Los altavoces digitales o sistemas de reconstrucción de sonido digital ( DSR ) son una forma de tecnología de altavoces . No deben confundirse con los formatos y el procesamiento digitales modernos, ya que aún no se han desarrollado como una tecnología madura , ya que Bell Labs los experimentó ampliamente desde la década de 1920, pero no se comercializaron como productos. [1]
El bit menos significativo activa un pequeño controlador de altavoz , cualquiera que sea el diseño físico elegido; un valor de "1" hace que este controlador funcione a máxima amplitud, un valor de "0" hace que se apague. Esto permite una alta eficiencia en el amplificador, que en cualquier momento está pasando corriente cero o se requiere que reduzca el voltaje de salida en cero voltios, por lo tanto, en un amplificador ideal teórico no disipa energía en forma de calor en ningún momento. El siguiente bit menos significativo activa un altavoz del doble de área (la mayoría de las veces, pero no necesariamente, un anillo alrededor del controlador anterior), nuevamente a máxima amplitud o se apaga. El siguiente bit menos significativo activa un altavoz del doble de esta área, y así sucesivamente.
Existen otros enfoques posibles. Por ejemplo, en lugar de duplicar el área del siguiente segmento de diafragma más importante, se podría simplemente accionar para que se extendiera el doble. El principio de funcionamiento digital y las ventajas de eficiencia del amplificador que conlleva se mantendrían.
Con la llegada de transductores de menor tamaño utilizando procesos de fabricación como CMOS - MEMS , un enfoque más práctico es construir una matriz de altavoces, conocida como matriz de altavoces digitales (DLA) o matriz de transductores digitales (DTA). El bit menos significativo estará representado por un solo transductor, y la cantidad se duplicará para el siguiente bit menos significativo. Una matriz de altavoces de n bits constará de 2 n -1 transductores, y los m -ésimos bits de dichas matrices contendrán 2 m-1 transductores. [2] La matriz completa funciona básicamente como un DAC codificado por termómetro que puede decodificar señales PCM del mismo número de bits que la matriz en ondas de sonido. [3] La agrupación de bits o la codificación PWM son formas potenciales de decodificar señales moduladas delta-sigma de 1 bit, como DSD . [4] [5] [6]
Aunque los altavoces digitales pueden funcionar, este diseño presenta varios problemas que lo hacen poco práctico para cualquier uso normal en la actualidad.
Para la cantidad de bits que se requieren para una reproducción de sonido de alta calidad, el tamaño del sistema se vuelve impracticable. Por ejemplo, para un sistema de 16 bits con la misma profundidad de bits que el estándar de CD de audio de 16 bits , comenzar con un controlador de 0,5 cm2 para el bit menos significativo requeriría un área total para el conjunto de controladores de 32.000 cm2 , o más de 34 pies cuadrados (3,2 m2 ) .
Para funcionar correctamente, todos los elementos individuales del diafragma tendrían que funcionar de forma limpia a la frecuencia de reloj. La respuesta de frecuencia natural de los distintos elementos variará con su tamaño. Esto crea un DAC en el que los distintos bits tienen diferentes características de paso de banda. Se pueden esperar grandes errores a corto plazo.
Dado que este sistema convierte la señal digital en analógica, el efecto de aliasing es inevitable, de modo que la salida de audio se "refleja" con la misma amplitud en el dominio de la frecuencia, en el otro lado de la frecuencia de muestreo . Una solución sería hacer overclocking en los elementos de conversión, introducir un filtro digital y luego colocar un filtro acústico de paso bajo.
Incluso teniendo en cuenta la eficiencia enormemente inferior de los controladores de los altavoces a frecuencias tan altas, el resultado fue generar un nivel inaceptablemente alto de ultrasonidos que acompañaba la salida deseada.
En la conversión electrónica de señal digital a analógica , esto se soluciona mediante el uso de filtros de paso bajo para eliminar las frecuencias altas espurias que se producen. Dado que estas frecuencias se eliminan en la señal eléctrica, no pasan al altavoz y, por lo tanto, no se generan ondas ultrasónicas.
Sin embargo, el filtrado electrónico es inherentemente incapaz de resolver este problema con el altavoz digital. Los elementos del altavoz deben funcionar ultrasónicamente para evitar la introducción de (altos niveles de) artefactos audibles, y esto significa que las ondas ultrasónicas son inevitables. La electrónica puede filtrar señales eléctricas, pero no puede eliminar las frecuencias ultrasónicas que ya están en el aire.
Aunque la eficiencia del amplificador es buena con este sistema, los altavoces de bobina móvil funcionan con una eficiencia relativamente baja en la región de frecuencia ultrasónica, por lo que el objetivo original del método queda anulado.
La gran cantidad de controladores de altavoces en el conjunto y la cantidad igualmente grande de canales de amplificación para accionarlos hacen que este sistema sea costoso.
Hay formas de abordar los problemas mencionados, pero ninguna conduce a un sistema competitivo o incluso libre de problemas.
El tamaño del sistema se puede hacer práctico fácilmente utilizando menos de 16 bits. Con un LSB de 0,5 cm 2 , los tamaños del sistema son:
Se puede acomodar una mayor cantidad de bits en un espacio determinado variando el alcance de los diferentes elementos, así como su área. Esto puede lograr una mejora de área de una magnitud o más para una profundidad de bits determinada . Se podría colocar una matriz de 13 bits en un pie cuadrado, o una matriz de 16 bits en 4 pies cuadrados (0,37 m2 ) .
Un diafragma pasivo acoplado al aire colocado sobre la matriz de controladores digitales puede actuar como un filtro de paso bajo mecánico. Sin embargo, es imposible un corte de frecuencia abrupto, por lo que seguirían estando presentes ultrasonidos significativos. Múltiples diafragmas pasivos podrían mejorar esto, pero nunca eliminarían todos los ultrasonidos y solo aumentarían aún más el costo y la complejidad ya elevados del sistema.
La complejidad y, por tanto, el coste son altos en comparación con los altavoces de bobina móvil estándar.
La eficiencia de los altavoces que funcionan a frecuencias ultrasónicas es baja, lo que anula cualquier ganancia de eficiencia en el amplificador.
Los altavoces prácticos exigen la producción de volúmenes bastante altos a partir de gabinetes bastante pequeños, una combinación que es difícil de lograr utilizando controladores de altavoces ultrasónicos.
La eliminación completa de la emisión ultrasónica no es práctica.
La gran cantidad de elementos de altavoces y amplificadores necesarios reduce significativamente la confiabilidad del sistema.
Otros enfoques más modernos para lograr una alta eficiencia, en particular la amplificación de clase D , funcionan mucho mejor y a un coste mucho menor que los altavoces digitales.
En los últimos años, se han llevado a cabo investigaciones sobre el tema de la construcción de conjuntos de altavoces digitales en sistemas de reconstrucción de sonido digital utilizando sistemas microelectromecánicos (MEMS). [7] [8] Los conjuntos de microaltavoces MEMS se pueden fabricar en un chip utilizando un proceso CMOS . Un sistema de un solo chip tendrá menos variaciones entre cada subunidad en comparación con un sistema de varios chips. Una empresa australiana-israelí llamada Audiopixels demostró recientemente una prueba de concepto en la sala limpia de la empresa. El audio demuestra la eficacia de la tecnología MEMS después de muchos años de desarrollo. [9] [7] El proceso CMOS-MEMS reduce el tamaño de cada subunidad a unos pocos cientos de μm de diámetro. [10]
Los altavoces modernos que se comercializan como "digitales" son siempre altavoces analógicos, en la mayoría de los casos controlados por un amplificador analógico. El uso generalizado del término "digital" en el caso de los altavoces es una estrategia de marketing destinada a afirmar que son más adecuados para el material fuente "digital" (por ejemplo, grabaciones en MP3 ) o a atribuir una "tecnología superior" a la de otros altavoces y, tal vez, un precio más elevado. Si se les presiona, los fabricantes pueden afirmar que el término significa que el producto está "preparado" para la entrada de reproductores digitales; esto es cierto en prácticamente todos los sistemas de altavoces.
También hay una minoría de altavoces analógicos accionados por amplificadores digitales de clase D y clase T , aunque normalmente no se encuentran en altavoces independientes de ordenador o sistemas estéreo domésticos. Son habituales en los ordenadores portátiles, donde su mayor coste se justifica por el ahorro de batería. Los altavoces de estos equipos siguen siendo analógicos.