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发表于 2023-1-4
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2 N4 X; H: ^# Q7 ^2 y2 N1 M/ q浅析扩声系统的发展历程
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了解扩声系统的发展历程,是为了认识扩声技术的发展变化,更好地把握扩声系统的发展方向。扩声系统的发展历程大致可以分为电子管时代、晶体管和集成电路时代、数字和网络化时代、未来发展趋势。
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一、电子管时代
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不借助任何设备,人们要想把自己的声音放大,就只能把手做喇叭状放在嘴边,把声能聚拢到一个方向。1921年碳粒麦克风+电子管放大器+电磁式扬声器获得了实际应用,与此同时便产生了一项新的专业技术——扩声技术。该系统采用定压传输方式,频率范围很窄,仅限于200~400Hz的中频范围,扩声质量也很差。
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2 M& W# R; R; E) Q扩声技术的历史最早可以追溯到19世纪,1876年埃米尔•贝林纳发明了碳精电极麦克风,它由一层薄薄碳层隔开的两个电触头构成,其中一个触头附在膜片上。当声波击打隔膜时会压缩碳尘、改变电阻,从而输出改变电流的大小。
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1906年美国Do.Forest发明了真空三极管(在真空二极管内放置栅栏式的金属网,用于控制阴极与屏极之间的电流。栅极微弱的电流变化会引起屏极较大电流变化,而且变化波形与栅极电流完全一致,这就是真空三极管的放大作用)。电子管的发明和应用可以说是真正打开了扩声系统的大门。
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图1 贝林纳发明的碳精电极麦克风' O0 m* Z7 \- a& E
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2 K5 C8 y. N$ ^% i. t- q% g+ v图2 真空三极管构造图6 M J- {' j* k1 k: {( s
1 P5 h9 X/ s# c4 P0 i. Y' V% Y1916年西电公司的Edward C. Wente研制出了第一款电容麦克风。% o" z, J) ^& @
/ W7 H9 C+ r& S: N: ?! W1923年Captain H. J. Round发明了第一款动圈式麦克风。同年,美国广播公司公司(RCA)的Harry F. Olson发明出铝带式麦克风(动圈的近亲)。8 Z' K- Q2 h) @8 n: r E% d
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图3 电容式麦克风的结构示意图
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6 p2 J6 e) p' U" c* _" h图4 动圈式麦克风的结构示意图
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1924年通用电器公司实验室的赖斯(C.W.Rice)和凯洛格(E.W.Kollogg) 获得扬声器专利,1925年制造的这种扬声器是我们现在使用的电动式扬声器的鼻祖。
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2 O2 `2 y6 F" b/ t6 K5 R1927年贝尔实验室的Harold Black发明了负反馈技术,使音响技术的发展进入了一个崭新的时代,使放大器的失真度大幅降低。! U" P# m# X' ?' x& R& M
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图5 电动式扬声器工作原理示意图
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图6 电负反馈技术原理示意图( I/ u+ W; R3 P
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1948年,天朗发明了著名的同轴(Dual Concentric)喇叭。
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! K$ v! N; x3 ?电动式扬声器、动圈式麦克风和负反馈技术的出现使扩声质量有了显著的提高。$ I/ F% s) r- \2 u. g0 [1 o; x* w
6 |# a1 |, U* J# q- {1 Y$ j4 \1950年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期,各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润,至今仍为发烧友所偏爱。在国内外,电子管放大器有时甚至是一种身份的象征。2 K. x h( h' ?) Q
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图7 电子管放大器6 E, y" W9 }2 r7 {2 D
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图8 点接触式晶体管(来源:贝尔实验室)此图应在晶体管和集成电路时代% u7 {4 U4 \9 j# c
/ [: Z% b- ?; {发展瓶颈:电子管体积大,耗电多这是它的缺点。这种缺点在早期比较简单的扩声系统中虽然并不明显,但是在第一台电子管计算机上却显露无疑。1946年2月14日由美国军方定制的世界上第一台电子计算机问世,这台计算器使用了约1.8支电子管、耗电量150千瓦,由于机器运行产生的高热量使电子管很容易损坏。只要有一个电子管损坏,整台机器就不能正常运转,于是就得先从这1.8万多个电子管中找出那个损坏的,再换上新的,是非常麻烦的。因此迫切需要一个体积小,耗电少的放大器来取代电子管。
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图9 世界上第一台电子计算机
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(Electronic Numerical And Calculator)
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1 O& W: J* R; a7 o! X一句话评论:电子管时代扩声系统实现了从无到有、由差变好的转变。
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% `, w* c" Z% ], i' E. M图10 电子管时代扩声系统的发展示意图! F" B3 m1 R n% P1 C' o$ `* E
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二、晶体管和集成电路时代3 V1 o! l% o0 e
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晶体管的诞生被誉为“21世纪最伟大发明”。1947年12月23日,贝尔实验室的两位研究员约翰·巴登和沃尔特·布拉顿发明了世界首个基于锗半导体的点接触式晶体管(point contract transistor)(把间距为50μm的两个金电极压在锗半导体上,微小的电信号由一个金电极(发射极)进入锗半导体(基极)被显著放大,并通过另一个金电极(集电极)输出,在首次试验时它能把音频信号放大100倍)。1950年他们的同事威廉·肖克利发明了一种结型晶体管(junction transistor)",尽管巴登与布拉顿是晶体管的第一批发明人,但肖克利的产品才是晶体管产业的基础。晶体管出现后,人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件来代替体积大、功率消耗大的电子管了。) \7 a/ L4 R7 [1 x; j
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! S) R2 p# ]9 X5 u1 E) P) e0 {图11 肖克利发明的结型晶体管示意图
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1958 年9 月12 日美国德州仪器公司的基尔比(J. Kilby)制作了第一个锗片上的集成电路,其中的晶体管和被动元件是用金丝连接起来的,从此集成电路的时代开始了。
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1968年仙童半导体公司开发的μA741运算放大器成为了模拟放大器集成电路事实上的标准,运算放大器就像模拟设计界的切片面包,你可以用它们夹上任何东西,并且都能得到满意的结果,可以使用它来制作音频或视频的前置放大器。由于麦克风产生的电信号都比较弱,必须进行一定的前置扩大。( M9 R0 |0 k! q6 ]% F* ~' L
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图12 仙童半导体公司开发的μA741运算放大器集成电路
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进入1970年代之后,由于晶体管电路和集成电路的相继出现并被广泛应用到扩声系统中,晶体管功率放大器、音频处理设备、调音台等纷纷问世或任用到扩声系统中。许多在电子管电路中难以实现的功能和应用,在晶体管和集成电路中成为现实。音频的调节、处理以及音色加工等更加细化、更为合理。为了满足室内扩声的特殊需要,各种适用于不同场合的高质量麦克风、各种款式的大功率、分频扬声器纷纷面市。
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扩声系统逐渐由单声道发展成多声道立体声、还延伸出返听和效果声等细分而复杂的系统。晶体管时代是扩声技术发展最为辉煌的时代,在这个时期,随着音频设备中晶体管的集成化,音频设备和整体性能指标已达到了很高的水平。
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发展瓶颈:扩声系统已经发展成为一个复杂而又庞大的系统。以剧院扩声系统为例,要求比较高的基本上都配置立体声、返听和效果声,仅扬声器数量就接近100只。为了安全起见,多采用主备系统。音频线数量庞大且铺设距离比较远(最远的约100米左右),线损和干扰会比较大。
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一句话评论:晶体管时代扩声系统实现了设备由大变小、功能由单一到细分复杂的转变。4 `% k6 E, @4 M
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图13 晶体管和集成电路时代扩声系统的发展示意图
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