Если судьба карасей - быть зажаренными, то почему они пытаются выскочить со сковороды? Эта мысль неизбежно приходит в голову при виде работающей звуковой головки. Почему обычное для динамика дело - преобразование тока в звук - доводит его до каления и заставляет дергаться наподобие вытащенной из воды рыбы? Да потому, что громкоговоритель - самое несогласованное звено любого звукового тракта: от мобильника до концертной акустики. Имея КПД не выше одного процента, полученную от усилителя энергию он превращает преимущественно в тепло. Сигнал мощностью 1 ватт разогревает катушку высокочастотной головки до 100 градусов. Работа сабвуфера на заявленной мощности доводит температуру его обмотки до 150-200 градусов, а мембрану - до судорог. Из-за которых до 40% генерируемых басовиком звуков составляют сигналы, на его входе отсутствовавшие.

Электродинамические звуковые головки - те самые, что стоят в мобильниках, ноутбуках, наушниках, мультимедийных колонках и на материнских платах, - неэффективны. Ведь за последние сто лет их конструкция не изменилась. Динамики как были, так и остались модифицированными электромагнитами. Рупоры, катушки из плоского провода, редкоземельные магниты, кевларовые диафрагмы, бериллиевые купола и прочие навороты уменьшили искажения звуковых головок, но не увеличили их КПД.

То, что нельзя исправить, нужно заменить. Первой альтернативой электродинамическому громкоговорителю стал запатентованный в 1921 году электростатический. Излучателем в нем служила пленка, натянутая между электродами с разницей потенциалов 8-10 киловольт. Однако ни этот, ни иные громкоговорители конкуренции с электродинамическими не выдержали. Электростаты оказались лишенными драйва. Пьезоэлектрики погубила узкая полоса воспроизводимых частот. Плазменная акустика проявила себя как наделенный атрофированным басом генератор электромагнитного излучения. Не оправдали надежд и позаимствованные у британского королевского военно-воздушного флота панели NXT. Единственным их преимуществом оказалась малая толщина.

Слабость конкурентов позволила электродинамическим звуковым головкам жить долго и безбедно. Но в конце ХХ века претензии к ним вновь обострились. Способствовало этому распространение сотовых телефонов, ноутбуков и прочих мобильных цифровых устройств. Имея ограниченный запас энергии, 99% выделенного на озвучивание тока они превращали в тепло. Тогда-то в головы разработчиков и пришла крамольная мысль - преобразовать цифровой сигнал в акустический напрямую. Это позволило бы радикально упростить схему, убрав из нее цифроаналоговый конвертор, фильтр, усилитель, кроссовер и, конечно же, затратный динамик.

Первый цифровой акустический излучатель был создан в 1980 году фирмой Bell Telephone Lab. (США). Предназначенный для использования в телефоне, он представлял из себя электрод в форме диска, на котором была закреплена электретная пленка. Электрод делился на изолированные сегменты с соотношением площади 2 в степени, равной числу разрядов - 4, 3, 2, 1, 0. Цифровой сигнал в виде прямоугольных импульсов возбуждал те сегменты, площадь которых соответствовала его значимости.

Вскоре ряд цифровых излучателей, электретных и пьезоэлектрических, был создан в лабораториях SONY. Их электроды делились на радиальные секции равной площади и подключались группами, число которых зависело от разрядности сигнала.

Иной метод дифференциации секций цифрового громкоговорителя предложила Matsushita. Принадлежащие ей патенты предлагали объединять излучающие звук сегменты в группы соответственно весовому коэффициенту разряда.

Вслед за электретными и пьезоэлектрическими громкоговорителями к цифровым технологиям стали приобщать электродинамические. Эксперименты по переделке аналоговых динамиков в цифровые концерны Philips и Sony начали еще в 1982 году. Преобразование сигнала головки осуществляли в результате замены единственной звуковой катушки несколькими секционированными - по числу бит кодированного сигнала. В 1986 году Philips получила патент США №4612420 на цифровой электродинамический излучатель с многозвенной катушкой. В 2000 результаты работ над громкоговорителями аналогичной конструкции опубликовала английская фирма B&W - один из лидеров рынка акустики Hi-Fi и Hi-End.

Пока европейцы и американцы вели работы в нескольких направлениях, японцы сосредоточили усилия на создании пьезоэлектрических цифровых громкоговорителей. Первый их образец исследовательская группа университета Шинцу (город Нагано) создала еще в 1993 году. А в 1999 этот коллектив продемонстрировал звуковую головку, напрямую преобразующую 16-битный цифровой сигнал с частотой дискретизации 48 Кгц. Акустические характеристики этого изделия оказались вполне мультимедийными: частотный диапазон 40-10000 Гц, коэффициент гармоник 3,5% на частоте 50 Гц и 0,1% на 10000 Гц, чувствительность 84 дБ, отклонения амплитудно-частотной характеристики в пределах 4дБ.

Несмотря на успехи разработчиков, качество звучания первого поколения цифровых громкоговорителей было невысоким. Их малая разрядность (не более 6) делала уровень шумов квантования слишком большим для использования в аудиотехнике. Положение изменилось, когда в 2000 году фирма B&W совместно с Брайтонским университетом начала исследования акустической системы в виде плоской распределенной решетки из единичных излучателей, объединяемых в группы в зависимости от разряда цифрового сигнала. Англичане определили два направления развития этого типа громкоговорителей - увеличение числа разрядов квантования для снижения шумов и коррекцию сигнала для компенсации собственных искажений излучателей.

Результаты работ B&W были встречены с энтузиазмом, вызвав на www.eet.com и иных специализированных сайтах оживленную дискуссию. Одним из ее практических результатов стало создание фирмой Audio Signal Processing Espoo (Финляндия) в сотрудничестве с Хельсинкским университетом алгоритма действия решетки секционных излучателей, оптимализирующего фазу и амплитуду сигнала, а также его направленность в любой частотной полосе.

Этот метод коррекции взяла на вооружение созданная в конце 2001 года английская фирма 1..limited. В сотрудничестве с компаниями ARM Ltd (микропроцессоры) и Cambridge Display Technology (пленочные технологии) она занялась разработкой цифровых акустических излучателей и запатентовала несколько оригинальных решений. Уже в 2002 году на выставке в Лас-Вегасе (США) 1..limited продемонстрировала акустику The Digital Sound Projector, вызвавшую большой интерес у специалистов из сферы аудио. В отличие от первых цифровых излучателей, использовавших бинарное кодирование, The Digital Sound Projector являлся системой из 256 отдельных преобразователей, воспроизводящих единичные импульсы. Общее звуковое поле системы формировалась сложением излучения каждого из этих "пикселов", управляемых цифровым процессором фирмы Analog Devices. Тот контролировал уровень звука и его амплитудно-частотную характеристику, а также компенсировал искажения - как от декодирования сигнала, так и от интерференции звуковых волн.

Использованное в The Digital Sound Projector 256-уровневое развертывание, эквивалентное 8-битному бинарному, открыло путь к хай-файному 16-битному звуку. Реальным же преимуществом нового громкоговорителя оказался высокий коэффициент полезного действия. По заявлениям разработчиков, он мог достигать 10 процентов. Что совсем неплохо в сравнении с одним процентом КПД аналоговой звуковой головки.

Разработка цифровых электроакустических преобразователей стала последним этапом в деле создания полностью цифрового звукового тракта. Ведь первое его звено - микрофон Solution-D, выдающий цифровой сигнал прямо с капсюля - фирма Neumann продемонстрировала еще в 2001 году.

Эпоха аналогового аудио закончилась?

Владимир ПАНАДА