扬声器和智能放大器:一切都与低音有关

还记得你把两个锡罐串在一起做成电话的日子吗?不幸的是，由于包括扬声器在内的设备的小型化，手机音频听起来很像那些锡罐。除非您在过去几年中将手机升级为顶级手机，否则您知道使用扬声器播放语音或音频可能会很痛苦。这是因为手机制造商在让音频成为高端手机的差异化因素方面进展缓慢，而且几乎没有低频音频，通常称为低音。

现在这种情况正在发生变化，这要归功于我们称之为智能放大器或智能放大器的技术，因为与传统放大器不同，它们可以安全地暂时将扬声器推到极限。通过在播放音乐时感知扬声器的操作并应用先进的算法，智能耳放可以从手机的微型扬声器中获得大量声音，而不会伤害您的耳朵。

今天的扬声器里有什么?

在我们讨论智能放大器的工作原理之前，了解音频信号链的另一个关键部分很重要：扬声器。无论放大器如何，如果扬声器设计不当，再多的音频处理或放大都无法克服其缺点。这就像将火箭燃料放入割草机发动机中一样——所有的动力都无法使用。但是，如果您从合理的引擎开始，添加智能放大器就像添加涡轮增压器以受控方式将其推向极限。

扬声器由框架、磁铁、音圈和振膜构成。电流通过音圈，通过与扬声器的固定磁铁发生反应而使其磁化。该电机使附着在线圈上的薄膜上下移动并发出实际可听见的声波。我们把横膈膜的运动称为偏移，这种偏移是有限制的。当超出偏移限制时，可能会出现声音失真。在极端情况下，损坏的扬声器可能会导致故障。传统放大器使用简单的均衡 (EQ) 来限制偏移。然而，为了保护所有扬声器变化、操作条件和音频信号，这些滤波器通常是保守的——放弃了将扬声器推到其真正极限的能力。

扬声器的第二个问题是，当电流通过音圈时，一些能量会转化为热量而不是声音。用力推动扬声器，这种加热可能会通过熔化磁线上的清漆而损坏音圈。当音圈从放大器传递的能量中加热时，它必须通过磁铁冷却到周围的结构中。在传统放大器中，最大功率被限制在一个值，如果持续提供，不会损坏扬声器。此最大功率值必须涵盖所有扬声器变化、操作条件和信号。因此，这个值通常低于说话者可以处理的值，因此是保守的。

是什么让放大器变得智能?

我们如何从给定的扬声器中提取最大声压级 (SPL) 并仍然确保安全操作?我们可以使用智能放大器。音频具有峰均比 (PAR)，使我们能够在保持平均或安全水平的同时推动瞬时峰值。智能放大器分为两类。第一个是前馈，其中创建扬声器模型，并通过这些模型馈送音频以预测扬声器的行为。前馈往往适用于变化较小且操作更线性的较大扬声器。即使使用较大的扬声器，我们也必须考虑扬声器在动态余量中的变化，但动态系统可以暂时将扬声器推到极限以产生响亮的音频。

智能手机中常用的微型扬声器需要稍微先进的智能放大器。第二类是反馈智能放大器，它为前馈解决方案的数模转换器 (DAC) 和 D 类增加了电流和电压 (IV) 感应。这种 IV-sense 使我们能够直接测量扬声器的音圈温度，并检测由于单元间的变化、环境温度和扬声器负载(例如将手放在扬声器端口上)而导致的扬声器变化。该信息允许算法从扬声器中提取额外的声压级，否则这些声压级会因限制输出以覆盖这些变化而丢失。

为了利用电压和电流感应信息，智能放大器需要一个处理器(最好是数字信号处理器或 DSP)来解析这些数据并应用复杂的算法来提取最佳性能和声音，同时保持安全的扬声器工作条件。可提供带或不带集成 DSP 的智能放大器，以满足设计人员的成本、上市时间和性能预期。

了解您的扬声器

对扬声器和智能放大器如何协同工作以在更高音量下提供更好的声音有基本的了解后，我们可以讨论如何使用该技术将您的产品推向市场。第一步是创建一个扬声器特性，测量扬声器的多个方面以确定其限制。必须充分了解这些限制，才能在不损坏扬声器的情况下从扬声器中获得最响亮和最高质量的声音。进行详细测量以开发扬声器的准确模型。一种方法是使用 TI 的 PurePath Console 3 (PPC3) 以及配套的学习板;该组合可以使用易于遵循的程序执行这些测量。

这些测量包括但不限于系统检查、偏移特性、热特性和 SPL 测量。虽然可以使用扬声器数据表中的参数进行偏移测量，但更准确的方法是使用激光位移传感器测量偏移并提取所需参数。TI 的智能放大器学习板通过提供使用激光器所需的所有数据采集以及用于 SPL 测量的麦克风，使工程师能够轻松地表征扬声器。完成后，用户可以快速查看不同的测量数据图，包括偏移与频率的关系以及安全工作区域限制。

TI 的 PPC3 可以简化调整过程。其复杂的工具套件自动将低端阻抗测量与高频麦克风测量合并。这将创建一个干净的全频 SPL 测量以开始调谐。通过轻松选择各种对齐滤波器并允许软件自动生成所需的补偿滤波器，可以快速调整低频低音区域以推动低音。智能放大器动态调整此滤波器以在不超过偏移限制的情况下推动最大低音。接下来，可以使用 SmartEQ 轻松执行扬声器发声。用户可以简单地指定目标 EQ 曲线，PPC3 将计算必要的滤波器来调整扬声器测量的 SPL 响应到目标 EQ。该工具可以完成所有数学运算，

把它们放在一起

完成扬声器表征和微调后，确保您的选择可以在更大的扬声器样本中安全可靠地运行非常重要。这种可靠性测试是将您的产品带入装配线之前的重要一步。无论扬声器制造商如何，扬声器之间总是存在差异。虽然调音听起来不错，而且似乎在安全操作范围内，但额外的扬声器可能不如您在前面步骤中处理的目标那么强大。建议您通过终身测试对扬声器进行更大的采样。此示例应至少包含 20 个扬声器，您应该在更长的时间和极端温度下对其进行测试，以模拟您预期的客户用例。

如果您使用的是 TI TAS2555智能放大器，则无需将智能放大器排序和设置集成到主机处理器中，因为 DSP 已完全集成到智能放大器中。这大大减少了软件开发时间。此外，如果您的应用处理器升级或更改，则无需重新集成排序和设置。

当您移至生产线时，可以实施快速而稳健的测试程序，以确保最终产品符合开发期间设置的参数。生产线软件可以帮助筛选扬声器，确保它们在预设范围内并且在组装过程中没有损坏。此外，可以测量和存储扬声器之间的阻抗变化。此步骤可确保可以使用每个扬声器的全部热余量。

审核编辑：汤梓红