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发表于 2023-1-4
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2 ^- X" l. u! `1 g5 f: q$ @ H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。$ P: p# N5 i) S; F( R
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一、电子管时代$ d% q( Z u, R$ Y
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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。0 q) O( |3 p; e$ n9 r
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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。/ J, F1 N! _* f% Q! _3 d
* i; ]8 N/ L$ J0 v8 F( W1906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7 J* A; h( K5 y# k5 v( B
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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。# U1 n, @; A! _9 D' r2 W8 z$ T
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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)。2 Q) ~8 k2 L1 C+ }2 K1 {3 o3 R* {! {! s
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: [7 t* N0 t" j/ |0 l5 U5 p! h图3 电容式麦克风的结构示意图! p l5 X" m4 J8 L! z9 @
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图4 动圈式麦克风的结构示意图
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& n9 K8 I. g* Q% e0 Q1924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。- V; U' g% z A8 A8 t
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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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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6 x2 V5 q' E9 r1 |+ f
2 d& ?8 I6 Q$ ^7 p' o1948年,天朗发明了著名的同轴(Dual Concentric)喇叭。# ]5 D1 P: i: q7 |
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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。- K$ o5 `2 y; a1 H. K" t0 @: @
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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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/ [/ u6 V. z {: U( j8 I图7 电子管放大器5 n6 h6 B4 x" g
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5 L% r/ a& k7 h+ v* T: J" d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( S0 h2 I- Z
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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。8 X7 w5 M2 t8 M! Z
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图9 世界上第一台电子计算机3 J9 s- N% F2 i- l% `
! F5 s: w1 T* P! t0 Y, M* r* r(Electronic Numerical And Calculator) R+ _ \) f' q2 c% R1 K R
, p- K+ @1 W- o0 L" R T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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& N8 ~( A% b$ B- y: _图10 电子管时代扩声系统的发展示意图
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二、晶体管和集成电路时代- q) E" n6 x) u$ C" S. R5 y
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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。4 `8 E& c' ?" r/ U) g
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% Q% |, _8 K& r) C0 f" T图11 肖克利发明的结型晶体管示意图' D& j% {# c, W: X' A
; c3 S5 ^- w/ \3 D# b1958 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。1 f$ t# d$ u- H2 m& b Q% b1 L. v' I/ }
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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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5 c% i0 @% I+ D" V7 Z' ?) G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。' F3 _: R1 i' x u3 J) j5 A; g$ w
7 i3 ?1 H6 K0 ]% `: B: ?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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1 a- U8 j6 i3 [8 f4 s3 `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4 Z, T& t% m4 a" w0 V h7 p+ K
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