بررسی چگونگی ایجاد صوت در الکرونیک

[hadi elec]

آشنايي با سيستم‌هاي صوتي پيشرفته
نواها چگونه آهنگين و دلنشين مي‌شوند؟



فناوري‌هاي نوين تاثير شگرفي در زندگي بشر داشته و موجب ابداع، اختراع و توليد دستگاه‌هاي برقي، الكترونيكي و رايانه‌اي بي‌شماري شده است.
امروزه اين دستگاه‌هاي جديد با استقبال گسترده مردم روبه‌رو شده و به عنوان لوازم اوليه و ضروري زندگي در اكثر خانه‌ها وجود دارد.
از جمله محصولات جديد كه با اقبال عمومي مواجه شده و به ويژه در بين جوانان، علاقه‌مندان فراواني دارد، دستگاه‌هاي پخش موسيقي و صوت است. جوانان علاقه‌مند به اين دستگاه‌ها غالبا ترجيح مي‌دهند كه نوا‌هاي مورد نظر خود را با كيفيت بالا و با استفاده همزمان از چندين بلند‌گو بشنوند. صدا در صنعت سينما نيز نقشي اساسي دارد و دست‌اندركاران توليد فيلم مي‌كوشند در توليد فيلم از فناوري‌هايي استفاده كنند كه امكان توليد صدايي با كيفيت‌تر و مطلوب‌تر را دارد. پخش فيلم با صداي دالبي يكي از كاربرد‌هاي رايج اين نوع محصولات است. كيفيت بالاي دستگاه‌هاي صوتي به نواي موسيقي و آهنگ نوازندگان اركستر و يا حتي تك‌نوازي و تك‌خواني نيز طنين دلنشين‌تري مي‌دهد.
در مقاله‌اي كه پيش رو داريد توان الكتريكي در دستگاه‌هاي پخش صوت بررسي شده و نحوه پردازش و توليد سيگنال صوت در اين دستگاه‌ها و عملکرد آنها هنگام پخش از جهت فني بررسي و تحليل شده است.

صدا چيست؟
صدا در هوا بر اثر ارتعاش مولكول‌هاي هوا ايجاد مي‌شود و با انتقال انرژي جنبشي بين مولكول‌هاي هوا و برخورد مولكول‌ها به هم حرکت مي‌كند. در واقع صدا براي انتقال، به محيطي مادي مثل هوا، نياز دارد.
اين ارتعاش‌ها به‌صورت سينوسي به وجود مي آيند و به همان حالت سينوسي نيز در هوا بين مولكول‌ها جا به جا مي‌شوند.
به تعداد اين ارتعاش‌ها (نوسان‌ها) در يك ثانيه، "فرکانس" مي‌گويند و با واحد "هرتز" بيان مي‌كنند.
صوت مي‌تواند از صفر تا بي‌نهايت ارتعاش در ثانيه داشته باشد به بيان ديگر بازه فرکانس صوت کران بالا ندارد اما از پايين به صفر محدود مي‌شود در عين حال خودِ مقدارِ صفر را هم نمي‌تواند اختيار کند (صدایی با فرکانس صفر یعنی سکوت!!!).

محدوده شنوايي انسان
ما توانايي شنيدن تمام فركانس‌هاي صوت را نداريم در واقع ما فقط مي‌توانيم اصوات در فركانس‌هاي بين 20 تا 20 هزار هرتز را بشنويم و فركانس‌هاي بين دو هزار تا چهار هزار هرتز راـ راحت‌تر مي‌شنويم. يعني صداهايي که مي‌شنويم در همين بازه 20 تا 20 کیلو هرتز قرار دارند و تمام دستگاه‌هاي الکترونيکي پخش‌کننده موسيقي نيز بايد در همين بازه فرکانسي توانايي پخش موسيقي داشته باشند.
چون حركت صوت در هوا ماهيت سينوسي دارد پس در مدار پخش‌کننده‌هاي موسيقي بايد يک تقويت‌کننده سيگنال‌هاي سينوسي باشد که بتواند صدايي سينوسي و قوي در هوا توليد کند.

ماهيت صوت و نحوه ايجاد صدا در دستگاه‌هاي الکترونيکي
در دستگاه‌هاي الكترونيكي نيز صوت به صورت سيگنال سينوسي با اندكي تفاوت در تعريف دامنه و نوع ايجاد سيگنال میباشد.
صدا در هوا با لرزش و ارتعاش مولكول‌ها ايجاد مي‌شود و حرکت مي‌كند اما در مدار الکترونيکي صدا به‌صورت سيگنال‌هاي متناوب توليد مي‌شود و نوسان در ولتاژ سيگنال باعث ايجاد جريان الکتريکي و در نهايت ايجاد صوت مي‌گردد. براي دانستن اينکه اين نوسان ولتاژ و جريان چگونه به صدا تبديل مي‌شوند، بايد ساختار بلندگوها را بشناسيم.
بلندگو از يک آهن‌رباي دائم، يک سيم‌پيچ در مجاورت آهن‌ربا و پرده ديافراگم تشكيل شده است که متصل به سيم‌پيچ بوده و با ارتعاش سيم‌پيچ مرتعش مي‌شود. اين ولتاژ متناوب،با قرار گرفتن در دو سر بلند‌گو موجب عبور جریان از سیم پیچ میشود و با عبور جريان از سيم‌پيچ ميدان مغناطيسي حول سيم، ايجاد مي‌شود.
تقابل اين ميدان مغناطيسي با ميدان مغناطيسي آهن‌ربا باعث ايجاد دافعه و جاذبه بين سيم‌پيچ و آهن‌ربا و ارتعاش سيم‌پيچ مي‌شود. اين ارتعاش‌، پرده ديافراگم را هم مرتعش مي‌كند و پرده نيز با نوسان خود موجب ارتعاش مولکول‌هاي هواي روبه‌روي خود باعث مي‌شود و به اين ترتيب صدا به وجود مي‌آيد.
براي کم يا زياد شدن حجم صدا (ولوم)، دامنه سيگنالِ (ولتاژ) موجِ متناوب را تغيير مي‌دهند. حجم صدا با دامنه سيگنال رابطه مستقيم دارد و با تغيير فرکانس نوسان در سيگنال خروجي،میزان ارتعاش پرده ديافراگم نيز دستخوش تغيير مي‌شود که زيري و بمي صداي خروجي را به دنبال خواهد داشت هرچه فرکانس بيشتر شود صدا به سمت زيرتر شدن و سوت ميل مي‌كند و با کمتر شدن نوسان صدا بم‌تر مي‌شود.


مولف: هادی طهماسبی
چاپ شده در ماهنامه دانشمند
فروردین 91 - شماره پیاپی 582 - صفحه 68

[hadi elec]

آشنايي با سيستم‌هاي صوتي پيشرفته
نواها چگونه آهنگين و دلنشين مي‌شوند؟



هنگام پخش صدا چه اتفاقي در بلندگو مي‌افتد؟
سيم‌پيچ بلند‌گو مقاوت اهمي و سلفي دارد و رفتار‌هاي خاصي در برابر ولتاژ از خود نشان مي‌دهد، كه رفتار اُهمی در اینجا اهميت بيشتري دارد.
طبق قانون اهم اگر به دو سر رسانايي با مقاومت معلوم ولتاژ اعمال شود از آن جرياني معادل خارج قسمت تقسيم ولتاژ بر مقاومت رسانا مي‌گذرد. در مبحث توان الکتريکي، قدرت جريان‌دهي منبع و جريان‌کشي مصرف‌کننده مطرح است. هرچه اين جريان‌کشي (به نسبت دامنه سيگنال و اهم سيم‌پيچ ) در بلندگو بيشتر باشد ميدان مغناطيسي شديد‌تري در بلند‌گو ايجاد مي‌شود که در تقابل با ميدان آهن‌ربا ارتعاش شديدتر سيم‌پيچ و پرده را به دنبال خواهد داشت و صداي خروجي بلندتري خواهيم شنيد.

در اين حالت و در صورتي که مقدار مقاومت سيم‌پيچ و توان بلندگو کمتر از قدرت خروجي دستگاه باشد، در زمان بالا بودن حجم صداي خروجي بلندگو در پخش تمام سيگنال خروجي ناتوان خواهد شد و قسمتي از سيگنال سينوسي صوت برش مي‌خورد که اين موضوع در وهله اول از کيفيت صدا مي‌کاهد و در صورت ادامه يافتن و بالاتر رفتن حجم صدا مي‌تواند موجب سوختن سيم‌پيچ شود.

اگر يک بلندگوي قوي انتخاب شود سيگنال هم بايد دامنه لازم را براي تاثير‌گذاري مطلوب بر بلندگو داشته باشد. براي اين کار مدار تقويت‌کننده بايد مقاومت خروجي کم و بهره تقويت بالايي داشته باشد. مقاومت خروجي کم براي قدرت جريان‌دهي بالاتر مناسب‌ است چون جريان بيشتري از آن عبور مي‌كند و بالعكس.

حال كه با ماهيت صوت در هوا و مدار الکترونيکي و نحوه انتخاب و طراحي بلندگو و تقويت‌کننده صوتي آشنا شديم عملکرد مدار و بلند‌گو حين پخش موسيقي را بررسي مي‌كنيم.

گفته شد كه براي پخش صدا از بلندگو، سيگنالي با دامنه و فرکانس مناسب از مدار به بلندگو مي‌رسد و بلندگو آن را به صوت تبديل مي‌كند. اين موضوع هميشه در عمل به همين راحتي اتفاق نمي‌افتد چون بلند‌گو و مدار در فركانس‌ها و دامنه‌هاي خاص، عملکردي خاص پيدا مي‌كنند که شايد چندان مطلوب نباشد. به عنوان مثال ممکن است بلند‌گو هنگام پخش با صداي بلند به خِر خِر بيفتد و يا هنگام پخشِ بِيس(کوبِ صدا) احساس شود که در اين حالت لحظه‌اي صدا خورده مي‌شود و يا لامپ‌هاي کوچک تعبيه شده روي سيستم‌ها همزمان با صداي بِيس چشمک مي‌زنند. در حالتي ديگر ممكن است مدار يا بلندگو اصطلاحا بسوزد. دانستن دلايل اين مسایل مي‌تواند در نحوه استفاده ما از اين دستگاه‌ها موثر باشد. قبل از پرداختن به اين مطالب مختصري درباره تقسيم‌بندي فرکانسي در موسيقي بدانيم.

در دستگاه‌ها‌ي قديمي براي پخش فركانس‌هاي مختلف موسيقي از يک بلندگو استفاده مي‌شد. ولي امروزه فركانس‌ها را براي پخش و طراحي بلندگوي خروجي به سه دسته فركانس‌هاي بالايي مياني و پاييني تقسيم مي‌كنند.

منظور از فرکانس مياني همان محدوده فرکانسي است که صداي انسان در آن قرار دارد. صدايي که نه زير است نه بم و تمام بلندگو‌ها و اسپيکر‌ها و ساير ادوات خروجي صدا توانايي پخش آن‌ را دارند.

فركانس‌هاي بالايي همان صداي تيز و زيري (تريبل) است که در اکثر شاخه‌هاي موسيقي به ويژه موسيقي‌هاي تکنو استفاده مي‌شود. با توجه به اينکه کران بالاي شنوايي انسان به فرکانس 20 هزار هرتز مي‌رسد ولي تريبل به حدود 10 هزار تا 15 هزار هرتز که در اکولايزر‌ها نيز وجود دارد، اطلاق مي‌شود و چون فرکانس اين گونه صداها خيلي بالاتر از فرکانس اصوات معمولي است براي ارتقاي کيفيت و جلوگيري از تداخل اصوات از خروجي جداگانه استفاده مي‌شود.

کران پايين بازه شنوايي 20 هرتز است ولي در تنظيم اکولايزرها حداقل فرکانس به 100 هرتز محدود مي‌شود. به اصواتي که در اين حدود فرکانس قرار دارند بِيس و يا کوبِ صدا مي‌گويند که صدايي فوق‌العاده بم هستند و در صورتي که براي پخش اين فرکانس بلندگويي جدا در نظر گرفته نشود تداخل و افت کيفيت صداي خروجي كاملا ملموس خواهد بود.

چون اگر تمام فركانس‌ها با دامنه يکسان پخش شوند در عمل صداي کوب شنيده نخواهد شد لذا براي پخش بهتر دامنه‌ها را متفاوت ايجاد مي‌كنند. يعني دامنه صداي تريبل، صداي خواننده و کوب در يک محدوده قرار نخواهد گرفت. معمولا دامنه صداي کوب را بالاتر در نظر مي‌گيرند تا هنگام پخش تمام صداي خروجي را تحت‌الشعاع قرار دهد و به گوش شنونده هم زيبا‌تر به نظر برسد.

شايد براي شما هم پيش آمده باشد كه وقتي در حال شنيدن آهنگي هستيد و صداي دستگاه را زياد مي‌كنيد منبع تغذيه به تدريج داغ شود و يا لامپ کوچک روي دستگاه هنگام پخش کوب صدا (بيس) با ولوم زياد، به خاموشي نزديک مي‌شود ویا پس از پخشِ کوب، حالت سكوت ايجاد مي‌شود. گويا بعد از بِيس براي چند دهم ثانيه هيچ صدايي از دستگاه خارج نمي‌شود. علت ايجاد اين اختلال‌ها چيست؟



مولف: هادی طهماسبی
چاپ شده در ماهنامه دانشمند
فروردین 91 - شماره پیاپی 582 - صفحه 68

[hadi elec]

آشنايي با سيستم‌هاي صوتي پيشرفته
نواها چگونه آهنگين و دلنشين مي‌شوند؟



بررسي چگونگي ايجاد تداخل
فرکانس تريبل در حدود 10 هزار هرتز و فرکانس ميانه بين 100 تا 10 هزار هرتز و فرکانس کوب حدود 100 هرتز است. در اينجا بيشتر روي فرکانس کوب به دليل کم بودن فرکانس و زياد بودن زمان دوره تناوب موج بحث مي‌كنيم. وقتي مي‌گوييم فرکانس برابر 100 هرتز است، يعني در هر ثانيه 100 نوسان اتفاق مي افتد. در اين حالت مقدار زمان هر نوسان کامل (دوره تناوب) به 10 ميلي‌ثانيه مي‌رسد. يعني حداقل مقدار زماني که بلندگو توسط پالسي از اين موج اشغال مي‌شود 10 ميلي‌ثانيه است و با کمتر شدن فرکانس اين زمان افزايش مي‌يابد. اين زمان با توجه به دوره تناوب موج در فرکانس 10 هزار هرتز تريبل (100 ميکروثانيه) خيلي طولاني است. در واقع اين زمان يک صدم زمان معادل در موج بيس است. هست يعني در زمان پخش موج بيس زماني معادل 100 برابر مقدار زمان لازم براي پخش تريبل بلندگو، اشغال مي‌شود و در اين زمان هيچ موج ديگري امکان پخش ندارد و اين خود باعث از بين رفتن موج‌هاي ديگر هنگام پخش بيس مي‌شود. البته نبايد از اثري که موج بيس بر روي پرده ديافراگم بلندگو مي‌گذارد غافل بود.

وقتي موجي با فرکانس حدود 100 هرتز و با دامنه‌اي بالاتر از ساير امواج موسيقي به بلندگو مي‌رسد، پرده ديافراگم به شدت به لرزه در مي‌آيد و بلندگو در اين حالت شديدترين ارتعاش را (از نظر بالا بودن دامنه) تجربه مي‌كند. در اثر ارتعاش ناشي از موج بيس، پرده همچنان مرتعش مي‌ماند و به مرور میزان ارتعاش كم مي‌شود تا دامنه نوسان به دامنه ساير موج‌هاي موسيقي برسد و ارتعاش پرده تحت کنترل سيگنال‌هاي جديد قرار گيرد.

به عبارت ديگر با رسيدن يک سيگنال با دوره تناوب 10ميلي‌ثانيه‌اي به دو سر بلندگو، نوعي جاروب سيگنالي اتفاق مي افتد و تمام سيگنال‌هاي با فرکانس بيشتر را در خود حل مي‌كند دقیقا مانند اتفاقی بر روی سطح دریا در زمان وقوع سونامی روی میدهد و موج سونامی موج های کوچکتر را محو میکند. گفتني است تمام اتفاقات فوق در یک بلندگو در زماني حدود چند ميلي‌ثانيه اتفاق مي‌افتند.

علت کم شدن نور لامپ دستگاه هنگام پخش کوب(بيس) اين است که چون فرکانس در کوب بسيار کم است، سيگنال به حالت جريان مستقيم نزديک‌تر و ولتاژ به دو سر بلندگو زمان بيشتري اعمال مي‌شود و با بالا بودن دامنه سیگنال، توان دستگاه به چالش کشیده میشود و با قرارگرفتن میزان مصرف الکتریکی بلندگو در حالت ماکزيمم، دستگاه پخش‌کننده به نقطه اوج جريان خروجي خود مي‌رسد و تمام جريان الکتریکی برای تامين قدرت ارتعاش به سمت بلندگو مي‌رود و لامپ با افت ولتاژ روبه‌رو شده و نورش کم مي‌شود.

در حالتي که صدا بسته به فركانس از چند خروجي خارج مي‌شود سيستم صوتي وظيفه تفکيک صوت بر حسب فرکانس را بر عهده دارد و با استفاده از يک فيلتر پايين گذر فركانس‌هاي پايين‌تر از حدي مشخص (فرکانس کوب) را جدا کرده و پس از تقويت آنها، فركانس‌هاي تقويت شده را به بلندگوهاي مخصوص پخش بيس مي‌فرستد و به همين صورت با استفاده از يک فيلتر بالا گذر فركانس‌هاي بالاتر از يک حد خاص(فرکانس تريبل) را جدا کرده و با تقويتي جداگانه به سمت خروجي مربوط هدايت مي‌كند و در اين حالت فرکانسي که باقی میماند پس از تقویت به سمت خروجي‌هاي معمولي مي‌رود.

شما اگر هنگام پخش موسيقي بلندگوي مربوط به بيس را از مدار خارج کنيد متوجه خواهيد شد که ديگر بيسي پخش نمي‌شود و يا در حالتي خاص بيس با شدتي بسيار پايين و ضعيف از بلندگوهاي ديگر پخش مي‌شود و در حالت بر عکس هم هيچ صداي معمولي از خروجي بيس پخش نمي‌شود.

براي داشتن بالاترين حد کيفيت صدا در خروجي بلند‌گو‌ها محاسبات پيچيده‌اي وجود دارد. به اين صورت که با توجه به شدت صدايي که مي‌خواهيم داشته باشيم مقدار توان خروجي بلندگو‌ها (دسي بل خروجي) را بررسي مي‌كنند، سپس با توجه به توان خروجي و مقدار اهم داخلي بلندگو حداکثر مقدار دامنه سيگنال (ولتاژ) را محاسبه مي‌كنند و با توجه به آن و با توجه به مقدار دامنه سيگنال اوليه مقدار تقويت تعريف مي‌شود با در نظر گرفتن ميزان تقويت خواسته شده، مدار دستگاه تقويت‌کننده طراحي مي‌كنند.

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
چاپ شده در ماهنامه دانشمند
فروردین 91 - شماره پیاپی 582 - صفحه 68