0 引 言

随着数字技术的飞速发展和普及，在很多领域，数字技术都已经替代了传统的模拟技术，很多由模拟信号驱动的设备和器件，都已发展为由数字信号直接驱动，这其中数字电视系统就非常具有代表性。

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但是，目前电声信号转换的关键器件“扬声器”还只能用模拟信号来驱动，还未能实现数字信号的直接驱动，电声转换成为了限制信息技术和数字技术发展的瓶颈之一。很多音响设备虽然号称“数字音响”和“数字扬声器”，但只不过是内部采用了一些数字处理和控制电路而已，音频驱动信号最终还是通过D/A(数/模)转换为模拟信号，扬声器始终是模拟性质的，这样的扬声器最多可称之为“准数字扬声器”或“数字化扬声器”，并非真正意义上的数字扬声器。

真正意义上的“数字扬声器”是指可以由数字信号直接驱动的扬声器。目前，全球范围内所提出的数字扬声器实现方案主要有DTA(数字换能器阵列)和MVCDL(多音圈数字扬声器)，实现方案均在研究和论证过程中，实物均处于实验室阶段，还没有正式的产品。当前，国内关于数字扬声器的研究工作才刚刚起步，与国际研究水平还有一定差距。数字扬声器技术是一个新兴的研究领域，该领域有较为广阔的研究空间和重要的研究价值。

从目前的研究现状来看，大多数研究者仅提供了一个设计理念和理论方案，对数字扬声器的具体实现方法和实际应用电路等方面的设计还鲜有涉足。就此，笔者提出了具有创新意义的数字直驱扬声器设计方案，分析其理论及原理，且从实际应用的角度出发，给出了实现该技术的具体方案，为该技术的实际应用作了积极的探索和有益的贡献。

压电式音频换能器的结构如图6所示。压电式音频换能器是利用某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应来将电能与声能进行相互转换的器件。当交变电压加在压电材料上时，晶片会随之振动，这也就是“逆压电效应”。

1 数字直驱扬声器总体设计方案

1.1 总体设计方案

基于SDM(Sigma-Delta Modulation，西格玛-德尔塔调制)技术和平板换能器技术的数字直驱扬声器总体设计方案如图1所示。

 

整个数字扬声器主要由信号匹配及转换电路、信号逻辑分析及分配驱动电路和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)平板换能器阵列3个主要部分构成。

办公室内具体测点布置如图9所示，在实测过程中，主要对各测点在Y=0.8 m、Y=1.2 m、Y=1.6 m处的温度和风速进行测量.为确保测量数据具有较高的准确度，针对同一测点、同一高度进行10次数据采集，去掉最大值和最小值后取平均值，作为该测点的实际数值.

信号匹配及转换电路可根据输入音频信号的形式，采用SDM技术或数字信号处理技术，将模拟音频信号或数字音频PCM(脉冲编码调制)信号转换为1 bit数据流信号，即类似于DSD(Direct Stream Digital，直接比特流数字编码)技术的信号，以简化后续电路的设计。

信号逻辑分析及分配驱动电路经过对1 bit数据流信号的分析，决定驱动平板换能器阵列的数目和时间，通过分配驱动电路，将数字信号送至对应的平板换能器阵列单元，以实现1 bit数据流信号对换能器的控制，同时对控制信号进行驱动放大。

在艺术史上黑色始终是更让人沉迷的主题，17世纪格列柯（El Greco）在他的《奥尔加伯爵的葬礼》画作中描绘了极具表现力的“黑色”，西班牙式的“黑色”在他手中大放异彩，成为后世画家竞相效仿的典范。19世纪初，戈雅（Francisco Goya）“黑色绘画”壁画以其阴郁的主题和黑色的大量运用，展现了对疯癫的恐惧与人性阴暗面的一角。19世纪的马奈在色彩的使用上与其他印象派成员排斥黑色不同，他十分善于使用黑色，黑色使得马奈画面的色彩响亮醒目而又各得其所。

由MEMS构成的平板换能器阵列将数字信号转换为振动，进而还原出声音。传统的扬声器换能器采用电动式振动膜来实现，不可能满足数字扬声器的要求，因此从数字扬声器的优势和特点出发，本设计采用新型的压电式MEMS平板换能器来实现。

对称矩阵在消元计算过程中有的一个很特别、但一直被忽视的特点：即规格化之前，第i行对角元以右元素与第i列对角元以下元素数值相等、位置对称；规格化之后，第i行对角元以右元素与第i列对角元以下元素只相差一个对角元的比例系数，位置仍然对称。因此在因子表的形成过程中，可仅计算对角元素和上三角元素，而下三角元素可按列通过规格化前的上三角元素赋值得到，从而省去大量下三角元素的计算及相应的除法计算，大大加快因子表的形成速度。

1.2 设计理念解析

本设计中数字扬声器的工作原理与液晶显示的原理有异曲同工的地方。在图1的MEMS平板换能器阵列中，有很多微型的换能单元，就像很多很小的扬声器，用数字信号的开关状态就可控制这些换能单元的发声与否，声音的强弱可由换能单元阵列发声的数目和时间长短来控制，而不同的声音效果可由各低音、中音和高音换能单元的混音来实现。因此，只要把普通音频信号转换成适合控制各换能单元的特殊数字信号，并让这些数字信号经过逻辑分析和放大后，有序地控制各换能单元的发声状态，由此便可合成出想要的声音和音乐。所有的控制过程均可由数字信号直接驱动，无需转换为模拟信号，这就实现了真正意义上的用数字信号直接驱动的数字扬声器。

2 数字直驱扬声器各环节结构及工作原理

2.1 信号匹配及转换环节

由此可见，各种音频信号经过变换后得到的1 bit数据流信号反映的是原始模拟信号作用于扬声器后声音在空气中形成气流的疏密程度，这也是数字扬声器工作原理的核心，为数字扬声器的实现提供了可能，也简化了后续电路的设计。

若输入为模拟音频信号，可通过SDM技术来将其转换为1 bit数据流信号，即完成了特殊形式的A/D(模/数)转换。图2为一阶SDM的结构原理图。

 

一阶SDM会带来较多噪声，效果不佳，因此从实际应用的角度，可采用七阶SDM来完成模拟音频信号的处理，具体电路如图3所示。

通过上述介绍，笔者设计出了数字直驱扬声器的核心结构，并探讨数字直驱扬声器的实际应用方案。

若输入的是数字音频信号，如最普遍的PCM音频数字信号，可先经过内插和噪声整形，提高采样频率后，经过数字信号处理，也可将其转换为1bit数据流信号。目前已有专门的集成电路芯片可完成从PCM到DSD信号(输出的信号就是1bit数据流)的转换过程，下文将作具体说明。

方案一：如图9(a)和(b)所示。图9(a)所示为自制小型压电式音频平板换能器单元的结构，图中压电材料采用PZT(Piezoelectric ceramic transducer，锆钛酸铅)，振膜采用溶胶和凝胶技术沉积而成。图9(b)所示为试制模型产品。

 

为使所设计的数字扬声器具有实用性，扬声器就应既能用模拟音频信号驱动，又能用数字音频信号驱动。

2.2 信号逻辑分析及分配驱动环节

音频信号经过处理变换后，成为了反映扬声器振动情况的1bit 数字音频数据流。接下来，信号逻辑分析及分配驱动电路经过对1 bit数据流信号的分析，决定驱动平板换能器阵列单元的数目，通过驱动电路，将数字信号送至对应的平板换能器阵列单元，实现1 bit数据流信号对换能器的控制，同时完成对控制信号的驱动放大。

为理解这部分电路的工作原理，先对 DSD技术的特点作一个分析。传统的音频PCM信号，所记录的是对音频信号采样后的绝对数值；而DSD技术，即1 bit数据流信号不同，是使用一个固定值“Δ”去度量音频信号，每次采样得到的电平会拿来与上一次采样的信号进行比较，如果其插值>Δ，则输出“1”，如果插值<Δ或者为负数，则输出“0”，也就是说，1 bit数据流信号所记录的不是音频信号采样后的绝对数值，而是其相对数值。因此，当1 bit数据流信号中出现“1”时，说明音频幅值在增加；当信号中出现“0”时，说明音频幅值在减小。

理解了上述原理，就可设计出相应电路。以4×4换能器阵列为例，信号逻辑分析及分配驱动环节电路的结构如图5所示。

据了解，目前现有金融类软件系统中，通常的做法是在各个环节进行加解密，加解密通信算法通常采用的是固定因子，采用固定因子的加解密通信通常对不同客户端加密相同数据时，产生的密文不唯一，安全性较低，容易被破解。本文提出的加密算法是基于传统常见的算法模式衍生的动态加密模式，较目前国内各大厂商使用的现有加密算法更加安全可靠。

 

在图5中，1 bit数据流信号首先送入逻辑判断电路，逻辑判断电路由组合逻辑电路和触发器构成，可鉴别出1 bit数据流信号中的信号是“0”还是“1”。如果是“0”，就向后续加减双向计数器的减计数端发计数脉冲；如果是“1”，就向后续加减双向计数器的加计数端发计数脉冲。

下图所示是同一阅读器由不同天线执行标签清点任务的示意图。图中所示的清点任务由两轮清点来完成，阅读器的两个天线各执行一轮清点。P200是阅读器，P210与P230是连接在阅读器P200上的两个天线。P220是天线P210的标签识别覆盖范围，P240是天线P230的标签识别覆盖范围。P250是天线P210和天线P230都能清点到的标签范围。标签A是仅第一轮清点能清点到的标签，即只能被P210清点到。标签C是仅第二轮能清点到的标签，即只能被P230清点到。标签B是第一轮和第二轮都能清点到的标签，即能被P210和P230清点到。

因换能器阵列是4×4结构，即有16个换能器单元，因此加减双向计数器可采用2进制可逆计数器，速度应满足电路需求。当1 bit数据流信号中的信号是“1”时，双向计数器的加计数端接收到计数脉冲，进行加计数，通过后续译码器译码后，选中换能器阵列中的对应换能器，经过驱动电路，使发声的换能器数目增加，输出声音的音量增加；如果是“0”信号，使发声的换能器数目减少，输出声音的音量减小。如果换能器的数目已经增加到最多或减少到最少，那就由调节换能器的持续发声时间长短来调节音量。

2.3 MEMS平板换能器阵列环节

换能器是将音频控制信号最终还原为声音的环节，也是整个数字扬声器的最后一个环节。传统的纸盆(或合成膜)扬声器，是由模拟音频信号依靠电动力推动纸盆或其它合成材料制成的薄膜振动来实现换能从而发声的，但这种方式不适用于数字扬声器。从减小数字扬声器体积及实际应用的角度出发，最适合的音频换能器是平板换能器。

常见的音频平板换能器主要有压电式、静电式、激光式、驻极体式和离子式等。经过反复的对比研究，本设计采用了压电式平板换能器来作为数字扬声器的发声元件，但普通的压电式平板换能器不能满足数字扬声器的要求，因此这里提出了新型的MEMS压电式音频平板换能器概念，即利用MEMS集成技术，在平面上集成多个微型压电式音频换能单元，再将这些换能单元根据实际需要组合成阵列。

2017年，数字报纸广告收入依然呈下滑趋势。这是报业在新媒体冲击下无可避免的情况，报业机构应从自身出发，思考数字报纸广告经营存在的问题，例如广告结构单一、人才缺乏、传播度有限等，深入挖掘市场，寻找自身在广告市场无可替代的优势。另一方面，改变广告呈现方式，应用新技术，提升宣传效果和传播范围。

我总想，过去我们之所以能成为朋友，总是有相互吸引的地方，正如我前面所说，我们的家庭都是残缺不全的。现在变化了，在成年人中，这一点不能再成为友谊的基础了。

生3：詹天佑你是多么认真呀！“大概、差不多”不能说，真是精益求精。而我呢，做事学习总抱有“马马虎虎，差不多就行了”的态度，看来，我今后无论做什么也该一丝不苟呀！

 

在图6中，当在电极上施加合适的脉动信号，就会引起压电材料振动，从而带动微型振膜和共鸣腔体振动，从而发声。

压电式换能器的优点在于其体积小、性能稳定、耐高温、耐潮湿、过电压性能好、结构也相对简单；但其机械强度较低(脆性大)，因而在大功率应用上受到限制，所以本设计采用压电换能器阵列来解决这一问题。

3 数字直驱扬声器实际应用方案

工科新教师培训的总目标是提升工科新教师教学能力，助推其成为一名合格的大学教师。但在培训实践中，总目标往往成了“孤家寡人”：无具体目标或阶段目标支撑，成了不能落地的口号目标。

3.1 实际应用方案及比较

1)方案一:整个数字扬声器的核心处理电路，由1块FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或可编程DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片，通过编程来实现。其优势为电路结构紧凑、各环节匹配性好、体积小；缺点为软件编程量大、调试过程复杂、维修复杂且成本高。

信号逻辑分析及分配驱动电路环节中，所使用的主要是逻辑门电路、计数器、译码器和集成驱动电路等常规集成电路芯片。以图5中的4×4换能器阵列模型为例，信号逻辑分析及分配驱动环节中的逻辑判断电路可使用4位CMOS数值比较器CD4585；加减双向计数器可使用4位二进制可逆计数器74HC193；16译码器可使用4-16线译码器CD4514；驱动电路可使用2片8路驱动集成电路ULN2803。这些均为通用集成电路，不再详细介绍。

2)方案二:各环节电路功能由独立的集成电路芯片完成，进而合成为一个整体。其优势为不涉及软件编程、易于调试和维修、成本相对低；缺点为电路硬件结构相对复杂、体积相对较大。

对以上2个方案进行比较，从更易于实现及调试、维修的角度出发，选择方案二，下面对方案二的具体实现方法进行介绍。

3.2 信号匹配及转换电路环节

1)若输入为模拟音频信号，需要通过七阶SDM技术来将其转换为1 bit数据流信号。具体实现方案可通过ADI(美国亚德诺半导体)公司的AD7720集成电路来实现。AD7720是一款七阶SDM调制器，可将音频模拟输入信号转换为一个高速1bit数据流信号。AD7720集成电路的外观、引脚排列及内部结构如图7所示。

(Megamonas,Veillonella,and Dialister)were enriched in the control group.Deltaproteobacteria and Odoribacteraceae were enriched in CKD patients.

 

2)若输入的是数字音频PCM信号，可经过数字信号处理，将其转换为1bit数据流信号。具体实现方案可通过AKM(日本旭化成微电子株式会社)公司的AK4137集成电路来实现。AK4137是双声道SRC(数字采样率转换器)，采样率范围从8kHz～768kHz，能够支持将各种PCM音频格式装换为DSD数据格式，即1bit数据流信号。AK4137集成电路的外观、引脚排列及内部结构如图8所示。

 

 

3.3 信号逻辑分析及分配驱动电路环节

1.企业价值的评估是企业领导层做出相关决定以及处理方案的最原始的依据。如企业并购、重组、合资、合作、股权交易等决策。

3.4 MEMS平板换能器阵列环节

目前，压电式MEMS音频平板换能器还没有成熟产品。对于MEMS平板换能器阵列环节的实现，考虑用自行研制的小型压电式音频平板换能器阵列和通过对MEMS麦克风的改造2种方案来实现。

 

 

因此无论是模拟还是数字音频信号，最终都转换成为了1bit 数字音频数据流信号。对于1bit数据流，可以将其理解为一组脉冲密度调制(PDW)信号。图4为正弦波经过SDM变换的效果示意图，由图4可知，正弦波的幅值和相位的变化，经过SDM后，就转换成为了脉冲信号的密度变化。

方案二：采用对MEMS麦克风的改造来实现，MEMS麦克风的外形如图9(c)所示。MEMS麦克风，也称为硅麦，是目前能采购到的典型MEMS电声产品，其功能是实现声电信号转换，因此这一方案的基本思路是逆用其功能，对其改造后使其成为电声转换器件。目前这一思路还在测试过程中。

3.5 数字扬声器实用产品整体结构设计

数字扬声器实用产品整体结构设计如图10所示。

上巳节：俗称三月三，我国民间古老的传统节日。农历三月的第一个巳（地支的第六位）日，称为“上巳”，人们都去水边祭祀。

整个数字扬声器主要由主电路板和MEMS平板换能器阵列构成，信号输入接口既可接受模拟音频输入信号，也可接受数字音频PCM输入信号。结合实际应用，该扬声器既可设计为专用的低音、中音或高音扬声器，也可设计为全频扬声器，主要取决于平板换能器中各发声单元的频率特性。

4 数字直驱扬声器测试情况

对上述设计方案的数字直驱扬声器进行实际测试，情况如下：

1)在频率特性测试过程中，采用20Hz～20 kHz音频信号测试，扬声器的频率响应范围达到80Hz～16 kHz，符合一般场合的放音要求；

2)采用1kHz标准信号进行测试，灵敏度>87dB/W，非线性失真<5%，符合扬声器的性能指标；

3)采用8×8平板换能器阵列测试，输出音频额定功率达到2W，可满足小型电子产品的放音要求。如需提高输出功率，可进一步增加平板换能器换能单元的数目；

4)在人耳实际听音测试过程中，输入模拟音乐信号和PCM数字音乐信号，扬声器重放的音乐清晰，无明显失真，但低频响应略显不足。

通过实际测试，采用本设计方案的数字直驱扬声器已达到了预期设计目标。但作为真正实用的产品，目前研究的重点是如何进一步提高和改善扬声器的音质，尤其是低频响应；以及如何实现大功率放音需求。

5 本设计的特点和优势

1)可用数字信号直接驱动，是真正意义上的全数字扬声器；

2)既可在数字音频信号下工作，也可在模拟音频信号下工作，大大增强了其实用性；

3)由于把电声换能过程分配在了各个微型换能器单元上，因此大大降低了对功率放大电路的要求，不需额外配置大功率数字功放；

4)采用平板式设计，因此体积小、重量轻、工作稳定，进一步集成生产后可适用于多种小型和微型电子产品；

5)由于是数字信号直接驱动，因此无需考虑一般扬声器的阻抗匹配问题。

6 结 语

随着信息技术发展和科技的不断进步，扬声器的真正全数字化是必然的趋势。目前这一技术还未成熟，因此有广阔的研究空间，对这一新技术的研究具有重要的创新意义和价值。本文提出了数字直驱扬声器的理论设计方法，并从实际应用的角度出发，给出了具体实现方案，以期能为数字扬声器技术的发展作出有益的贡献。

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