CN102655626A - 音频数字接口供电的多媒体音响系统 - Google Patents

Abstract

音频数字接口供电的多媒体音响系统，包括至少一个USB/或IEEE1394接口，一个USB/或IEEE1394外置声卡，一组D类/或T类音频功率放大器以及与之匹配的控制电路或微处理器芯片，一块PCB板和至少一对以上音箱。每个音箱内至少设有一个不超过7英寸口径并配置一个单振膜的具有电阻负载特性或近似于电阻负载特性的双磁隙双线圈全频带扬声器和重低音扬声器，由此构成由电脑USB/或IEEE1394接口供电的2.1声道的具有超高灵敏度和Hi-Fi高保真品质的音频数字多媒体音响系统。

Description

音频数字接口供电的多媒体音响系统

技术领域

本发明涉及音频数字接口供电的多媒体音响系统，特别涉及具有USB外置声卡或IEEE1394外置声卡并由电脑或光碟游戏机USB接口供电同时通过充电电容器储能技术增强音箱整体输出声压特别是重低音音箱输出声压的绿色和低碳的新一代数字多媒体音响系统，属于电学的电声领域。

背景技术

由音频数字接口供电的多媒体音响系统，包括具有USB外置声卡或IEEE1394外置声卡的多媒体音响系统是一种已有技术。

例如，2007年1月，YAMAHA公司于CES展会上推出一款NX-U10型USB音响系统，采用二个1.5英寸口径的迷你(Mini)扬声器，通过“充电电容放大器”技术和SR-Bass低音增强技术，将笔记本PC USB接口提供的能量储存在一组电容器的极板上借以满足低音频强劲输出时对功率容量的爆发性需求。其频率响应范围为90Hz～20kHz。

大量基于电脑USB接口供电的、拥有音频数字解码器(DAC)和2至4个迷你扬声器以及一组数字或模拟功率放大器构成的USB迷你音响系统曾经充斥于国内外市场。但就总体而言，这类产品的体积虽然很小，但音质很差、音量很小，无法满足消费者的使用要求，已经由盛转衰并最终退出业界的主流市场。

本发明人于2008年10月10日提出的CN101711008A中国发明专利申请及2008年10月13日提出的PCT/CN2008/072668国际专利申请(WO2009/046682A1)，提出了一种新的《具有音频数字接口的多媒体音响系统》的技术方案：利用个人电脑或笔记本电脑的USB2.0接口提供的+5V/500mA直流电源向一对左右声道音箱供电并使用安装在音箱内的USB外置声卡和D类数字功率放大器，成功地制备得到新一代的、每个音箱可以具有3英寸口径或4英寸口径或5.25英寸口径全频带扬声器的2.0声道多媒体数字音响系统。它们可以为一般家庭提供一对无需外接交流电源、每个音箱的输出声压高达90～94dB/1w/1m、其音质足以与传统多媒体音响中高端产品媲美的高效节能，低发热和高效率、绿色环保的数字音响系统。

发明内容

本发明的第一个目的是克服传统技术的偏见和已有技术的不足之处，对已有的双磁隙双线圈扬声器的技术特征作出进一步的改进和限定，消除扬声器的发电机效应和反电动势，提供一种具有电阻负载特性或近似于电阻负载特性的、超高效率和高保真Hi-Fi品质的重低音扬声器，使所述重低音扬声器的总谐波失真THD≤3％。

本发明的第二个目的是克服传统技术的偏见和已有技术的不足之处，提供一种由电脑或游戏机USB/或IEEE1394接口供电、使用具有电阻负载特性或近似于电阻负载特性的双磁隙双线圈全频带扬声器以及DC-DC升压IC电路及与之匹配的电解电容器和高频退耦电容组成的若干组电容自动储能及低频大动态信号瞬间放电装置，构成一种具有高效节能、高效节材、达到Hi-Fi品质的2.1声道数字多媒体音响系统。

本发明的目的是这样实现的：

音频数字接口供电的多媒体音响系统，包括电脑/或光碟游戏机PS2的至少一个USB接口/或IEEE1394接口/或同轴电缆接口/或光纤接口，一组与USB/或IEEE1394接口连接的2.1声道外置声卡及与之匹配的D类/或T类2.1声道音频放大器IC芯片，一组与所述2.1声道外置声卡及所述音频放大器匹配的控制保护电路/或微处理器IC芯片，一对左右声道音箱及一个重低音音箱，

所述2.1声道外置声卡至少具有一组单工的16～48Bit的2.0/或2.1声道数模解码器DAC，经其解码后所述左右声道信号被连接至一组所述D类/或T类的左右声道音频放大器电路，最后被连接至左、右声道音箱；与此同时，所述DAC解码后输出的另外一路左右声道信号被连接至一组有源的由运算放大器/或其它等值电路构成的低通/或带通电子分频器，所述电子分频器的通频带最低频率为20Hz最高频率为350Hz，然后直接/或经过一级具有射极跟随器功能的运算放大器/或其它等值电路连接至一个重低音音量电位器，再连接至一组所述D类/或T类重低音声道音频放大器电路，最后被连接至一个重低音音箱；

所述DAC由所述USB/或IEEE1394接口提供+5V/或更高电压的单端直流电源，所述单端直流电源还通过两个彼此独立的DC-DC升压IC电路向一个所述D类/或T类的左右声道音频放大器电路和向另一个所述D类/或T类的重低音声道音频放大器电路提供大于+5V但不超过+24V的单端直流电源，在所述USB/或IEEE1394接口的+5V/或更高电压的单端直流电源上，以及在两个所述DC-DC升压IC电路的直流电源输入端和输出端上还分别并联一组最低容量为4700μF最高容量不超过47000μF的电解电容器及与之配套的高频退耦电容，从而为音响系统提供若干个在中音频或高音频频段工作时能够对所述电解电容器自动充电并且在低音频大动态信号来临时由所述电解电容器自动向所述左右声道音箱及重低音音箱瞬间放电以避免所述USB/或IEEE1394接口单端直流电源电压被瞬间拉垮同时避免所述音响系统在低音频大动态信号冲击下不会产生超过规定值的THD失真或使这样的失真被降低到人们可以普遍接受的程度的若干个电容储能式放电电源，在所述左右声道的DC-DC升压IC电路的输出端设置耦合电容和晶体二极管和退耦电容等电子元件为基于运算放大器构成的有源电子分频器提供双端直流电源+Vcc及-Vcc；所述2.1声道外置声卡、所述IC芯片及与之关联的SMD表面贴装电子元件/或集成在一起的CMOS电路、指示所述外置声卡工作状态的LED信号灯、所述2.1声道音频放大器的音量电位器均安装在PCB板上，所述PCB板、所述LED信号灯、所述音量调电位器既可以安装在所述重低音音箱内/或音箱的面板上，也可以安装在所述重低音音箱内/或音箱的面板上，由此，电脑/或光碟游戏机PS2的所述USB接口/或IEEE1394接口/或同轴电缆接口，通过设置在所述音箱前面板/或后面板上的音频插头座及配套缆线将所述左右声道音箱与所述重低音音箱连接成为一个由电脑音频数字接口供电的2.1声道多媒体音响系统。

所述左右声道音箱内分别设有至少一个具有电阻负载特性或近似于电阻负载特性的多磁隙多线圈扬声器，规定每个所述多磁隙多线圈扬声器仅仅配置一个≤φ7英寸口径的圆锥形振膜/或带有悬边的矩形振膜，由此构成二个同轴共点发声、所述多磁隙多线圈扬声器的电感量及其在往复运动过程中感应得到的反电动势因具有180度相位角而互相抵消的全频带左右声道扬声器。

所述重低音音箱内设有一个具有电阻负载特性或近似于电阻负载特性的多磁隙多线圈扬声器，规定所述多磁隙多线圈扬声器仅仅配置一个≤φ7英寸口径的圆锥形振膜/或带有悬边的矩形振膜，由此构成一个同轴共点发声、所述多磁隙多线圈扬声器的电感量及其在往复运动过程中感应得到的反电动势因具有180度相位角而互相抵消的重低音扬声器。

规定所述D类/或T类的左右声道音频放大器电路和所述D类/或T类重低音声道音频放大器电路的额定工作电压≤DC 5.25V/或≤DC 20V、所述左右声道音频功率放大器每声道的额定连续输出功率≤1W/或≤2W，所述重低音音频功率放大器的额定连续输出功率≤2W/或≤4W，由此构成一种由电脑或笔记本电脑USB接口/或IEEE1394接口供电的具有超高灵敏度和Hi-Fi品质的新一代节能环保和低碳经济的2.1声道数字多媒体音响系统。

本发明具有以下有益效果：

1.突破了扬声器反电动势制约扬声器效率提高这一困扰世界电声领域130多年的技术难题。可以实现对已有多媒体音响技术的颠覆性突破。

2.在2.1声道的数字多媒体音响系统中，淘汰了传统的电源变压器、高音扬声器、传统高耗能分频器和功率放大器铝散热器。节省了大量的宝贵的社会资源。

3.可以通过局域网和Internet网实施电脑对音乐演播现场的远程实时监听。

4.为电脑消费者提供一种最简单最安全的多媒体音响系统操作使用方案。

5.本发明取得了预料不到的技术效果。利用本发明人的已有专利技术的组合发明及其新的改进技术方案，使传统电脑的2.0及2.1声道有源多媒体音响系统转变为无源2.1数字多媒体音响系统。据保守估测，每台电脑平均节省30W电能，可以为拥有10亿台全球保有量的电脑节能环保事业和全球低碳经济作出巨大的贡献。

为了更清楚地了解本发明的新技术方案，以下将结合说明书附图进行阐述。

附图说明

图1.音频数字接口供电的多媒体音响系统原理框图。

图2.音频数字接口电源及左右声道DAC电路图。

图3.左右声道音频放大器电路图。

图4.左右声道及重低音声道DC-DC升压IC电路图。

图5.电子滤波器电路图。

图6.重低音声道音频放大器电路图。

图7.双磁隙双线圈外磁式扬声器的实施例纵剖面图。

图8.双磁隙双线圈外磁式扬声器对称音图电路图。

图9.双磁隙双线圈外磁式扬声器反电动势抵消示意图。

本发明主要元件与标号对应关系：

极面---100～600；    框架---101～601；             框架环形平台----1013～6013；

框架安装螺孔----1061～6061；                       框架凸缘----1011～6011；

框架法兰盘/或套筒----1012～6012；                  极板----103～603；

永磁铁---102～602；    环筒状磁轭---113～613；     环形磁隙----110～610；

环形磁隙磁力线----1991～6991；  线圈----109～609； 线圈骨架----107～607；

非导磁托架---181～681；托架内凸圆形平台----1118～6118；

托架内凸圆形平台面----11180～61180；

托架环形薄壁垂直定位面-----1820～6820；         托架水平定位面----1810～6810；

粘结剂----1811～6811；    弹波----141～641；    振膜----106～606；

防尘帽----105～605；      悬边----199～699；    环形凹槽----1631～6631；

穿透气孔----182～682；    非导磁材料紧固件----3710、6710；

非导磁压板----372、672                          非导磁螺母----375、675

具体实施方式

图1示出了音频数字接口供电的多媒体音响系统原理框图。

元件1为USB接口，元件2为左右声道数码解码器，元件3为D类或T类左右声道音频放大器，元件4为左声道音箱，元件5为右声道音箱，元件6为电容储能放电电路，元件7为左右声道DC-DC升压IC电路，元件8为重低音声道DC-DC升压IC电路，元件9为低通/带通电子分频器，元件10为D类或T类重低音声道音频放大器，元件11为重低音音箱。

其中，元件7和元件8的DC-DC升压IC电路将元件1/USB接口提供的+5V单端直流电源升高至大于+5V直流电压且最大值小于+24V直流电压。以便有效提升D类或T类左右声道音频放大器及D类或T类重低音声道音频放大器及低通/带通电子分频器工作电路的信噪比，同时提高元件6电解电容器极板上的充电电压值，使元件6可以在音响系统的音频信号间歇时间和高音及中音频段等小信号工作时间获得足够的电容器充电储存能量。此外，由于元件7和元件8是一种高效率(η可达0.94～0.96)的电子升压IC电路，其将远高于USB接口+5V的单端电源电压例如10～20V直流电压提供给元件3和元件10，因此，后者可以在元件6储能电解电容的综合性帮助下，为元件4和元件5左右声道音箱尤其为元件11重低音音箱瞬间释放很高的音频功率和低音频冲击功率。

图2示出了音频数字接口电源及左右声道DAC电路图。

元件1为USB2.0接口，由JK1通过USB连接线从电脑取得数字音频信号和+5V的DVCC电源，分别送到元件2和元件6进行后续处理。元件2为左右声道数码解码器，由IC1及其外围电路构成；IC1(PCM2704)是Burr-Brown公司带有USB接口的16位立体声数模转换器芯片。它将从电脑取得数字音频信号转换为模拟的立体声音频信号(2704-L，2704-R)，连接到图3的元件3和图5的元件9。(IC1的外围电路和元件参数请参考TI公司的PCM2704规格书，本文件不再复述)。元件6为电容储能放电电路，由C21(10000μF/6.3V)对来自电脑的+5V的USB电源进行储能，以减小大动态低频输出时对USB电源的影响。

图3示出了左右声道音频放大器电路图，

元件3为D类左右声道音频功率放大器，由IC4及其外围电路构成；它接收元件2输出的模拟的立体声音频信号做功率放大后输出给元件4和元件5。IC4(TPA3113D2)是TI公司的立体声CLASS-D的功率放大芯片，在接+10V电源8欧姆的负载上可以使左右声道输出2W X2以上的功率。(IC4的外围电路和元件参数请参考TI公司的TPA3113D2规格书，本文件不再复述)。元件4为左声道音箱，元件5为右声道音箱。

图4示出了左右声道及重低音声道DC-DC升压IC电路图，

元件6为电容储能放电电路，这里有3个部分：1、由C22，C23(10000μF/6.3V)对升压IC电路前+5V的USB电源进行储能。分别为后级功率放大电路供电的DC-DC升压电源提供瞬间大电流输出的能量储备。D6(1N5822)做限流二极管串联在电脑的USB端口与储能电解电容单元之间，以减小大电解电容充电时对USB+5V电源的浪涌电流。2、C62，C65(4700μF/16V)对升压IC电路后的重低音声道功放电路电源(+VCC_SUB)进行储能。3、C25(4700μF/16V)对升压IC电路后的左右声道功放电路电源(+VCC_LR)进行储能。

元件7为左右声道DC-DC升压IC电路，由IC5及其外围电路构成；它可以将USB提供的+5V单电源升压到+/-10V双电压输出，给元件9(低通分频器电路的运放芯片)供电，同时也提供+10V/500mA的输出给元件3(后级左右通道功放电路)供电。(IC5EUP2624是台湾EUTECH公司的DC-DC转换芯片，外围电路和元件参数请参考EUP2624规格书，本文件不再复述)。元件8为重低音声道DC-DC升压IC电路，由IC3及其外围电路构成；它可以将USB提供的+5V单电源升压到+12V/500mA的输出，提供给图6的元件10(重低音声道音频放大器)供电。(IC3EUP2624是台湾EUTECH公司的DC-DC转换芯片，外围电路和元件参数请参考EUP2624规格书，本文件不再复述)。

图5为电子滤波器电路图，

元件9为低通电子分频器，由IC10、IC11(NE5532)低噪音双运放芯片分别构成二个串联的转折频率在350Hz以下可调的塞伦·凯二阶有源低通滤波电路。具有可调性强、选择性好、失真度低的特点。它接收图2的元件2输出的模拟的立体声音频信号(2704-L，2704-R)经电子分频处理后的重低音信号(SUB-OUT)输出给图6元件10。

图6为重低音声道音频放大器电路图，

元件10为D类重低音声道音频功率放大器，由IC6及其外围电路构成；它接收元件9输出的重低音信号(SUB-OUT)做功率放大后输出给元件11。IC6(TPA3113D2)是TI公司的立体声CLASS-D的功率放大芯片，在接+12V电源并联输出在4欧姆的负载上可以使重低音声道输出4W以上的功率。(IC6的外围电路和元件参数请参考TI公司的TPA3113D2规格书，本文件不再复述)。元件11重低音声道音箱。

图7示出了双磁隙双线圈外磁式扬声器的实施例纵剖面图。其元件编号、结构说明和工作原理与本发明人提出并公开的PCT/CN2008/072668国际专利申请(WO2009/046682A1)和CN101711008A中国专利申请文件中的图5的说明内容完全相同(仅框架201略有差异)，有关其详细说明请参阅上述公开的相关文献内容，本发明不再予以重复。

图8示出了双磁隙双线圈外磁式扬声器对称音图电路图。其元件编号、结构说明和工作原理与本发明人提出并公开的PCT/CN2008/072668国际专利申请(WO2009/046682A1)和CN101711008A中国专利申请文件中的图12的说明内容完全相同(仅线圈A和B的编号不同而已)，有关其详细说明请参阅上述公开的相关文献内容，本发明不再予以重复。

图9示出对称磁路及对

线圈电路中反电动势相互抵消的工作原理示意图。其元件编号、结构说明和工作原理与本发明人提出并公开的PCT/CN2008/072668国际专利申请(WO2009/046682A1)和CN101711008A中国专利申请文件中的图11的说明内容完全相同(仅线圈A和B的编号不同而已)，有关其详细说明请参阅上述公开的相关文献内容，本发明不再予以重复。

最后需要说明的是；有关双磁隙双线圈外磁式扬声器的更加详尽的结构原理和工作原理，可以参阅本发明人从1997年开始提出的一系列已经公开的授权专利及专利申请文献。它们主要包括：A)WO 01/15493专利族的授权专利CN00122197.3、US6795564、CN200520035371.X、CN200620033128.9、JP特许第4399139和已经公开的专利申请US20050099255、CN200510091936.0、CN200610020317.7；B)WO 99/31931专利族的授权专利CN99114781.2、TW88109796、CN00222469.0、CN200710181973.X、CN200710123821.4、CN200720126871.3、CN200810065384.X和CN200820092177.9。为拨冗起见，本发明对上述内容不再予以重复说明。

Claims (4)

1.音频数字接口供电的多媒体音响系统，包括电脑/或光碟游戏机PS2的至少一个USB接口/或IEEE1394接口/或同轴电缆接口/或光纤接口，一组与USB/或IEEE1394接口连接的2.1声道外置声卡及与之匹配的D类/或T类2.1声道音频放大器IC芯片，一组与所述2.1声道外置声卡及所述音频放大器匹配的控制保护电路/或微处理器IC芯片，一对左右声道音箱及一个重低音音箱，其特征是：

所述2.1声道外置声卡至少具有一组单工的16～48Bit的2.0/或2.1声道数模解码器DAC，经其解码后所述左右声道信号被连接至一组所述D类/或T类的左右声道音频放大器电路，最后被连接至左、右声道音箱；与此同时，所述DAC解码后输出的另外一路左右声道信号被连接至一组有源的由运算放大器/或其它等值电路构成的低通/或带通电子分频器，所述电子分频器的通频带最低频率为20Hz最高频率为350Hz，然后直接/或经过一级具有射极跟随器功能的运算放大器/或其它等值电路连接至一个重低音音量电位器，再连接至一组所述D类/或T类重低音声道音频放大器电路，最后被连接至一个重低音音箱；所述DAC由所述USB/或IEEE1394接口提供+5V/或更高电压的单端直流电源，所述单端直流电源还通过两个彼此独立的DC-DC升压IC电路向一个所述D类/或T类的左右声道音频放大器电路和向另一个所述D类/或T类的重低音声道音频放大器电路提供大于+5V但不超过+24V的单端直流电源，在所述USB/或IEEE1394接口的+5V/或更高电压的单端直流电源上，以及在两个所述DC-DC升压IC电路的直流电源输入端和输出端上还分别并联一组最低容量为4700μF最高容量不超过47000μF的电解电容器及与之配套的高频退耦电容，从而为音响系统提供若干个在中音频或高音频频段工作时能够对所述电解电容器自动充电并且在低音频大动态信号来临时由所述电解电容器自动向所述左右声道音箱及重低音音箱瞬间放电以避免所述USB/或IEEE1394接口单端直流电源电压被瞬间拉垮同时避免所述音响系统在低音频大动态信号冲击下不会产生超过规定值的THD失真或使这样的失真被降低到人们可以普遍接受的程度的若干个电容储能式放电电源，在所述左右声道的DC-DC升压IC电路的输出端设置耦合电容和晶体二极管和退耦电容等电子元件为基于运算放大器构成的有源电子分频器提供双端直流电源+Vcc及-Vcc；所述2.1声道外置声卡、所述IC芯片及与之关联的SMD表面贴装电子元件/或集成在一起的CMOS电路、指示所述外置声卡工作状态的LED信号灯、所述2.1声道音频放大器的音量电位器均安装在PCB板上，所述PCB板、所述LED信号灯、所述音量调电位器既可以安装在所述重低音音箱内/或音箱的面板上，也可以安装在所述重低音音箱内/或音箱的面板上，由此，电脑/或光碟游戏机PS2的所述USB接口/或IEEE1394接口/或同轴电缆接口，通过设置在所述音箱前面板/或后面板上的音频插头座及配套缆线将所述左右声道音箱与所述重低音音箱连接成为一个由电脑音频数字接口供电的2.1声道多媒体音响系统。

2.所述左右声道音箱内分别设有至少一个具有电阻负载特性或近似于电阻负载特性的多磁隙多线圈扬声器，规定每个所述多磁隙多线圈扬声器仅仅配置一个≤φ7英寸口径的圆锥形振膜/或带有悬边的矩形振膜，由此构成二个同轴共点发声、所述多磁隙多线圈扬声器的电感量及其在往复运动过程中感应得到的反电动势因具有180度相位角而互相抵消的全频带左右声道扬声器。

3.所述重低音音箱内设有一个具有电阻负载特性或近似于电阻负载特性的多磁隙多线圈扬声器，规定所述多磁隙多线圈扬声器仅仅配置一个≤φ7英寸口径的圆锥形振膜/或带有悬边的矩形振膜，由此构成一个同轴共点发声、所述多磁隙多线圈扬声器的电感量及其在往复运动过程中感应得到的反电动势因具有180度相位角而互相抵消的重低音扬声器。

4.规定所述D类/或T类的左右声道音频放大器电路和所述D类/或T类重低音声道音频放大器电路的额定工作电压≤DC 5.25V/或≤DC 20V、所述左右声道音频功率放大器每声道的额定连续输出功率≤1W/或≤2W，所述重低音音频功率放大器的额定连续输出功率≤2W/或≤4W，由此构成一种由电脑或笔记本电脑USB接口/或IEEE1394接口供电的具有超高灵敏度和Hi-Fi品质的新一代节能环保和低碳经济的2.1声道数字多媒体音响系统。

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