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浅析扩声系统的发展历程" o U9 O" [" Q+ A* J8 Q1 N: ~
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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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* H: ]* |0 C$ j一、电子管时代; y y# }4 B% r) g( k
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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。3 Q, l6 Z& d( y: J: a1 c
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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。
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, r$ }9 s6 ]- K* c6 @图1 贝林纳发明的碳精电极麦克风$ R v9 b$ W; l
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图2 真空三极管构造图
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1916年西电公司的Edward C. Wente研制出了第一款电容麦克风。2 r% t2 e8 U% S3 u. x# 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）。, e/ `+ A5 N |) r- J: w. d9 m
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图3 电容式麦克风的结构示意图
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5 y- g3 t/ i& _2 y" L/ \# l" W% B8 t图4 动圈式麦克风的结构示意图: ^, z% Y- m3 T, i3 s; Q
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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。; l; S/ O: H- b5 L7 f" K
/ x6 m/ X* b1 o3 F4 J- L1927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。" W* ?0 ~+ ^3 d
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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( B7 b8 M" X1 m
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1948年，天朗发明了著名的同轴（Dual Concentric）喇叭。
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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。# W- n V) Y) B) X$ O7 e( N3 S
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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。9 w* l/ r( I) Q3 J
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3 L3 ^2 W7 X* A& Z图7 电子管放大器, r- V5 N9 p, v. w: C0 B# a \
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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
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& B* W% |4 X% ]) f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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( z; e S/ k! o" ^图9 世界上第一台电子计算机
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$ h# B6 c$ I8 f! c9 h* p（Electronic Numerical And Calculator）
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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。9 z6 y1 _! g; d8 h, W! h6 e
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图10 电子管时代扩声系统的发展示意图
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( @! ^* ? o' i二、晶体管和集成电路时代" O$ ~. |. ?9 c3 ]% m
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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。
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图11 肖克利发明的结型晶体管示意图
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9 h$ i B* }; p$ g a: f+ C7 {, U5 p1958 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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9 i9 N3 c7 N5 n0 I* n1968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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9 A4 m' E) M/ f图12 仙童半导体公司开发的μA741运算放大器集成电路# N* m9 t6 V8 {5 N" Q: ]& \
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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。; ?5 S |: y# ]! c6 e6 R
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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。& _- ]& V, X% I( Y2 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: u1 L1 p/ E% X
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发表于 2023-1-4 16:40:48
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