ných řešení, další alternativa je použití více elementárních ploch, jejichž počet je roven N-té

Transkript

1 Abstrakt DIGITÁLNÍ REPRODUKTOR S POLEM PIEZOELEKTRICKÝCH MĚNIČŮ Digital Loudspeaker Using Field of Piezoelectric Transducers Karel Motl, Kamil Ptáček Tento článek se zabývá principem funkce digitálního reproduktoru (DR) a první experimentální konstrukcí včetně zdroje digitálních dat a jejich výkonového zesílení. Hlavní myšlenka spočívá v nahrazení stávajících částí signálového řetězce jediným prvkem slučujícím D/A převodník, zesilovač a reproduktor. Vstupní digitální data jsou převedena přímo na analogový akustický signál. Hlavní výhody tohoto řešení jsou vyšší účinnost (oproti např. elektrodynamickém u reproduktoru) a nízké celkové náklady. V článku je popsáno pole piezoelektrických měničů určené pro DR. Prezentovány jsou také výsledky měření základních parametrů. 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 signálů jsou využívány především díky imunitě vůči rušení a chybám, v oblasti audiotechniky slouží zejména pro záznam akustického signálu. Zbytek řetězce (tj. zesilovač a reproduktorové soustavy) však zůstává stále analogový (vyjma některých výkonových zesilovačů pracujících na principu pulsně-šířkové modulace). Snaha rozšířit digitální zpracování i do dalších článků signálového řetězce je motivována zejména zjednodušením tohoto řetězce a dále znížením finanční náročnosti při zachování kvalitativních parametrů celého systému. Poté již zůstávají pouze ty nejnutnější A/D a D/A převody, a to na samém začátku a konci signálového řetězce. Autorem prvních prací na téma digitální reproduktor byl na počátku osmdesátých let J. L. Flanagan [1]. Princip funkce digitálního reproduktoru Digitální reproduktor převádí digitální elektrický signál kódovaný pulsně-kódovou modulací (PCM) na analogový akustický signál, kdy je paralelní tok vstupních dat rozdělen podle váhy jednotlivých bitů, přičemž váze bitu odpovídá příslušná celková aktivní plocha membrány (viz obr. 1). Tento způsob (membrány svojí velikostí odpovídají váze příslušného bitu) je jedním z mož- Ing. Karel Motl, Ing. Kamil Ptáček, Katedra radioelektroniky, FEL ČVUT Praha, Technická 2, , Praha 6 tel. 02/ , motlk@fel.cvut.cz, ptacekk@fel.cvut.cz 84

2 1. bit p bit p p = p i n-tý bit p n 1 2 n 1 Obr. 1 Princip funkce digitálního reproduktoru ných řešení, další alternativa je použití více elementárních ploch, jejichž počet je roven N-té mocnině dvou, kde N je počet bitů. Bit s nejnižší váhou má tedy přiřazenu jednu elementární plochu, a například bit čtvrtý jich má šestnáct (viz obr. 2). Obr. 2 Digitální reproduktor s polem shodných měnič ů Alternativní řešení spočívá v úpravě konvenčních elektrodynamických reproduktorů, kde váhám bitů odpovídají jednotlivá vinutí cívek (obr. 3). Obr. 3 Alternativní řešení DR Měniče jsou napájeny paralelním tokem binárních signálů, který je převáděn na akustické vlny s průběhem, který je těmto bitovým tokům ekvivalentní. Součet těchto akustických pulsů s různými amplitudami odpovídá pulsně amplitudové modulaci (PAM), která se již blíží požadovanému analogovému průběhu (kromě kmitočtů ležících mimo rozsah zpracovávaného signálu). Na odstranění těchto kmitočtů lze použít akustickou dolní propust (je-li 85

3 použitý vzorkovací kmitočet vysoký a rušení je pouze v nadakustické části spektra, lze jej z konstrukce vypustit). Budič Klasický analogový zesilovač má za úkol provést napět ové a proudové zesílení signálu a tím dodat do zátěže (reproduktoru) požadovaný výkon. Požadavky na digitální budič jsou obdobné, avšak vlastnosti reálných zesilovačů nedovolují realizovat přenos a zesílení pravoúhlého signálu bez jeho zkreslení. Pro jednotlivé bitové skupiny jsou potřeba samostatné zesilovače, které mohou mít v případě rozptylu parametrů vliv na linearitu D/A převodu. Aby výsledná konstrukce byla co nejjednodušší a pokud možno kompaktní, bude vhodné v maximální možné míře využít integrovaných obvodů. Výkonové operační zesilovače se vyrábějí v širokém rozsahu výstupních výkonů, napájecích napětí a dalších parametrů, jako je například jmenovitý zisk či výkonová šířka pásma. Některé typy obsahují více kanálů v jednom pouzdru, takže je lze využít například pro buzení větší skupiny měničů (při paralelním zapojení), nebo jediným prvkem zajistit signál pro více bitových skupin (dovoluje-li to hodnota přeslechů). Realizace digitálního reproduktoru Vlastnosti digitálního reproduktoru a jeho součástí Jednotlivé části digitálního reproduktoru (miniaturní měniče či elementární plochy) musí být v ideálním případě schopné akceptovat a vyzářit pravoúhlý signál. Je tedy třeba zohlednit parametry jako jsou impulsní odezva, šířka pásma a vlastní tlumení. Dále je pro lepší spolupráci s výkonovým budičem vhodné brát v úvahu kmitočtový průběh vstupní impedance měniče. Z hlediska D/A převodu je podstatná linearita, která závisí na rozptylu parametrů jednotlivých bitových skupin. Korektní sčítání akustických pulsů je podmíněno jak hodnotou amplitudy, tak i fáze jednotlivých impulsů. Dosažitelný akustický tlak závisí na celkové ploše a maximální výchylce měničů. S tím souvisí i maximální rozměry výsledného dig. reproduktoru. Kmitočtová charakteristika v oblasti nízkých kmitočtů souvisí s celkovou plochou aktivních elementů, jejich možném buzení a maximální výchylkou, horní část spektra je dána vzorkovacím kmitočtem. Omezení dynamický rozsah závisí na zvoleném počtu bitů. Obr. 4 Pole pizoelektrických měnič ů Volba principu elektroakustické přeměny je zásadním krokem při realizaci digitálního reproduktoru. Ta rozhoduje o dalším způsobu zpracování a vlastnostech výsledného celku. Jako nejvhodnější typ byl zvolen měnič piezoelektrický, který vyhovuje po stránce elektrické, rozměrové i cenové a je dostupný na trhu. Konkrétně se jedná o typ s průměrem 12mm, re- 86

4 zonančním kmitočtem 16,5kHz, pájitelnou ploškou a bez krytu. Takto realizovaný dig. reproduktor bude pracovat na principu pole shodných elementárních měničů (viz.obr.4). Hlavní nevýhodou zvoleného měniče je jeho maximální výchylka, což je třeba zohlednit při buzení. Způsob uchycení jednotlivých měničů ovlivňuje jejich chování. Pozitivní vliv souvisí se zatlumením rezonance, což vede k rozšíření pracovní šířky pásma, avšak zároveň klesá citlivost. Přívodní kabely mohou dále způsobit mechanické předpětí měničů a také ovlivnit jejich směrové vyzařovaní (například díky difrakcím). Měření pole měničů Provedená měření se zatím týkala pouze chování pole při buzení analogovým signálem. Byly zjištěny zanedbatelné rozdíly mezi jednotlivými skupinami bitů (obr. 5) a především jejich minimální směrovost. Pro součet akustických pulsů nebude tedy hrát podstatnou roli směrová char. jednotlivých měničů, ale jejich vzdálenost vůči referenčnímu (poslechovému) bodu. Při natočení pole vznikají rozdíly drah, díky kterým může docházet ke zkreslení a směrová charakteristika celého dig. reproduktoru bude proto důležitým parametrem [2]. Základní nosná deska, ke které jsou měniče připevněny, není dokonale tuhá a lze ji těmito měniči vybudit. To může mít vliv na výslednou směrovost a zkreslení (signál vyzářený deskou bude interferovat se signálem z měničů). L[dB] segment segment segment segment segment segment segment f[hz] Obr. 5 Meření bitových skupin (odstupy 20dB byly zvoleny pro přehlednost) Měření budiče Měření budiče realizovaného monolitickými integrovanými zesilovači TDA2822M bylo zaměřeno na katalogové parametry, které jsou pro naši potřebu nejpodstatnější (rychost přeběhu, vstupní a výstupní impedance, přeslechy pro sinusový a obdelníkový vstupní signál apod.) Dále byla ověřena schopnost zesilovače pracovat do kapacitní zátěže s důrazem na vznik zkreslení a zohlednění rozsahu pracovních teplot. Rozdíly mezi jednotlivými zesilovači byly na hranici měřitelnosti. Celkem lze shrnout, že na výsledné parametry popisovaného dig. reproduktoru budou mít vliv především vlastnosti pole piezoměničů a nikoliv budiče. 87

5 Zdroj dat Pro funkci digitálního reproduktoru je třeba zajistit paralelní tok dat, přičemž vstupní data mohou být v jakékoliv podobě - analogové, sériové (S/PDIF, AES/EBU). Vstupní signál je procesorem uspořádán do požadovaného tvaru a následně veden do registru. Výstup zdroje představuje přepínací sít generující tříúrovňový signál, kterým je po výkonovém zesílení napájen digitální reproduktor (viz schéma na obr. 6). Pro tyto účely slouží vývojový kit Cool Runner-II (viz obr. 7). MSB V +V Analogový signál A/D LSB 1. segment DR 2. segment DR CPU Registr 3. segment DR Digitální sériová data Dekodér n tý segment DR Obr. 6 Zdroj digitálních dat Obr. 7 Vývojový kit Výhled do budoucna Po kompletaci celého digitálního reproduktoru včetně podpůrných obvodů budou provedena měření digitálního reproduktoru jako celku. Půjde především o parametry známé z analogových reproduktorů s důrazem na specifické vlastnosti pole měničů (které byly zmíněny výše). Kromě objektivních parametrů bude také vhodné zvážit vliv fyziologie lidského sluchu. Na základě těchto analýz bude posouzena vhodnost popsaného řešení a provedeny alternativní návrhy a změny v konstrukci. Souběžně s dokončováním projektu je připravována sada simulací, které jsou zaměřeny na analýzu pochodů majících dominantní vliv na zkreslení digitálního reproduktoru. 88

6 Závěr Digitální reproduktory by měly eliminovat největší nedostatky současných přenosových řetězců, mezi které patří nutnost použití D/A převodníku a nízká účinost. Nedílnou součástí digitálního zpracování je také nárůst imunity vůči nejrůznějším rušivým vlivům. Nezanedbatelná je také perspektiva nižších výrobních a provozních nákladů. Vlastnosti digitálních reproduktorů budou záviset zejména na zvolené technologii výroby vhodných měničů. Jejich dostupnost souvisí s rozvojem mikromechanických technologií. Poděkování Tento výzkum je sponzorován záměrem J04/ Tvorba a monitorování životního prostředí. 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) [5] Husník, L.: Porovnání různých principů elektroakustické přeměny z hlediska vhodnosti použití v digitálním reproduktoru, Sborník ATP 2002, Brno, , pp