專利名稱：：有關(guān)揚(yáng)聲器的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用實(shí)際上可能是模擬的或數(shù)字的電信號中發(fā)聲的揚(yáng)聲器。
背景技術(shù)：
：常規(guī)的模擬揚(yáng)聲器已為眾所周知，而且已有了高度的發(fā)展。雖然曾經(jīng)嘗試過使用靜電、壓電和電離器件，但揚(yáng)聲器的操作依靠振動膜(通常是單片振動膜)的運(yùn)動，此振動膜由某種類型的機(jī)電電動機(jī)來驅(qū)動，動圈是最普通的。從整體上講，模擬揚(yáng)聲器嘗試通過與平滑變化的模擬電信號近似同步地推動振動膜的全部或一部分來再現(xiàn)所需的聲音，該模擬電信號通常被解釋成代表揚(yáng)聲器的聽眾應(yīng)該聽到的瞬時聲壓。此類模擬揚(yáng)聲器的固有限制在于所使用的振動膜的有限(非無限)硬度(彎曲引起振動膜不能象剛體一樣移動，引起聲音失真，有時叫做“振動膜破裂”)，在較高的音頻下，在整個范圍內(nèi)不使用單位面積均勻的力來驅(qū)動振動膜的任意器件中，這是一個嚴(yán)重的問題，除了靜電器件以外，大多數(shù)揚(yáng)聲器都有這種情況。已經(jīng)使用國外的高硬度材料減輕這個問題；所使用的振動膜的有限(非零)質(zhì)量(質(zhì)量引起振動膜具有明顯的慣性，從而質(zhì)量和空氣(將會移動而產(chǎn)生聲音)阻力不再是揚(yáng)聲器動力學(xué)的主要影響因素)，限制了可由實(shí)際電動機(jī)所實(shí)現(xiàn)的振動膜速度的變化率，在較高音頻下也有問題。一般，上述硬度的限制和質(zhì)量的限制相互影響-可使給定材料制成的振動膜更堅硬，但這通常只能以增加質(zhì)量作為代價；可從具有足夠帶寬(如20Hz到20KHz)的機(jī)電電動機(jī)獲得的功率的線性和效率。一個實(shí)際上較大的電動機(jī)一般允許較大的功率輸出，但由于對材料和散熱容量的限制，使得功率輸出將隨著線性度尺寸的平方而增大，而其移動部分的質(zhì)量將大致隨著其線性度尺寸的三次方而增加，導(dǎo)致其帶寬因?qū)π阅茌^小的高頻極限而縮小。還有與限制使用材料的小型高功率電動機(jī)有關(guān)的散熱問題在給定正面區(qū)域的揚(yáng)聲器最低工作頻率處可提供的聲功率與振動膜在其近似線性區(qū)域中工作時可實(shí)現(xiàn)的最大幅度(有時叫做“擺幅(throw)”)成正比。動圈對擺幅的限制是，如果要使線圈的輸出為線性，則線圈的工作部分必須始終在一線性磁場中移動，實(shí)際還限制了實(shí)際磁鐵可實(shí)際的均勻場的長度并限制了動圈的懸垂部分超出磁隙。振動膜的吊架也限制了以可接受的線性實(shí)現(xiàn)的擺幅，吊架的功能是在振動膜運(yùn)動時保持軸向中心位置，而在非驅(qū)動狀態(tài)下保持縱向中心位置。一般，吊架將產(chǎn)生正比于振動膜偏離其靜止位置的抑制力，在低頻下，一般起決定作用的這些抑制力將產(chǎn)生明顯的非線性，這可以用位置回復(fù)系統(tǒng)來克服，但要以電動機(jī)的功耗增加和發(fā)熱作為代價，一旦接近其控制范圍的極限，這些方法可引起非常容易聽見的失真，產(chǎn)生非常差的超載響應(yīng)。靜電揚(yáng)聲器對擺幅有其它的限制，這至少部分地由于需要使驅(qū)動電極與振動膜的間隔很小，從而以相當(dāng)?shù)偷尿?qū)動電壓產(chǎn)生較大的輸出功率。由于電極間隔對振動膜的擺幅產(chǎn)生一絕對限制，所以為了實(shí)現(xiàn)較高的聲功率，除了使用較高的驅(qū)動電壓或較大的振動膜以外，沒有別的方法可以解決這個問題。壓電電動機(jī)本身具有非常小的擺幅，因?yàn)閴弘娦?yīng)是一個小效應(yīng)(一般，雖然可用某種機(jī)械杠桿，例如“壓機(jī)”的結(jié)構(gòu)來增加偏斜(deflection)，但可獲得的直接偏斜＜10-9m/V)；克服上述限制的一個折衷辦法是排列兩個、三個或甚至四個窄頻帶的揚(yáng)聲器，每個揚(yáng)聲器在其各自的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳操作，其整個邊界覆蓋整個可聽頻率范圍。輸入信號被“交迭”單元(低通、帶通和高通濾波器的某種組合)分隔成合適的頻帶，或是前置功率放大或是后置功率放大。此技術(shù)只減少了上述限制，而其本身帶來的問題是，交迭區(qū)域中的非均勻頻率響應(yīng)、各個揚(yáng)聲器頻帶之間的不平衡、由濾波器引起的相位失真、在后置放大濾波器衰減中的功率損耗和減少以及前置放大濾波器的成本和復(fù)雜性增加；上述所有非線性原因(加上其它)的實(shí)際效果導(dǎo)致質(zhì)量好的高保真揚(yáng)聲器的失真指數(shù)極少好于約1％。就整體而言，即使非常昂貴的現(xiàn)有水平的器件也不能在整個可聽范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)比0.5％好得多的失真度；因?yàn)榕c振動膜本身的質(zhì)量(在靜電揚(yáng)聲器中更小)相比，由于振動膜推動的空氣的質(zhì)量小得多，而且與振動膜的吊架在振動膜上產(chǎn)生的彈力(在靜電揚(yáng)聲器中同樣很小)相比，由于振動膜上空氣粘滯阻力的反作用力一般小得多，所以在推動揚(yáng)聲器元件方面要消耗大部分加到揚(yáng)聲器電動機(jī)上的電氣驅(qū)動功率，而在推動空氣或產(chǎn)生聲功率方面只消耗小部分的電氣驅(qū)動功率。于是，這類揚(yáng)聲器是非常低效的。在合適的揚(yáng)聲器上安裝輻射體(horr)可增加其效率，但除非該輻射體具有小的擴(kuò)張常數(shù)(flareconstant)，否則非線性將變得很明顯且使工作于較低音頻的輻射體的實(shí)際尺寸實(shí)際大得不切。一般的高保真揚(yáng)聲器可具有1％數(shù)量級的效率(聲功率輸出除以電功率輸入)，喇叭形揚(yáng)聲器在其頻率范圍內(nèi)的效率可能高達(dá)30％到40％；如果在高功率水平實(shí)現(xiàn)高保真再現(xiàn)，則裝有模擬揚(yáng)聲器單元的音箱對輸出音質(zhì)也具有非常明顯的效果，而目前的技術(shù)往往導(dǎo)致音箱要么很重，要么很大，或者兩者兼而有之。對家庭使用而言，龐大的音箱是個明顯的缺點(diǎn)。龐大的音箱在便攜式聲音再現(xiàn)系統(tǒng)中也將產(chǎn)生問題，這些系統(tǒng)有諸如巡回演員舉行音樂會所使用的系統(tǒng)；由于大多數(shù)模擬揚(yáng)聲器需要線性驅(qū)動，而且標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量A級設(shè)計本身是非常無效的(如30％)，即使是難以實(shí)現(xiàn)失真非常低的B級設(shè)計的效率也很難超過60％，所以需要具有適當(dāng)功率的線性驅(qū)動放大器。已使用脈寬調(diào)制(PWM)放大器，它們的效率相當(dāng)高，可以達(dá)到90％-95％，但它們很難實(shí)現(xiàn)最苛求的低噪聲和低失真的高保真標(biāo)準(zhǔn)。與揚(yáng)聲器本身的低效率一起考慮，線性模擬放大器和線性模擬揚(yáng)聲器的組合，其電功率輸入與聲功率輸出的效率低達(dá)0.3％，在高保真場合中也很少高于1％。這對便攜式電池操作的設(shè)備是一個問題，因?yàn)殡姵氐某叽绾椭亓渴强捎^的，而且因發(fā)熱而浪費(fèi)大多數(shù)電池能量。在民用的音頻系統(tǒng)中，必須除去浪費(fèi)的熱量以把設(shè)備保持在其工作溫度范圍內(nèi)，而且通常導(dǎo)致比其它方法更大的散熱面積。隨著通常以16位二進(jìn)制格式的有用高質(zhì)量數(shù)字音頻材料(通常具有接近于0.002％的固有失真度)的流行，很明顯，在收聽再現(xiàn)的聲音(包括收音機(jī)、電視機(jī)、密致盤片(CD)和數(shù)字磁帶)時，對音頻質(zhì)量的限制因素是接近于1％失真度(差500倍)操作的模擬高保真揚(yáng)聲器系統(tǒng)。近來電子設(shè)備的趨勢已傾向于減少功耗，不只是減少功率消耗量，而且要降低設(shè)備的工作溫度，從而允許實(shí)現(xiàn)超小型化和高可靠性以及便于攜帶，而且允許以小電池操作。此外，在0.3％到1％的效率水平下操作的線性模擬功率放大器/揚(yáng)聲器組合已與這種潮流脫節(jié)了。最后，雖然隨著數(shù)字收音機(jī)和電視機(jī)的出現(xiàn)，使得數(shù)字音頻源材料變得日益普及并不斷增加，但用于再現(xiàn)數(shù)字源材料的常規(guī)高保真系統(tǒng)都需要在系統(tǒng)中的某個部分包含數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，以產(chǎn)生應(yīng)用于模擬揚(yáng)聲器的模擬信號。DAC本身產(chǎn)生的噪聲和失真還加到系統(tǒng)中已出現(xiàn)的噪聲和失真中，而且也增加了額外的成本。已進(jìn)行了許多嘗試，以開發(fā)出數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計，它能克服上述模擬揚(yáng)聲器的某些或所有的限制。這些嘗試分成幾類偽數(shù)字揚(yáng)聲器，其中具有數(shù)字輸入端的器件包含數(shù)字信號處理(DSP)設(shè)備，該設(shè)備尤其用于補(bǔ)償線性放大器所產(chǎn)生的已知失真的輸入信號，模擬揚(yáng)聲器也包含在該器件中并產(chǎn)生輸出聲音。此系統(tǒng)能產(chǎn)生在一定程度上有改進(jìn)的整個失真性能，但在效率上沒有提高，且仍具有明顯低于0.1％的失真指數(shù)。它固有地受到先前所述的所有限制，但使用DSP系統(tǒng)對其中的一些限制進(jìn)行補(bǔ)償。動圈數(shù)字揚(yáng)聲器，其中在另一個常規(guī)的模擬動圈揚(yáng)聲器上使用一種抽頭式“音-圈”(即，分成多個部分)。其思路是如果把抽頭連到不同數(shù)目的匝上，當(dāng)抽頭之間的匝數(shù)比為1∶2∶4∶8∶16∶32∶64∶128∶256等的形式時，則導(dǎo)向抽頭的二進(jìn)制數(shù)字輸入將在音圈中產(chǎn)生凈安-匝數(shù)效果，相當(dāng)于二進(jìn)制數(shù)字信號所表示的線性信號的效果。該器件實(shí)際上是有缺點(diǎn)的，因?yàn)閍)它依靠在常規(guī)的(線性)動圈揚(yáng)聲器上進(jìn)行操作，于是帶來該器件的所有問題(沒有一個問題得到減輕)。b)假設(shè)需要從內(nèi)有音圈的狹窄的磁體空隙中引出抽頭線，由于常規(guī)的揚(yáng)聲器音圈只有少量的匝數(shù)(一般30到100)，把此準(zhǔn)確地分成少至象8個二進(jìn)制相關(guān)的匝數(shù)抽頭，則對一個或幾個最低位需要一個分?jǐn)?shù)匝抽頭，這伴隨著準(zhǔn)確度的問題。把此器件延伸到10到12位是不實(shí)際的。于是，該器件已工作在0.5％到1％左右的誤差(失真)水平。c)因?yàn)槌轭^音圈由二進(jìn)制數(shù)字信號驅(qū)動，所以每當(dāng)全一代碼變成下一個向上的代碼時，因信號定時中不可避免的偏移和各個音圈部分的漏電感引起的感應(yīng)脈沖，以及由于各個抽頭部分的匹配和對稱不精確，因而產(chǎn)生大的瞬變。于是，與數(shù)字驅(qū)動器饋送到抽頭部分的電流輸入線性度相比，力輸出的線性度一般差得多，導(dǎo)致比上述單獨(dú)對模擬揚(yáng)聲器還多的附加的輸出失真。那些依靠壓電和靜電驅(qū)動器的揚(yáng)聲器，這里把振動膜的面積分成不同的區(qū)域，其面積按照1∶2∶4∶8∶16∶32∶64∶128∶256∶512等的比例[例如，見ACUSTICAVol.60(1986)中BrissaudM.和D.Noterman的Etuded’unhautparleurpiezoelectriqueassurantlaconversionmumerique-analogique一文；見JP8365856(830414)，JP825236，JP3106300，JP58121897，JP89244151號日本專利]。在原理上，因?yàn)榧拥届o電揚(yáng)聲器振動膜的總驅(qū)動力與振動膜的面積成正比，所以通過各個導(dǎo)體把二進(jìn)制數(shù)字信號直接饋送到這些二進(jìn)制相關(guān)的區(qū)域，將在用于任意特殊數(shù)字輸入信號的振動膜上產(chǎn)生合適的力。實(shí)際上，在考慮邊緣效應(yīng)時，以正確的比例精確地獲得區(qū)域?qū)⒂袊?yán)重的問題，還有上述對抽頭音圈數(shù)字揚(yáng)聲器所述的在代碼變化點(diǎn)所發(fā)生的瞬變問題。最后，此器件依賴于靜電揚(yáng)聲器(它最接近于實(shí)際的器件)的固有線性度，并帶有常規(guī)的線性靜電揚(yáng)聲器所具有的尺寸、成本和復(fù)雜性等所有問題。類似的考慮適用于壓電數(shù)字揚(yáng)聲器(這里，力再次正比于壓電材料上電極的面積)，但如果要使用一片壓電材料作為整個器件，則一大片材料(高輸出所需)將會很昂貴(很難制造)，也會產(chǎn)生問題，而邊緣效應(yīng)將再次引起問題。在4515997號美國專利中發(fā)現(xiàn)此主題的變化情況，這里從適量面積相等的換能器(即1、2、4、8、16、32構(gòu)成二進(jìn)制相關(guān)的區(qū)域，每一組這樣的換能器被同一脈沖信號并行驅(qū)動。據(jù)稱，這有助于解決大批量制造換能器元件的問題(因?yàn)樗鼈兌际窍嗤?，但由于它們以二進(jìn)制相關(guān)尺寸的組進(jìn)行切換，所以它們?nèi)悦獠涣藢Τ轭^音圈情況所述的在代碼變化點(diǎn)處所產(chǎn)生的匹配和瞬變問題。在“數(shù)字揚(yáng)聲器”的
背景技術(shù)：
中已使用了脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)。這里，模擬或數(shù)字輸入信號被轉(zhuǎn)換成雙電平(在某種意義上叫做二進(jìn)制)數(shù)字波形，其瞬時傳號-空號比正比于輸入信號的瞬時值，50％的傳號-空號比相應(yīng)于零輸入信號。PWM波形的頻率可以是恒定的，也可以是不恒定的，但要求該頻率比最高輸入頻率高得多，對于音頻應(yīng)用，這意味著它實(shí)際上必須大于大約40KHz。只要滿足標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際頻率并非是關(guān)鍵。數(shù)字輸入信號可完全以數(shù)字方式產(chǎn)生PWM波形。然而，當(dāng)在產(chǎn)生聲音輸出時，PWM信號適用于常規(guī)的線性換能器(例如，動圈揚(yáng)聲器)。其結(jié)果是換能器的慣性使它響應(yīng)于PWM波形(它在瞬時與傳號-空號比相同)的平均值，此平均值繼而等于輸入信號的瞬時值。然后相應(yīng)于輸入音頻信號而產(chǎn)生聲音。由于該器件依賴于換能器的線性度，所以此系統(tǒng)具有模擬揚(yáng)聲器的所有缺點(diǎn)，而且還有與PWM轉(zhuǎn)換處理有關(guān)的一些額外的問題，因此這實(shí)際上是一種數(shù)字放大器技術(shù)，而不是一種數(shù)字揚(yáng)聲器技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是效率比線性放大器更高。在這里對其進(jìn)行描述是為了完整。輸出換能器使用二進(jìn)制數(shù)字編碼所碰到的一般問題先前為建立數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)而進(jìn)行的所有嘗試都假設(shè)二進(jìn)制數(shù)字代碼是數(shù)字信號媒體，不僅僅是在器件的輸入端(實(shí)際上，這是一個理想的假設(shè))，而且也在輸出換能器處。這實(shí)際上引起了嚴(yán)重的技術(shù)問題。在n位系統(tǒng)中，用于輸出最低位(LSB)的換能器工作于比最高位(MSB)小2n-2倍的功率電平(不計入包含在n位中假設(shè)的符號位)。在8位系統(tǒng)(進(jìn)行理想的聲音再現(xiàn)所必需的位數(shù)最少的系統(tǒng))中，MSB和LSB換能器之間的功率比為64倍。由于聲音再現(xiàn)器件所必需的機(jī)械性質(zhì)(聲音是空氣的機(jī)械運(yùn)動)，所以寬的動態(tài)范圍給LSB和MSB換能器所使用的器件類型帶來嚴(yán)重的設(shè)計限制，從而使器件的匹配非常困難，這在考慮一個更實(shí)際的10或12位的系統(tǒng)(從而MSB和LSB換能器之間的功率電平之比達(dá)到250到1000倍的數(shù)量級)和一個16位的系統(tǒng)(這個比值大于16000)時，這些問題更嚴(yán)重。在二進(jìn)制加權(quán)的換能器(或換能器陣列)系統(tǒng)中，在代碼從具有許多連續(xù)的低階零或一的值變到具有許多連續(xù)的低階一或零的下一個電平(升或降)的點(diǎn)處，引起嚴(yán)重的瞬變問題。例如，考慮9位的二進(jìn)制代碼，其中信號電平從(十進(jìn)制)25510＝(二進(jìn)制)0111111112變到(十進(jìn)制)25610＝(二進(jìn)制)1000000002。在此轉(zhuǎn)換時，信號本身改變一個最低位，即非常小的變化。二進(jìn)制代碼的表示從一個零加上全一的代碼變到一個一加上全零的代碼。這對于每個代碼位驅(qū)動二進(jìn)制加權(quán)換能器(以及4515997號美國專利中所述的二進(jìn)制加權(quán)換能器陣列，該專利沒有解決此問題)的系統(tǒng)的影響是，在第一狀態(tài)，除了最高位的換能器以外，所有的換能器都接通，而在第二狀態(tài)，除了最高位的換能器以外，所有的換能器都斷開。于是，在此代碼變化點(diǎn)處產(chǎn)生兩個一半的全功率聲學(xué)轉(zhuǎn)換，雖然代碼變化只表示信號幅度中最低位的變化，這個變化通常被認(rèn)為幾乎聽不見，但此變化將不可避免地產(chǎn)生相當(dāng)大的聲能。此外，在信號的整個幅度范圍內(nèi)產(chǎn)生此種一到零和零到一的轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換在總位數(shù)增加時將變成更嚴(yán)重的問題，因?yàn)樗沧兊墓β氏鄬τ谙到y(tǒng)的最低位的功率電平而增加了。于是，通過提高更多的位來提高系統(tǒng)的分辨率使問題更嚴(yán)重，更不好。除了所述的切換瞬變問題以外，還存在與零到一和一到零的代碼變化有關(guān)的電平誤差。這是因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，換能器不易精確匹配，從而無法使最高位換能器準(zhǔn)確地在有效功率或幅度上比共用作用的所有低位換能器之和大一個最低位。在一更小的范圍內(nèi)，對于下一個最高位換能器及其共同作用的低位換能器來說，情況也是如此。實(shí)際上，此種不可避免的誤差可決定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性而與上述瞬變作用無關(guān)，上述作用可導(dǎo)致大的失真分量。在二進(jìn)制加權(quán)換能器或換能器陣列系統(tǒng)(如4515997號美國專利所述，該專利沒有解決此問題)中，即使從原理上講，只有極端的機(jī)械精度可消除此問題，即使可實(shí)現(xiàn)所需的精度，也將不可避免地導(dǎo)致高的制造成本。實(shí)際上，換能器在空間上必需隔離，則在此轉(zhuǎn)換點(diǎn)處的匹配問題變得很棘手。在適用于目前數(shù)字音頻標(biāo)準(zhǔn)的16位系統(tǒng)中，以任何成本實(shí)現(xiàn)必要的精度都是極不可能的。現(xiàn)有數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計未妥善解決的另一個問題是產(chǎn)生所需的聲音輸出波形的換能器的動態(tài)范圍和合適的驅(qū)動波形。先前的所有設(shè)計好象都假設(shè)把正方形的驅(qū)動脈沖(具有合適的電壓或電流)加到輸出換能器，就能產(chǎn)生正方形的聲輸出脈沖。實(shí)際上，根本不是這樣一回事，且在產(chǎn)生的聲波形中產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。例如，在換能器移動質(zhì)量是決定性因素且要克服的主要力是慣性力的一般情況下，把正方形驅(qū)動脈沖加到此換能器上將使振動膜產(chǎn)生近似恒定的加速度，繼而該加速度將大致上產(chǎn)生一個三角形或斜坡形聲輸出脈沖，隨著振動膜因其慣性而繼續(xù)“滑行”，此脈沖也將以近似于恒定幅度在輸入驅(qū)動脈沖結(jié)束后延續(xù)下去。對于振動膜的回復(fù)彈力是決定因素的其它一般情況，把正方形驅(qū)動脈沖加到此換能器將使振動膜產(chǎn)生非?？斓某跏技铀俣?，使振動膜快速地移動到彈性回復(fù)力等于驅(qū)動力的位置，此后，振動膜將過沖(取決于系統(tǒng)的阻尼)，然后固定在平衡點(diǎn)附近，其后，驅(qū)動脈沖的結(jié)尾將產(chǎn)生類似的反向速度分布。此運(yùn)動將大致上產(chǎn)生一對具有相反符號的窄脈沖峰值的聲輸出脈沖，這兩個脈沖被近似等于輸入驅(qū)動脈沖長度的時間間隔所分隔。只有在換能器運(yùn)動質(zhì)量的主導(dǎo)力是阻力(例如，由于被振動膜推動的空氣的摩擦或粘滯)的情況下，換能器在被正方形驅(qū)動脈沖驅(qū)動時的運(yùn)動才近似于勻速運(yùn)動，只有在此情況下，輸出聲脈沖才近似于正方形脈沖波形。實(shí)際上這意味著，只有具有極輕振動膜(它是這種換能器唯一的運(yùn)動質(zhì)量)的靜電換能器才是可期望以正方形驅(qū)動脈沖產(chǎn)生近似正方形聲輸出脈沖的唯一器件。說明書、摘要和權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語的定義數(shù)字(digit)是表示單個整數(shù)的單個符號。十進(jìn)制數(shù)字可采用0、1、2、3、...8、9十個值中的任一個值。十進(jìn)制整數(shù)位置表示法使用十進(jìn)制數(shù)目中的數(shù)字表示因子乘以10的乘方的慣例，右手的數(shù)字表示一個因子乘以100＝1，從右數(shù)第二個數(shù)字表示一個因子乘以101＝10，從右數(shù)第三個數(shù)字表示一個因子乘以102＝100等。由十進(jìn)制位置代碼所表示的數(shù)值是因子乘以10的各個乘方的總和。因此，例如，35710＝3×102+5×101+7×100＝300+50+7＝357。一個二進(jìn)制數(shù)字可采用兩個值0、1中的任一個值。除了用2的乘方代替10的乘方以外，二進(jìn)制整數(shù)位置表示法類似于十進(jìn)制整數(shù)位置表示法。于是，在二進(jìn)制整數(shù)位置中從右數(shù)第四個二進(jìn)制數(shù)字表示一個1或0的因子乘以23。因此，例如，110102＝1×24+1×23+0×22+1×21+0×20＝1610+810+0+210+0＝2610一個一元的數(shù)字也可采用兩個值0、1中的任一個值，或者可定義為只采用單個值1，然后用它不存在表示0，這多少類似于羅馬數(shù)字表示法。除了以1的整數(shù)次冪來代替2或10的整數(shù)次冪以外，一元整數(shù)位置表示法類似于二進(jìn)制或十進(jìn)制位置表示法。由于1的所有正整數(shù)次冪都等于1，所以很清楚，用一元表示法，所有的數(shù)字都具有相同的權(quán)，該權(quán)是單位一，且一元位置表示法中一元數(shù)字的位置是無關(guān)的，只有其值1或0，或其存在或不存在具有某種意義。于是，在一元位置整數(shù)中從右數(shù)第四個一元數(shù)字表示因子1或0乘以13＝1，右面的第一個一元數(shù)字表示因子1或0乘以10＝1。因此，例如，110102＝1×14+1×13+0×12+1×11+0×10＝110+110+0+110+0＝310它在數(shù)字中只是一個1位數(shù)字。于是，數(shù)字的位置在一元數(shù)字中變得無關(guān)緊要。因此，在位置表示法中用作位置監(jiān)護(hù)人的0在一元情況下是無關(guān)的，所以不需要0。于是，我們只需要把數(shù)字110101準(zhǔn)確地寫作1111，兩種表示法都具有十進(jìn)制值310。一元數(shù)字是人們在例如對物件進(jìn)行計數(shù)時，頻繁使用的標(biāo)記的正規(guī)名稱。在一元表示法中，重要的認(rèn)識到一個數(shù)字的數(shù)，而不是一個數(shù)字的位置。注意，無符號的N數(shù)字一元代碼可表示N+1個不同的值，因?yàn)榭捎靡辉獢?shù)字全0或不存在表示零，而且不需要附加的一元數(shù)字。在其中保留一個特殊數(shù)字以表示該數(shù)字符號(例如，0表示正，1表示負(fù))的有符號的N數(shù)字一元代碼可表示2N-1個值(即0和±1到±N-1)。接著，在要以一元代碼表示數(shù)字信號時，可以N-1個一元數(shù)字表示可采用N個不同電平的單極性信號。該表示法與N-1個二進(jìn)制數(shù)字能表示2N-1個不同電平的二進(jìn)制表示法相當(dāng)。因此，一元表示法需要比二進(jìn)制表示法更多的數(shù)字表示給定范圍的值，就象二進(jìn)制表示法需要比十進(jìn)制表示法更多的數(shù)字表示給定范圍的值。術(shù)語十進(jìn)制的數(shù)字沒有專用名稱。通常把“二進(jìn)制數(shù)字”的語句簡化為“位”。同樣，通常把“一元數(shù)字”簡化為“單位”。然而，由于單詞“單位”因不熟悉的作用而容易與其更常用的意思混淆，我們使用了語句“一元數(shù)字”。
發(fā)明內(nèi)容依據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種揚(yáng)聲器包括多個基本上相同的換能器，每個換能器都能把電信號轉(zhuǎn)換成聲波，每個換能器可相互獨(dú)立地被一元編碼信號來驅(qū)動，這些信號表示將由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音。依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種揚(yáng)聲器包括編碼器裝置，用于把輸入信號轉(zhuǎn)換成一元數(shù)字信號；以及多個換能器，每個換能器用于把一元數(shù)字信號中相應(yīng)的一個信號轉(zhuǎn)換成聲脈沖，從而用換能器的累積效應(yīng)產(chǎn)生表示輸入信號的輸出聲音。依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種揚(yáng)聲器包括編碼器裝置，用于把輸入信號轉(zhuǎn)換成一元數(shù)字信號；脈沖成型器裝置，用于把標(biāo)準(zhǔn)一元數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合于所使用的換能器類型的各種正方形和非正方形分布的脈沖信號；多個換能器，每個換能器用于把脈沖成形一元信號中相應(yīng)的一個信號轉(zhuǎn)換成聲脈沖，從而用換能器的累積效應(yīng)產(chǎn)生表示輸入信號的輸出聲音。換能器最好是相同的，在較佳實(shí)施例中，每個換能器都是雙極性，能依據(jù)所加一元信號的極性有效位產(chǎn)生正負(fù)壓力變化。在一個較佳實(shí)施例中，換能器以兩維的陣列排列。每個換能器的形狀可以嵌成兩維的棋盤花樣，例如，可以是三角形、方形、矩形或多邊形。在此情況下，可任意設(shè)置換能器之間的間隔。此外，每個換能器的形狀可以不嵌成棋盤花樣，例如可以是圓形或橢圓形，鄰近換能器之間設(shè)置間隔。可通過在第一換能器陣列后面設(shè)置另一個換能器陣列，第二陣列中的每個換能器位于第一陣列中相應(yīng)的間隔后面，使它們排列成三維，如此來開發(fā)第一陣列換能器中所存在的間隔。可重復(fù)此處理，以提供具有任意層數(shù)的組合換能器陣列。由于換能器陣列以兩維或三維方式分布于空間，所以通過改變依據(jù)陣列中任意特殊換能器位置的換能器數(shù)量，使聽眾可遠(yuǎn)離換能器，其結(jié)果是由換能器同時發(fā)出的聲脈沖將在不同時間到達(dá)聽眾的位置。通過引入依據(jù)換能器離聽眾的距離對換能器的輸入信號進(jìn)行差分延遲的延遲裝置來校正此結(jié)果，從而使對揚(yáng)聲器發(fā)生變化的單個輸入信號而引起的所有換能器的聲脈沖同時到達(dá)聽眾的位置。此外，可對延遲裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以依據(jù)選中并可變的聽眾位置改變所加的延遲。依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種揚(yáng)聲器包括以兩維或三維陣列排列的兩個一組、三個一組或四個一組的多個換能器，兩個一組、三個一組或四個一組中的每個換能器都能把電信號轉(zhuǎn)換成聲波，兩個一組、三個一組或四個一組的換能器可相互獨(dú)立地被一元編碼信號來驅(qū)動，這些信號表示將由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音，每組換能器包括以陣列定位的兩個一組、三個一組或四個一組的換能器，從而把每組兩個一組、三個一組或四個一組的換能器的重心位置在整體上盡可能靠近陣列的垂直或水平中心線或二者的中心線，在三維陣列的情況下，這些位置也盡可能靠近陣列的前后中心線，如此把感覺到的來自揚(yáng)聲器的聲音局限在靠近陣列中心的盡可能小的區(qū)域內(nèi)。換能器陣列所產(chǎn)生的輸出聲音是各個揚(yáng)聲器所產(chǎn)生的單個聲音的相加效應(yīng)。單個換能器不能再現(xiàn)所需的聲音。在對每個換能器的驅(qū)動電平固定的情況下，啟動較少數(shù)目的換能器將再現(xiàn)較輕的聲音，而不是較響的聲音。把輸入信號編碼成一元格式的結(jié)果是從N編碼里產(chǎn)生M編碼，這里N是輸入信號所表示的不同電平的數(shù)目，也是所需換能器的最大數(shù)目，M是瞬時輸入信號電平，也是由該輸入信號電平啟動的換能器的數(shù)目。與二進(jìn)制編碼(或諸如三進(jìn)制、十進(jìn)制等任何一種其它更高階的位置加權(quán)編碼系統(tǒng))不同的是，一元編碼的屬性是，每個獨(dú)立的一元數(shù)字表示相同的值，即一個(任意)單位，它也是相應(yīng)于任意特殊一元數(shù)碼字所表示的數(shù)值的單獨(dú)的一元數(shù)字的數(shù)目的存在或有效。于是，一元編碼在所有的數(shù)碼中具有獨(dú)特的特性，當(dāng)代碼字所表示的值低于特定數(shù)目時，各一元數(shù)字的特殊小組中所有的成員總是斷開、無效或不存在的，當(dāng)代碼字所表示的值等于或超過同一特定數(shù)目時，則小組中的一個或多個成員總是接通、有效或存在的。這一屬性對數(shù)字揚(yáng)聲器的相應(yīng)特征是，在輸出換能器處使用一元編碼方案完全消除了在輸出換能器處使用二進(jìn)制、三進(jìn)制或高階數(shù)字表示方案時所碰到的嚴(yán)重問題，這些問題包括在高階換能器接通或斷開和所有的低階換能器同時斷開或接通的情況下，在此高階代碼移動一個值時所產(chǎn)生的大的瞬變。這是因?yàn)樵谝辉幋a方案中，不要求用接通一個換能器的效果來部分地抵消同時斷開其它換能器的效果。事實(shí)上，在任何輸入數(shù)字字值的任意給定(單極性)轉(zhuǎn)換中，一元換能器將被接通或斷開，或者既不接通也不斷開，但這不是同時進(jìn)行的。于是，它們在應(yīng)用于數(shù)字揚(yáng)聲器時可消除此部分抵消的瞬變。在輸出換能器處應(yīng)用一元編碼方案的其它特殊優(yōu)點(diǎn)是，需要所有的換能器都基本上相同，它們之間的小差別將基本上不影響整個揚(yáng)聲器的輸出信號電平。由于這是在表示輸入代碼字的任意時間所啟動的換能器總數(shù)目的結(jié)果，所以對其單個敏感度的統(tǒng)計平均保證了陣列的精度在整體上比單個換能器的精度要好。如果象所期望的那樣，各個換能器敏感度與標(biāo)稱值的偏差是隨意呈高斯分布的，則具有N個換能器的揚(yáng)聲器的精度將是單個換能器精度的N倍。例如，如果N＝10.000，且換能器匹配在5％以內(nèi)，則在忽略其它效應(yīng)的情況下，整個揚(yáng)聲器的線性度約是全量程的0.05％，說明此技術(shù)的潛力在于可產(chǎn)生極高的精度，以便于制造低精度的元件。于是，輸出換能器應(yīng)用一元編碼消除了與諸如二進(jìn)制加權(quán)輸出換能器有關(guān)的問題，即連到最高位的換能器必須與所有的較低加權(quán)換能器都非常精確地匹配。通過與給出的例子相比較，13位二進(jìn)制加權(quán)的數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)只能只在8000個電平上進(jìn)行再現(xiàn)，其最高位換能器必須與所有的較低階換能器總和相匹配到優(yōu)于4096分之一，從而產(chǎn)生優(yōu)于1位的輸出線性度，這要求制造精度優(yōu)于0.02％，實(shí)際上是非常困難的。從所獲輸出聲壓的觀點(diǎn)看，在一元編碼數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)中，由于所有的換能器都具有相同的單位輸出功率電平或“權(quán)重”，所以無論在總共N個換能器的組中接通哪些M個特殊換能器來產(chǎn)生有效的最大輸出聲壓電平MN都沒有關(guān)系。于是，在從整個陣列中選擇換能器小組方面可獲得很大的自由度，這些小組可用于以各種方式增強(qiáng)性能。與相同輸入信號電平有關(guān)的換能器最好在陣列中相互靠近，從而獲得高度集中的聲源效果，尤其是在低幅度的再現(xiàn)聲音的場合中。依據(jù)本發(fā)明的一個方面，相同的換能器對可直接并聯(lián)，一個這樣的換能器對連到驅(qū)動器電路中的每個一元編碼輸出端，組成每個換能器對的換能器安裝在揚(yáng)聲器垂直中心線的任一側(cè)，并與水平線等距離，從而其獲得的效果更類似于把換能器對置于垂直中心線上所實(shí)現(xiàn)的效果。于是，可減少大型換能器陣列不理想的水平空間效應(yīng)。依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，相同的換能器對可直接并聯(lián)，一個這樣的換能器對連到驅(qū)動器電路的每個一元編碼輸出端，組成每個換能器對的換能器一個裝在揚(yáng)聲器水平中心線上方，另一個安裝在此中心線下方，并與垂直線等距離，從而其獲得的效果更類似于把換能器對置于水平中心線上所實(shí)現(xiàn)的效果。于是，可減少大型換能器陣列不理想的垂直空間效應(yīng)。依據(jù)本發(fā)明的再一個方面，把四個相同的換能器并聯(lián)到驅(qū)動器電路的每個一元編碼輸出端，組成此四個一組的換能器被安裝在一矩形的轉(zhuǎn)角處，該矩形的中心與揚(yáng)聲器陣列的中心基本上一致，從而其獲得的效果更類似于靠近陣列的中心放置所有四個換能器所實(shí)現(xiàn)的效果。于是，可減少大型換能器陣列不理想的水平和垂直空間效應(yīng)。此方法可擴(kuò)展應(yīng)用到其它數(shù)目的成組并行換能器(例如，位于等邊三角形頂點(diǎn)上的三個一組的換能器，該等邊三角形的中心與揚(yáng)聲器陣列的中心基本上一致，還有五個一組、六個一組等等)。由于耳朵和大腦中的心理聲學(xué)效果使得在各個脈沖到達(dá)的平均時間，由時間上離得很近的兩個或更多相同脈沖構(gòu)成的一組脈沖感覺上象單個脈沖，所以此機(jī)構(gòu)有助于對聽眾集中感覺到的聲源。把兩個一組、三個一組、四個一組或更多數(shù)目的換能器繞陣列的中心對稱分隔，所有的換能器都同時被一元驅(qū)動器信號中的一個信號啟動，其結(jié)果是給聽眾造成聲源非?？拷鼡Q能器陣列中心的印象，而與并行成組的換能器的實(shí)際位置無關(guān)，只要其公共重心(或空間對稱中心)靠近于陣列的中心即可。此技術(shù)允許大型數(shù)字揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)由換能器陣列構(gòu)成，其中陣列的空間范圍與聽眾離揚(yáng)聲器的距離相當(dāng)，從而仍會產(chǎn)生這是一個靠近陣列中心某一位置的小空間聲源的錯覺。為了減少揚(yáng)聲器發(fā)射超過人們聽力極限的頻率范圍(例如，大于約20KHz的頻率)的聲波(超聲波發(fā)射)，可在輸出換能器陣列和收聽空間之間加上聲波低通濾波器。這可通過在聲波輸出換能器和收聽空間之間放置適量材料來實(shí)現(xiàn)，該材料在超過20KHz的范圍內(nèi)具有強(qiáng)的吸聲能力，在低于該頻率時具有低的吸聲能力。這樣做比較妥當(dāng)，因?yàn)榧倚笸ǔΥ烁哳l聲波發(fā)射很敏感，并可能受到驚嚇或干擾。減少來自揚(yáng)聲器的超聲波發(fā)射的第二個途徑是盡可能提高數(shù)字采樣速率?？蓮拿苤卤P片和其它普通聲源獲得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻材料具有40KHz到50KHz范圍內(nèi)的采樣速率。當(dāng)以此采樣速率再現(xiàn)20KHz的音頻輸入信號時，在輸入信號的每個周期內(nèi)僅產(chǎn)生兩個或三個樣品。如果對聲學(xué)輸出換能器自始至終都保持同一個采樣速率，則大部分聲能將在低于100KHz的頻率下發(fā)射，少量的聲能在較高頻率下發(fā)射。如果采樣速率提高到例如100KHz，則將在更高的頻率下產(chǎn)生最弱的超聲波發(fā)射，其幅度將成比例地小于先前存在的分量的幅度。提高有效采樣速率的一個方法是把輸入信號以數(shù)字方式插入揚(yáng)聲器。已在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中進(jìn)行了此處理，該系統(tǒng)中可包括例如較高質(zhì)量CD機(jī)使用的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，主要為了滿足在轉(zhuǎn)換成模擬電信號后進(jìn)行電濾波的需要。這里，使用類似的插入處理，以在數(shù)字到模擬聲音轉(zhuǎn)換后滿足聲音濾波的需要。編碼器裝置可具有相應(yīng)于一元信號數(shù)目和換能器數(shù)目的多個并行輸出端。為了在時間上壓縮一元信號并使編碼器裝置具有更少的輸出端(極限為單個輸出端)，另一個布局是使一元信號重新構(gòu)成并行流應(yīng)用于換能器。依據(jù)本發(fā)明的揚(yáng)聲器組件最好包括連接在編碼器裝置和換能器之間的換能器驅(qū)動器，此換能器驅(qū)動器把來自編碼器裝置的一元輸出信號轉(zhuǎn)換成合適的電流和電壓電平，以驅(qū)動換能器。依據(jù)可通過換能器驅(qū)動器以來自編碼器裝置的一元輸出信號驅(qū)動的換能器的動態(tài)范圍，還可以附加控制換能器驅(qū)動波形形狀的脈沖成型裝置，尤其是，此脈沖成型裝置可提供偏離于標(biāo)稱正方形標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字脈沖的驅(qū)動脈沖。當(dāng)換能器超出適于用作數(shù)字揚(yáng)聲器元件的操作速度范圍時，如果其動態(tài)范圍由阻力或粘滯拉力所決定，則正方形驅(qū)動脈沖接通時將提供基本上恒速的操作，于是將產(chǎn)生基本上恒定的脈沖輸出壓力。當(dāng)換能器動態(tài)范圍由類似于彈力的回復(fù)力(柔順力)所決定時，一般是換能器低于其共振頻率操作且具有低阻尼，則脈沖成型裝置可提供線性斜坡形驅(qū)動脈沖，然后這些脈沖也導(dǎo)致輸入脈沖周期內(nèi)的恒速操作以及基本上恒定的脈沖輸出壓力。當(dāng)換能器的動態(tài)范圍由慣性力所決定時，一般是換能器高于其共振頻率操作并具有低阻尼，則脈沖成型裝置可提供雙極性脈沖形驅(qū)動脈沖，該脈沖包括與輸入脈沖前沿一致的短脈沖以及與輸入脈沖后沿一致的反極性的第二短脈沖，然后這些脈沖也大致導(dǎo)致輸入脈沖周期內(nèi)的恒速操作(因?yàn)閬碜悦}沖成型器的初始脈沖給換能器運(yùn)動部分提供了某種初始動量，其后換能器有效地以恒定速度在輸入脈沖周期內(nèi)“滑行”，直到在輸入脈沖末端由來自脈沖成型器的反相脈沖除去此動量)以及基本上恒定的脈沖輸出壓力。當(dāng)由此三種情況組成換能器的動態(tài)范圍時，脈沖成型裝置可提供這樣的驅(qū)動脈沖波形，從而在每個輸入脈沖的周期內(nèi)產(chǎn)生基本上恒定的脈沖輸出壓力。脈沖成型裝置可在上述所有情況下直接與換能器驅(qū)動裝置組合成一個合成結(jié)構(gòu)。此外，脈沖成型裝置可以插在編碼器裝置和換能器驅(qū)動器裝置之間。另一個變形是可把脈沖成型裝置插在換能器驅(qū)動器裝置和換能器之間。為了在產(chǎn)生正方形驅(qū)動脈沖時保持?jǐn)?shù)字脈沖驅(qū)動電子裝置的高功率，可用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)來實(shí)現(xiàn)脈沖成型裝置，其中換能器驅(qū)動脈沖的有效形狀是在一元輸入脈沖周期內(nèi)產(chǎn)生有許多周期且快速波化的正方形波形的平均值，為了產(chǎn)生適于換能器動態(tài)范圍的有效脈沖形狀，其傳號-空號比必須連續(xù)變化。編碼裝置可具有分組裝置，用于把n個輸入二進(jìn)制數(shù)字或位(如果輸入是二進(jìn)制數(shù)字)分成k組n/k位；還可具有數(shù)目相應(yīng)于k的多個編碼器，每個編碼器具有n/k個輸入位和數(shù)目少得多的邏輯門，則換能器驅(qū)動器也具有一些附加的門?？梢阅５姆绞浇膎個輸入二進(jìn)制(例如)位中產(chǎn)生N個(這里N＝2n-1，或如果把n個輸入位中的一位用作符號位，則N＝2n-1-1)一元信號的編碼裝置，從而把一些相同的編碼子模塊可以連接到數(shù)據(jù)總線，該總線用于輸送表示要再現(xiàn)成聲音的輸入電信號的全部輸入二進(jìn)制(例如)數(shù)據(jù)字。每個編碼子模塊被設(shè)計成對P個一元數(shù)字進(jìn)行編碼，這里P＜N，通常有Q個這樣的模塊，從而P×Q＝N，這些子模塊可以被啟動而成為編碼器以前，通過控制總線向它們發(fā)送控制信號以及通過數(shù)據(jù)總線或控制總線向它們發(fā)送編程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編程，從而在編程后每個Q子模塊響應(yīng)于不同組的P個輸入信號電平，并只把該組的P個輸入信號電平編碼成為P個一元輸出信號。其累積結(jié)果是把所有N個可能的輸入信號電平編碼成為P×Q＝N個一元輸出信號，但它沒有平滑n位二進(jìn)制(例如)到一元編碼器的復(fù)雜性，而是使用便于設(shè)計和大量制造的Q個相同的模塊，而且也便于擴(kuò)展到不同數(shù)目的輸入信號位n。通過使Q個編碼器子模塊的每一個包含觸發(fā)器并使控制總線連接在模塊之間以使Q個觸發(fā)器互連，從而形成一串行輸入移位寄存器，從而使編程系統(tǒng)變得及其簡單。在編程時，對如此形成的移位寄存器的輸入端引入單個脈沖，此移位寄存器實(shí)際上分布于所有的Q個編碼器子模之間，然后由控制總線上的公共時鐘信號對該寄存器進(jìn)行定時，每次通過移位寄存器的一個觸發(fā)器。因?yàn)樵诰幊唐陂g只有一個脈沖引入觸發(fā)器的輸入端，所以在每個時鐘脈沖已把它移到下一級后，只有一個模塊可包含此脈沖，因此，如果用每個模塊中的觸發(fā)器來啟動編程的模塊，則只有當(dāng)模塊包含移位的脈沖時，才可通過例如在公共數(shù)據(jù)總線上引入編程信息，并在所有模塊的公共控制總線上發(fā)出一編程脈沖(其中，只有在其觸發(fā)器中包含移位脈沖的模塊將響應(yīng)于該編程指令)，依次對每個模塊進(jìn)行獨(dú)立編程。于是，利用時鐘信號使脈沖通過Q個模塊進(jìn)行移位(每次一個模塊)，并在每次移位操作后發(fā)出編程信息，即使模塊在邏輯上是相同的且沒有獨(dú)特的地址，也能用該模塊特定的信息對整個模塊鏈的每個模塊進(jìn)行編程。此模塊編程技術(shù)廣泛地應(yīng)用于連接到公共總線的任意可編程模結(jié)構(gòu)，且它的使用并不限于這里提出的數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計?？赏ㄟ^采用編碼方案以外的符號信息，并結(jié)合編碼器的輸出控制換能器驅(qū)動器或脈沖成型裝置，以直接控制輸出信號的符號，來簡化把一種格式(例如二進(jìn)制)的數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換成一元數(shù)字輸出的編碼裝置，這里輸入格式表示帶符號的量。在二進(jìn)制-一元編碼器具有n個輸入位的情況下，這里輸入位中的一位是符號位，如果其它的n-1位被饋送-無符號的n-1位二進(jìn)制-一元編碼器，且2n-1-1個一元數(shù)字輸出信號與輸入二進(jìn)制符號位一起被饋送到換能器驅(qū)動器，則可獲得不損失信息的大量節(jié)省電路的結(jié)果。揚(yáng)聲器組件可擁有插入裝置，用于插入數(shù)字輸入信號，以提高有效采樣速率，從而減少換能器的偽高頻輸出?？梢赃壿婣ND方式，以疊加在來自一元編碼器輸出端和任意脈沖成型電路的驅(qū)動信號上的高頻信號對一元輸出換能器進(jìn)行選通和阻斷，可調(diào)節(jié)換能器所發(fā)射的聲輸出脈沖的有效幅度而仍保持高效率，這里高頻信號的傳號-空號比可從0連續(xù)變化到1。這雖然類似于脈寬調(diào)制，但它是對揚(yáng)聲器電路所產(chǎn)生的附加調(diào)制。改變換能器所發(fā)射的聲輸出脈沖有效幅度的另一個或可能的附加方法是對提供給換能器驅(qū)動器電路的電源進(jìn)行脈寬調(diào)制，該也可獲得高效率調(diào)制。這兩種技術(shù)都賦予揚(yáng)聲器音量控制的功能，而在揚(yáng)聲器系統(tǒng)的輸出端右邊產(chǎn)生音量控制的有效衰減時保持可能有的最高信噪比，從而對信號同樣地衰減任意內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲?？墒褂蒙鲜稣鹿?jié)中所述的方法減少一元數(shù)字揚(yáng)聲器所需的換能器的數(shù)目，而不減少聲音輸出的有效分辨率。這最好通過在揚(yáng)聲器組件中裝入功率控制裝置來實(shí)現(xiàn)，這些裝置諸如上述章節(jié)中所述可依據(jù)輸入信號的幅度動態(tài)地改變每個換能器輸出功率的裝置。功率控制裝置可包括數(shù)字延遲器件，能在其最低頻率下在輸入信號的至少半個周期中以n位的全輸入信號分辨率(例如，如果對輸入信號進(jìn)行二進(jìn)制編碼)進(jìn)行存儲；存儲裝置，用于在輸入信號被存入延遲器件的的持續(xù)期內(nèi)存儲輸入信號所獲得的最大幅度；一裝置，用于選擇在p個位構(gòu)成的組的最高位位置中包含1而不包含0的p個最高的連續(xù)輸入信號位(p＜＝n)，且不計入傳遞給一元編碼器的符號位；以及依據(jù)存儲裝置中獲得的最大幅度選擇換能器的輸出功率電平的裝置，選出的功率電平得以通行，并從數(shù)字延遲器件中讀出所存儲的輸入信號。在此情況下，能把＜＝p個位編碼成為驅(qū)動2p個輸出換能器的一元編碼信號的數(shù)字揚(yáng)聲器可產(chǎn)生n位(p＜＝n)的動態(tài)范圍，而避免提供n位一元編碼器和輸出系統(tǒng)所需的附加電路和換能器的額外的復(fù)雜性。為了允許通過本發(fā)明主題的揚(yáng)聲器來再現(xiàn)模擬信號源以及數(shù)字信號源，可在揚(yáng)聲器組件中再裝入模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)此功能。因?yàn)樗械膿Q能器都具有單位權(quán)重(即，它們相同且與1∶2∶4∶8∶16等關(guān)系無關(guān))，所以每個換能器的相對誤差是相同的，即使一個換能器的靈敏度誤差為50％，也只產(chǎn)生相應(yīng)于二進(jìn)制輸入信號的半個最低位誤差。因?yàn)橐辉a沒有連續(xù)的全一到全零的相鄰代碼變化(例如，與所示二進(jìn)制的不同在于，二進(jìn)制從25510＝0111111112變化到25610＝1000000002)，所以以一元為基礎(chǔ)的數(shù)字揚(yáng)聲器中沒有與此數(shù)字變化方式有關(guān)的瞬變。因?yàn)樗械膿Q能器都相同，且每個換能器都具有單位權(quán)重(即，只產(chǎn)生輸出中最小增量變化(即，1位)所需的輸出)，所以它們是低功率器件，價格便宜且便于制造，且與邊緣效應(yīng)無關(guān)，因?yàn)樗鼈儗τ谒璧拿總€換能器都是相同的。因?yàn)樗械膿Q能器準(zhǔn)確地以同一功率電平控制，所以沒有與使在不同功率電平下操作的器件相互匹配有關(guān)的技術(shù)問題。無論什么數(shù)字采樣速率，每個換能器在正弦形音頻輸出波形的每個周期中至多接通和斷開一次，所以輸出換能器不需要具有比要再現(xiàn)的音頻信號的帶寬大得多的帶寬。換能器所需的性能與數(shù)字揚(yáng)聲器(為了更高的分辨率，它只需要增加更多相同的部件)所需的分辨率(位數(shù))無關(guān)。因?yàn)榻油ǖ腗個換能器所產(chǎn)生的聲壓是接通的一個換能器所產(chǎn)生聲壓的M倍，所以本發(fā)明主題的一元數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)開始工作。由于在輸入數(shù)字代碼表示數(shù)目有M時有M個換能器接通，則輸出聲壓是輸入信號的可靠再現(xiàn)。因?yàn)檩敵鰮Q能器不使用二進(jìn)制數(shù)字(或更高階編碼)，所以一元編碼揚(yáng)聲器不會遭受上述產(chǎn)生失真的問題，這些問題是因輸出換能器的二進(jìn)制或更高階編碼而引起的。由于聲音是一個縱波且可能需要增加和減少其壓力，所以實(shí)際上最好提供正和負(fù)的壓力變化。這些變化可以用分離的正和負(fù)壓力換能器或以雙極性方式驅(qū)動相同的換能器來產(chǎn)生。為了再現(xiàn)靜音，關(guān)閉所有的換能器。為了產(chǎn)生正壓力，使換能器的前表面相對于關(guān)閉狀態(tài)向外移動。為了產(chǎn)生負(fù)壓力，使換能器的前表面相對于關(guān)閉狀態(tài)向內(nèi)移動。如果來自二進(jìn)制-一元解碼器輸出的分離一元數(shù)字信號表示正和負(fù)壓力，則可把這些信號加到分離的正-壓力和負(fù)-壓力產(chǎn)生換能器，或以推-拉或雙極性方式驅(qū)動各個換能器，即使一對一元信號驅(qū)動一個換能器。對于給定分辨率的數(shù)字揚(yáng)聲器而言，此方案把所需的換能器數(shù)目減少了一半。此外，二進(jìn)制-一元編碼器可以省略二進(jìn)制輸入信號的符號位，并把它分別用于控制來自被編碼器的(正)一元輸出所驅(qū)動的聲換能器壓力脈沖的極性。對于給定分辨率的數(shù)字揚(yáng)聲器，此方案也把換能器數(shù)目減少了一半。實(shí)際的此類數(shù)字揚(yáng)聲器可能需要大量換能器，例如，為了控制8位的二進(jìn)制輸入，需要256個聲壓級表示。因?yàn)?級不需要壓力，所以該級不需要換能器。因此，在此例中需要255個換能器(最大值)。如果以雙極性方式驅(qū)動換能器，或者以表示壓力的正負(fù)單位步長的一對一元數(shù)字信號或以符號控制位和單極性一元數(shù)字信號來驅(qū)動每個換能器，則有128個換能器就夠了。一般，對于控制n位二進(jìn)制輸入的系統(tǒng)，依據(jù)上述雙極性驅(qū)動方案所取的優(yōu)點(diǎn)，需要2n-1或2n-1個換能器。為此目的雖可使用分立的換能器，但使用集成的多個換能器來減少成本和制造復(fù)雜性更有利。例如，如果要使用靜電換能器，可生產(chǎn)大量面積相等的電極，每個電極單獨(dú)連接到一個具體換能器件的各個一元數(shù)字信號，于是產(chǎn)生一個換能器陣列。如果要使用壓電換能器，則可把一片壓電材料分隔成大量面積相等的區(qū)域，每個區(qū)域具有它自己的電極，這些電極分別連接到分立的一元數(shù)字信號，從而形成一換能器陣列。同樣，若要使用電磁換能器，用一組分別連接的電線，每根電線在器件的磁場內(nèi)產(chǎn)生相同的安匝效應(yīng)并分別連接到分立的一元數(shù)字信號，從而形成換能器陣列。可以雙極性或推-挽方式操作所有這些陣列結(jié)構(gòu)，從而陣列的每個換能器元件分別連接到兩個分立的一元數(shù)字信號或一元數(shù)字信號和產(chǎn)生正負(fù)輸出壓力的符號控制位。所有這些陣列結(jié)構(gòu)所具有的一大優(yōu)點(diǎn)是需要多個相同的元件，這有助于匹配和簡化制造。附圖概述圖1是示出依據(jù)本發(fā)明的數(shù)字揚(yáng)聲器中各種基本元件之間關(guān)系的方框圖。圖2示出單極性1位二進(jìn)制-一元轉(zhuǎn)換器的簡單邏輯。圖3示出單極性2位二進(jìn)制-一元轉(zhuǎn)換器的簡單邏輯。圖4示出單極性3位二進(jìn)制-一元轉(zhuǎn)換器的簡單邏輯。圖5示出3位偏移二進(jìn)制到-一元轉(zhuǎn)換器的簡單邏輯。圖6示出用成對反極性的一元信號推-挽(雙極性)驅(qū)動換能器的方法。圖7示出3位2s分量的二進(jìn)制-一元轉(zhuǎn)換器的簡單邏輯。圖8示出具有典型的復(fù)雜～(n-1)2n簡單邏輯門的n位單極性二進(jìn)制-一元編碼器基本的輸入和輸出。圖9示出用兩個(n/2)位二進(jìn)制-一元編碼器以及一些附加的簡單邏輯組裝n位單極性二進(jìn)制-一元編碼器的方法。圖10示出圖9所示附加的簡單邏輯方框中一個方框的細(xì)節(jié)。圖11示出由連到總線的多個相同邏輯模塊構(gòu)成并被總線控制器編程的可定標(biāo)和可擴(kuò)展的基于總線的二進(jìn)制一元編碼器。圖12詳細(xì)示出圖11中總線連接模塊中一個模塊的可能結(jié)構(gòu)，該模塊把加到其上的特定范圍的輸入信號編碼成為一元。圖13示出裝入圖11中每個模塊的簡化觸發(fā)器邏輯的細(xì)節(jié)，以使每個模塊可被圖11所示的總線控制器單獨(dú)編程。圖14示出一例的一元信號波形及用于具有各種動態(tài)特性的聲換能器的有關(guān)適宜驅(qū)動波形，以產(chǎn)生大致為正方形的聲脈沖。圖15示出用于數(shù)字脈寬調(diào)制(PWM)系統(tǒng)的簡化邏輯，該系統(tǒng)根據(jù)一元信號和符號(極性)信號產(chǎn)生線性的斜坡形PWM波形。圖16示出把圖15所示系統(tǒng)的計數(shù)器和幅度比較器部件互連的常規(guī)方式。圖17示出由具有圖16所示互連方式的圖15電路所產(chǎn)生的典型PWM波形。圖18示出把圖15的計數(shù)器和幅度比較器互連的改進(jìn)方法。圖19示出由應(yīng)用于圖15電路的圖18的互連方式所產(chǎn)生的改進(jìn)PWM波形。圖20示出用于產(chǎn)生驅(qū)動具有慣性所決定動態(tài)范圍的換能器所使用的雙極性脈沖的簡單邏輯電路。圖21示出圖20所示電路的典型波形。圖22示出多個聲換能器的擴(kuò)展陣列所引起的時間延遲問題。圖23示出通過把聲換能器排列成兩維而不是一維，而使換能器陣列做得多么緊湊。圖24以剖面示出如何以三維方式堆疊多個兩維換能器陣列，以便在每個陣列中設(shè)置間隔允許聲音通過時產(chǎn)生更緊湊的聲源。圖25以平面圖示出與圖24相似的布局。圖26示出換能器緊湊的兩維陣列，每個換能器靠近與相鄰信號電平有關(guān)的換能器。圖27示出聽眾與換能器陣列中各種換能器之間的不同路徑長度。圖28示出為了補(bǔ)償聽眾到換能器的路徑長度差，把差分信號延遲加到陣列中每個換能器的方法。圖29示出如何使圖28所示的延遲系統(tǒng)成為動態(tài)或靜態(tài)可變和可編程。圖30以方框圖示出一種系統(tǒng)，以從輸入信號中選擇最高的非零位，并把它們加到一些一元換能器上，從而保持所需的輸入-輸出關(guān)系，也保持最可能的最高分辨率。圖31以方框圖示出一種揚(yáng)聲器，該揚(yáng)聲器應(yīng)用了這里所述的大多數(shù)發(fā)明和設(shè)計。本發(fā)明的較佳實(shí)施方式圖1示出本發(fā)明基本的創(chuàng)新。該設(shè)備在n個輸入信號路徑上的輸入緩沖器1處接收到某種表示聲壓波形的數(shù)字輸入信號。此數(shù)字信號可以是任意的數(shù)字代碼形式(例如，串行或并行形式的二進(jìn)制代碼、十進(jìn)制代碼)。雖然本發(fā)明不限于此輸入格式，但為了說明，我們假設(shè)是一種n位的二進(jìn)制代碼輸入信號，這里n位中的一位是表示輸入信號極性的符號位。輸入緩沖器1對輸入信號呈現(xiàn)均一的阻抗，并在把n個并行二進(jìn)制位提供給編碼器2前進(jìn)行一些必要的電平轉(zhuǎn)換和/或串并行的轉(zhuǎn)換。編碼器2把n位的二進(jìn)制輸入代碼編碼成為N個一元信號，其中的一個信號是一元符號或極性信號，表示其余的N-1個一元信號是否表示正或負(fù)的量，這里N＝2n-1，編碼的主要功能是當(dāng)n位輸入信號的(正)幅度等于M時，則N-1個非符號一元信號中的M個信號將被接通，而其余的信號斷開(即，邏輯0)。把包括來自編碼器2的符號信號的N個輸出信號加到換能器驅(qū)動器3，驅(qū)動器3把來自編碼器2的N個一元信號轉(zhuǎn)換成具有適當(dāng)電流、電壓、脈沖形狀和極性的N-1組信號，以分別驅(qū)動圖1的4處集中所示的N-1個聲學(xué)輸出換能器，換能器驅(qū)動器3連到這些換能器。N-1組信號中的每一組信號可以是所有N-1個換能器共享公共反回線(未示出)的單個雙極性信號，或者可以是一對推-挽信號。換能器基本上都相同的第N-1組聲學(xué)輸出換能器4把電學(xué)驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換成均一的聲脈沖，每個脈沖的幅度為a，極性如輸入符號位所示。由于編碼器2的工作是在數(shù)字輸入信號具有幅度M時啟動N-1個非符號一元信號中的M個信號，每個信號導(dǎo)致發(fā)射幅度為a的聲脈沖，所以來自換能器陣列的總發(fā)射幅度是M×a＝A。于是，來自圖1所示系統(tǒng)的輸出總聲壓具有與輸入信號相同的極性，并且當(dāng)數(shù)字輸入信號具有幅度M時具有幅度M×a，從而依據(jù)換能器數(shù)目N-1，可靠地再現(xiàn)數(shù)字電學(xué)輸入信號作為聲音，盡管具有一些量化噪聲。輸入緩沖器1是簡單的，將不再對其作進(jìn)一步的描述?？梢杂脭?shù)字電子
技術(shù)領(lǐng)域：
中所公知的任意標(biāo)準(zhǔn)方法來實(shí)現(xiàn)一元數(shù)字編碼器2，包括適當(dāng)連接的門、可編程邏輯器件和只讀存儲器查閱表。將對n位有符號的二進(jìn)制輸入情況示出將要實(shí)現(xiàn)的解碼功能的定義。則編碼器2將具有n個二進(jìn)制輸入b0、b1、b2、...bn-1和N個輸出u0、u1、u2、...uN-1，這里N＝2n-1。輸出u0將是一元輸出符號信號，表示其幅度在其余的N-1個輸出中被編碼的一元輸出數(shù)字是正還是負(fù)。定義u0＝bn-1，這里二進(jìn)制輸入bn-1是輸入信號的符號位。其余的n-1個二進(jìn)制輸入b0、b1、b2、...bn-2表示一個無符號的二進(jìn)制數(shù)字，其幅度V可以在0和2n-1-1＝N-1的范圍內(nèi)。其余的N-1個一元輸出u1、u2、...uN-1定義為u1＝0，如果V＜i，否則u1＝1，對于0＜i＜N則，如果V＝0(它＜1)，則所有的一元輸出都為零。否則，當(dāng)輸入二進(jìn)制幅度＝V時，有V個一元輸出具有值1，這里0＜V＜N。于是，簡單地把符號位從輸入位bn-1直接傳送到輸出一元符號位u0。其余的電路實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)n-1位單極性的二進(jìn)制-一元編碼器。圖2示出簡單的1位單極性二進(jìn)制-一元編碼器，而圖3示出2位的情況，圖4示出3位單極性二進(jìn)制-一元編碼器的情況。圖5示出3位偏移二進(jìn)制-一元編碼器5。在此情況下，沒有這樣的輸入符號位。而是，在把二進(jìn)制代碼解釋成雙極性信號(偏移二進(jìn)制代碼)時，需要把此代碼定義為表示零輸出聲壓。對于3位偏移二進(jìn)制系統(tǒng)，這通常取作代碼0112或1002。下表示出如何把此編碼成為一元信號，其中的一些信號表示正壓力輸出，而另一些表示負(fù)壓力輸出，這里我們已假設(shè)代碼1002表示零。在標(biāo)為i/p的一欄中也示出模擬輸入值所表示的十進(jìn)制的值:十進(jìn)制二進(jìn)制負(fù)輸出正輸出</tables>在此真值表中，i/p以十進(jìn)制給出的，表示雙極性輸入信號的電平，位0到2在二進(jìn)制中是相同的內(nèi)容。一元數(shù)字輸出op1到op4將用于驅(qū)動負(fù)壓力換能器，而一元數(shù)字輸出op5到op7將用于驅(qū)動正壓力換能器。從真值表中可看出，當(dāng)正壓力輸出op5到op7中的任一個接通(值1)時，負(fù)壓力輸出op1到op4中沒有一個是接通的(值1)。例如，如果op1與op5配對，op2與op6配對，op3與op7配對，每一對驅(qū)動雙極性壓力換能器的相對兩側(cè)，則可看出，換能器將依據(jù)表中的代碼適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生正或負(fù)壓力階躍，而不在正負(fù)輸出之間產(chǎn)生相互干擾。即，由其值同時等于1的一個正和一個負(fù)信號不能驅(qū)動任一個換能器。于是，相對于用每個一元輸出來驅(qū)動各個換能器的情況，所需的的換能器數(shù)目可以減半。在圖6中可看到如何把編碼器5的輸出對加到聲換能器6，以提供雙極性驅(qū)動從而產(chǎn)生雙極性壓力波輸出。如上所述，op1與op5配對以驅(qū)動一個換能器，op2&amp;op6以及op3&amp;op7進(jìn)行同樣的配對，op4可用于附加換能器7的單極性驅(qū)動，或干脆不用，因?yàn)闆]有與其配對的匹配正輸出信號。由于二進(jìn)制代碼必須表示偶數(shù)個電平(都是2的冪)，其中的一個將用于表示零，所以當(dāng)從二進(jìn)制輸入中獲取一元輸出時，在正和負(fù)電平之間總要留下不能被共享的一個奇數(shù)。一般，對于n位偏移二進(jìn)制輸入，將由編碼器獲取2n-1個一元數(shù)字輸出，這些輸出中的一個輸出將不能配對，留下2n-2個一元信號。這些信號將形成2n-1對，并可通過一些換能器驅(qū)動電路加到相同數(shù)目的音頻換能器上。另一種偏移二進(jìn)制是2的補(bǔ)碼二進(jìn)制(由于便于以此代碼進(jìn)行演算，所以它通常用于現(xiàn)代數(shù)字計算機(jī)中表示有符號的整數(shù))。2的補(bǔ)碼-一元雙極性編碼器的真值表如下所示</tables>圖7示出此真值表的簡單實(shí)現(xiàn)方式，并再次示出只用雙電平的簡單門可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換。在圖7中標(biāo)為ni的門是簡單的非倒相門，用于更均等地平衡通過編碼器所有路徑的輸入和輸出之間的傳播延遲。在實(shí)際的數(shù)字揚(yáng)聲器中，需要對8位或更多位的二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行編碼。這就增加了編碼器的復(fù)雜性，從某種程上說，至少必須產(chǎn)生大量輸出，且相應(yīng)地增加了門的數(shù)目。如果要使各個門本身盡量保持簡單，也將增加選通電平。應(yīng)注意，如果通過編碼器的絕對總延遲總共小于1毫秒，則通常沒有影響。不同輸入-輸出路徑的相對延遲則有些重要，因?yàn)樵诶硐氲木幋a器中，所有的輸出將同時改變。通過使輸入和每個輸出之間的選通電平保持相同，可很好地接近這樣的情況。例如，在圖7中可看出，輸入和輸出之間的每個路徑準(zhǔn)確地穿過兩個門。已使用標(biāo)為ni(非倒相)的四個門來提供此路徑長度匹配，它們沒有其它邏輯功能。應(yīng)注意，可用標(biāo)準(zhǔn)方法來優(yōu)化以上對編碼器給出的所有邏輯電路。所提出的電路只是為了舉例說明，而不試圖減少所使用的門的數(shù)目。由于上述向雙極性編碼器的擴(kuò)展不成問題，所以我們在以下只考慮單極性編碼器。在簡單的單極性二進(jìn)制-一元編碼器中，簡單門的數(shù)目大致隨被編碼的單極性二進(jìn)制輸入的位數(shù)以指數(shù)增加(對于n位單極性二進(jìn)制數(shù)字，簡單門的數(shù)目～(n-1).2n)，所以值得考慮設(shè)法減少編碼系統(tǒng)的復(fù)雜性。單極性一元編碼方案要求在所表示的數(shù)字輸入數(shù)字具有大小M時，M個一元輸出應(yīng)該是接通的。參考圖8，考慮n位的單極性二進(jìn)制輸入解碼器8，這里n是偶數(shù)?？烧J(rèn)為n個輸入信號是2組n/2個位?？烧J(rèn)為2n-1個輸出以及虛0輸出是2n/2組2n/2個輸出(注意2n/2×2n/2＝2n)。簡單的n位編碼器可具有(n-1).2n數(shù)量級的門。圖9所示的方案使用兩個n/2位的編碼器9，在它們之間等分n個二進(jìn)制位11，在邏輯方框10中只有極少的簡單選通。在此例的邏輯方框10中，在總共2n/2個門中僅示出4個門，每個方框驅(qū)動2n/2-1個一元輸出端并具有相同數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)輸入端，每個輸入端接通一個輸出端。此外，2n/2個邏輯方框10中的每個方框設(shè)有一ALL輸入端，在該輸入端接通時，它接通此邏輯方框的所有輸出端；此外，還有一ENABLE輸入端，如果任一個標(biāo)準(zhǔn)輸入端能接通其相應(yīng)的輸出端，則ENABLE輸入端必須接通。除了圖9所示相對位置中每個2n/2邏輯方框10的2n/2-1個輸出端以外，還使用上部編碼器9的2n/2-1個一元輸出端。綜上所述，n位單極性二進(jìn)制-一元編碼器總共需要2n/2-1+(2n/2-1)(2n/2)＝2n-1個輸出端。每個n/2位編碼器9具有(n/2-1).2n/2數(shù)量級的門，所以兩個編碼器將具有～(n/2-1).2n/2-1個門。這比n位編碼器中的門數(shù)少得多。例如，如果n＝10(良好音質(zhì)的合理值)，則(n-1).2n＝9216是標(biāo)準(zhǔn)的10位一元編碼器的大概門數(shù)，而(n/2-1)。2n/2+1＝26＝256是標(biāo)準(zhǔn)的5位一元編碼器的大概門數(shù)，一對這樣的編碼器只需要512個門，這比9216少得多。于是，因?yàn)橐源朔绞街圃斓木幋a器簡單得多，所以可大大地減少成本，而且可使用多個同樣的器件(在此例中，是兩個n/2位的編碼器)。此分解方案不限于這里為舉例說明所述的n(n/2乘以2)方案。也可以許多其它方式對輸入位進(jìn)行分組，仍可實(shí)現(xiàn)減少門數(shù)和整個復(fù)雜性。例如，如果n是3的倍數(shù)，則可把n個輸入位分成3組n/3(例如，如果n＝12，則具有(12-1).212＝45056級門的單個編碼器，可用三個4位的編碼器替代)，一般，當(dāng)n是k的倍數(shù)時，則可把輸入位分成k組n/k。圖10示出m個輸入端的邏輯方框10，這些方框包含用以提供ALL和ENABLE功能的額外選通。對一m個輸入端的邏輯方框，大致需要2m個簡單門。所需的選通非常簡單，因?yàn)樾枰鄠€這樣的單元(對于上例，在10位二進(jìn)制輸入被分解成兩組5位時，需要32(＝25)個邏輯方框，每個方框具有32個輸出端)，可大大減少其單元成本。在圖11中示意地示出用于實(shí)現(xiàn)n位二進(jìn)制-一元編碼器的不同方案，這里通過總線控制器13把n位二進(jìn)制輸入信號12加到公共數(shù)據(jù)和控制總線14，總線14與15處所示一系列r個相同的編碼器子模塊m1、m2、m3、...mr相連，每個子模塊具有16處所示以G1、G2、G3、...Gr分組的p個經(jīng)編碼的一元輸出?？偩€結(jié)構(gòu)的性質(zhì)使得能把可變數(shù)目的相同模塊15加到總線14，以提供可變位寬的二進(jìn)制-一元編碼方案。在操作中，總線控制器13在電源接通或復(fù)位時間，通過控制和數(shù)據(jù)總線14對所有模塊15進(jìn)行初始化，給每個模塊15一個專用地址。在初始化后，在12處饋送到總線控制器的n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)并行地傳到所有的子模塊15，依據(jù)每個模塊的地址(如上所述被總線控制器初始化)，每個模塊15把獨(dú)特范圍內(nèi)的n位二進(jìn)制輸入信號值解碼成為p個一元輸出，總共有p.r個一元輸出。在一個示例中，p是2的整數(shù)次冪，例如p＝2q，而且如圖12所示實(shí)現(xiàn)子模塊15，在這里看到把總線14的n位二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)部分分成兩個位組21和22，總線14的組21包括q個低位數(shù)據(jù)位，組22包括n-q-1個高位數(shù)據(jù)位(不包括數(shù)據(jù)的符號位)。q個低位數(shù)據(jù)位21被饋送入q位單極性二進(jìn)制-一元編碼器18，它們在23處被轉(zhuǎn)換成p個輸出一元信號。邏輯方框20在其輸入端um處的p個一元信號，依次連到邏輯方框20的uin輸入端。23和在其輸出端uout處的p個一元信號16之間起到開關(guān)的作用，且由兩根輸入線All和Enable控制。如果All輸入端接通(邏輯1)，則所有的p個一元輸出端16都接通，而與方框20的其它所有輸入端無關(guān)。如果Enable接通，則p個一元輸出端16中的每個輸出端都處于p個一元輸入端23中相應(yīng)一個輸入端的狀態(tài)，從而給出直通的選通功能。最后，如果All或Enable都不接通，則斷開所有的p個一元輸出端16。總線14的n-q-1個高位數(shù)據(jù)位(不包括數(shù)據(jù)的符號位)22連到鎖存器17和幅值比較器19。由來自控制方框25的信號控制鎖存器，接著通過總線信號24連到數(shù)據(jù)和控制總線14，該總線信號24使總線控制器13在系統(tǒng)初始化時間通過下述的機(jī)構(gòu)(如以下圖13所示)把獨(dú)特的值裝入每個鎖存器17。在操作中，在初始化后，連續(xù)地把存儲在鎖存器17中的饋送到n-q-1位幅值比較器19的輸入端B的n-q-1位的值與饋送到幅值比較器19的輸入端A的數(shù)據(jù)和控制總線14的上部n-q-1根數(shù)據(jù)線(不包括符號位)上的值相比較。把比較器19的A＞B輸出連到邏輯方框20的All輸入端，而把比較器19的A＝B輸出連到邏輯方框20的Enable輸入端。此電路的實(shí)際效果是每當(dāng)二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)的值小于鎖存器17中的值(考慮其位的含義)時，則子模塊15的p個一元輸出端都不接通。每當(dāng)二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)的值大于保存在鎖存器17中的值(考慮其位的含義)，則方框15的p個一元輸出端都接通。最后，當(dāng)二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)的值等于保存在鎖存器17中的值(考慮其位的含義)時，則由編碼器18把剩下的q個低位位編碼成為p個一元輸出。如果有r個這樣的子模塊15并聯(lián)到總線14，其中每個子模塊以其各個鎖存器17中的不同值進(jìn)行編程，則整個組件將根據(jù)需要把n位二進(jìn)制輸入值完全編碼到p.r個一元輸出線上。此結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點(diǎn)是簡單、標(biāo)準(zhǔn)和便于擴(kuò)展到更大數(shù)目的相同模塊15和更大數(shù)目的輸入位n。圖13示出了一種一般的方法，用于使多個相同的模塊在并行總線結(jié)構(gòu)上互連，而且即使在模塊不包含硬線獨(dú)特的識別代碼時，也可提供獨(dú)立地控制每個模塊的裝置。在圖13中，27表示使多個模塊并聯(lián)的數(shù)據(jù)和/或控制總線，它類似于例如圖12所示的數(shù)據(jù)和控制總線14?？偩€27中的一根線分別如26和32所示，這根線在總線上35處所示的每個模塊連接位置處中斷。總線在總線控制器方向上的末端(例如圖12中的13)示為33，控制線26在該方向連到標(biāo)準(zhǔn)D型觸發(fā)器30的D輸入端并朝向總線上的下一個模塊，該觸發(fā)器的Q輸出端如此連接，從而驅(qū)動遠(yuǎn)離總線控制器的總線的線32。觸發(fā)器30的時鐘和復(fù)位控制輸入端連到29和28所示合適的總線控制線。每當(dāng)模塊中的線31處于邏輯1時，該模塊將響應(yīng)于總線線27上的編程信息(由于模塊中未示出的其它電路被線31所控制)否則它將忽略該信息。在操作中，為了分別和獨(dú)立地控制總線27上具有圖13所示控制電路的所有模塊，總線控制器(在圖13中未示出)首先在線28上發(fā)出復(fù)位信號，該信號把每個模塊中的觸發(fā)器30清零，其后控制器把Din線26置于邏輯高電平，此線26只連到總線上的第一個模塊。然后，總線控制器在時鐘線29上發(fā)出單個時鐘脈沖，對每個觸發(fā)器30進(jìn)行計時。由于先前對所有的觸發(fā)器30進(jìn)行復(fù)位，所以除了第一個觸發(fā)器以外，總線上所有的觸發(fā)器都接收到來自總線線32上的前一個觸發(fā)器30的Q個輸出端的D輸入信號，只有總線上的第一個觸發(fā)器30將以邏輯1計時，其它的所有觸發(fā)器都以邏輯0計時。在該點(diǎn)，總線控制器把Din控制線26置于邏輯0，并發(fā)出專用于第一個總線模塊的任何所需控制信號。只有模塊1將響應(yīng)于此控制信息，因?yàn)橹挥性撃K的線31處于上述的邏輯高電平。其后，總線控制器在Din控制線26上保持邏輯0，并在線29上發(fā)出連續(xù)的時鐘脈沖，這些脈沖的作用是把一個模塊的線31上的邏輯高電平移到下一個模塊的觸發(fā)器30中，而在其它地方移入邏輯零，整個結(jié)構(gòu)的操作類似于串行移位寄存器，在連續(xù)的時鐘脈沖之間，總線控制器對目前被其控制線31啟動的一個模塊發(fā)出編程和控制信息，該控制器目前在如此形成的移位寄存器結(jié)構(gòu)中保持單個脈沖。如果需要，總線控制器還可通過只連到總線上最后一個模塊中的線32的空閑線連接到控制總線的遠(yuǎn)端(遠(yuǎn)離總線控制器)，總線控制器以此方式通過等待移位寄存器中移位通過脈沖的到來，可確定是否已對總線上的所有模塊進(jìn)行編程，也可計算所存在的模塊數(shù)目，這對想要進(jìn)行柔性編程的可變模塊結(jié)構(gòu)是有用的。由于圖1的換能器4可從數(shù)字揚(yáng)聲器中的電信號產(chǎn)生外部聲(聲學(xué))功率，所以考慮到輸出換能器的效率，換能器驅(qū)動器3必須把數(shù)字信號電平升高到足以產(chǎn)生所需輸出聲功率的功率電平。所需的電平將取決于所使用的換能器的類型，諸如壓電、靜電、動圈磁和磁阻型換能器。在數(shù)字邏輯方面，換能器驅(qū)動器3是簡單的脈沖放大器。實(shí)際上，也可需要它們產(chǎn)生一定的脈沖成型，以補(bǔ)償換能器4的傳輸功能，從而保持近似正方形的聲脈沖形狀。然而，應(yīng)注意，具有N個輸出換能器的數(shù)字揚(yáng)聲器的總輸出聲功率為P＝N×p，這里p是單個換能器的輸出聲功率。于是，例如如果需要～1瓦的聲功率(大致相當(dāng)于以100W電功率驅(qū)動的常規(guī)動圈高保真揚(yáng)聲器的聲功率)，則具有～1024個換能器的11位數(shù)字揚(yáng)聲器需要每個換能器的輸出有p＝～1mW。這樣的功率電平易于直接從邏輯門中獲得。至于低效率的電-聲換能器(如象1％一樣低)，每個換能器仍只需要～100mW的電驅(qū)動功率，這易于用在例如5V和20mA下工作的標(biāo)準(zhǔn)緩沖器邏輯門來實(shí)現(xiàn)。于是，實(shí)際的數(shù)字揚(yáng)聲器可用適當(dāng)選擇的標(biāo)準(zhǔn)邏輯元件來直接驅(qū)動其換能器陣列元件。圖14示出沿水平軸作為時間函數(shù)的五個電波形36、37、38、39和40，36表示在符號信息組合后從二進(jìn)制-一元編碼器中可獲得的典型雙極性一元電信號，該信號相應(yīng)于作為本發(fā)明主題的數(shù)字揚(yáng)聲器一個換能器的所需壓力輸出。示出的波形部分包圍著時間O和時間A之間需要零壓力的周期，從時間A到時間B需要恒定的正壓力，從B到C需要壓力為零的另一個周期，接著從C到D需要壓力恒定為負(fù)的周期，其后需要壓力為零。對一次近似，換能器的振動膜必須以恒速移動以產(chǎn)生恒定的壓力，并以零速產(chǎn)生零壓力，因此波形37表示換能器產(chǎn)生36所示壓力分布所需的速度分布與時間的關(guān)系。這里我們對普通換能器進(jìn)行簡單的假設(shè)，即換能器的輸入驅(qū)動電壓或電流波形對應(yīng)于在換能器振動膜上產(chǎn)生的力。對于在產(chǎn)生聲音時振動膜上的主反作用力是阻力或阻止空氣流動而引起的粘滯力的換能器來說，波形37(大概除了比例以外，它與36基本上相同)表示實(shí)現(xiàn)36中所需壓力波形合適的力-時間關(guān)系，而且也是合適的電驅(qū)動波形，所以在此情況下其實(shí)不需要脈沖成型。對于振動膜上的主反作用力是正比于可能由振動膜懸吊而產(chǎn)生的振動膜偏轉(zhuǎn)的回復(fù)力的換能器來說，波形38表示實(shí)現(xiàn)36中所需壓力波形的合適的力-時間分布，其中可看出該分布是由相反斜率的A和B以及C和D之間的恒定斜率部分以及其它地方的零斜率恒定電平組成的，因?yàn)榇撕愣ㄐ甭氏鄳?yīng)于力的線性增加，從而隨時間而轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致這些周期中近似恒定的壓力輸出。對于振動膜上的主反作用力是換能器移動部分和夾帶空氣的質(zhì)量而引起的慣性力的換能器來說，波形39表示實(shí)現(xiàn)36中所需壓力波形的合適的力-時間分布，其中在時刻A處，產(chǎn)生在時刻A’終止的短周期的正驅(qū)動力，以給換能器的運(yùn)動質(zhì)量提供正脈沖動量，其后，質(zhì)量以近似于恒定的正速度滑動到時刻B，直到時刻B’都給出一個短的負(fù)脈沖，以使質(zhì)量快速靜止，其后在時刻C處，給出一個更短的負(fù)脈沖直到C’，以給運(yùn)動質(zhì)量提供一負(fù)脈沖動量，接著是以基本上恒定的負(fù)速度滑動的周期，直到時刻D，在D處再次加上短的正脈沖，直到時刻D’，以使運(yùn)動質(zhì)量靜止。對于具有混合動態(tài)范圍的換能器，其中主導(dǎo)力是上述三種力的組合，則可加上包括37、38和39的某種適當(dāng)線性組合的合成驅(qū)動波形，它是40處所示的一個例子，以根據(jù)需要產(chǎn)生正方形聲脈沖壓力輸出。在標(biāo)準(zhǔn)脈沖放大器中，可以高的電學(xué)效率產(chǎn)生波形37。也可以下述方式利用具有高頻脈沖波形的脈寬調(diào)制(PWM)以高的電學(xué)效率產(chǎn)生波形38。圖15示出一種新的數(shù)字脈寬調(diào)制斜波發(fā)生器，它包括高頻時鐘發(fā)生器41，該發(fā)生器把52處的并行二進(jìn)制輸出QR饋送給k位二進(jìn)制計數(shù)器42的時鐘輸入端，繼而該輸出被饋送到k位二進(jìn)制幅值比較器43的兩個并行二進(jìn)制輸入端(在此情況下為B)中的一個輸入端。數(shù)字分頻器44也連到時鐘41，51處所示44的輸出端d連到AND門45的兩個輸入端中的一個。47所示用作圖14中38處例子的成型為斜波的一元信號Un連到AND門45的另一個輸入端，其結(jié)果是每當(dāng)Un處于邏輯1時，分頻器44的d端時鐘脈沖連到k位二進(jìn)制升/降計數(shù)器46的時鐘輸入端，這些脈沖從AND門45的輸出端發(fā)出，否則AND門的輸出端處于邏輯低電平。升/降計數(shù)器46把其升/降控制輸入端連到數(shù)字揚(yáng)聲器電路的符號位(或一元符號信號)，在時鐘脈沖到達(dá)其輸入端時確定計數(shù)器46是否進(jìn)行增計數(shù)或減計數(shù)。設(shè)置計數(shù)器46的復(fù)位輸入端，以在啟動時把計數(shù)器設(shè)定在半全計數(shù)(例如，如果k等于10，從而46具有102310＝11111111112(二進(jìn)制)的最大計數(shù)，則設(shè)置復(fù)位端把計數(shù)器設(shè)定在51110＝01111111112)，復(fù)位端也連到49處所示的外部信號Res，例如該信號可能是在系統(tǒng)初始化時或者可能是在來自一元輸出Un的所需輸出信號等于零的其它時間由總線控制器13發(fā)出的。升/降計數(shù)器46的k位并行二進(jìn)制輸出Q1連到比較器43的并行二進(jìn)制輸入端A，從而比較器相對于42的輸出QR的幅值連續(xù)地確定46的輸出Q1的幅值，每當(dāng)Q1＞QR時，則比較器43的輸出端A＞B處于邏輯高電平。為了簡化，沒有示出數(shù)據(jù)同步的細(xì)節(jié)。此邏輯電路的效果是在復(fù)位時間以后(即，在Res脈沖已從電路方框外部發(fā)送到49后)以及在Un保持邏輯低電平時，計數(shù)器46在半-全計數(shù)處保持靜態(tài)，而計數(shù)器42在其整個k位計數(shù)范圍以周期p＝2k/f循環(huán)計數(shù)，這里f是數(shù)字時鐘41的頻率，于是輸出在50所示的從43的輸出端A＞B處得到的PWM，準(zhǔn)確地要花費(fèi)在邏輯低電平和邏輯高電平各一半的時間。因此，此輸出50具有周期P和1∶1的傳號-空號比。從此狀態(tài)開始，當(dāng)Un達(dá)到邏輯高電平時，則計數(shù)器46根據(jù)符號輸入的狀態(tài)，以分頻時鐘信號51所確定的恒定速率從其初始半全計數(shù)進(jìn)行增計數(shù)或減計數(shù)，從而計數(shù)器46Q1處以并行二進(jìn)制獲得的瞬時輸出值V以每秒f/D個計數(shù)的速率隨時間線性變化，這里D是時鐘分頻器44的分頻比。如果計數(shù)器42的時鐘速率f比f/D大(即，如果D＞＞1)，則可假設(shè)V在計數(shù)器42的周期P中基本上恒定，在此情況下，對于周期P的V/(2k-1)部分，PWM信號50將為高電平，這里0≤V≤(2k-1)，這是信號50要成為V的線性脈寬調(diào)制表征所需要的精確條件?？墒境?，即使在條件f＞＞f/D不保持的情況下，該電路仍可在輸出50處產(chǎn)生線性的脈寬調(diào)制信號。由于在Un處于邏輯1時，值V隨時間線性增加或減少(根據(jù)符號是否處于邏輯高還是低電平)，PWM輸出50的有效值(在與周期P一樣長的或更長周期中，它只是輸出50的時間平均值)在Un接通時是一線性斜波，在Un斷開時是一靜態(tài)值，這是產(chǎn)生圖14的38處所示類型的波形所需的精確條件，用以驅(qū)動彈性限制的換能器，以產(chǎn)生凈正方形數(shù)字聲脈沖輸出。實(shí)際上，進(jìn)行附加的電路精簡是有用的，其一是使計數(shù)器46構(gòu)成一閑端計數(shù)器，從而當(dāng)它達(dá)到最大或最小計數(shù)時，將不再翻轉(zhuǎn)而是保持在其最終計數(shù)值處，直到計數(shù)方向(升或降)顛倒而且下一個時鐘脈沖到達(dá)。這明顯地提高了PWM發(fā)生器的穩(wěn)定性。不需要從所示計數(shù)器42所使用的同一時鐘41得到計數(shù)器46上的時鐘輸入clk，即使這也有助于穩(wěn)定性。通過使時鐘41與數(shù)字揚(yáng)聲器輸入-數(shù)據(jù)采樣時鐘實(shí)現(xiàn)同步，并且每當(dāng)控制總線上輸入數(shù)據(jù)字的值為零時，獨(dú)立地驅(qū)動Res輸入49為高電平，可在應(yīng)用此電路的數(shù)字揚(yáng)聲器中實(shí)現(xiàn)附加的穩(wěn)定性。此外，對于數(shù)字揚(yáng)聲器的應(yīng)用，計數(shù)器46的全計數(shù)周期(即T＝2kD/f)必須大于或等于被揚(yáng)聲器真實(shí)再現(xiàn)所需的最低頻率音頻信號的半周期，對于20Hz的較低截止頻率為，25毫秒。在把此PWM發(fā)生器應(yīng)用于數(shù)字揚(yáng)聲器時，應(yīng)注意，可在分配給各別一元輸出Un的大量獨(dú)立PWM發(fā)生器中共享電路元件41、42和44，因此可明顯地減少部件。應(yīng)注意，產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)波形的數(shù)字方法可應(yīng)用于數(shù)字揚(yáng)聲器以外適于使用PWM的任何地方。PWM系統(tǒng)的一個共同要求是用低通濾波器系統(tǒng)來減少最終輸出驅(qū)動波形中的高頻開關(guān)噪聲。PWM時鐘速率越接近于要求在低通濾波輸出中再現(xiàn)的最高調(diào)制頻率，則低通濾波器制造起來更復(fù)雜且更昂貴?，F(xiàn)在描述不使用額外的元件對擴(kuò)大圖15所示PWM發(fā)生器的這一頻率比實(shí)現(xiàn)最大化的方法。圖16更詳細(xì)地示出把兩個計數(shù)器42和46互連到幅值比較器43的常規(guī)方法，這里可看出，把示為q0、q1、q2...的計數(shù)器46和42的最低位輸出端連到示為A0、A1、A2...和B0、B1、B2...的比較器43的最低位輸入端，而把其余的位以同一次序直到通過最高位Pk-1連到Ak-1和Bk-1。此連接方法導(dǎo)致在50處的PWM輸出波形具有2k/f的脈沖周期，這里f是計數(shù)器42的時鐘頻率，k是該計數(shù)器中的位數(shù)。作為一個例子，對于k＝3的簡單情況，如果計數(shù)器46的輸出所表示的值(假定為靜態(tài))是1012＝510，則圖17在52示出在輸出50處的期望波形，其傳號空號比為5∶3，在51處示出計數(shù)器42的時鐘輸入信號，并把每個時鐘脈沖上方計數(shù)器42’的計數(shù)狀態(tài)標(biāo)為0、1、2、...7、0等。因?yàn)楫?dāng)計數(shù)器42處于前五個狀態(tài)0到4時，其輸出小于在此例中值5處假定為靜態(tài)的計數(shù)器46的輸出，所以獲得波形52，所以對于這些狀態(tài)比較器的A＞B輸出處于邏輯高電平，其后此輸出在計數(shù)器42’周期的其余時間內(nèi)變低電平。如圖18所示，在電路的改進(jìn)形式中，可看到已顛倒了計數(shù)器42的位輸出與比較器43的位輸入之間的位連接次序，從而現(xiàn)在計數(shù)器qk-1的最高輸出位連到比較器43的最低位輸入端B0，對這些器件之間的其它位連接進(jìn)行這一位次序顛倒，直到把q0連到Bk-1。位顛倒的效果是在以常規(guī)的位次序進(jìn)行觀察時，改變在比較器43的Bi(0≤i＜k)輸入端上所看到的計數(shù)序列，其中B0是此比較器輸入端的最低位。先前所給出例子(k＝3，這里計數(shù)器46的輸出端上具有值5)的實(shí)際計數(shù)序列如圖19中的53所示。在變化電路中從50輸出的PWM如圖19中的54所示，這里可看到，雖然該輸出仍具有先前布局所需5∶3的平均傳號-空號比(如圖17中的52處所示)，但它現(xiàn)在在計數(shù)器42的一個周期中由三個循環(huán)構(gòu)成，而不僅僅是一個循環(huán)。這的確是減少低通濾波效應(yīng)所需的結(jié)果。對于本領(lǐng)域內(nèi)的熟練技術(shù)人員很明顯的是，此提高PWM輸出波形的有效脈沖速率的新技術(shù)一般可應(yīng)用于所有的脈寬調(diào)制設(shè)備，并不限于這里提出的數(shù)字揚(yáng)聲器的發(fā)明中。因此，除了這里所示的位連接以外，42和43之間位連接的其它重新排序也是有用的，但可看出，位顛倒排序在PWM輸出狀態(tài)的整個范圍內(nèi)給出了最大數(shù)目的輸出轉(zhuǎn)換。尤其是，位顛倒排序在50處產(chǎn)生一個輸出，當(dāng)計數(shù)器46處于半-全計數(shù)時，該輸出在每個時鐘脈沖上對計數(shù)器42進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它是此電路最大的可能輸出頻率，具有50％或1∶1的傳號-空號比。圖20示出的一種數(shù)字方法用于產(chǎn)生圖14中39所示的波形，以驅(qū)動有限質(zhì)量(慣性支配)的聲換能器，這里58處的一元輸入信號Un和符號信號通過一對異或門59和62以及倒相器64如此驅(qū)動一對觸發(fā)器57和60的時鐘輸入端Clk，從而在Un信號的前沿在一個觸發(fā)器的D輸入端以邏輯1計時，并在該信號的后沿在另一個觸發(fā)器的D輸入端以邏輯1計時，其觸發(fā)響應(yīng)于與符號信號有關(guān)的邊沿。在所示的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)符號處于邏輯低電平時，則觸發(fā)器57被Un的前沿(上升沿)計時，觸發(fā)器60被后沿(下降沿)計時。使Un的前沿和后沿與55處時鐘信號Clock(其波形如圖21中65處示意所示)的上升沿同步，該時鐘信號通過倒相器56加到觸發(fā)器57和60的復(fù)位輸入端R。此結(jié)構(gòu)得到的效果是，當(dāng)Un處于高電平(見圖21的波形66)時，如67所示，觸發(fā)器輸出端中的一個也處于高電平，然后在半個時鐘循環(huán)(Clock的)以后復(fù)位到0，接著在Un處于低電平時，如68所示，另一個觸發(fā)器輸出端在Clock的半個循環(huán)中處于高電平，然后也處于低電平。如果如圖20所示用兩個觸發(fā)器輸出端Q1和Q2以推-挽方式直接或通過換能器驅(qū)動器電路來驅(qū)動一個換能器63，則由圖21中69處所示的它們的差信號來驅(qū)動該換能器。此波形的確是如圖14中39處所示，為了產(chǎn)生純凈的聲脈沖而驅(qū)動慣性支配的聲換能器所需的波形。因?yàn)槭怯么罅棵}沖而不是以平滑的模擬波形來合成數(shù)字揚(yáng)聲器的輸出，所以將存在正常聽力范圍以外的頻率分量，聽力范圍一般估計在～20Hz到～20KHz。由于人們一般聽不到這些分量，所以可簡單地忽略這些分量。然而，在20KHz到60KHz范圍的響亮聲音可使家畜產(chǎn)生一定程度的驚慌和緊張，所以需要盡可能減少這些發(fā)射。一個途徑是把聲學(xué)低通濾波器置于輸出換能器陣列上，以直接在產(chǎn)生這些頻率的點(diǎn)上吸收這些頻率。有一種材料可提供所需的濾波，它在超過～20HKz時具有很強(qiáng)的吸聲能力，而在低于～20KHz時實(shí)際上是透音的。第二個途徑是盡量減少換能器本身的高頻發(fā)射。即便在操作的最高頻率處，保證使數(shù)字揚(yáng)聲器的分辨率(以位或一元數(shù)字衡量)保持盡可能高，可實(shí)現(xiàn)此方法。Nyquist定理告訴我們，為了以數(shù)字樣品充分地再現(xiàn)20KHz的正弦波形，需要以至少40KHz的頻率進(jìn)行采樣。實(shí)際上，只能以理想的低通濾波器來實(shí)現(xiàn)從如此少的樣品(即，在以nyquist速率進(jìn)行采樣時，每個循環(huán)只有2個樣品)中再現(xiàn)正弦波形。反之，我們?nèi)绻员萵yquist速率高得多的速率進(jìn)行采樣，則可大大降低對濾波的要求。如果可以合適的高采樣速率獲得數(shù)字輸入信號，則除了在整個數(shù)字揚(yáng)聲器中保持該采樣速率以外，不需要做任何事。然而，如果想要從CD中得到以～44KHz采樣的數(shù)字音頻信號來驅(qū)動實(shí)際的數(shù)字揚(yáng)聲器，則需要插入數(shù)字樣品以產(chǎn)生更高的采樣速率。在較高質(zhì)量的CD機(jī)中在某種程度上已進(jìn)行此處理，以在把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電學(xué)模擬信號作進(jìn)一步放大時，減輕對濾波的要求。這里，我們建議在低采樣速率的數(shù)字輸入信號上進(jìn)行類似的處理，以保證來自數(shù)字揚(yáng)聲器數(shù)字換能器的聲音輸出信號含有較少的偽高頻內(nèi)容。這種在輸出換能器處使用一元代碼的數(shù)字揚(yáng)聲器的設(shè)計，保證了各個換能器在正弦波輸出的每個循環(huán)中只接通和斷開一次，而與數(shù)字輸出的分辨率無關(guān)，從而可以任何程度進(jìn)行此數(shù)字插入處理，而不增加輸出換能器在其頻率響應(yīng)方面的規(guī)定。如果使用二進(jìn)制、三進(jìn)制或以其它數(shù)目(大于或等于2)為基準(zhǔn)的數(shù)字編碼，則無此獨(dú)立性了。在此數(shù)字揚(yáng)聲器的設(shè)計中，由共同起作用的換能器陣列來產(chǎn)生輸出聲音。任何獨(dú)立的一個換能器不能再現(xiàn)所需的輸出聲音信號。因此，只要可能，使聽眾處于可均等地聽到來自所有換能器的集中效果的位置是很重要的。如果換能器具有限定的尺寸，則需要使它們在空間相互分開。因此，需要對換能器進(jìn)行排列，以把各個換能器和聽眾之間的路徑長度差減到最小。例如，如果如圖22所示有1024(＝32×32)個換能器70，且如果換能器70為圓形，比如直徑為30mm，則一種可能的排列是盡量沿一條直線放置所有的換能器。即使換能器之間的間隔為零，它們排起來將有30×1024mm＝～31m，這本身已不可能了。因此(參考圖22)，為了使中間換能器到L處聽眾71的路徑長度d不超過，例如比外層的換能器對到聽眾的路徑長度h小10％，需要把聽眾離陣列的距離d定為至少～32m。為了更接近于10％的路徑長度匹配，此聽眾距離要成正比地增加。很清楚，這對于大多數(shù)(國內(nèi))收聽環(huán)境是不實(shí)際的。為了盡量縮短最小可接受的收聽距離，盡量縮小換能器陣列的空間范圍是很重要的。這可以通過把換能器70放置成盡可能緊湊的兩維布局來進(jìn)行，從這一觀點(diǎn)出發(fā)，規(guī)則的圓形、六邊形和正方形陣列形狀接近于最佳。對于以上的例子，如果把1024個直徑為30mm的換能器70放置成圖23所示的正方形陣列，則陣列變?yōu)?60mm寬乘960mm高(即，比圖22所示的直線陣列短32倍)，相應(yīng)的收聽距離從32m降到～1m，這樣就實(shí)際得多。盡量減少給定換能器數(shù)目的陣列范圍的第二個方法是減小換能器本身的口徑。例如，對于圖23所示的陣列，如果換能器70的直徑為3mm，而不是30mm，則可把32×32個換能器的陣列減小到96毫米見方，依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)的最小收聽距離將降到10cm。因此，對于實(shí)際收聽距離來說，小型換能器構(gòu)成的緊湊兩維陣列是最佳方案。如果換能器本身的前后很薄，則通過換能器的多層三維布置甚至可進(jìn)一步縮小陣列大小，即把換能器的前面兩維陣列置于其后面的一個或多個其它兩維陣列上，使來自后面陣列的聲音通過前面陣列之間的空隙或換能器本身的通孔。如果換能器必須為圓形(例如，由于其構(gòu)成方法所致)，則在圓形器件的規(guī)則陣列中必然會有空隙，因?yàn)槟骋怀叽绲膱A周不鑲嵌成棋盤花紋。則此多層兩維布局變得很有吸引力，即使在使用大量換能器時，也允許構(gòu)成非常緊湊的陣列。把連續(xù)的兩維陣列錯開使得后面換能器的中心與前面換能器陣列中的空隙或孔對準(zhǔn)。示出三維換能器陣列側(cè)面圖的圖24和正視圖的圖25說明了這些原理。為了同步聽眾從三維的不同層中接收的聲脈沖，最好把差分?jǐn)?shù)字延遲加到每一層的信號中，以補(bǔ)償它們與聽眾的不同距離(見以下說明)。因?yàn)橐辉獢?shù)字代碼沒有特殊的位置意義，所以我們可自由地以任意適當(dāng)?shù)目臻g方式把換能器驅(qū)動器的一元數(shù)字輸出連到陣列中的換能器上。因?yàn)榕c較響的聲音相比，可以總數(shù)較少的換能器來再現(xiàn)較輕的聲音，所以最好把與相鄰輸入信號電平相關(guān)的換能器實(shí)際上鄰近輸出換能器陣列。在此方式中，在所有的聲音輸出電平上，使聲源的整個尺寸盡可能保持緊湊。此外，如果把再現(xiàn)任意特殊聲級所使用的換能器組的幾何中心保持得盡可能靠近整個陣列的幾何中心，則明顯的聲源位置將以再現(xiàn)聲級的變化而變得很不突出。于是，好的換能器與換能器驅(qū)動器的互連方式包括集中在陣列的幾何中心(如果使用多層陣列，則明顯地擴(kuò)展為三維)上的緊湊螺旋形。圖26示出圓形換能器六邊形兩維陣列的特殊情況的原理。它可以直接擴(kuò)展到正方形陣列和其它規(guī)則的兩維和三維陣列結(jié)構(gòu)。為了使聽眾的收聽系統(tǒng)(耳朵&amp;大腦)可適當(dāng)?shù)貐R合來自數(shù)字揚(yáng)聲器的脈沖陣列，從而重新構(gòu)成所需的聲音，使來自輸出陣列中不同換能器的聲音脈沖以正確的時間關(guān)系到達(dá)(即，作為換能器呈現(xiàn)的原始輸入信號部分處于同樣的相對時間)是很重要的。由于換能器陣列在空間中以兩維或三維分布，所以離揚(yáng)聲器不太遠(yuǎn)的聽眾將受到他們在陣列中空間位置的影響，不時地聽見不同的聲音脈沖。這種情況如圖27所示，其中聽眾位于L處的左邊，兩維或三維陣列(以剖面示意地畫出)位于右邊，只示出許多換能器中的一些換能器(T1、T2、T3、T5、T6)。從圖27中T6處的例子可看出，所有的換能器Ti(i＝1、...N)一般離L有一獨(dú)特的有距離D-di，這里D是最近的換能器到L的距離。所有換能器Ti在時間t同時發(fā)出的在L處脈沖的到達(dá)時間ti將為ti＝t+(D+di)/c[這里，c為聲速]，這一般對于每個換能器是不同的。通過把差分?jǐn)?shù)字時問延遲加到每個換能器，對于任意給定聽眾的位置L，可完全修正此不理想的效果，并可大致修正寬范圍內(nèi)的聽眾位置。圖28示出這是如何實(shí)現(xiàn)的-把左邊來自編碼器的N個一元信號中的每一個信號饋送到產(chǎn)生如此選擇的延遲t1、t2、...tN的獨(dú)立數(shù)字延遲線73tj＝tMAX-(D+dj)/c。這里tMAX＝(D+dMAX)/c，dMAX是dj的最大值，tj是離L為D+dj距離處換能器Tj的適當(dāng)延遲值。由于每個換能器的信號是一位或一元數(shù)字信號，所以延遲器件可以非常簡單(例如，1位寬的移位寄存器或適當(dāng)尋址的RAM存儲元件)。如此排列延遲，使最靠近收聽位置的換能器延遲最多，那些離它最遠(yuǎn)的換能器延遲最少或完全沒有延遲，從而給來自遠(yuǎn)距換能器的聲音‘領(lǐng)先一步’。實(shí)際上，可把所加的延遲量化到適當(dāng)延遲時間的最接近整數(shù)倍(例如，對于20Khz輸出信號上10％的最大誤差，為5微秒)。于是，在每個換能器驅(qū)動器路徑中具有200KHz時鐘和可變長度的真實(shí)或合成移位寄存器的數(shù)字延遲系統(tǒng)可滿足了。它可與換能器驅(qū)動電路集成在一塊ASIC(專用集成電路)中，并可在驅(qū)動器芯片中對特定換能器和聽眾幾何尺寸所需的實(shí)際延遲方式進(jìn)行編程。甚至可改變此程序以在揚(yáng)聲器使用期間適合不同的收聽位置。該程序如圖29所示，這里N個一元編碼輸入到達(dá)77的左邊，饋送到延遲為t1、t2、...到tN的N個可編程可變數(shù)字延遲發(fā)生器76中，每個數(shù)字延遲由來自數(shù)字延遲程序存儲器78的信號進(jìn)行控制，該存儲器78接收來自輸入端75的程序延遲信息。延遲發(fā)生器76的輸出最終如示意圖所示驅(qū)動換能器74。此程序延遲信息75可在每次使用揚(yáng)聲器前設(shè)定一次，或者也可在揚(yáng)聲器使用過程中動態(tài)地改變，它的一個應(yīng)用是跟蹤相對于揚(yáng)聲器的聽眾位置，并對其當(dāng)前位置優(yōu)化延遲分布t1到tN。輸出換能器的數(shù)字性質(zhì)允許使用一種音量級控制方法，從而保證在所有的收聽級都能獲得最大信號分辨率和最大信噪比，在低收聽級處優(yōu)點(diǎn)尤其明顯。用常規(guī)(模擬)高保真放大器，可把系統(tǒng)音量控制置于系統(tǒng)輸入-輸出路徑中主功率放大器前的某處。其效果是使功率放大器本身總是工作在同一功率電平范圍(即，總是能進(jìn)行全功率輸出)，更重要的是總是產(chǎn)生同一絕對電平n的自產(chǎn)生偽輸出噪聲。當(dāng)在接近于峰值輸出功率p的高電平收聽時，感覺到的放大器信噪比(snr)是p.n。然而，在以大大減少的(在家中常常如此)收聽電平收聽時，例如p/l，這里l一般為100(例如1W的收聽電平對于100W的電學(xué)放大器)，則感覺到的snr為(p/l)/n，即snr減少為1分之一。這可使放大器自噪聲電平在高保真系統(tǒng)中變得明顯。DLLS允許至少兩種在功率產(chǎn)生點(diǎn)處的放大器自身的音量減少方法，從而使噪聲和信號一起減少，于是保持DLS/放大器組合的固有snr。方法1是從可變電源電平向輸出脈沖放大器供電，從而在使用較低的音量設(shè)定時產(chǎn)生較小的脈沖幅度。為了實(shí)現(xiàn)此方案，將使電源輸出電壓以某種方式依賴于選中的音量電平設(shè)定。在此情況下，輸出功率正比于電源電壓的平方，從而給出了較寬的功率輸出范圍而把電源電平保持在脈沖放大器的操作范圍內(nèi)。方法2是對輸出換能器驅(qū)動器實(shí)行脈寬控制，與脈寬控制相反，雖然通常在整個數(shù)字時鐘循環(huán)中換能器將接通或斷開，但先前在整個每個數(shù)字時鐘循環(huán)中接通的換能器將在每個這樣的循環(huán)的同一比例中斷開。如果循環(huán)斷開的比例是x％，則輸出功率將減少到(100-x)％，所以用此方法進(jìn)行的控制正比于x1。然而，除了換能器驅(qū)動器輸出脈沖放大器的有限上升和下降次數(shù)所引起的限制以外，此方法允許進(jìn)行非常寬范圍的功率電平控制并可完全以數(shù)字方式來實(shí)現(xiàn)。最后，如果需要優(yōu)化其各自的優(yōu)點(diǎn)，方法1和2可一起使用。上述進(jìn)行音量控制和減少低電平收聽噪聲的方法也可用于減少DLS中所需的換能器總數(shù)，而不減少聲音輸出的有效分辨率。通過動態(tài)地應(yīng)用作為輸入信號實(shí)際電平函數(shù)的低電平收聽技術(shù)來實(shí)現(xiàn)此方法。于是，在輸入信號幅度很小時，成比例地減少每個輸出換能器所提供的輸出功率，在輸入信號達(dá)到其最大允許值時，排列輸出換能器以提供最大功率。例如，考慮相應(yīng)于11位有符號的二進(jìn)制信號，具有16位有符號的二進(jìn)制數(shù)字輸入端，且只有1023個(＝210-1)一元輸出換能器的系統(tǒng)。則如果每當(dāng)輸入信號的幅度小到足以用10位或更少的位來表示時，我們可把最低的10個(不包括符號位)輸入位連到10位的單極性二進(jìn)制-一元編碼器，并從此驅(qū)動所有的輸出換能器，但每個換能器的輸出功率從全負(fù)載減少到1/64(＝1/26)的全功率，然后我們可以基本上同一的輸出分辨率再現(xiàn)低電平信號，就象有65535(＝216-1)個換能器一樣。對于中等的輸入電平，需要對輸入信號的最高電平把此例中編碼器的10個輸入位連到位1到10，然后2到11，直到5到15。于是，比最大輸入電平大1/64的輸入信號總是被量化到10位的輸出精度，較小信號被量化到與具有全16位DLS相同的精度?？梢员热?6位的系統(tǒng)簡單得多的方式來獲得16位系統(tǒng)的動態(tài)范圍和11位系統(tǒng)的精度。即使在比全幅度低得多的電平再現(xiàn)音樂時，16位的CD數(shù)字系統(tǒng)聽起來足夠準(zhǔn)確，這個事實(shí)表明適中的聲音質(zhì)量不需要全16位的精度。然而，它對于動態(tài)范圍是必需的。上述方案通過有效地使用數(shù)字信號的浮點(diǎn)表示法來提供這兩個特征。圖30示出實(shí)現(xiàn)此方案的可能方法。這里，用一個m位的數(shù)字揚(yáng)聲器來再現(xiàn)n位的二進(jìn)制輸入信號88，m＜n。n位的輸入信號88被饋送到79處的數(shù)字緩沖存儲器M，該存儲器能存儲處于其最低頻率(例如，對于20Hz的低頻極限為50ms)的至少半個循環(huán)的輸入信號。該信號88同時被饋送到85處的比較器C和86處的最大值存儲鎖存器X，從而在此半個循環(huán)中，在最大值鎖存器86中存儲相繼更大的輸入值。81處的過零檢測器在每個輸入半循環(huán)的結(jié)尾提供一個信號。在該點(diǎn)處，最大值鎖存器86中的值表示緩沖器79中所存儲的最大信號有多大，該緩沖器也包含要被再現(xiàn)的數(shù)字輸入樣品(由于它們被緩存在79中，所以被延遲了)。在下半個循環(huán)中，這些存儲的樣品將從79中讀出，并被揚(yáng)聲器再現(xiàn)，同時存儲用于下半個循環(huán)的新值。在此半個循環(huán)的結(jié)尾，把86中的值鎖存到84處的位數(shù)寄存器B中，該寄存器輸出一個0到n-m范圍內(nèi)的整數(shù)(同上，這里m＜n)。此數(shù)目用于選擇在此半個循環(huán)中將被輸出換能器驅(qū)動器83使用的功率電平(如上所述，這可以用脈寬調(diào)制技術(shù)或電源電壓改變技術(shù)，或它們的組合加以控制)。該數(shù)目也用于選擇無符號輸入位0到n-2中的哪個位將從緩沖器79傳送到82處的二進(jìn)制-一元編碼器U’。由80處的m位寬、n-m路的選擇器方框S進(jìn)行此選擇，它從緩沖器79里取出其數(shù)字信號輸入(n位寬)，并把這些位中的m位送到一元編碼器82。由來自寄存器84的信號確定它該選中哪些位。它總是選擇m位寬的鄰近位組，具有在位0到位n-m范圍內(nèi)選中的最低輸出位以及在范圍m-1到n-2范圍內(nèi)選中的最高輸出位，此例中位n-1是符號位。此技術(shù)所提供的一般節(jié)省是對上述討論的配備浮點(diǎn)位表示系統(tǒng)的16位的音頻數(shù)字信號和10位的數(shù)字揚(yáng)聲器，與需要32767個換能器的16位DLS相比，此數(shù)字揚(yáng)聲器只需要1023個換能器和驅(qū)動器來再現(xiàn)在16位動態(tài)范圍內(nèi)具有10位(單極性)精度的聲音-即節(jié)省了31,000個以上的換能器。于是，此技術(shù)實(shí)際可以非常高的動態(tài)范圍和足夠的精度并以相當(dāng)?shù)偷某杀緲?gòu)成以一元為基礎(chǔ)的數(shù)字揚(yáng)聲器?，F(xiàn)在將通過參照圖31的例子描述具有上述許多特征的本發(fā)明的特殊實(shí)施例，在圖31中，把n個二進(jìn)制位構(gòu)成的數(shù)字輸入信號加到輸入緩沖器1，92處它的一個任選模擬輸入端連到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器90，從而產(chǎn)生p個二進(jìn)制輸出位，這里p≤n，緩沖器1和轉(zhuǎn)換器90的輸出端連到由96處用戶的輸入所控制的數(shù)字選擇器/混頻器89的輸入端。依據(jù)用戶的輸入，把某種組合的輸入信號以n位二進(jìn)制形式從混頻器89傳送到數(shù)字插入器97，其中在n位數(shù)據(jù)被傳送到信號延遲存儲和幅值檢測器95以前，任意地提高輸入信號的有效采樣速率，在95中，輸入信號被延遲一段達(dá)到被再現(xiàn)最低音頻的半個周期的時間，并確定用那個延遲信號的峰值來產(chǎn)生控制信號91和93。然后被延遲的n位二進(jìn)制信號數(shù)據(jù)被傳送到被信號91控制的m位(n-m)路選擇器(這里m≤n-1)，該選擇器發(fā)出連到二進(jìn)制-一元編碼器2的輸入端的m個輸出二進(jìn)制(無符號)位。符號位從延遲存儲器95直接連到98處所示的編碼器2。存儲器95和選擇器80的作用是如此選擇m位并加上n位輸入信號的符號，從而在m位的小組中包含具有引導(dǎo)1的m個最高的相鄰非符號位。編碼器2把m個二進(jìn)制位和符號位轉(zhuǎn)換成N個一元信號，這里N＝2n-1，N個一元信號中的一個信號是符號或極性信號。然后N個一元信號被饋送到被延遲編程器78所控制的可變長度數(shù)字延遲產(chǎn)生器76，其中可調(diào)節(jié)N個一元信號中的各種差分延遲，以相對于收聽位置補(bǔ)償換能器4的位置，編程器78的操作模式可由96處的用戶來改變。然后讓可能被延遲的N個一元信號通過脈沖成型器88，該成型器88可把正方形的輸入脈沖(不是符號信號)改變成適用于所使用換能器4的類型的不同脈沖形狀，其后把N個一元信號傳送到N-1換能器驅(qū)動器3，該驅(qū)動器驅(qū)動N-1個換能器4，后者提供聲脈沖，這些脈沖的組合構(gòu)成再現(xiàn)的輸出聲音。換能器驅(qū)動器3由來自功率電平控制器94的信號來控制，該控制器由來自95中幅值檢測器的輸入來控制，也可由可能包括音量級啊·1選擇的用戶輸入來控制。此控制信號對驅(qū)動器3的作用是在換能器4被脈沖信號啟動時改變提供給每個換能器4的平均輸出功率，從而在存在固定電平的輸入信號時，可改變來自換能器4陣列的平均功率電平。工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明主題的數(shù)字揚(yáng)聲器可應(yīng)用于當(dāng)前使用模擬揚(yáng)聲器的所有場合，包括在民用和商業(yè)設(shè)備中再現(xiàn)音樂、演講和其它聲音，這些設(shè)備包括收音機(jī)、電視機(jī)、記錄CD和磁帶放音機(jī)、音樂中心、高保真音響系統(tǒng)、大眾講話系統(tǒng)、擴(kuò)聲系統(tǒng)、室內(nèi)劇場、電影院、劇場、背景音樂系統(tǒng)、樂隊(duì)、便攜式聲音再現(xiàn)設(shè)備、汽車內(nèi)娛樂系統(tǒng)和耳機(jī)中的迷你形式。此數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計在這些應(yīng)用中超過現(xiàn)有揚(yáng)聲器設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)包括再現(xiàn)的質(zhì)量更高而失真更低；結(jié)構(gòu)因子比大多數(shù)音箱模擬揚(yáng)聲器更平坦；因?yàn)椴捎玫氖菙?shù)字電路而不是模擬電路，所以具有更高的穩(wěn)定性；不需要把線性功率放大器與聲音再現(xiàn)系統(tǒng)隔開的；重量更輕；更便于攜帶；更便于制造并保持高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；可把批量產(chǎn)生技術(shù)應(yīng)用于換能器陣列組件；效率更高，因此功耗更低，且從電池電源獲得更長的操作時間；成比例的設(shè)計允許以統(tǒng)一的方式平衡所需的精度與成本和復(fù)雜性，因?yàn)榭赏ㄟ^增加更多同精度的元件來實(shí)現(xiàn)更低的失真；在輸入信號為零時可產(chǎn)生實(shí)際為零的輸出噪聲(即，非常高的信噪比)。權(quán)利要求1.一種揚(yáng)聲器，包括多個基本上相同的換能器，每個換能器能把電信號轉(zhuǎn)換成聲波，其特征在于可由代表將被揚(yáng)聲器再現(xiàn)的聲音的一元編碼信號相互獨(dú)立地驅(qū)動換能器。2.一種揚(yáng)聲器，其特征在于包括編碼器裝置，用于把輸入信號轉(zhuǎn)換成多個一元數(shù)字信號；以及多個基本上相同的換能器，每個換能器用于把一元數(shù)字信號中相應(yīng)的一個信號轉(zhuǎn)換成聲脈沖，從而換能器的累積效應(yīng)是產(chǎn)生代表輸入信號的輸出聲音。3.一種揚(yáng)聲器，其特征在于包括編碼器裝置，用于把輸入信號轉(zhuǎn)換成多個一元數(shù)字信號；脈沖成型裝置，用于把一元數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合于所使用換能器類型的各種正方形和非正方形的脈沖信號，如此選擇脈沖形狀，從而在以所述脈沖形狀驅(qū)動換能器時，換能器的輸出聲脈沖的形狀近似于正方形；以及多個基本上相同的換能器，每個換能器用于把脈沖成型的一元數(shù)字信號中相應(yīng)的一個信號轉(zhuǎn)換成聲脈沖，從而換能器的累積效應(yīng)是產(chǎn)生表示輸入信號的輸出聲音。4.如權(quán)利要求1、2或3所述的揚(yáng)聲器，其特征在于每個換能器是雙極性的，于是能依據(jù)所加一元信號的極性含義產(chǎn)生正負(fù)聲壓脈沖。5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于換能器以兩維或三維陣列排列，換能器之間的空隙允許來自所有換能器的聲能傳到揚(yáng)聲器收聽區(qū)域。6.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于為了優(yōu)化揚(yáng)聲器性能中的某個或某些參數(shù)，包括使來自換能器的相關(guān)信號同時到達(dá)聽眾位置，以靜態(tài)或動態(tài)方式獨(dú)立調(diào)節(jié)來自每個換能器的聲脈沖的到達(dá)時間，在揚(yáng)聲器輸入信號和每個聲學(xué)輸出換能器之間設(shè)置延遲裝置。7.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于用兩個一組、三個一組、四個一組或其它多個一組的換能器來替代先前所述的換能器，組中所有的成員都連到同一一元數(shù)字驅(qū)動信號，且實(shí)際上如此定位，從而每個多元換能器組的幾何中心盡可能靠近公共點(diǎn)，從而盡量減小揚(yáng)聲器的聽眾所感覺到的明顯聲源的空間分布，每個多元組中的換能器最好是對稱放置的布局。8.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于換能器或多元換能器組如此連接到一元數(shù)字輸出端，從而與鄰近輸入信號電平有關(guān)的換能器實(shí)際上靠近或近似于兩維或三維的陣列布局，從而在聲級變化時盡量減少聲源的明顯移動。9.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于在輸出換能器和收聽區(qū)域之間設(shè)置聲學(xué)低通濾波器，從而盡量減少因超過人們聽力正常極限的頻率范圍內(nèi)各個換能器輸出的脈沖特征而引起的不想要的聲學(xué)輸出。10.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于為了提高加到輸出換能器的信號的一元數(shù)字信號采樣速率，并進(jìn)而減少因超過人們聽力正常極限的頻率范圍內(nèi)各個換能器輸出的脈沖特征而引起的不想要的聲學(xué)輸出，對輸入信號數(shù)字地進(jìn)行過采樣。11.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于配用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以允許把模擬輸入信號加到揚(yáng)聲器，并由揚(yáng)聲器再現(xiàn)這些信號。12.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于換能器驅(qū)動器連接在編碼器裝置和聲學(xué)輸出換能器之間，該驅(qū)動器把來自來自編碼器裝置的一元數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換成合適的電流和電壓電平，以把所需的電功率送入換能器。13.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于在編碼器的一元數(shù)字信號輸出端和聲學(xué)輸出換能器之間安裝脈沖成型裝置，脈沖成型裝置位于換能器驅(qū)動器前面或與換能器驅(qū)動器集成在一起，從而每個換能器的電學(xué)驅(qū)動脈沖形狀如此補(bǔ)償其電聲傳遞功能，從而優(yōu)化其聲學(xué)輸出脈沖的脈沖形狀，為了補(bǔ)償換能器的主導(dǎo)回復(fù)力、主導(dǎo)阻力和主導(dǎo)質(zhì)量，此脈沖成型裝置包括產(chǎn)生線性斜波，正方形脈沖、雙極性脈沖對及其線性組合，但不限于這些。14.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于為了提高換能器的電學(xué)驅(qū)動效率，使用脈寬調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)脈沖成型裝置。15.一種把包括n個輸入數(shù)字的數(shù)字輸入信號轉(zhuǎn)換成多個一元信號的編碼器裝置，該裝置具有分組裝置，一元把n個輸入數(shù)字分成k組n/k個輸入數(shù)字，每組連到能把n/k個輸入數(shù)字編碼成為一元信號的獨(dú)立編碼裝置，使用數(shù)字邏輯組合來自k個獨(dú)立編碼裝置的輸出信號，以產(chǎn)生具有必需總數(shù)的一元輸出數(shù)字信號，以此方式減少實(shí)現(xiàn)編碼器裝置所需的簡單邏輯門的總數(shù)。16.一種編碼器裝置，用于把包括n個輸入數(shù)字的數(shù)字輸入信號轉(zhuǎn)換成多個一元信號，該裝置是以k個相同的子編碼器以模塊方式建立的，每個子編碼器能對連到公共輸入信號和控制總線的n/k個輸入數(shù)字進(jìn)行編碼并可編程，從而每個子編碼器響應(yīng)于和編碼成為一元的某獨(dú)特范圍的輸入數(shù)字信號，從而在所有子編碼器一起作用時對輸入信號的整個n個輸入數(shù)字進(jìn)行編碼。17.一種允許一些相同的模塊都連到公共總線的結(jié)構(gòu)，其特征在于某條總線或某些總線通過模塊daisy相連，其中總線控制器裝置位于此總線結(jié)構(gòu)的一端，為此用公共和daisy相連的總線結(jié)構(gòu)互連在每個模塊中安裝的觸發(fā)器，從而有效地形成串行輸入移位寄存器，總線控制器位于如此形成的移位寄存器的輸入端，利用由總線控制器傳遞到總線上并可被所有模塊讀取的公共時鐘信號使來自總線控制器的單個脈沖依次通過模塊進(jìn)行移位，每次一個脈沖，模塊如此構(gòu)成，從而當(dāng)移位寄存器中的脈沖處于一個模塊中，該模塊將響應(yīng)于來自總線控制器邏輯的可在總線上獲得的編程信號，同樣，總線控制器可以此方式把獨(dú)有的編程信息提供給總線上的每個和每一個模塊，其中模塊在邏輯上是相同的且不包含獨(dú)有的硬線或預(yù)編程的獨(dú)有地址信息，從而完全允許把標(biāo)準(zhǔn)的未編程模塊加到總線，也可對模塊進(jìn)行獨(dú)立編程，從而可在功能上區(qū)分這些模塊，可使附加的總線控制信號只連到最后一個模塊，此模塊如此連接到離總線控制器最遠(yuǎn)的總線末端，從而對該總線控制器發(fā)出插入所述移位寄存器的單個脈沖已到達(dá)總線上最后一個模塊的信號，以此方式允許總線控制器通過簡單地計算發(fā)出的移位寄存器時鐘脈沖的數(shù)目來確定連到總線的相同模塊的數(shù)目。18.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于安裝以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的編碼裝置。19.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于安裝插入裝置，此裝置用于插入數(shù)字輸入信號或轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模擬輸入信號，從而提高有效信號采樣速率，從而減少輸出換能器發(fā)射的不想要的高頻發(fā)聲。20.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于除了已有的任何一元和脈沖成型調(diào)制以外，用高頻數(shù)字波形使換能器選通或斷開，以對來自換能器的聲學(xué)輸出脈沖插入平均幅度控制，以此方式對整個揚(yáng)聲器提供有效的音量控制，而不減少所使用的換能器的有效數(shù)目，從而保持揚(yáng)聲器的分辨率，并使其內(nèi)部產(chǎn)生的信號不升高到量化噪聲電平，而不降低換能器的電學(xué)驅(qū)動效率。21.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于自動控制這里所述的平均幅度控制機(jī)構(gòu)，從而在揚(yáng)聲器再現(xiàn)響的聲音時提高平均幅度，而在再現(xiàn)不太響的聲音時降低平均幅度，從而擴(kuò)大可被盡可能相應(yīng)于所需輸出幅度的總輸出幅度驅(qū)動的換能器數(shù)目，于是在寬的動態(tài)范圍內(nèi)保持高的分辨率，而不必因數(shù)字輸入信號中有不同的電平而提供許多獨(dú)立的輸出換能器。22.一種數(shù)字脈寬調(diào)制產(chǎn)生器，包括升/降數(shù)字計數(shù)器、數(shù)字幅值比較器和第二數(shù)字計數(shù)器，其特征在于幅值比較器把兩個計數(shù)器中的計數(shù)的相對大小進(jìn)行比較，這兩個計數(shù)器以常規(guī)方式連到幅值比較器，其最低位輸出端連到比較器的最低位輸入端，其后以有效位序連接，當(dāng)?shù)诙嫈?shù)器以恒定速率的時鐘信號連續(xù)計時，升/降計數(shù)器的升/降輸入端被數(shù)字輸入信號的符號位所控制，且升/降計數(shù)器的時鐘輸入端因一元輸入信號的存在或不存在而選通或斷開時，比較器的大于和小于輸出端提供脈寬調(diào)制信號，脈寬調(diào)制輸出信號在一元輸入端上把穩(wěn)定的脈沖轉(zhuǎn)換成輸出端處的脈寬調(diào)制斜波，由符號位輸入的極性來確定斜波的斜率。23.一種根據(jù)以上權(quán)利要求所述調(diào)制器而改進(jìn)并在所有方面都類似于它的數(shù)字脈寬調(diào)制器，第二計數(shù)器的輸出端以與常規(guī)的位排序相反的位顛倒順序連到幅值比較器的一個輸入端，尤其是，計數(shù)器的最低位輸出端連到比較器的最高位輸入端，反之亦然，從而來自比較器的脈寬調(diào)制輸出使第二計數(shù)器的每個總計數(shù)循環(huán)中有更多的轉(zhuǎn)換，而仍舊保持所需的平均傳號空號比，于是明顯地便于脈寬調(diào)制輸出通常所需的低通濾波。24.一種產(chǎn)生應(yīng)用于電聲換能器的適當(dāng)脈沖波形的裝置，當(dāng)需要換能器從一元輸入信號和符號信號中產(chǎn)生近似于矩形的聲脈沖時，由換能器運(yùn)動質(zhì)量的慣性來確定其有關(guān)頻率范圍內(nèi)的動態(tài)范圍，其特征在于有一對觸發(fā)器的每個Q輸出端可通過換能器驅(qū)動器裝置連到輸出換能器的一端，一元輸入信號通過兩個分隔的兩輸入異或門的一個輸入端加到觸發(fā)器的每個時鐘輸入端，相位相反的符號輸入信號加到異或門的其它輸入端，觸發(fā)器的D輸入端束縛在邏輯1，由一元輸入信號同步時鐘的后沿啟動觸發(fā)器的復(fù)位端，從而對換能器的有效驅(qū)動力是一個脈沖和一第二脈沖，前者在一元輸入信號起始處有半個同步時鐘周期寬，其極性由符號輸入信號來控制，后者具有相同的寬度，但在一元輸入信號脈沖末端處具有相反的極性。25.這里所述的揚(yáng)聲器基本上參考附圖中的圖1-31。全文摘要一種揚(yáng)聲器具有連到數(shù)字插入器的數(shù)字輸入信號端以增加有效采樣速率,其輸出饋送到信號延遲和幅值檢測器,其后可在把輸入信號加到一元編碼器前減小該輸入信號的短期動態(tài)范圍,該編碼器把數(shù)字輸入信號編碼成為單個一元信號,然后在這些一元信號通過換能器驅(qū)動器加到多個基本上相同的聲學(xué)換能器前,對它們進(jìn)行差分延遲和脈沖成型,由幅值檢測器和操作人員獲得的信號來控制換能器的平均功率驅(qū)動電平,以改變所產(chǎn)生的音量。文檔編號H03K7/08GK1180470SQ96193039公開日1998年4月29日申請日期1996年3月27日優(yōu)先權(quán)日1995年3月31日發(fā)明者安東尼·胡利申請人:安東尼·胡利