بررسی چگونگی ایجاد صوت در الکترونیک

[O M I D]

آشنایی با سیستم‌های صوتی پیشرفته
نواها چگونه آهنگین و دلنشین می‌شوند؟

فناوری‌های نوین تاثیر شگرفی در زندگی بشر داشته و موجب ابداع، اختراع و تولید دستگاه‌های برقی، الکترونیکی و رایانه‌ای بی‌شماری شده است.


امروزه این دستگاه‌های جدید با استقبال گسترده مردم روبه‌رو شده و به عنوان لوازم اولیه و ضروری زندگی در اکثر خانه‌ها وجود دارد.
از جمله محصولات جدید که با اقبال عمومی مواجه شده و به ویژه در بین جوانان، علاقه‌مندان فراوانی دارد، دستگاه‌های پخش موسیقی و صوت است. جوانان علاقه‌مند به این دستگاه‌ها غالبا ترجیح می‌دهند که نوا‌های مورد نظر خود را با کیفیت بالا و با استفاده همزمان از چندین بلند‌گو بشنوند. صدا در صنعت سینما نیز نقشی اساسی دارد و دست‌اندرکاران تولید فیلم می‌کوشند در تولید فیلم از فناوری‌هایی استفاده کنند که امکان تولید صدایی با کیفیت‌تر و مطلوب‌تر را دارد. پخش فیلم با صدای دالبی یکی از کاربرد‌های رایج این نوع محصولات است. کیفیت بالای دستگاه‌های صوتی به نوای موسیقی و آهنگ نوازندگان ارکستر و یا حتی تک‌نوازی و تک‌خوانی نیز طنین دلنشین‌تری می‌دهد.
در مقاله‌ای که پیش رو دارید توان الکتریکی در دستگاه‌های پخش صوت بررسی شده و نحوه پردازش و تولید سیگنال صوت در این دستگاه‌ها و عملکرد آنها هنگام پخش از جهت فنی بررسی و تحلیل شده است.


صدا چیست؟
صدا در هوا بر اثر ارتعاش مولکول‌های هوا ایجاد می‌شود و با انتقال انرژی جنبشی بین مولکول‌های هوا و برخورد مولکول‌ها به هم حرکت می‌کند. در واقع صدا برای انتقال، به محیطی مادی مثل هوا، نیاز دارد.
این ارتعاش‌ها به‌صورت سینوسی به وجود می آیند و به همان حالت سینوسی نیز در هوا بین مولکول‌ها جا به جا می‌شوند.
به تعداد این ارتعاش‌ها (نوسان‌ها) در یک ثانیه، “فرکانس” می‌گویند و با واحد “هرتز” بیان می‌کنند.
صوت می‌تواند از صفر تا بی‌نهایت ارتعاش در ثانیه داشته باشد به بیان دیگر بازه فرکانس صوت کران بالا ندارد اما از پایین به صفر محدود می‌شود در عین حال خودِ مقدارِ صفر را هم نمی‌تواند اختیار کند (صدایی با فرکانس صفر یعنی سکوت!!!).
محدوده شنوایی انسان
ما توانایی شنیدن تمام فرکانس‌های صوت را نداریم در واقع ما فقط می‌توانیم اصوات در فرکانس‌های بین ۲۰ تا ۲۰ هزار هرتز را بشنویم و فرکانس‌های بین دو هزار تا چهار هزار هرتز راـ راحت‌تر می‌شنویم. یعنی صداهایی که می‌شنویم در همین بازه ۲۰ تا ۲۰ کیلو هرتز قرار دارند و تمام دستگاه‌های الکترونیکی پخش‌کننده موسیقی نیز باید در همین بازه فرکانسی توانایی پخش موسیقی داشته باشند.
چون حرکت صوت در هوا ماهیت سینوسی دارد پس در مدار پخش‌کننده‌های موسیقی باید یک تقویت‌کننده سیگنال‌های سینوسی باشد که بتواند صدایی سینوسی و قوی در هوا تولید کند.
ماهیت صوت و نحوه ایجاد صدا در دستگاه‌های الکترونیکی
در دستگاه‌های الکترونیکی نیز صوت به صورت سیگنال سینوسی با اندکی تفاوت در تعریف دامنه و نوع ایجاد سیگنال میباشد.
صدا در هوا با لرزش و ارتعاش مولکول‌ها ایجاد می‌شود و حرکت می‌کند اما در مدار الکترونیکی صدا به‌صورت سیگنال‌های متناوب تولید می‌شود و نوسان در ولتاژ سیگنال باعث ایجاد جریان الکتریکی و در نهایت ایجاد صوت می‌گردد. برای دانستن اینکه این نوسان ولتاژ و جریان چگونه به صدا تبدیل می‌شوند، باید ساختار بلندگوها را بشناسیم.
بلندگو از یک آهن‌ربای دائم، یک سیم‌پیچ در مجاورت آهن‌ربا و پرده دیافراگم تشکیل شده است که متصل به سیم‌پیچ بوده و با ارتعاش سیم‌پیچ مرتعش می‌شود. این ولتاژ متناوب،با قرار گرفتن در دو سر بلند‌گو موجب عبور جریان از سیم پیچ میشود و با عبور جریان از سیم‌پیچ میدان مغناطیسی حول سیم، ایجاد می‌شود.
تقابل این میدان مغناطیسی با میدان مغناطیسی آهن‌ربا باعث ایجاد دافعه و جاذبه بین سیم‌پیچ و آهن‌ربا و ارتعاش سیم‌پیچ می‌شود. این ارتعاش‌، پرده دیافراگم را هم مرتعش می‌کند و پرده نیز با نوسان خود موجب ارتعاش مولکول‌های هوای روبه‌روی خود باعث می‌شود و به این ترتیب صدا به وجود می‌آید.
برای کم یا زیاد شدن حجم صدا (ولوم)، دامنه سیگنالِ (ولتاژ) موجِ متناوب را تغییر می‌دهند. حجم صدا با دامنه سیگنال رابطه مستقیم دارد و با تغییر فرکانس نوسان در سیگنال خروجی،میزان ارتعاش پرده دیافراگم نیز دستخوش تغییر می‌شود که زیری و بمی صدای خروجی را به دنبال خواهد داشت هرچه فرکانس بیشتر شود صدا به سمت زیرتر شدن و سوت میل می‌کند و با کمتر شدن نوسان صدا بم‌تر می‌شود.
هنگام پخش صدا چه اتفاقی در بلندگو می‌افتد؟
سیم‌پیچ بلند‌گو مقاوت اهمی و سلفی دارد و رفتار‌های خاصی در برابر ولتاژ از خود نشان می‌دهد، که رفتار اُهمی در اینجا اهمیت بیشتری دارد.
طبق قانون اهم اگر به دو سر رسانایی با مقاومت معلوم ولتاژ اعمال شود از آن جریانی معادل خارج قسمت تقسیم ولتاژ بر مقاومت رسانا می‌گذرد. در مبحث توان الکتریکی، قدرت جریان‌دهی منبع و جریان‌کشی مصرف‌کننده مطرح است. هرچه این جریان‌کشی (به نسبت دامنه سیگنال و اهم سیم‌پیچ ) در بلندگو بیشتر باشد میدان مغناطیسی شدید‌تری در بلند‌گو ایجاد می‌شود که در تقابل با میدان آهن‌ربا ارتعاش شدیدتر سیم‌پیچ و پرده را به دنبال خواهد داشت و صدای خروجی بلندتری خواهیم شنید.
در این حالت و در صورتی که مقدار مقاومت سیم‌پیچ و توان بلندگو کمتر از قدرت خروجی دستگاه باشد، در زمان بالا بودن حجم صدای خروجی بلندگو در پخش تمام سیگنال خروجی ناتوان خواهد شد و قسمتی از سیگنال سینوسی صوت برش می‌خورد که این موضوع در وهله اول از کیفیت صدا می‌کاهد و در صورت ادامه یافتن و بالاتر رفتن حجم صدا می‌تواند موجب سوختن سیم‌پیچ شود.
اگر یک بلندگوی قوی انتخاب شود سیگنال هم باید دامنه لازم را برای تاثیر‌گذاری مطلوب بر بلندگو داشته باشد. برای این کار مدار تقویت‌کننده باید مقاومت خروجی کم و بهره تقویت بالایی داشته باشد. مقاومت خروجی کم برای قدرت جریان‌دهی بالاتر مناسب‌ است چون جریان بیشتری از آن عبور می‌کند و بالعکس.
حال که با ماهیت صوت در هوا و مدار الکترونیکی و نحوه انتخاب و طراحی بلندگو و تقویت‌کننده صوتی آشنا شدیم عملکرد مدار و بلند‌گو حین پخش موسیقی را بررسی می‌کنیم.
گفته شد که برای پخش صدا از بلندگو، سیگنالی با دامنه و فرکانس مناسب از مدار به بلندگو می‌رسد و بلندگو آن را به صوت تبدیل می‌کند. این موضوع همیشه در عمل به همین راحتی اتفاق نمی‌افتد چون بلند‌گو و مدار در فرکانس‌ها و دامنه‌های خاص، عملکردی خاص پیدا می‌کنند که شاید چندان مطلوب نباشد. به عنوان مثال ممکن است بلند‌گو هنگام پخش با صدای بلند به خِر خِر بیفتد و یا هنگام پخشِ بِیس(کوبِ صدا) احساس شود که در این حالت لحظه‌ای صدا خورده می‌شود و یا لامپ‌های کوچک تعبیه شده روی سیستم‌ها همزمان با صدای بِیس چشمک می‌زنند. در حالتی دیگر ممکن است مدار یا بلندگو اصطلاحا بسوزد. دانستن دلایل این مسایل می‌تواند در نحوه استفاده ما از این دستگاه‌ها موثر باشد. قبل از پرداختن به این مطالب مختصری درباره تقسیم‌بندی فرکانسی در موسیقی بدانیم.
در دستگاه‌ها‌ی قدیمی برای پخش فرکانس‌های مختلف موسیقی از یک بلندگو استفاده می‌شد. ولی امروزه فرکانس‌ها را برای پخش و طراحی بلندگوی خروجی به سه دسته فرکانس‌های بالایی میانی و پایینی تقسیم می‌کنند.
منظور از فرکانس میانی همان محدوده فرکانسی است که صدای انسان در آن قرار دارد. صدایی که نه زیر است نه بم و تمام بلندگو‌ها و اسپیکر‌ها و سایر ادوات خروجی صدا توانایی پخش آن‌ را دارند.
فرکانس‌های بالایی همان صدای تیز و زیری (تریبل) است که در اکثر شاخه‌های موسیقی به ویژه موسیقی‌های تکنو استفاده می‌شود. با توجه به اینکه کران بالای شنوایی انسان به فرکانس ۲۰ هزار هرتز می‌رسد ولی تریبل به حدود ۱۰ هزار تا ۱۵ هزار هرتز که در اکولایزر‌ها نیز وجود دارد، اطلاق می‌شود و چون فرکانس این گونه صداها خیلی بالاتر از فرکانس اصوات معمولی است برای ارتقای کیفیت و جلوگیری از تداخل اصوات از خروجی جداگانه استفاده می‌شود.
کران پایین بازه شنوایی ۲۰ هرتز است ولی در تنظیم اکولایزرها حداقل فرکانس به ۱۰۰ هرتز محدود می‌شود. به اصواتی که در این حدود فرکانس قرار دارند بِیس و یا کوبِ صدا می‌گویند که صدایی فوق‌العاده بم هستند و در صورتی که برای پخش این فرکانس بلندگویی جدا در نظر گرفته نشود تداخل و افت کیفیت صدای خروجی کاملا ملموس خواهد بود.

چون اگر تمام فرکانس‌ها با دامنه یکسان پخش شوند در عمل صدای کوب شنیده نخواهد شد لذا برای پخش بهتر دامنه‌ها را متفاوت ایجاد می‌کنند. یعنی دامنه صدای تریبل، صدای خواننده و کوب در یک محدوده قرار نخواهد گرفت. معمولا دامنه صدای کوب را بالاتر در نظر می‌گیرند تا هنگام پخش تمام صدای خروجی را تحت‌الشعاع قرار دهد و به گوش شنونده هم زیبا‌تر به نظر برسد.
شاید برای شما هم پیش آمده باشد که وقتی در حال شنیدن آهنگی هستید و صدای دستگاه را زیاد می‌کنید منبع تغذیه به تدریج داغ شود و یا لامپ کوچک روی دستگاه هنگام پخش کوب صدا (بیس) با ولوم زیاد، به خاموشی نزدیک می‌شود ویا پس از پخشِ کوب، حالت سکوت ایجاد می‌شود. گویا بعد از بِیس برای چند دهم ثانیه هیچ صدایی از دستگاه خارج نمی‌شود. علت ایجاد این اختلال‌ها چیست؟

[O M I D]

بررسی چگونگی ایجاد تداخل
فرکانس تریبل در حدود ۱۰ هزار هرتز و فرکانس میانه بین ۱۰۰ تا ۱۰ هزار هرتز و فرکانس کوب حدود ۱۰۰ هرتز است. در اینجا بیشتر روی فرکانس کوب به دلیل کم بودن فرکانس و زیاد بودن زمان دوره تناوب موج بحث می‌کنیم. وقتی می‌گوییم فرکانس برابر ۱۰۰ هرتز است، یعنی در هر ثانیه ۱۰۰ نوسان اتفاق می افتد. در این حالت مقدار زمان هر نوسان کامل (دوره تناوب) به ۱۰ میلی‌ثانیه می‌رسد. یعنی حداقل مقدار زمانی که بلندگو توسط پالسی از این موج اشغال می‌شود ۱۰ میلی‌ثانیه است و با کمتر شدن فرکانس این زمان افزایش می‌یابد. این زمان با توجه به دوره تناوب موج در فرکانس ۱۰ هزار هرتز تریبل (۱۰۰ میکروثانیه) خیلی طولانی است. در واقع این زمان یک صدم زمان معادل در موج بیس است. هست یعنی در زمان پخش موج بیس زمانی معادل ۱۰۰ برابر مقدار زمان لازم برای پخش تریبل بلندگو، اشغال می‌شود و در این زمان هیچ موج دیگری امکان پخش ندارد و این خود باعث از بین رفتن موج‌های دیگر هنگام پخش بیس می‌شود. البته نباید از اثری که موج بیس بر روی پرده دیافراگم بلندگو می‌گذارد غافل بود.

وقتی موجی با فرکانس حدود ۱۰۰ هرتز و با دامنه‌ای بالاتر از سایر امواج موسیقی به بلندگو می‌رسد، پرده دیافراگم به شدت به لرزه در می‌آید و بلندگو در این حالت شدیدترین ارتعاش را (از نظر بالا بودن دامنه) تجربه می‌کند. در اثر ارتعاش ناشی از موج بیس، پرده همچنان مرتعش می‌ماند و به مرور میزان ارتعاش کم می‌شود تا دامنه نوسان به دامنه سایر موج‌های موسیقی برسد و ارتعاش پرده تحت کنترل سیگنال‌های جدید قرار گیرد.
به عبارت دیگر با رسیدن یک سیگنال با دوره تناوب ۱۰میلی‌ثانیه‌ای به دو سر بلندگو، نوعی جاروب سیگنالی اتفاق می افتد و تمام سیگنال‌های با فرکانس بیشتر را در خود حل می‌کند دقیقا مانند اتفاقی بر روی سطح دریا در زمان وقوع سونامی روی میدهد و موج سونامی موج های کوچکتر را محو میکند. گفتنی است تمام اتفاقات فوق در یک بلندگو در زمانی حدود چند میلی‌ثانیه اتفاق می‌افتند.
علت کم شدن نور لامپ دستگاه هنگام پخش کوب(بیس) این است که چون فرکانس در کوب بسیار کم است، سیگنال به حالت جریان مستقیم نزدیک‌تر و ولتاژ به دو سر بلندگو زمان بیشتری اعمال می‌شود و با بالا بودن دامنه سیگنال، توان دستگاه به چالش کشیده میشود و با قرارگرفتن میزان مصرف الکتریکی بلندگو در حالت ماکزیمم، دستگاه پخش‌کننده به نقطه اوج جریان خروجی خود می‌رسد و تمام جریان الکتریکی برای تامین قدرت ارتعاش به سمت بلندگو می‌رود و لامپ با افت ولتاژ روبه‌رو شده و نورش کم می‌شود.
در حالتی که صدا بسته به فرکانس از چند خروجی خارج می‌شود سیستم صوتی وظیفه تفکیک صوت بر حسب فرکانس را بر عهده دارد و با استفاده از یک فیلتر پایین گذر فرکانس‌های پایین‌تر از حدی مشخص (فرکانس کوب) را جدا کرده و پس از تقویت آنها، فرکانس‌های تقویت شده را به بلندگوهای مخصوص پخش بیس می‌فرستد و به همین صورت با استفاده از یک فیلتر بالا گذر فرکانس‌های بالاتر از یک حد خاص(فرکانس تریبل) را جدا کرده و با تقویتی جداگانه به سمت خروجی مربوط هدایت می‌کند و در این حالت فرکانسی که باقی میماند پس از تقویت به سمت خروجی‌های معمولی می‌رود.
شما اگر هنگام پخش موسیقی بلندگوی مربوط به بیس را از مدار خارج کنید متوجه خواهید شد که دیگر بیسی پخش نمی‌شود و یا در حالتی خاص بیس با شدتی بسیار پایین و ضعیف از بلندگوهای دیگر پخش می‌شود و در حالت بر عکس هم هیچ صدای معمولی از خروجی بیس پخش نمی‌شود.
برای داشتن بالاترین حد کیفیت صدا در خروجی بلند‌گو‌ها محاسبات پیچیده‌ای وجود دارد. به این صورت که با توجه به شدت صدایی که می‌خواهیم داشته باشیم مقدار توان خروجی بلندگو‌ها (دسی بل خروجی) را بررسی می‌کنند، سپس با توجه به توان خروجی و مقدار اهم داخلی بلندگو حداکثر مقدار دامنه سیگنال (ولتاژ) را محاسبه می‌کنند و با توجه به آن و با توجه به مقدار دامنه سیگنال اولیه مقدار تقویت تعریف می‌شود با در نظر گرفتن میزان تقویت خواسته شده، مدار دستگاه تقویت‌کننده طراحی می‌کنند.
گفتنی است در این مقاله برای تفهیم ساده تر موضوع فرکانسها را جدا جدا فرض شده و مورد بررسی قرار گرفته است. در صورتی که این فرکانسها و اصوات در یک موسیقی امواجی هستند که بر روی هم سوار شده اند یعنی صداهایی که ما میشونیم یک سیگنال سینوسی میباشد که سرشار از هارمونیک است و هزاران سیگنال دیگر با فرکانسهای مختلف را در خود دارد به همین دلیل است که در حالت معمولی همزمان نیز صدای بیس و تریبل و خواننده شنیده میشوند.


مولف: هادی طهماسبی منبع.pjiran