de reconstrucción de sonido digital: Caracterización de un actuador piezoeléctrico basado en PZT". 10.ª Conferencia Internacional IEEE sobre Sistemas Nano/Microingenierizados y Moleculares . IEEE. pp. 290–295 . doi : 10.1109/nems.2015.7147429 . ISBN 978-1-4673-6695-3.
- ↑ "Audio Pixels Limited - Audio Pixels Limited" .
- ↑ Klasco, Mike (27 de agosto de 2015). "Los microaltavoces MEMS son transductores verdaderamente digitales" . audioXpress . Consultado el 11 de enero de 2018 .
- altavoces
- Audio digital