デジタルスピーカー

デジタルスピーカーまたはデジタルサウンド再構成（DSR ）システムは、スピーカー技術の一種です。現代のデジタルフォーマットや処理と混同しないでください。これらは、1920年代にベル研究所で広範囲に実験されてきましたが、商用製品としては実現されておらず、成熟した技術としてはまだ開発されていません。 ^[1]

最下位ビットは、選択された物理設計の小さなスピーカードライバーを駆動します。値が「1」の場合、このドライバーは最大振幅で駆動され、値が「0」の場合、ドライバーはオフになります。これにより、アンプの効率が高まります。アンプは、常にゼロ電流を流すか、出力電圧をゼロ ボルト下げる必要があるため、理論上、理想的なアンプでは、電力が熱として消費されることはありません。次の最下位ビットは、面積が 2 倍のスピーカー (ほとんどの場合、前のドライバーの周囲のリングですが、必ずしもそうとは限りません) を駆動し、再び最大振幅またはオフにします。次の最下位ビットは、面積が 2 倍のスピーカーを駆動し、以下同様に続きます。

他のアプローチも可能です。たとえば、次に重要な振動板セグメントの面積を 2 倍にする代わりに、単純に 2 倍の距離を移動するように駆動することができます。デジタル動作原理とそれに伴うアンプの効率の利点はそのまま残ります。

CMOS - MEMSなどの製造プロセスを使用した小型トランスデューサの登場により、より実用的なアプローチは、デジタルスピーカーアレイ（DLA）またはデジタルトランスデューサアレイ（DTA）と呼ばれるスピーカーアレイを構築することです。最下位ビットは単一のトランスデューサで表され、その量は次の最下位ビットで2倍になります。nビットのスピーカーアレイは2 ⁿ -1個のトランスデューサで構成され、そのアレイのm^{番目のビットには2 m-1個の}トランスデューサが含まれます。^[2]アレイ全体は基本的に、アレイと同じビット数のPCM信号を音波にデコードできる温度計コード化DACとして機能します。 ^[3]ビットグループ化またはPWMエンコードは、 DSDなどの1ビットデルタシグマ変調信号をデコードする可能性のある方法です。^{[4] [5] [6]}

デジタル スピーカーは機能しますが、この設計にはさまざまな問題があり、現時点では通常の用途には実用的ではありません。

高品質のサウンド再生に必要なビット数を考えると、システムのサイズは非現実的なほど大きくなります。たとえば、16 ビットオーディオ CD標準と同じビット深度を持つ 16 ビット システムの場合、最下位ビット用の 0.5 cm ^{2ドライバーから始めると、ドライバー アレイの合計面積は 32,000 cm 2 、つまり 34 平方フィート (3.2 m 2} )以上必要になります。

適切に動作するには、個々のダイヤフラム要素すべてがクロック周波数で正常に動作する必要があります。各要素の固有周波数応答は、要素のサイズによって異なります。これにより、さまざまなビットが異なるバンドパス特性を持つDAC が作成されます。短期的には大きなエラーが発生する可能性があります。

このシステムはデジタル信号をアナログ信号に変換するため、エイリアシングの影響は避けられず、オーディオ出力はサンプリング周波数の反対側の周波数領域で等振幅で「反映」されます。 1 つの解決策は、変換要素をオーバークロックし、デジタル フィルターを導入し、その後に音響ローパス フィルターを追加することです。

このような高周波数ではスピーカー ドライバーの効率が大幅に低下することを考慮しても、結果として、望ましい出力に伴って 許容できないほど高いレベルの超音波が生成されました。

電子デジタル-アナログ変換では、ローパス フィルターを使用して、生成された不要な高周波数を除去することで、この問題に対処します。これらの周波数は電気信号で除去されるため、スピーカーに渡されず、超音波は生成されません。

しかし、電子フィルタリングでは、本質的にデジタル スピーカーのこの問題を解決できません。スピーカー要素は、(高レベルの) 可聴アーティファクトの発生を避けるために超音波で動作する必要があるため、超音波の空気波は避けられません。電子機器は電気信号をフィルタリングできますが、空気中にすでに存在する超音波周波数を除去することはできません。

この方式ではアンプ効率は良いものの、可動コイル型スピーカーは超音波周波数領域では比較的効率が低く動作するため、この方式の本来の目的が達成されません。

アレイ内のスピーカー ドライバーの数が多く、それらを駆動するアンプ チャネルの数も同様に多いため、システムは高価になります。

上記の問題に対処する方法はいくつかありますが、どれも競争力のあるシステム、あるいは問題のないシステムにはつながりません。

システム サイズは、16 ビット未満を使用することで簡単に実用的なものになります。0.5 cm ² LSB の場合、システム サイズは次のようになります。

• 8 ビット: 総アレイ面積 128 cm ²、または 11.3 cm × 11.3 cm (約 4.5 インチ × 4.5 インチ)
• 10 ビット: 22.6 cm × 22.6 cm の配列サイズ。

さまざまな要素の投射距離と面積を変えることで、特定のスペースにより多くのビットを収容できます。これにより、特定のビット深度に対して 1 桁以上の面積改善を実現できます。13 ビット配列を 1 平方フィートに収めることも、16 ビット配列を 4 平方フィート (0.37 m ² ) に収めることもできます。

デジタル ドライバーのアレイ上に取り付けられたパッシブ空気結合ダイアフラムは、機械的なローパス フィルターとして機能します。ただし、鋭い周波数カットオフは不可能なので、かなりの超音波が依然として存在します。パッシブ ダイアフラムを複数使用すれば改善できますが、すべての超音波を除去することはできず、すでに高いコストと複雑さを増すだけです。

標準的なムービングコイルスピーカーと比較すると、複雑さとコストはどちらも高くなります。

超音波周波数で動作するスピーカーの効率は低く、アンプの効率向上は打ち消されてしまいます。

実用的なスピーカーでは、かなり小さなキャビネットからかなり大きな音量を出すことが求められますが、超音波スピーカー ドライバーを使用してこれを実現するのは困難です。

超音波出力を完全に除去することは現実的ではありません。

必要なスピーカーとアンプの要素の数が多いため、システムの信頼性が大幅に低下します。

高効率化への他のより現代的なアプローチ、特にクラス D増幅は、デジタル スピーカーよりもはるかに優れており、コストもはるかに低くなります。

近年、微小電気機械システム（MEMS）を使用したデジタルサウンド再構成システムにおけるデジタルスピーカーアレイの構築に関する研究が行われてきました。^{[7] [8] MEMSマイクロスピーカーアレイは、} CMOSプロセスを使用してチップ上に製造できます。シングルチップシステムでは、マルチチップシステムと比較して、各サブユニット間のばらつきが少なくなります。オーストラリアとイスラエルの企業であるAudiopixelsは最近、同社のクリーンルームで概念実証を行いました。このオーディオは、長年の開発を経て、MEMS技術の有効性を実証しています。^{[9] [7]} CMOS-MEMSプロセスにより、各サブユニットのサイズが直径数百μmに縮小されます。^[10]

「デジタル」として販売されている現代のスピーカーは、ほとんどの場合、アナログ アンプで駆動されるアナログ スピーカーです。スピーカーに「デジタル」という用語が広く使用されているのは、マーケティング戦略として、「デジタル」ソース マテリアル ( MP3録音など) との適合性が高いと主張したり、他のスピーカーよりも「高度な技術」を備え、おそらく価格も高いと主張したりするためです。メーカーは、追及されると、この用語は製品がデジタル プレーヤーからの入力に「対応」していることを意味すると主張する可能性があります。これは基本的にすべてのスピーカー システムに当てはまります。

また、クラス Dおよびクラス T のデジタル アンプ駆動アナログ スピーカーも少数存在しますが、これらは通常、独立したコンピュータ スピーカーや家庭用ステレオ システムには搭載されていません。これらはラップトップでよく使用され、バッテリー電力の節約によってコストが高くても正当化されます。このような機器のスピーカーは依然としてアナログです。

• スピーカー
• スピーカーエンクロージャー