朱 斌，孫辰朔，沈靜逸，劉山松，王 穎

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，電聲產(chǎn)品的數(shù)字化已是必然趨勢。傳統(tǒng)的模擬揚(yáng)聲器功耗大、抗干擾能力差，而新興的數(shù)字揚(yáng)聲器以數(shù)字信號驅(qū)動(dòng)，無需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大與濾波等復(fù)雜過程，因而功耗更小，抗干擾能力更強(qiáng)。近年來，許多學(xué)者開始致力于全數(shù)字式揚(yáng)聲器的理論和實(shí)驗(yàn)研究。國外學(xué)者K.Watanabe等制作了數(shù)字驅(qū)動(dòng)的波束成形揚(yáng)聲器[1-2]，H.Ohtani等人對低功耗高保真度USB供電數(shù)字驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器進(jìn)行了研究[3]，馬登永等人探討了國外數(shù)字式揚(yáng)聲器的工作原理和實(shí)現(xiàn)方式[4]。他們的研究內(nèi)容大多基于多陣列式的數(shù)字揚(yáng)聲器，即多個(gè)揚(yáng)聲器單元發(fā)聲后在時(shí)空上疊加還原聲音的方案，對于多音圈式數(shù)字揚(yáng)聲器的研究較少。本文采用多音圈式——將多個(gè)音圈套在單個(gè)骨架上推動(dòng)振膜發(fā)聲的方案設(shè)計(jì)數(shù)字揚(yáng)聲器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多音圈式數(shù)字揚(yáng)聲器播放聲音效果良好，具有低功耗、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，對揚(yáng)聲器的數(shù)字化及其商業(yè)化有重要意義。

1 技術(shù)方案

本設(shè)計(jì)主要由USB數(shù)字音頻接口、數(shù)字開關(guān)電流源電路和多音圈式換能器組成。圖1為本設(shè)計(jì)的基本原理圖。通過軟件編程，將WAV文件轉(zhuǎn)換為串行字節(jié)流，經(jīng)USB傳輸至單片機(jī)，再由單片機(jī)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)字信號，輸出到I/O引腳。引腳輸出的并行信號接入數(shù)字開關(guān)，控制相應(yīng)位音圈的通斷，多個(gè)音圈電磁力疊加從而推動(dòng)振膜發(fā)聲。

1.1 USB數(shù)字音頻接口

本文設(shè)計(jì)的八位數(shù)字揚(yáng)聲器，需要八位量化的音頻數(shù)字量作為驅(qū)動(dòng)信號，因此要將PC中的數(shù)字音頻文件按字節(jié)輸出到設(shè)備相應(yīng)接口，利用軟件GoldWave和MATLAB將WAV文件轉(zhuǎn)換為文本文件格式（TXT），通過 C8051F320單片機(jī)的USB模塊以字節(jié)流形式將數(shù)字音頻文件由PC傳輸至數(shù)字開關(guān)。

C8051F320單片機(jī)是美國CYGNAL公司8051F系列的一款小型單片機(jī)，片內(nèi)自帶的USB收發(fā)器和控制處理器是它區(qū)別于同一系列產(chǎn)品的特點(diǎn)。其USB模塊符合2.0規(guī)范，有全速12 Mbps和低速1.5 Mbps兩種速度模式[5]。使用Silicon公司專門針對C8051F系列開發(fā)的主從機(jī)USB通信平臺(tái)USB-Xpress，可以實(shí)現(xiàn)量化數(shù)據(jù)從PC至單片機(jī)設(shè)備的傳輸。

USB-Xpress平臺(tái)為主從機(jī)設(shè)備分別提供了各自的應(yīng)用程序編程接口（API），無需編寫復(fù)雜的USB協(xié)議，為用戶編程帶來很大方便。本文基于VC編寫上位機(jī)程序，傳輸字節(jié)流的TXT文件。該方案存在兩個(gè)問題，一是容量不匹配問題，單片機(jī)的存儲(chǔ)容量通常在千字節(jié)量級，一般音頻文件在兆字節(jié)量級；二是速度不匹配問題，一般音頻采樣頻率為44.1 kHz，但USB傳輸速度很快，若傳輸速率與采樣頻率不相等，就會(huì)形成失真。針對前者，以512字節(jié)為一塊，采用以塊為單位的“單文件多次傳輸”方案解決；為實(shí)現(xiàn)速度匹配，在單片機(jī)在處理程序中加入頻率自適應(yīng)程序。

圖1 數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)示意圖Fig.1 System architecture

1.2 數(shù)字開關(guān)電流源電路

數(shù)字開關(guān)電流源電路是處于音頻接口與換能器之間的控制電路，根據(jù)USB數(shù)字音頻接口的數(shù)字信號控制相應(yīng)匝數(shù)音圈的通斷。動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的原理表明，某一瞬間聲音幅值大小與所有音圈在磁場中所受電磁力大小有關(guān)。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，在磁場一定的情況下，音圈所受電磁力大小取決于電流強(qiáng)度和匝數(shù)。開關(guān)模塊控制所有音圈電流強(qiáng)度相同，量化的權(quán)值由音圈匝數(shù)來體現(xiàn)。所以數(shù)字開關(guān)的作用是根據(jù)數(shù)字信號使相應(yīng)權(quán)值的音圈導(dǎo)通或斷開。由以上分析可知，八位開關(guān)相對獨(dú)立，分別由對應(yīng)位的0/1開關(guān)量決定通斷。下面分析第位數(shù)字開關(guān)電路的原理及功能，電路原理圖如圖3所示。

本模塊由開關(guān)電路與電流源電路兩部分組成。開關(guān)電路根據(jù)數(shù)字信號Di控制Qi1的導(dǎo)通與截止，即第i位音圈的通斷。電流源部分采用負(fù)反饋控制電路，當(dāng)Qi1導(dǎo)通時(shí)，保證不

同位音圈中的電流大小不因音圈匝數(shù)不同而改變。

運(yùn)算放大器UiA為負(fù)反饋比較器，當(dāng)Qi1導(dǎo)通時(shí)，如果UiA的正向輸入電壓高于負(fù)向輸入，其輸出電壓將是電源電壓VCC。根據(jù)Qi2的導(dǎo)通特性知，電流I將增大，電阻Ri6兩端電壓隨之增大，比較器負(fù)向輸入電壓也增大，直至和正向輸入電壓相等；反之，比較器輸出電壓減小，電流將減小，電阻Ri6兩端的電壓減小，負(fù)向輸入電壓減小，直至和正向端電壓相等。通過這樣的負(fù)反饋使音圈電流I大小恒定，不因匝數(shù)而變化。電流I的大小為：

1.3 多音圈式換能器

換能器是實(shí)現(xiàn)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為聲音信號的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。換能器模塊是多音圈式數(shù)字揚(yáng)聲器區(qū)別于模擬揚(yáng)聲器的主要部分。本模塊將N位音圈安裝在單一框架上，每位音圈按照設(shè)定的匝數(shù)對應(yīng)輸入信號的一個(gè)比特位。該位音圈所受電磁力與信號位的權(quán)值成正比。開關(guān)模塊根據(jù)數(shù)字信號D7…D0控制相應(yīng)位音圈的導(dǎo)通情況，匝數(shù)作為權(quán)值的八位音圈實(shí)現(xiàn)電磁力的數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬電磁力推動(dòng)揚(yáng)聲器的振膜振動(dòng)從而輻射出模擬聲波。

由畢奧-薩伐爾定律，處于恒定磁場中的音圈所受電磁力大小為：

式（2）中：LC為單匝線圈周長，Ni為第 i位音圈匝數(shù)，Ni=2i。由于音圈所處磁場強(qiáng)度恒定，每匝線圈周長也近似相同，因i而第位音圈所受電磁力取決于該位音圈的安匝數(shù)。根據(jù)前述多音圈式數(shù)字揚(yáng)聲器原理，只要控制每位音圈中導(dǎo)通時(shí)電流大小一致，匝數(shù)就是反映權(quán)值的唯一因素。

本文研究的數(shù)字揚(yáng)聲器的換能器模塊由八位音圈組成，如圖4所示。

圖4 多音圈換能器實(shí)物Fig.4 Real object of multi-voice-coil transducer

由此可知音圈所受總電磁力大?。?/p>

輸入數(shù)字信號的頻率決定音圈振動(dòng)頻率，進(jìn)而決定了揚(yáng)聲器發(fā)聲頻率。流過音圈的電流大小決定了聲音的響度?？梢?，多音圈方式可以很好地實(shí)現(xiàn)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為具有一定強(qiáng)度和頻率的聲音信號。

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)測試

2.1.1 USB數(shù)字音頻接口測試

將PC上的一個(gè)大小為5 MB的TXT格式的文件，通過USB音頻接口傳送至單片機(jī)。在分塊傳輸?shù)倪^程中，每完成一塊的傳輸，就通過單片機(jī)將接受到的數(shù)據(jù)送回PC，并由另一個(gè)TXT文件記錄。完成傳輸后，對兩個(gè)TXT文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，多次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)得到USB傳輸?shù)恼`碼率約為0.001%，說明USB音頻接口能夠可靠地完成數(shù)字音頻文件的傳輸。

2.1.2 數(shù)字開關(guān)電流源測試

八位數(shù)字開關(guān)相互獨(dú)立，只需針對任意兩位數(shù)字開關(guān)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）測試數(shù)字信號對開關(guān)狀態(tài)的控制；2）測試不同匝數(shù)對電流一致性的影響；3）測試數(shù)字開關(guān)的抗干擾性能。

表1 開關(guān)通斷測試結(jié)果Tab.1 Result of on-off test

表2 不同匝數(shù)對電流一致性的影響Tab.2 Result of identical-current test

表3 抗干擾測試結(jié)果Tab.3 Result of anti-interfere test

考慮到器件的分散性，由表1知，數(shù)字開關(guān)模塊可以準(zhǔn)確地根據(jù)數(shù)字信號控制音圈通斷。由表2知，音圈匝數(shù)對電流源電流大小幾乎沒有影響。由表3知，數(shù)字開關(guān)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.1.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

圖5為多音圈式數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)整體測試的情況。

圖5 全數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)實(shí)物Fig.5 Real object of digital loudspeaker system

實(shí)驗(yàn)播放薩克斯曲《回家》，按多音圈方式改造的揚(yáng)聲器播出的聲音質(zhì)量良好，但略帶噪聲。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了多音圈式數(shù)字揚(yáng)聲器理論的可行性。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析與討論

實(shí)驗(yàn)中，微小噪音的主要原因有：1）整套數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)（包括音圈的纏繞），均為手工制作，工藝粗糙是主要原因；2）采用八位量化，量化誤差是導(dǎo)致噪音的內(nèi)因；3）開關(guān)模塊的頻率響應(yīng)存在一定失真；4）音圈在磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自感與互感電勢，感生電流會(huì)影響音圈的電磁力[6]。

多音圈數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器相比，本質(zhì)區(qū)別在于揚(yáng)聲器單元不再處于一直導(dǎo)通的模擬狀態(tài)，而是工作在通斷交替的數(shù)字狀態(tài)。這種工作模式具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1）聲音轉(zhuǎn)換效率高；2）省去了數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波和功率放大等環(huán)節(jié)，節(jié)省硬件；3）3～5伏電壓即可驅(qū)動(dòng)，具有低功耗的特點(diǎn)。

多音圈數(shù)字揚(yáng)聲器也存在以下缺點(diǎn)，八位量化不能滿足人們對聲音質(zhì)量的要求，而硬件工藝限制了更高位多音圈數(shù)字揚(yáng)聲器的實(shí)現(xiàn)。八位需要255匝音圈，十六位需要六萬多匝，如此多匝數(shù)的音圈在工藝上較難實(shí)現(xiàn)。 針對此問題，可行的解決方案有：1）使用線徑更小的線圈，可以很好的緩解隨著位數(shù)提高匝數(shù)呈指數(shù)增加引起的體積和重量問題；2）采取分?jǐn)?shù)匝音圈的方案可以成倍減少音圈匝數(shù)；3）研制適合多音圈式數(shù)字揚(yáng)聲器磁場磁隙結(jié)構(gòu)；4）設(shè)計(jì)更高輸出阻抗的電流源電路減少感生電流對音圈驅(qū)動(dòng)電流的影響。

3 結(jié)束語

文中提出的八位多音圈式全數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證了揚(yáng)聲器數(shù)字化的可行性。在數(shù)字技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，數(shù)字揚(yáng)聲器在制作工藝達(dá)到一定的精細(xì)化程度后，將達(dá)到遠(yuǎn)優(yōu)于模擬揚(yáng)聲器的音質(zhì)，并且將克服模擬揚(yáng)聲器容易受外界信號干擾的缺點(diǎn)。除此之外，由數(shù)字信號直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，不需要經(jīng)過聲卡的轉(zhuǎn)換過程，精簡了計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，降低了硬件成本。具有重要的研究意義和廣闊的前景。

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