浅析扩声系统的发展历程

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/ d# }. l- o; i0 J! v浅析扩声系统的发展历程

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

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。

5 O2 \8 b) E& e9 z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。

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

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图2 真空三极管构造图

( f* I9 p/ w1 z3 e& P: U. r; X1916年西电公司的Edward C. Wente研制出了第一款电容麦克风。

+ h3 p& F5 T. S# y  w# {# n/ D; u3 J1923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）。
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图3 电容式麦克风的结构示意图
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7 |+ F; I$ _* F6 H$ W8 g# @
' g0 L3 U( l/ V# P6 U$ l图4 动圈式麦克风的结构示意图
9 p$ w( P0 m& O+ R/ }
) v8 o+ p0 @, R0 g2 V7 \" ^( C: m1924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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$ h7 `' P% O  k0 q* M6 [9 P" w图5 电动式扬声器工作原理示意图


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0 e+ Y/ i2 P: j6 s+ X1 Q图6 电负反馈技术原理示意图
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- N7 q- k; u2 T. h: z1948年，天朗发明了著名的同轴（Dual Concentric）喇叭。

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。

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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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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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。



图9 世界上第一台电子计算机
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6 L" Q7 ]9 V2 o; B6 p9 S$ \（Electronic Numerical And Calculator）
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1 T/ S' R! I3 M, {+ _. c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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图10 电子管时代扩声系统的发展示意图

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。

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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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  A  n2 E% n! Q. B  ~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。



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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" T% E+ F* |1 U9 W6 O- ^/ X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。

: [9 \2 r4 D, K! B- N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。

; C, e8 W1 H1 d* H0 x7 ^3 g7 j/ ^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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三、数字和网络化时代
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随着扩声系统分类越来越细和复杂，扬声器和音频处理设备的种类和数量也越来越多，传输线路的数量和距离也逐渐增加，信号传输质量逐渐引起大家的关注。数字信息处理以及网络传输技术可以较好地解决信号传输质量问题。数字信号由光缆和网络线集中传输，通过就近设置信号交换机房，可以大大减少了模拟信号传输音频线的数量和传输距离。
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, ^& t$ A8 q$ ~; L/ q3 ?从20世纪80年代中后期开始，随着数字化和网络化的出现，先进的数字技术在扩声系统中得到了广泛的应用。90年代中后期，计算机技术、数字信号处理技术的成熟发展，使音频系统出现了效果器、均衡器、数字音频处理器等类似模块化的集成设备。20世纪末又出现了智能化控制系统和软硬件相结合的数字音频媒体矩阵，它可以取代均衡器、移频器、分频器、人工混响器、反馈抑制器等众多的音频处理设备，实现了众多设备的简化。
8 N$ k+ N' t( P3 R/ V& f4 V为了满足大声压级的要求，扬声器又发展出线阵列扬声器，而且扬声器的指向性也可以调整。近几年又出现了沉浸式系统（见图13、14），使绝大多数的座区真正实现了立体声的效果。
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图14 法国L-Acoustics公司的L-ISA 系统
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5 \5 z- W' s* C' G9 \图15 德国d&b公司Soundscape声景系统

一句话评论：数字和网络化时代的扩声系统实现了信号传输质量的优化和复杂系统的简化。
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图16 晶体管和集成电路时代扩声系统的发展示意图

, I& B" r8 a4 |8 ^$ B四、未来发展趋势
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扩声系统未来的发展趋势应该是设备的合并简化和智能化以及网络无线化。
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& M5 X6 [* B: F5 y, h设备的合并简化主要包括功放、扬声器的合并和调音台的集成化。功放、扬声器的合并即有源扬声器。由于功放与音箱集成在一块，大大缩短了功放输出线与单元联接线的长度，可以减小线损；同时由于功放的植入，可方便地增加DSP（数字信号处理）模块。调音台将传统调音台的控制和音频处理设备集于一身，并且越来越智能化。

5 m4 x2 j6 f. y网络无线化是必然趋势。由于系统无线化可以给工程技术人员的设备安装以及使用人员的使用操作带来非常大的便利；同时没有了音频线缆也可以节省工程费用。随着无线传输速度的不断加快，操作将会越来越实时化。因此网络无线化是发展的必然趋势。
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一句话评论：未来的扩声系统将实现了设备的合并简化和智能化以及网络无线化。


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图17 未来的扩声系统示意图

, b1 ?  r6 i0 h+ t  I回顾扩声系统的发展历程，从最初只有三个设备（碳粒麦克风+电子管放大器+电磁式扬声器）的简单系统，发展成功能细分、复杂而庞大的系统工程，然后再逐渐简化、更易操控但功能愈发强大的系统。譬如从只有三叶的一颗小树苗，逐渐成长为繁盛的大树，然后逐渐删繁就简成一颗颇具艺术的大盆景。

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$ u# a8 ?6 g, r# \# D% |图18 扩声系统发展类比的树示意图