揚(yáng)聲器和智能放大器：什么使放大器變得智能？

作者：Russell Crane和Matthew Kucic

與標(biāo)準(zhǔn)D類放大器相比，智能放大器可以改善您的音頻解決方案

還記得您將兩個(gè)錫罐串在一起打個(gè)電話的日子嗎？不幸的是，由于設(shè)備（包括揚(yáng)聲器）的小型化，手機(jī)音頻聽起來很像那些錫罐。除非在過去的幾年中將手機(jī)升級(jí)為頂級(jí)手機(jī)，否則您會(huì)很痛苦地使用揚(yáng)聲器來語音或音頻。這是因?yàn)槭謾C(jī)制造商在使音頻成為高端手機(jī)中的與眾不同之處方面進(jìn)展緩慢，而且?guī)缀鯖]有低頻音頻（通常稱為低音）。

現(xiàn)在，由于我們稱之為智能放大器或智能放大器的技術(shù)，這種情況正在改變，因?yàn)榕c傳統(tǒng)放大器不同，它們可以安全，暫時(shí)地將揚(yáng)聲器推到極限。通過在播放音樂時(shí)感應(yīng)揚(yáng)聲器的操作并應(yīng)用高級(jí)算法，智能放大器可以從手機(jī)的微型揚(yáng)聲器中獲得大量聲音，而不會(huì)傷害您的耳朵。

今天的演講者中有什么？

在討論智能放大器的工作原理之前，重要的是要了解音頻信號(hào)鏈中的另一個(gè)關(guān)鍵部分：揚(yáng)聲器。不管放大器是什么，如果揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)不當(dāng)，都不會(huì)克服任何音頻處理或放大問題。這就好比將火箭燃料投入到割草機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中—所有這些動(dòng)力都無法使用。但是，如果您從一個(gè)合理的引擎開始，那么添加一個(gè)智能放大器就如同添加一個(gè)渦輪增壓器，以可控的方式將其推向極限。

揚(yáng)聲器由框架，磁鐵，音圈和振動(dòng)膜構(gòu)成（圖1）。電流流經(jīng)音圈，使其與揚(yáng)聲器的固定磁鐵發(fā)生反應(yīng)而使其磁化。該電動(dòng)機(jī)使附著在線圈上的薄膜向上和向下移動(dòng)，并發(fā)出實(shí)際上可聽見的聲波。我們稱振動(dòng)膜片的運(yùn)動(dòng)為極限，這種運(yùn)動(dòng)是有局限性的。當(dāng)超出偏移極限時(shí)，會(huì)發(fā)生聽覺失真。在極端情況下，損壞的揚(yáng)聲器可能會(huì)導(dǎo)致故障。傳統(tǒng)放大器使用簡(jiǎn)單均衡（EQ）來限制偏移。但是，為了保護(hù)所有揚(yáng)聲器的變化，工作條件和音頻信號(hào)，這些濾波器通常是保守的-放棄了將揚(yáng)聲器推到真正極限的能力。

演講者的解剖

揚(yáng)聲器的第二個(gè)問題是，當(dāng)電流通過音圈時(shí)，一些能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量而不是聲音。用力推揚(yáng)聲器，這種加熱可能會(huì)熔化電磁線上的清漆，從而損壞音圈。當(dāng)音圈從放大器傳遞的能量中加熱時(shí)，音圈必須通過磁鐵冷卻到周圍的結(jié)構(gòu)中。在傳統(tǒng)的放大器中，最大功率被限制在一個(gè)值，如果連續(xù)提供，則不會(huì)損壞揚(yáng)聲器。該最大功率值必須涵蓋所有揚(yáng)聲器變化，工作條件和信號(hào)。因此，此值通常低于揚(yáng)聲器可以處理的值，因此比較保守。

是什么使放大器變得智能？

我們?nèi)绾螐慕o定的揚(yáng)聲器中提取最大聲壓級(jí)（SPL），同時(shí)仍確保安全操作？我們可以使用智能放大器。音頻具有峰均比（PAR），可讓我們?cè)诒３制骄虬踩降耐瑫r(shí)推動(dòng)即時(shí)峰值。智能放大器分為兩類。第一個(gè)是前饋，其中創(chuàng)建了揚(yáng)聲器模型，并且通過這些模型饋送了音頻以預(yù)測(cè)揚(yáng)聲器的行為。前饋往往適用于較大的揚(yáng)聲器，其變化較小且操作更線性。即使使用更大的揚(yáng)聲器，我們也必須考慮凈空中揚(yáng)聲器的變化，但是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可以暫時(shí)將揚(yáng)聲器推到極限，以產(chǎn)生響亮的音頻。

智能手機(jī)中常用的微型揚(yáng)聲器需要更高級(jí)的智能放大器。第二類是反饋智能放大器，它們將電流和電壓（IV）感測(cè)添加到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和前饋解決方案的D類。這種IV感應(yīng)使我們能夠直接測(cè)量揚(yáng)聲器的音圈溫度，并檢測(cè)由于單元之間的變化，環(huán)境溫度和揚(yáng)聲器負(fù)載（例如將手放在揚(yáng)聲器端口上）而引起的揚(yáng)聲器變化。該信息允許算法從揚(yáng)聲器中提取其他SPL，否則將通過限制輸出以覆蓋這些變化而丟失。

為了利用電壓和電流感測(cè)信息，智能放大器需要處理器（最好是數(shù)字信號(hào)處理器或DSP）來解析此數(shù)據(jù)，并應(yīng)用復(fù)雜的算法來提取最佳性能和聲音，同時(shí)保持揚(yáng)聲器的安全工作條件。帶有或不帶有集成DSP的智能放大器均可滿足設(shè)計(jì)人員的成本，上市時(shí)間和性能要求。

認(rèn)識(shí)您的演講者

在基本了解揚(yáng)聲器和智能放大器如何協(xié)同工作以在更大音量下提供更好的聲音的基礎(chǔ)上，我們可以討論如何使用該技術(shù)將您的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。第一步是創(chuàng)建一個(gè)揚(yáng)聲器特征，測(cè)量揚(yáng)聲器的多個(gè)方面以識(shí)別其局限性。必須充分理解這些限制，以使揚(yáng)聲器獲得最大聲音和最高品質(zhì)的聲音而不會(huì)對(duì)其造成損壞。進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量以開發(fā)準(zhǔn)確的揚(yáng)聲器模型。一種方法是使用TI的PurePath Console 3（PPC3）和配套的學(xué)習(xí)板。該組合可以使用易于遵循的程序來執(zhí)行這些測(cè)量。

這些測(cè)量包括但不限于系統(tǒng)檢查，偏移特性，熱特性和SPL測(cè)量。盡管可以使用揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)表中的參數(shù)來完成偏移量的測(cè)量，但更精確的方法是使用激光位移傳感器來測(cè)量偏移量并提取所需的參數(shù)。TI的智能放大器學(xué)習(xí)板可通過使用激光以及用于SPL測(cè)量的麥克風(fēng)來提供所需的所有數(shù)據(jù)采集，從而使工程師能夠輕松地表征揚(yáng)聲器。完成后，用戶可以快速查看不同的測(cè)量數(shù)據(jù)圖，包括偏移與頻率以及安全工作區(qū)域限制。

TI的PPC3可以簡(jiǎn)化調(diào)整過程。其先進(jìn)的工具套件可自動(dòng)將低端阻抗測(cè)量結(jié)果與高頻麥克風(fēng)測(cè)量結(jié)果合并。這將創(chuàng)建干凈的全頻SPL測(cè)量，以開始進(jìn)行調(diào)諧。通過輕松選擇各種對(duì)齊濾波器并允許軟件自動(dòng)生成所需的補(bǔ)償濾波器，可以快速調(diào)整低頻低音區(qū)域以推動(dòng)低音。智能放大器會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整此濾波器，以在不超出偏移限制的情況下推動(dòng)最大低音。接下來，可以使用SmartEQ輕松進(jìn)行揚(yáng)聲器發(fā)聲。用戶只需指定目標(biāo)EQ曲線，PPC3將計(jì)算必要的濾波器，以調(diào)整揚(yáng)聲器對(duì)目標(biāo)EQ的測(cè)得的SPL響應(yīng)。該工具會(huì)進(jìn)行所有數(shù)學(xué)運(yùn)算，

全部放在一起

完成揚(yáng)聲器的表征和微調(diào)后，重要的是要確保您的選擇可以在較大的揚(yáng)聲器樣本中安全可靠地運(yùn)行?？煽啃詼y(cè)試是將您的產(chǎn)品帶入裝配線之前的重要步驟。不論揚(yáng)聲器制造商如何，揚(yáng)聲器之間總是存在差異。盡管調(diào)音聽起來不錯(cuò)，而且似乎在安全的操作范圍之內(nèi)，但是其他揚(yáng)聲器可能不如您在前面的步驟中一直在努力的目標(biāo)那樣強(qiáng)大。建議您通過壽命測(cè)試來獲取更大的揚(yáng)聲器樣本。該樣本至少應(yīng)有20位發(fā)言人，您應(yīng)該在更長(zhǎng)的時(shí)間和極端溫度下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，以模擬預(yù)期的客戶用例。

如果您使用的是TI TAS2555智能放大器，則無需將智能放大器的排序和設(shè)置集成到主機(jī)處理器中，因?yàn)镈SP已完全集成到智能放大器中。這大大減少了軟件開發(fā)時(shí)間。此外，如果您的應(yīng)用處理器已升級(jí)或更改，則無需重新集成排序和設(shè)置。

當(dāng)您移至生產(chǎn)線時(shí)，可以實(shí)施快速而強(qiáng)大的測(cè)試程序，以確保最終產(chǎn)品符合開發(fā)期間設(shè)置的參數(shù)。生產(chǎn)線軟件可以幫助篩選揚(yáng)聲器，確保揚(yáng)聲器在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)并且在組裝過程中沒有損壞。另外，可以測(cè)量和存儲(chǔ)揚(yáng)聲器之間的阻抗變化。此步驟確?？梢允褂妹總€(gè)揚(yáng)聲器的全部散熱空間。
編輯：hfy