اسپیکرها چگونه کار می کنند

 

اسفند ماه 84 شماره 21

اشاره :
خیلی ها از کامپیوتر در حد یک MP3 Player بزرگ استفاده می کنند. گوش دادن به موسیقی همرا ه با تماشای کلیپ های تصویری آنقدر جذابیت دارد که بسیاری را وادار کند تا اسپیکر هایی ، هم قیمت هارد و یا پردازنده دستگاه خود تهیه کنند! این علاقه وافر مردم به استفاده بهینه! از کامپیوتر موجب شده است تا بسیاری از شرکت ها ، اسپیکر های غول پیکری برای کامپیوتر ـ این وسیله کوچک و ظریف همه فن حریف ـ طراحی کنند.


در هر سیستم صوتی ،کیفیت نهایی به اسپیکرها بستگی دارد. اگر سیستم به اسپیکرهای ضعیفی وصل باشد ، شفاف ترین صدا و با کیفیت ترین آهنگ و موسیقی صدای بدی خواهد داشت.
در این شماره قصد داریم شما را با نحوه ایجاد صدا و عملکرد اسپیکرها آشنا سازیم.در این مقاله ، تا حدودی در می یابیم که اسپیکرها چطور کار می کنند،همچنین خواهیم دید که اسپیکرها از چه نظر با هم تفاوت دارند و این تفاوت ها چطور بر کیفیت صدا تاثیر می گذارند.

اصول صدا

برای درک نحوه کار اسپیکر ، ابتدا باید از چگونگی کار صدا آشنا بود به همین دلیل به طور اختصار در مورد آن صحبت می کنیم:
در گوش انسان ، پوست بسیار نازکی به نام پرده وجود دارد.این پرده به امواج صوتی بسیار حساس است. وقتی که پرده گوش بر اثر امواج صوتی می لرزد، مغز ارتعاشات را بصورت صدا تفسیر می کند، به این ترتیب است که صدا شنیده می شود.
تغییرات سریع فشار هوا معمول ترین چیزی است که پرده گوش را مرتعش می سازند. هر چیزی که در هوا مرتعش می شود صدا تولید می کند. همانطور  که می دانید ، صدا از میان مایعات و جامدات نیز حرکت می کند ، اما وقتیکه صدای اسپیکرها را می شنویم در اینجا وسیله انتقال صدا فقط هوا است.
وقتی که چیزی می لرزد ذرات هوای اطرافش را حرکت می دهد ، آن ذرات هم ذرات هوای اطراف خود را حرکت می دهند و بدین صورت ، موجی از ذرات هوا تولید شده و یک پالس ارتعاش را در هوا با خود حمل می کنند.
برای اینکه ببینیم این کار چطور انجام می شود به یک شیء ارتعاشی ساده ، نگاهی می اندازیم:
وقتی زنگ  اخبار به صدا در می آید ، فلز به سرعت مرتعش و به داخل و خارج خم می شود ، وقتی که فلز ، در یک طرف به بیرون خم می شود ذرات هوای اطرافش را به داخل می کشد و حفره ای را با فشار ایجاد می کند که این حفره ذرات هوای نزدیکش را به داخل می کشد و باعث ایجاد حفره ای دیگر می شود که ذرات دورتر را به داخل می کشند و به همین ترتیب ادامه می یابد. به این ترتیب یک شیء مرتعش ، موجی از نوسان فشار را به داخل فضا می فرستد. وقتی که موج نوسان به گوش می رسد، پرده گوش را به جلو و عقب مرتعش می سازد و مغز این حرکات را به شکل صدا تفسیر می کند.

ایجاد صدا
قبل از ورود به بحث ایجاد صدا باید ببینیم که به طور ساده یک صدا چگونه توسط یک میکروفون ( و یا وسیله ای از این دست) ، دریافت و سپس بر روی رسانه ای مانند نوار کاست ( بصورت آنالوگ ) و یا سی دی ( بصورت دیجیتالی ) ضبط می شود.
میکروفون تا حدی شبیه گوش انسان کار می کند یعنی دیافراگم هایی دارد که با امواج صدا می لرزند.دیافراگم در میکروفون و ساختمان اسپیکر ، لایه نازکی از یک جسم بسیار حساس به صدا و ارتعاش  است ( همان صفحه سیاه رنگ کاغذی شکل بر روی بلندگو ها). 
علائم دریافتی توسط میکروفون ، پس از مراحلی مانند فیلتر کردن صدا ، بر روی نوار یا سی دی به شکل علائم الکترونیکی کدگذاری می شوند.
وقتی یک سی دی موسیقی را در کامپیوتر  اجرا می کنید ، علائمی که روی سی دی و یا  نوار ،  بصورت کدگذاری شده ذخیره شده اند توسط هد دستگاه پخش صدا و یا نرم افزار  پخش موسیقی مانند WinAmp  و متعاقب آن کارت صدا ، به جریان الکتریکی برای استفاده در اسپیکر تبدیل می شوند. اسپیکر دوباره آنها را بصورت ارتعاشات فیزیکی تبدیل می کند.
اسپیکر اساساً آخرین ماشین ترجمه است یعنی برعکس میکروفون ، اسپیکر علائم الکترونیکی را گرفته و آنها را بصورت ارتعاشات فیزیکی بر می گرداند تا امواج صوتی تولید شود.

دیافراگم
یک اسپیکر از ترکیب تعدادی Driver ( با درایور های نرم افزاری اشتباه نگیرید ) بزرگ و کوچک تشکیل می شود.درایور درحقیقت اساسی ترین بخش یک اسپیکر است که صدا را تولید می کند . شکل 1 ، نمونه ای از یک درایور معمولی را نشان می دهد.
یک درایور،  امواج صدا را با ارتعاش سریع Cone ( مخروط ) یا دیافراگم قابل انعطاف ، تولید می کند.Cone که معمولاً از کاغذ، پلاستیک و یا فلز ساخته شده به یک قاب عینکی مانند متصل و انتهای باریک آن به حلقه صدا (Voice Coil  ) وصل می باشد.
حلقه صدا ، توسط بازو هایی به نام  Spider، به بدنه وصل شده است.Spider حلقه را سر جایش نگه می دارد اما به آن اجازه می دهد که آزادانه به جلو و عقب حرکت کند.

شکل 1 :  یک نمونه درایور  با بدنه  فلزی ، دیافراگم کاغذی و آهن ربای دائمی
حلقه صدا


حلقه صدا (Voice Coil  ) ، اساساً یک آهن ربای مغناطیسی است. اگر شما با چگونگی نحوه کار آهن رباهای مغناطیسی آشنا باشید می دانید که یک آهن ربای مغناطیسی حلقه سیمی است که معمولاً به دور یک فلز مانند آهن پیچیده شده است. عبور جریان الکتریکی از میان سیم ها میدان مغناطیسی ای را به دور حلقه ایجاد می کند و فلزی که سیم ها به دور آن پیچیده شده را مغناطیسی می کند. این میدان درست همانند میدان مغناطیسی اطراف یک آهن ربای دائمی عمل می کند ( که دارای یک دو قطب ثابت می باشد ، یک سر ، قطب شمال و یک سر،  قطب جنوب ).
اما بر خلاف آهن ربای دائمی ، در آهن ربای مغناطیسی می توانید جهت گیری قطب ها را تغییر دهید. اگر جریان را معکوس نمایید ، قطب شمال و جنوب آهن ربای مغناطیسی تغییر می کنند. این دقیقاً همان کاری است که در یک سیستم پخش صدا انجام می گیرد.اگر بلندگوی های یک دستگاه پخش صوت و یا اسپیکر کامپیوتر را وصل کرده باشید ، می دانید که هر اسپیکر دو سیم دارد ، معمولاً  یک سیم قرمز و یک سیم سیاه. سیمی که از سیستم اسپیکر خارج می شود به دو پریز اتصالی روی دستگاه پخش و یا کارت صدا  وصل می شود.
در یک سیستم پخش صدا ، آمپلی فایر به غیر از افزایش حجم صدا ، دائماً جهت جریان را تغییر نیز می دهد. این تغییر جریان باعث می شود که جهت قطب آهن ربای مغناطیسی چندین بار در ثانیه برعکس شود.
آهن رباها
با این توضیحات ، نوسان چگونه باعث می شود که حلقه دیافراگم اسپیکر ، پس و پیش شود و صدا تولید کند؟
آهن ربای الکتریکی در داخل یک میدان مغناطیسی دائمی ،  که توسط یک آهن ربای دائمی ایجاد شده ، قرار گرفته است. این دو آهن ربا ( آهن ربای الکتریکی و آهن ربای دائمی ) با هم فعل و انفعال دارند. قطب مثبت آهن ربای مغناطیسی جذب قطب منفی میدان آهن ربای دائمی می شود و قطب منفی آهن ربای الکتریکی توسط قطب منفی آهن ربای دائمی دفع می شود. وقتیکه جهت گیری قطبی آهن ربای مغناطیسی تغییر می یابد ، جهت دفع و جذب نیز به همان شکل تغییر می کند. به این ترتیب ، تغییر دائمی جریان، نیروهای مغناطیسی بین Voice Coil و آهن ربای دائمی را معکوس می سازد. این تغییر ، حلقه را با سرعت مثل یک پیستون پس و پیش می سازد.

شکل  2 : قسمت های مختلفی از یک درایور


وقتیکه جریان الکتریکی که در میان حلقه صدا در جریان است ، تغییر جهت می دهد جهت گیری قطبی حلقه بر عکس می شود. این تغییر ، نیروهای مغناطیسی بین Voice Coil و آهن  ربای دائمی را تغییر داده و حلقه و دیافراگم را به سمت جلو و عقب می کشد. حلقه وقتی که حرکت می کند قسمت مخروطی درایور را کشیده و هل می دهد. این کار هوای مقابل اسپیکر را مرتعش ساخته و امواج صوتی تولید می کند.
علائم صوتی الکتریکی را می توان بعنوان یک موج نیز تفسیر کرد. فرکانس و بزرگی این موج که نمایانگر موج صدای اصلی است ، سرعت و فاصله حرکت حلقه صوتی را دیکته می کند. این دو عرض فرکانس و بزرگی امواج صوتی تولید شده توسط دیافراگم را تعیین می کند.
سایزهای مختلف درایور برای محدوده های مشخص فرکانس مناسب تر هستند. به همین دلیل ، اسپیکر های بزرگ  یک محدوده فرکانس گسترده را بین چندین درایور تقسیم می کنند.در بخش بعد، درمی یابیم که اسپیکرها چطور محدود فرکانس را تقسیم می کنند و نیز نگاهی خواهیم داشت به انواع درایورهایی که در بلندگوها مورد استفاده قرار گرفته اند.

انواع  دایور( Driver )
در بخش قبل ، دیدیم که درایورهای قدیمی با کشیدن و هل دادن یک آهن ربای مغناطیسی که به یک مخروط انعطاف پذیر وصل شده ، صدا تولید می کنند. هر چند که همه درایور ها بر همین اساس کار می کنند اما محدوده وسیعی از درایور ها با سایز و قدرت مختلف وجود دارد. انواع درایورهای اصلی عبارتند از:
•  ووفر یا درایور بم برای فرکانس های پایین ( Woofers )
• درایوری برای فرکانس های بالا  ( Tweeters )
•  درایور های متوسط برای  فرکانس های متوسط ( Midranges )
Woofer ها بزرگترین درایور ها هستند و برای تولید صداهای فرکانس پایین طراحی شده اند. Tweeter ها ، درایور های کوچک تری می باشند که برای تولید فرکانس های بالاتر طراحی شده اند. درایور های Midrange محدوده ای از فرکانس ها را در حد وسط طیف صوتی تولید می کنند. به شکل 3 دقت نمایید.

شکل 3 : نمونه ای از انواع درایور ها ـ  به ترتیب اندازه عبارتند از :  Woofer ، Midrange و   Tweeter.


برای ایجاد امواج با فرکانس بالا، دیافراگم درایور باید هر چه سریع تر مرتعش شود .این کار در یک مخروط بزرگ به دلیل اندازه مخروط، سخت است به همین دلیل درایور های بزرگ فقط مناسب فرکانس های پایین هستند.

محدوده فرکانس
برای تولید هر چه بهتر صدای مطلوب بر روی محدوده ای وسیع از فرکانس ، می توان کل محدوده صدا را به قطعات کوچکتری تقسیم کرد که با درایورهای خاصی تولید شوند. اسپیکر های مرغوب معمولاً دارای یک Tweeter و یک  Woofer و اغلب یک Midrange می باشند.البته لازم است سیستم پخش کننده، ابتدا صدا  را بر اساس محدوده فرکانسی(برای اختصاص هر محدوه به یکی از درایور ها) تقسیم بندی کند.
تقسیم کردن صدا به فرکانس پایین ، بالا و فرکانس های متوسط وظیفه بخشی به نام Crossover ( تقطیع کننده ) می باشد.
علائم صوتی وقتی که از میان سیم ها به داخل درایور حرکت می کنند از میان بخشی به نام  Crossover عبور می کند( که از سلف و خازن تشکیل شده ) و به این ترتیب هر کدام فرکانس های مخصوص خود را پخش می کنند( شکل 4) .

شکل 4 : نمونه ای از یک Crossover


درایورها  و Crossover ها را می توان به صورت اجزاء جدا در یک سیستم صوتی نصب کرد ، اما در بیشتر اسپیکرها ، متقاطع کننده و درایورها با هم در یک محفظه قرار دارند.

بدنه آکوستیک اسپیکر
در اسپیکر ، درایورها و Crossover ها در نوعی محفظه  مهر و موم شده جای گرفته اند. این محفظه چند کار را انجام می دهد که  واضح ترین کار آن ، نصب راحت اسپیکر می باشد. همه چیز درون یک محفظه قرار دارد.دیواره محفظه ها از پلاستیک فشرده ، چوب و یا دیگر مواد جامد ساخته شده اند که به شکل موثری ارتعاشات درایورها را جذب می کند.اگر یک درایور را روی میزی بگذارید ، میز به قدری می لرزد که بسیاری از صداهای آن شنیده نمی شوند( به شکل 5 توجه کنید ).

شکل 5 :  نمونه ای از یک اسپیکر سه تیکه شامل یک Sub Woofer و دو بلندگو کوچک برای تولید صدا های زیر


علاوه بر این ، محفظه اسپیکر بر چگونگی تولید صدا تاثیر می گذارد.
در قسمتی که به نکات مربوط به بلندگوها پرداختیم بر این مسئله اشاره داشتیم که ارتعاش دیافراگم چطور امواج صوتی را به مقابل مخروط می فرستد. اما از آنجا که دیافراگم پس و پیش می شود لذا در واقع امواج صوتی ای نیز در پشت مخروط تولید می کند. انواع متفاوت بدنه اسپیکر ها  ، روش های مختلفی برای مهار این امواج « عقبی » دارند.
معمول ترین نوع دیواره، دیواره مهر و موم شده است که دیوارهAcoustic Suspension  نیز خوانده می شود..این نوع محفظه ها به دلیل اینکه کاملا مهر وموم شده اند، هیچ هوایی از آن خارج نمی شود. این بدان معنی است که امواج « جلویی » از داخل محفظه بیرون می روند ، در حالیکه امواج « عقبی » تنها در داخل محفظه حرکت می کنند. البته از آنجا که هیچ هوایی نمی تواند خارج شود ، لذا فشار هوای داخل دائماً در حال تغییر است( شکل 1 ـ 6 ).

شکل 6 : دو نمونه از محفظه اسپیکر 


وقتیکه درایور به داخل حرکت می کند فشار بیشتر می شود و وقتیکه درایور به بیرون حرکت می کند، فشار کمتر می شود. هر دو حرکت تفاوت فشاری را بین هوای داخل جعبه و بیرون آن ایجاد می کنند. هوا همیشه در حرکت است تا سطح فشار را برابر سازد. بنابراین درایور دائماً به سمت حالت « استراحت » اش رانده می شود.این نوع دیواره نسبت به طرح های دیگر کارآیی کمتری دارند. زیرا آمپلی فایر مجبور است علائم الکتریکی را زیاد کند تا بر نیروی فشار هوا غلبه کند، با این وجود این نیرو عمل ارزشمندی را انجام می دهد مانند فنری عمل می کند که درایور را در جایگاه درستش نگاه می دارد. او این کار را برای صداهای واضح تر و محکم تر انجام می دهد.
دیگر طرح های دیواره ها فشار داخلی را مجدداً به سمت بیرون هدایت می کنند و با استفاده از آن موج صدا جلو را تکمیل می کنند. معمول ترین روش انجام این کار ساخت یک دریچه کوچک در اسپیکر است( شکل 2 ـ 6 ). در این اسپیکرها ، حرکت عقبی دیافراگم موج های صوتی را به بیرون از دریچه هل داده و به سطح کلی صوت می افزاید. مهمترین مزیت این دیواره ها کارآیی آنها است و نقطه ضعف آن این است که هیچ اختلاف فشار هوایی وجود ندارد تا درایور را به عقب و به جای خود بر گرداند، بنابراین صدایی تولید شده چندان واضح نیست.
دیگر مدل های اسپیکر
بیشتر اسپیکرها بوسیله درایورهای قدیمی صدا تولید می کنند. اما چند تکنولوژی دیگر هم در بازار وجود دارند. این مدل ها نسبت به اسپیکرهای قدیمی مزیت هایی دارند اما در دیگر زمینه ها کمبود هایی دارند.
محبوب ترین اینگونه اسپیکر ها ،  اسپیکر الکترواستاتیک است. این اسپیکرها هوا را با یک دیافراگم نازک و  بزرگ، به ارتعاش در می آورند. این دیافراگم بین دو قاب رسانا ثابت، که با یک جریان الکتریکی شارژ می شوند، معلق است. این قاب ها میدانی الکتریکی تولید می کنند. علائم صوتی ، جریانی را از میان قاب معلق هدایت می کند که به سرعت بین بار مثبت و منفی تغییر می کند. وقتیکه بار مثبت است قاب به سمت انتهای منفی میدان کشیده می شود و وقتیکه بار منفی است قاب به سمت انتهای مثبت میدان حرکت می کند.
دیافراگم بطور متناوب ، براساس علائم صوتی متغیر، با یک جریان مثبت و جریانی منفی شارژ می شود. وقتیکه دیافراگم بار مثبت دارد به سمت جلوی صفحه نوسان می یابد و وقتیکه بارش منفی است به سمت صفحه پشتی نوسان می یابد، به این طریق، به شکل واضحی نمونه های ضبط شده ای از نوسانات هوا را مجدداً تولید می کند.
به این ترتیب، دیافراگم سریعاً هوای جلویش را مرتعش می سازد. از آنجا که اندازه قاب بسیار کوچک است، بسیار سریع و واضح به بارهای علائم صوتی پاسخ می دهد، اینکار باعث تولید صداهای واضح و بسیار شفاف می شود. اما قاب حرکت زیادی نمی کند لذا در تولید اصوات با فرکانس پایین ( بم ) چندان کارآمد نیست. به همین دلیل، اسپیکرهای الکترواستاتیک غالباً با یک Woofer جفت می شوند که به محدوده فرکانس پایین می افزاید. مشکل دیگر اسپیکرهای الکترواستاتیک این است که باید آنها را به پریزهای برق دیواری وصل کرد لذا جا دادن آنها در یک اتاق کاری بسیار مشکل است.

شکل 7: نمونه ای از یک اسپیکر از نوع الکترواستاتیک


گزینه دیگراسپیکرهایPlanar Magnetic  است. این دستگاه ها از یک نوار بلند فلزی که بین دو صفحه مغناطیسی معلق است استفاده می کنند. این اسپیکرها اساساً به همان روشی کار می کنند که اسپیکرهای الکترواستاتیک کار می کنند با این تفاوت که جریان مثبت و منفی متغیر، دیافراگم را در یک میدان مغناطیسی حرکت می دهد نه در یک میدان الکتریکی. این اسپیکرها همانند اسپیکرهای الکترواستاتیک صداهایی با فرکانس بالا را بسیار واضح تولید می کنند اما صداهای با فرکانس پایین کمتر مشخص اند. هر دو این طرح ها هر روز به محبوبیت بیشتری در میان علاقمندان صوتی دست می یابند، اما درایورهای قدیمی هنوز کاملاً متداولند.شما هر جا که بروید آنها را می بینید نه فقط در دستگاه های استریو بلکه در تلویزیون ، کامپیوتر و چندین وسیله دیگر.
حیرت آور است که چطور یک چنان مفهوم ساده ای ،دنیای مدرن را دچار تغییر و تحول ساخته است.

  
نویسنده : ali gooliof ; ساعت ۱۱:٥٩ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٧/٢/٢٤
تگ ها :