扬声器和智能放大器：什么使放大器变得智能？

作者：Russell Crane和Matthew Kucic

与标准D类放大器相比，智能放大器可以改善您的音频解决方案

还记得您将两个锡罐串在一起打个电话的日子吗？不幸的是，由于设备（包括扬声器）的小型化，手机音频听起来很像那些锡罐。除非在过去的几年中将手机升级为顶级手机，否则您会很痛苦地使用扬声器来语音或音频。这是因为手机制造商在使音频成为高端手机中的与众不同之处方面进展缓慢，而且几乎没有低频音频（通常称为低音）。

现在，由于我们称之为智能放大器或智能放大器的技术，这种情况正在改变，因为与传统放大器不同，它们可以安全，暂时地将扬声器推到极限。通过在播放音乐时感应扬声器的操作并应用高级算法，智能放大器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。

今天的演讲者中有什么？

在讨论智能放大器的工作原理之前，重要的是要了解音频信号链中的另一个关键部分：扬声器。不管放大器是什么，如果扬声器的设计不当，都不会克服任何音频处理或放大问题。这就好比将火箭燃料投入到割草机发动机中—所有这些动力都无法使用。但是，如果您从一个合理的引擎开始，那么添加一个智能放大器就如同添加一个涡轮增压器，以可控的方式将其推向极限。

扬声器由框架，磁铁，音圈和振动膜构成（图1）。电流流经音圈，使其与扬声器的固定磁铁发生反应而使其磁化。该电动机使附着在线圈上的薄膜向上和向下移动，并发出实际上可听见的声波。我们称振动膜片的运动为极限，这种运动是有局限性的。当超出偏移极限时，会发生听觉失真。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均衡（EQ）来限制偏移。但是，为了保护所有扬声器的变化，工作条件和音频信号，这些滤波器通常是保守的-放弃了将扬声器推到真正极限的能力。

演讲者的解剖

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。用力推扬声器，这种加热可能会熔化电磁线上的清漆，从而损坏音圈。当音圈从放大器传递的能量中加热时，音圈必须通过磁铁冷却到周围的结构中。在传统的放大器中，最大功率被限制在一个值，如果连续提供，则不会损坏扬声器。该最大功率值必须涵盖所有扬声器变化，工作条件和信号。因此，此值通常低于扬声器可以处理的值，因此比较保守。

是什么使放大器变得智能？

我们如何从给定的扬声器中提取最大声压级（SPL），同时仍确保安全操作？我们可以使用智能放大器。音频具有峰均比（PAR），可让我们在保持平均或安全水平的同时推动即时峰值。智能放大器分为两类。第一个是前馈，其中创建了扬声器模型，并且通过这些模型馈送了音频以预测扬声器的行为。前馈往往适用于较大的扬声器，其变化较小且操作更线性。即使使用更大的扬声器，我们也必须考虑净空中扬声器的变化，但是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更高级的智能放大器。第二类是反馈智能放大器，它们将电流和电压（IV）感测添加到数模转换器（DAC）和前馈解决方案的D类。这种IV感应使我们能够直接测量扬声器的音圈温度，并检测由于单元之间的变化，环境温度和扬声器负载（例如将手放在扬声器端口上）而引起的扬声器变化。该信息允许算法从扬声器中提取其他SPL，否则将通过限制输出以覆盖这些变化而丢失。

为了利用电压和电流感测信息，智能放大器需要处理器（最好是数字信号处理器或DSP）来解析此数据，并应用复杂的算法来提取最佳性能和声音，同时保持扬声器的安全工作条件。带有或不带有集成DSP的智能放大器均可满足设计人员的成本，上市时间和性能要求。

认识您的演讲者

在基本了解扬声器和智能放大器如何协同工作以在更大音量下提供更好的声音的基础上，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征，测量扬声器的多个方面以识别其局限性。必须充分理解这些限制，以使扬声器获得最大声音和最高品质的声音而不会对其造成损坏。进行详细的测量以开发准确的扬声器模型。一种方法是使用TI的PurePath Console 3（PPC3）和配套的学习板。该组合可以使用易于遵循的程序来执行这些测量。

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。尽管可以使用扬声器数据表中的参数来完成偏移量的测量，但更精确的方法是使用激光位移传感器来测量偏移量并提取所需的参数。TI的智能放大器学习板可通过使用激光以及用于SPL测量的麦克风来提供所需的所有数据采集，从而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，包括偏移与频率以及安全工作区域限制。

TI的PPC3可以简化调整过程。其先进的工具套件可自动将低端阻抗测量结果与高频麦克风测量结果合并。这将创建干净的全频SPL测量，以开始进行调谐。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。智能放大器会动态调整此滤波器，以在不超出偏移限制的情况下推动最大低音。接下来，可以使用SmartEQ轻松进行扬声器发声。用户只需指定目标EQ曲线，PPC3将计算必要的滤波器，以调整扬声器对目标EQ的测得的SPL响应。该工具会进行所有数学运算，

全部放在一起

完成扬声器的表征和微调后，重要的是要确保您的选择可以在较大的扬声器样本中安全可靠地运行。可靠性测试是将您的产品带入装配线之前的重要步骤。不论扬声器制造商如何，扬声器之间总是存在差异。尽管调音听起来不错，而且似乎在安全的操作范围之内，但是其他扬声器可能不如您在前面的步骤中一直在努力的目标那样强大。建议您通过寿命测试来获取更大的扬声器样本。该样本至少应有20位发言人，您应该在更长的时间和极端温度下对其进行测试，以模拟预期的客户用例。

如果您使用的是TI TAS2555智能放大器，则无需将智能放大器的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已升级或更改，则无需重新集成排序和设置。

当您移至生产线时，可以实施快速而强大的测试程序，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，确保扬声器在预设的范围内并且在组装过程中没有损坏。另外，可以测量和存储扬声器之间的阻抗变化。此步骤确保可以使用每个扬声器的全部散热空间。
编辑：hfy