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发表于 2023-1-4
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+ Y0 k. S" d$ J& T* ?浅析扩声系统的发展历程1 h) ~; U- G( _: O( {
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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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( z3 S* v! E% E, d/ }一、电子管时代
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1 k/ i9 ?0 Q/ |+ Q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。4 ] {2 ]! G( X$ d$ x
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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。1 {; `1 I2 k) ?# C' g& R
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图1 贝林纳发明的碳精电极麦克风+ w7 V1 ~2 w- h- D7 W3 W
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图2 真空三极管构造图
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% Q" K+ O3 n# C, N0 T6 G$ u/ @1916年西电公司的Edward C. Wente研制出了第一款电容麦克风。$ v0 x! ~- y" J; o ~& B
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1923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)。; ?6 |: r# t6 U6 \" W
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图3 电容式麦克风的结构示意图
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图4 动圈式麦克风的结构示意图
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/ M2 }7 k& b8 I* t8 ]0 Z1924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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1927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。
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; W' Z5 q& k/ e图5 电动式扬声器工作原理示意图3 \- ^( Z5 q0 d% E
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图6 电负反馈技术原理示意图: N+ t$ c9 n8 U
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1948年,天朗发明了著名的同轴(Dual Concentric)喇叭。
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5 K. l8 @% M( n/ S) o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。
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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。
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图7 电子管放大器
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( ^1 {3 h& e4 z: s$ O1 P) V% @. t1 D& m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 p* V0 s) u# N! S& a6 i. j. P
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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9 Q* m9 j6 K* G' R/ J
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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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2 C! i- T v c. C图10 电子管时代扩声系统的发展示意图; c% ]% i9 m/ I6 i: G
5 v% j$ K' u. h# g4 `2 S6 A, x二、晶体管和集成电路时代
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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。6 b h2 R" w o" Q
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5 T- y: H! Y, p2 D* ]图11 肖克利发明的结型晶体管示意图& H# d6 z( k# K* O4 g. A
/ e; X$ N* R/ c1958 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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* ]6 Y7 p# E! l1968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。
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4 s9 t# p4 k5 ^7 P8 Y1 y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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# @$ [9 B- P, j* l$ I) D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。 F; ]. J" d# z4 i' N4 h
& |" a3 a M Q. z/ Z# D: L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。/ m4 b' b6 W+ v# r: P- u
# ^7 M+ n* B- y. d: h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。4 Y6 t, a+ t: p
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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。
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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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