一种多音圈式全数字扬声器的设计与实现

朱 斌，孙辰朔，沈静逸，刘山松，王 颖

（四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

随着数字技术的发展，电声产品的数字化已是必然趋势。传统的模拟扬声器功耗大、抗干扰能力差，而新兴的数字扬声器以数字信号驱动，无需经过数模转换、放大与滤波等复杂过程，因而功耗更小，抗干扰能力更强。近年来，许多学者开始致力于全数字式扬声器的理论和实验研究。国外学者K.Watanabe等制作了数字驱动的波束成形扬声器[1-2]，H.Ohtani等人对低功耗高保真度USB供电数字驱动的扬声器进行了研究[3]，马登永等人探讨了国外数字式扬声器的工作原理和实现方式[4]。他们的研究内容大多基于多阵列式的数字扬声器，即多个扬声器单元发声后在时空上叠加还原声音的方案，对于多音圈式数字扬声器的研究较少。本文采用多音圈式——将多个音圈套在单个骨架上推动振膜发声的方案设计数字扬声器。实验结果表明，多音圈式数字扬声器播放声音效果良好，具有低功耗、抗干扰等优点，对扬声器的数字化及其商业化有重要意义。

1 技术方案

本设计主要由USB数字音频接口、数字开关电流源电路和多音圈式换能器组成。图1为本设计的基本原理图。通过软件编程，将WAV文件转换为串行字节流，经USB传输至单片机，再由单片机转换为并行数字信号，输出到I/O引脚。引脚输出的并行信号接入数字开关，控制相应位音圈的通断，多个音圈电磁力叠加从而推动振膜发声。

1.1 USB数字音频接口

本文设计的八位数字扬声器，需要八位量化的音频数字量作为驱动信号，因此要将PC中的数字音频文件按字节输出到设备相应接口，利用软件GoldWave和MATLAB将WAV文件转换为文本文件格式（TXT），通过 C8051F320单片机的USB模块以字节流形式将数字音频文件由PC传输至数字开关。

C8051F320单片机是美国CYGNAL公司8051F系列的一款小型单片机，片内自带的USB收发器和控制处理器是它区别于同一系列产品的特点。其USB模块符合2.0规范，有全速12 Mbps和低速1.5 Mbps两种速度模式[5]。使用Silicon公司专门针对C8051F系列开发的主从机USB通信平台USB-Xpress，可以实现量化数据从PC至单片机设备的传输。

USB-Xpress平台为主从机设备分别提供了各自的应用程序编程接口（API），无需编写复杂的USB协议，为用户编程带来很大方便。本文基于VC编写上位机程序，传输字节流的TXT文件。该方案存在两个问题，一是容量不匹配问题，单片机的存储容量通常在千字节量级，一般音频文件在兆字节量级；二是速度不匹配问题，一般音频采样频率为44.1 kHz，但USB传输速度很快，若传输速率与采样频率不相等，就会形成失真。针对前者，以512字节为一块，采用以块为单位的“单文件多次传输”方案解决；为实现速度匹配，在单片机在处理程序中加入频率自适应程序。

图1 数字扬声器系统示意图Fig.1 System architecture

1.2 数字开关电流源电路

数字开关电流源电路是处于音频接口与换能器之间的控制电路，根据USB数字音频接口的数字信号控制相应匝数音圈的通断。动圈式扬声器的原理表明，某一瞬间声音幅值大小与所有音圈在磁场中所受电磁力大小有关。根据毕奥-萨伐尔定律，在磁场一定的情况下，音圈所受电磁力大小取决于电流强度和匝数。开关模块控制所有音圈电流强度相同，量化的权值由音圈匝数来体现。所以数字开关的作用是根据数字信号使相应权值的音圈导通或断开。由以上分析可知，八位开关相对独立，分别由对应位的0/1开关量决定通断。下面分析第位数字开关电路的原理及功能，电路原理图如图3所示。

本模块由开关电路与电流源电路两部分组成。开关电路根据数字信号Di控制Qi1的导通与截止，即第i位音圈的通断。电流源部分采用负反馈控制电路，当Qi1导通时，保证不

同位音圈中的电流大小不因音圈匝数不同而改变。

运算放大器UiA为负反馈比较器，当Qi1导通时，如果UiA的正向输入电压高于负向输入，其输出电压将是电源电压VCC。根据Qi2的导通特性知，电流I将增大，电阻Ri6两端电压随之增大，比较器负向输入电压也增大，直至和正向输入电压相等；反之，比较器输出电压减小，电流将减小，电阻Ri6两端的电压减小，负向输入电压减小，直至和正向端电压相等。通过这样的负反馈使音圈电流I大小恒定，不因匝数而变化。电流I的大小为：

1.3 多音圈式换能器

换能器是实现将数字信号转换为声音信号的关键环节。换能器模块是多音圈式数字扬声器区别于模拟扬声器的主要部分。本模块将N位音圈安装在单一框架上，每位音圈按照设定的匝数对应输入信号的一个比特位。该位音圈所受电磁力与信号位的权值成正比。开关模块根据数字信号D7…D0控制相应位音圈的导通情况，匝数作为权值的八位音圈实现电磁力的数模转换，转换后的模拟电磁力推动扬声器的振膜振动从而辐射出模拟声波。

由毕奥-萨伐尔定律，处于恒定磁场中的音圈所受电磁力大小为：

式（2）中：LC为单匝线圈周长，Ni为第 i位音圈匝数，Ni=2i。由于音圈所处磁场强度恒定，每匝线圈周长也近似相同，因i而第位音圈所受电磁力取决于该位音圈的安匝数。根据前述多音圈式数字扬声器原理，只要控制每位音圈中导通时电流大小一致，匝数就是反映权值的唯一因素。

本文研究的数字扬声器的换能器模块由八位音圈组成，如图4所示。

图4 多音圈换能器实物Fig.4 Real object of multi-voice-coil transducer

由此可知音圈所受总电磁力大小：

输入数字信号的频率决定音圈振动频率，进而决定了扬声器发声频率。流过音圈的电流大小决定了声音的响度。可见，多音圈方式可以很好地实现将数字信号转换为具有一定强度和频率的声音信号。

2 实验与讨论

2.1 实验测试

2.1.1 USB数字音频接口测试

将PC上的一个大小为5 MB的TXT格式的文件，通过USB音频接口传送至单片机。在分块传输的过程中，每完成一块的传输，就通过单片机将接受到的数据送回PC，并由另一个TXT文件记录。完成传输后，对两个TXT文件进行统计分析，多次重复上述实验得到USB传输的误码率约为0.001%，说明USB音频接口能够可靠地完成数字音频文件的传输。

2.1.2 数字开关电流源测试

八位数字开关相互独立，只需针对任意两位数字开关电路进行实验。实验内容：1）测试数字信号对开关状态的控制；2）测试不同匝数对电流一致性的影响；3）测试数字开关的抗干扰性能。

表1 开关通断测试结果Tab.1 Result of on-off test

表2 不同匝数对电流一致性的影响Tab.2 Result of identical-current test

表3 抗干扰测试结果Tab.3 Result of anti-interfere test

考虑到器件的分散性，由表1知，数字开关模块可以准确地根据数字信号控制音圈通断。由表2知，音圈匝数对电流源电流大小几乎没有影响。由表3知，数字开关具有较强的抗干扰能力。

2.1.3 系统实验

图5为多音圈式数字扬声器系统整体测试的情况。

图5 全数字扬声器系统实物Fig.5 Real object of digital loudspeaker system

实验播放萨克斯曲《回家》，按多音圈方式改造的扬声器播出的声音质量良好，但略带噪声。该实验结果证实了多音圈式数字扬声器理论的可行性。

2.2 实验分析与讨论

实验中，微小噪音的主要原因有：1）整套数字扬声器系统（包括音圈的缠绕），均为手工制作，工艺粗糙是主要原因；2）采用八位量化，量化误差是导致噪音的内因；3）开关模块的频率响应存在一定失真；4）音圈在磁场中运动产生自感与互感电势，感生电流会影响音圈的电磁力[6]。

多音圈数字扬声器系统与传统扬声器相比，本质区别在于扬声器单元不再处于一直导通的模拟状态，而是工作在通断交替的数字状态。这种工作模式具有以下主要优点：1）声音转换效率高；2）省去了数模转换、滤波和功率放大等环节，节省硬件；3）3～5伏电压即可驱动，具有低功耗的特点。

多音圈数字扬声器也存在以下缺点，八位量化不能满足人们对声音质量的要求，而硬件工艺限制了更高位多音圈数字扬声器的实现。八位需要255匝音圈，十六位需要六万多匝，如此多匝数的音圈在工艺上较难实现。 针对此问题，可行的解决方案有：1）使用线径更小的线圈，可以很好的缓解随着位数提高匝数呈指数增加引起的体积和重量问题；2）采取分数匝音圈的方案可以成倍减少音圈匝数；3）研制适合多音圈式数字扬声器磁场磁隙结构；4）设计更高输出阻抗的电流源电路减少感生电流对音圈驱动电流的影响。

3 结束语

文中提出的八位多音圈式全数字扬声器设计方案，验证了扬声器数字化的可行性。在数字技术迅猛发展的今天，数字扬声器在制作工艺达到一定的精细化程度后，将达到远优于模拟扬声器的音质，并且将克服模拟扬声器容易受外界信号干扰的缺点。除此之外，由数字信号直接驱动扬声器，不需要经过声卡的转换过程，精简了计算机的硬件结构，降低了硬件成本。具有重要的研究意义和广阔的前景。

[1]Watanabe K，Yasuda A，Ohtani H.A novel beam-forming loudspeaker system using digitally driven speaker system[C]//AES 127th Convention， New York， USA，2009.

[2]Iwaide M，Yoshino M，Kuniyoshi D.A novel sharp beamforming flat panel loudspeaker using digitally driven speaker system[C]//AES 131th， New York， USA，2011.

[3]Ohtani H，Yasuda A，Tsuihiji K.A Novel Universal-Serial-Bus-Powered Digitally Driven Speaker System with Low PowerDissipation and High Fidelity [C]//AES 129th Convention， San Francisco， CA， USA，2010.

[4]马登永，蔡野锋，沐永生，等.关于全数字式扬声器系统的讨论[J].电声技术，2011，35（1）:23.

MA Deng-yong，CAI Ye-feng，MU Yong-sheng.Discussion of all-digital loudspeaker system[J].Audio Engineering，2011，35（1）:23.

[5]李建平.C8051 F320在USB设计中的应用[J].电子设计工程，2005（4）:54.

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HUANG，Min，LU Cen，ZHANG Gen-bao.Digital loudspeaker technologies and their future development[J]. Audio Engineering，2004（8）:21.