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发表于 2023-1-4
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浅析扩声系统的发展历程8 y; l8 b( }( a
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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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- K+ z6 h x' j0 O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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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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# I* N& r1 _& ~; u4 W7 Y( x* Q1906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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. q( m) j* k" R3 U6 A/ n9 q图2 真空三极管构造图
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7 X2 C' Y- w, G( b* z. m* q1916年西电公司的Edward C. Wente研制出了第一款电容麦克风。1 P& i& y7 d7 M4 o( ~$ E; V
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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)。: ^, w/ s3 J" |' V7 t- d7 t8 g
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+ m* m0 ]+ x9 h" F& Q" Q4 @: Z图3 电容式麦克风的结构示意图& ~* T6 t: p) I
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* f5 z$ E" `1 w* C% U) l$ w1 w9 n$ J图4 动圈式麦克风的结构示意图
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: ?0 q v& _/ w8 Q" P( V N1924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。# v6 ^7 J( v, _) l8 r8 p( B
v1 q" l$ ^: {$ t" x1927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。' T, s# M1 z* G
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( H/ b! {% {6 z, J& G6 X5 t( `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2 o6 Y, v+ B: B
' J, N; {& E! w7 f- L1948年,天朗发明了著名的同轴(Dual Concentric)喇叭。
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1 P8 I9 a/ Z% | w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。' \4 E0 e+ {4 H5 o3 g
9 I, ^6 D1 H5 S! d4 c! Z3 s. A" x1950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。( F7 X: ]* \: Y! f
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0 i; K9 z3 W( t6 L4 E9 W, @- C图7 电子管放大器2 e& r$ E* s3 a8 T+ P" q
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9 S1 t% l$ O) G* V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1 @" h1 f' N! h c* Q+ K
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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。2 z( u9 O) k5 V1 _: Q4 `5 _
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图9 世界上第一台电子计算机" _( h8 x, E7 u; |
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(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。
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: Z4 v! u" R1 b- I8 O, J* y* E图10 电子管时代扩声系统的发展示意图
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0 H) a# \, \- F' Y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。* d6 ?; L% C/ b3 L
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图11 肖克利发明的结型晶体管示意图8 W: I: ^1 F- S n$ q
: \- N& p: P& w) q* ?2 I- S1958 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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2 _) b. A' r' l& U5 `% _: s1968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 A/ N" R, {# P3 \9 `8 |; b' }
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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1 d$ P" f* j2 M
. c* f, Y$ \' Z1 S3 L8 ~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。% J4 J. y$ q3 J- g* y
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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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5 _' k6 o f8 d: K' a; p3 g. i7 Z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。+ n& J0 H- _1 h' d9 Q
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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 \7 a( T3 F' k/ P: C5 w
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