اسپيكرها چگونه كار مي كنند

30 03 2008
1000335_b.jpg

خيلي ها از كامپيوتر در حد يك MP3 Player بزرگ استفاده مي كنند. گوش دادن به موسيقي همرا ه با تماشاي كليپ هاي تصويري آنقدر جذابيت دارد كه بسياري را وادار كند تا اسپيكر هايي ، هم قيمت هارد و يا پردازنده دستگاه خود تهيه كنند! اين علاقه وافر مردم به استفاده بهينه! از كامپيوتر موجب شده است تا بسياري از شركت ها ، اسپيكر هاي غول پيكري براي كامپيوتر ـ اين وسيله كوچك و ظريف همه فن حريف طراحي كنند.

در هر سيستم صوتي ،كيفيت نهايي به اسپيكرها بستگي دارد. اگر سيستم به اسپيكرهاي ضعيفي وصل باشد ، شفاف ترين صدا و با كيفيت ترين آهنگ و موسيقي صداي بدي خواهد داشت.
در اين شماره قصد داريم شما را با نحوه ايجاد صدا و عملكرد اسپيكرها آشنا سازيم.در اين مقاله ، تا حدودي در مي يابيم كه اسپيكرها چطور كار مي كنند،همچنين خواهيم ديد كه اسپيكرها از چه نظر با هم تفاوت دارند و اين تفاوت ها چطور بر كيفيت صدا تاثير مي گذارند.

اصول صدا
براي درك نحوه كار اسپيكر ، ابتدا بايد از چگونگي كار صدا آشنا بود به همين دليل به طور اختصار در مورد آن صحبت مي كنيم:
در گوش انسان ، پوست بسيار نازكي به نام پرده وجود دارد.اين پرده به امواج صوتي بسيار حساس است. وقتي كه پرده گوش بر اثر امواج صوتي مي لرزد، مغز ارتعاشات را بصورت صدا تفسير مي كند، به اين ترتيب است كه صدا شنيده مي شود.
تغييرات سريع فشار هوا معمول ترين چيزي است كه پرده گوش را مرتعش مي سازند. هر چيزي كه در هوا مرتعش مي شود صدا توليد مي كند. همانطور كه مي دانيد ، صدا از ميان مايعات و جامدات نيز حركت مي كند ، اما وقتيكه صداي اسپيكرها را مي شنويم در اينجا وسيله انتقال صدا فقط هوا است.
وقتي كه چيزي مي لرزد ذرات هواي اطرافش را حركت مي دهد ، آن ذرات هم ذرات هواي اطراف خود را حركت مي دهند و بدين صورت ، موجي از ذرات هوا توليد شده و يك پالس ارتعاش را در هوا با خود حمل مي كنند.
براي اينكه ببينيم اين كار چطور انجام مي شود به يك شيء ارتعاشي ساده ، نگاهي مي اندازيم:
وقتي زنگ اخبار به صدا در مي آيد ، فلز به سرعت مرتعش و به داخل و خارج خم مي شود ، وقتي كه فلز ، در يك طرف به بيرون خم مي شود ذرات هواي اطرافش را به داخل مي كشد و حفره اي را با فشار ايجاد مي كند كه اين حفره ذرات هواي نزديكش را به داخل مي كشد و باعث ايجاد حفره اي ديگر مي شود كه ذرات دورتر را به داخل مي كشند و به همين ترتيب ادامه مي يابد. به اين ترتيب يك شيء مرتعش ، موجي از نوسان فشار را به داخل فضا مي فرستد. وقتي كه موج نوسان به گوش مي رسد، پرده گوش را به جلو و عقب مرتعش مي سازد و مغز اين حركات را به شكل صدا تفسير مي كند.

ايجاد صدا
قبل از ورود به بحث ايجاد صدا بايد ببينيم كه به طور ساده يك صدا چگونه توسط يك ميكروفون ( و يا وسيله اي از اين دست) ، دريافت و سپس بر روي رسانه اي مانند نوار كاست ( بصورت آنالوگ ) و يا سي دي ( بصورت ديجيتالي ) ضبط مي شود.
ميكروفون تا حدي شبيه گوش انسان كار مي كند يعني ديافراگم هايي دارد كه با امواج صدا مي لرزند.ديافراگم در ميكروفون و ساختمان اسپيكر ، لايه نازكي از يك جسم بسيار حساس به صدا و ارتعاش است ( همان صفحه سياه رنگ كاغذي شكل بر روي بلندگو ها).
علائم دريافتي توسط ميكروفون ، پس از مراحلي مانند فيلتر كردن صدا ، بر روي نوار يا سي دي به شكل علائم الكترونيكي كدگذاري مي شوند.
وقتي يك سي دي موسيقي را در كامپيوتر اجرا مي كنيد ، علائمي كه روي سي دي و يا نوار ، بصورت كدگذاري شده ذخيره شده اند توسط هد دستگاه پخش صدا و يا نرم افزار پخش موسيقي مانند
WinAmp و متعاقب آن كارت صدا ، به جريان الكتريكي براي استفاده در اسپيكر تبديل مي شوند. اسپيكر دوباره آنها را بصورت ارتعاشات فيزيكي تبديل مي كند.
اسپيكر اساساً آخرين ماشين ترجمه است يعني برعكس ميكروفون ، اسپيكر علائم الكترونيكي را گرفته و آنها را بصورت ارتعاشات فيزيكي بر مي گرداند تا امواج صوتي توليد شود.

ديافراگم
يك اسپيكر از تركيب تعدادي Driver ( با درايور هاي نرم افزاري اشتباه نگيريد ) بزرگ و كوچك تشكيل مي شود.درايور درحقيقت اساسي ترين بخش يك اسپيكر است كه صدا را توليد مي كند . شكل 1 ، نمونه اي از يك درايور معمولي را نشان مي دهد.
يك درايور، امواج صدا را با ارتعاش سريع
Cone ( مخروط ) يا ديافراگم قابل انعطاف ، توليد مي كند.Cone كه معمولاً از كاغذ، پلاستيك و يا فلز ساخته شده به يك قاب عينكي مانند متصل و انتهاي باريك آن به حلقه صدا (Voice Coil ) وصل مي باشد.
حلقه صدا ، توسط بازو هايي به نام
Spider، به بدنه وصل شده است.Spider حلقه را سر جايش نگه مي دارد اما به آن اجازه مي دهد كه آزادانه به جلو و عقب حركت كند.

speaker-01-1_s.gif

 

شكل 1 : يك نمونه درايور با بدنه فلزي ، ديافراگم كاغذي و آهن رباي دائمي
حلقه صدا

 

حلقه صدا (Voice Coil ) ، اساساً يك آهن رباي مغناطيسي است. اگر شما با چگونگي نحوه كار آهن رباهاي مغناطيسي آشنا باشيد مي دانيد كه يك آهن رباي مغناطيسي حلقه سيمي است كه معمولاً به دور يك فلز مانند آهن پيچيده شده است. عبور جريان الكتريكي از ميان سيم ها ميدان مغناطيسي اي را به دور حلقه ايجاد مي كند و فلزي كه سيم ها به دور آن پيچيده شده را مغناطيسي مي كند. اين ميدان درست همانند ميدان مغناطيسي اطراف يك آهن رباي دائمي عمل مي كند ( كه داراي يك دو قطب ثابت مي باشد ، يك سر ، قطب شمال و يك سر، قطب جنوب ).
اما بر خلاف آهن رباي دائمي ، در آهن رباي مغناطيسي مي توانيد جهت گيري قطب ها را تغيير دهيد. اگر جريان را معكوس نماييد ، قطب شمال و جنوب آهن رباي مغناطيسي تغيير مي كنند. اين دقيقاً همان كاري است كه در يك سيستم پخش صدا انجام مي گيرد.اگر بلندگوي هاي يك دستگاه پخش صوت و يا اسپيكر كامپيوتر را وصل كرده باشيد ، مي دانيد كه هر اسپيكر دو سيم دارد ، معمولاً يك سيم قرمز و يك سيم سياه. سيمي كه از سيستم اسپيكر خارج مي شود به دو پريز اتصالي روي دستگاه پخش و يا كارت صدا وصل مي شود.
در يك سيستم پخش صدا ، آمپلي فاير به غير از افزايش حجم صدا ، دائماً جهت جريان را تغيير نيز مي دهد. اين تغيير جريان باعث مي شود كه جهت قطب آهن رباي مغناطيسي چندين بار در ثانيه برعكس شود.

آهن رباها
با اين توضيحات ، نوسان چگونه باعث مي شود كه حلقه ديافراگم اسپيكر ، پس و پيش شود و صدا توليد كند؟
آهن رباي الكتريكي در داخل يك ميدان مغناطيسي دائمي ، كه توسط يك آهن رباي دائمي ايجاد شده ، قرار گرفته است. اين دو آهن ربا ( آهن رباي الكتريكي و آهن رباي دائمي ) با هم فعل و انفعال دارند. قطب مثبت آهن رباي مغناطيسي جذب قطب منفي ميدان آهن رباي دائمي مي شود و قطب منفي آهن رباي الكتريكي توسط قطب منفي آهن رباي دائمي دفع مي شود. وقتيكه جهت گيري قطبي آهن رباي مغناطيسي تغيير مي يابد ، جهت دفع و جذب نيز به همان شكل تغيير مي كند. به اين ترتيب ، تغيير دائمي جريان، نيروهاي مغناطيسي بين
Voice Coil و آهن رباي دائمي را معكوس مي سازد. اين تغيير ، حلقه را با سرعت مثل يك پيستون پس و پيش مي سازد.

speaker-02-2_s.gif

 

شكل 2 : قسمت هاي مختلفي از يك درايور

 

وقتيكه جريان الكتريكي كه در ميان حلقه صدا در جريان است ، تغيير جهت مي دهد جهت گيري قطبي حلقه بر عكس مي شود. اين تغيير ، نيروهاي مغناطيسي بين Voice Coil و آهن رباي دائمي را تغيير داده و حلقه و ديافراگم را به سمت جلو و عقب مي كشد. حلقه وقتي كه حركت مي كند قسمت مخروطي درايور را كشيده و هل مي دهد. اين كار هواي مقابل اسپيكر را مرتعش ساخته و امواج صوتي توليد مي كند.
علائم صوتي الكتريكي را مي توان بعنوان يك موج نيز تفسير كرد. فركانس و بزرگي اين موج كه نمايانگر موج صداي اصلي است ، سرعت و فاصله حركت حلقه صوتي را ديكته مي كند. اين دو عرض فركانس و بزرگي امواج صوتي توليد شده توسط ديافراگم را تعيين مي كند.
سايزهاي مختلف درايور براي محدوده هاي مشخص فركانس مناسب تر هستند. به همين دليل ، اسپيكر هاي بزرگ يك محدوده فركانس گسترده را بين چندين درايور تقسيم مي كنند.در بخش بعد، درمي يابيم كه اسپيكرها چطور محدود فركانس را تقسيم مي كنند و نيز نگاهي خواهيم داشت به انواع درايورهايي كه در بلندگوها مورد استفاده قرار گرفته اند.

انواع دايور( Driver )
در بخش قبل ، ديديم كه درايورهاي قديمي با كشيدن و هل دادن يك آهن رباي مغناطيسي كه به يك مخروط انعطاف پذير وصل شده ، صدا توليد مي كنند. هر چند كه همه درايور ها بر همين اساس كار مي كنند اما محدوده وسيعي از درايور ها با سايز و قدرت مختلف وجود دارد. انواع درايورهاي اصلي عبارتند از:
ووفر يا درايور بم براي فركانس هاي پايين (
Woofers )
• درايوري براي فركانس هاي بالا (
Tweeters )
درايور هاي متوسط براي فركانس هاي متوسط (
Midranges )

Woofer ها بزرگترين درايور ها هستند و براي توليد صداهاي فركانس پايين طراحي شده اند. Tweeter ها ، درايور هاي كوچك تري مي باشند كه براي توليد فركانس هاي بالاتر طراحي شده اند. درايور هاي Midrange محدوده اي از فركانس ها را در حد وسط طيف صوتي توليد مي كنند. به شكل 3 دقت نماييد.

speaker-03-3_s.gif

 

شكل 3 : نمونه اي از انواع درايور ها ـ به ترتيب اندازه عبارتند از : Woofer ، Midrange و Tweeter.

 

براي ايجاد امواج با فركانس بالا، ديافراگم درايور بايد هر چه سريع تر مرتعش شود .اين كار در يك مخروط بزرگ به دليل اندازه مخروط، سخت است به همين دليل درايور هاي بزرگ فقط مناسب فركانس هاي پايين هستند.

محدوده فركانس
براي توليد هر چه بهتر صداي مطلوب بر روي محدوده اي وسيع از فركانس ، مي توان كل محدوده صدا را به قطعات كوچكتري تقسيم كرد كه با درايورهاي خاصي توليد شوند. اسپيكر هاي مرغوب معمولاً داراي يك Tweeter و يك Woofer و اغلب يك Midrange مي باشند.البته لازم است سيستم پخش كننده، ابتدا صدا را بر اساس محدوده فركانسي(براي اختصاص هر محدوه به يكي از درايور ها) تقسيم بندي كند.
تقسيم كردن صدا به فركانس پايين ، بالا و فركانس هاي متوسط وظيفه بخشي به نام
Crossover ( تقطيع كننده ) مي باشد.
علائم صوتي وقتي كه از ميان سيم ها به داخل درايور حركت مي كنند از ميان بخشي به نام
Crossover عبور مي كند( كه از سلف و خازن تشكيل شده ) و به اين ترتيب هر كدام فركانس هاي مخصوص خود را پخش مي كنند( شكل 4) .

speaker-04-4_s.jpg

 

شكل 4 : نمونه اي از يك Crossover

 

درايورها و Crossover ها را مي توان به صورت اجزاء جدا در يك سيستم صوتي نصب كرد ، اما در بيشتر اسپيكرها ، متقاطع كننده و درايورها با هم در يك محفظه قرار دارند.

بدنه آكوستيك اسپيكر
در اسپيكر ، درايورها و Crossover ها در نوعي محفظه مهر و موم شده جاي گرفته اند. اين محفظه چند كار را انجام مي دهد كه واضح ترين كار آن ، نصب راحت اسپيكر مي باشد. همه چيز درون يك محفظه قرار دارد.ديواره محفظه ها از پلاستيك فشرده ، چوب و يا ديگر مواد جامد ساخته شده اند كه به شكل موثري ارتعاشات درايورها را جذب مي كند.اگر يك درايور را روي ميزي بگذاريد ، ميز به قدري مي لرزد كه بسياري از صداهاي آن شنيده نمي شوند( به شكل 5 توجه كنيد ).

speaker-05-5_s.gif

 

شكل 5 : نمونه اي از يك اسپيكر سه تيكه شامل يك Sub Woofer و دو بلندگو كوچك براي توليد صدا هاي زير

 

علاوه بر اين ، محفظه اسپيكر بر چگونگي توليد صدا تاثير مي گذارد.
در قسمتي كه به نكات مربوط به بلندگوها پرداختيم بر اين مسئله اشاره داشتيم كه ارتعاش ديافراگم چطور امواج صوتي را به مقابل مخروط مي فرستد. اما از آنجا كه ديافراگم پس و پيش مي شود لذا در واقع امواج صوتي اي نيز در پشت مخروط توليد مي كند. انواع متفاوت بدنه اسپيكر ها ، روش هاي مختلفي براي مهار اين امواج « عقبي » دارند.
معمول ترين نوع ديواره، ديواره مهر و موم شده است كه ديواره
Acoustic Suspension نيز خوانده مي شود..اين نوع محفظه ها به دليل اينكه كاملا مهر وموم شده اند، هيچ هوايي از آن خارج نمي شود. اين بدان معني است كه امواج « جلويي » از داخل محفظه بيرون مي روند ، در حاليكه امواج « عقبي » تنها در داخل محفظه حركت مي كنند. البته از آنجا كه هيچ هوايي نمي تواند خارج شود ، لذا فشار هواي داخل دائماً در حال تغيير است( شكل 1 ـ 6 ).

speaker-06-6_s.jpg

 

شكل 6 : دو نمونه از محفظه اسپيكر

 

وقتيكه درايور به داخل حركت مي كند فشار بيشتر مي شود و وقتيكه درايور به بيرون حركت مي كند، فشار كمتر مي شود. هر دو حركت تفاوت فشاري را بين هواي داخل جعبه و بيرون آن ايجاد مي كنند. هوا هميشه در حركت است تا سطح فشار را برابر سازد. بنابراين درايور دائماً به سمت حالت « استراحت » اش رانده مي شود.اين نوع ديواره نسبت به طرح هاي ديگر كارآيي كمتري دارند. زيرا آمپلي فاير مجبور است علائم الكتريكي را زياد كند تا بر نيروي فشار هوا غلبه كند، با اين وجود اين نيرو عمل ارزشمندي را انجام مي دهد مانند فنري عمل مي كند كه درايور را در جايگاه درستش نگاه مي دارد. او اين كار را براي صداهاي واضح تر و محكم تر انجام مي دهد.
ديگر طرح هاي ديواره ها فشار داخلي را مجدداً به سمت بيرون هدايت مي كنند و با استفاده از آن موج صدا جلو را تكميل مي كنند. معمول ترين روش انجام اين كار ساخت يك دريچه كوچك در اسپيكر است( شكل 2 ـ 6 ). در اين اسپيكرها ، حركت عقبي ديافراگم موج هاي صوتي را به بيرون از دريچه هل داده و به سطح كلي صوت مي افزايد. مهمترين مزيت اين ديواره ها كارآيي آنها است و نقطه ضعف آن اين است كه هيچ اختلاف فشار هوايي وجود ندارد تا درايور را به عقب و به جاي خود بر گرداند، بنابراين صدايي توليد شده چندان واضح نيست.

ديگر مدل هاي اسپيكر
بيشتر اسپيكرها بوسيله درايورهاي قديمي صدا توليد مي كنند. اما چند تكنولوژي ديگر هم در بازار وجود دارند. اين مدل ها نسبت به اسپيكرهاي قديمي مزيت هايي دارند اما در ديگر زمينه ها كمبود هايي دارند.
محبوب ترين اينگونه اسپيكر ها ، اسپيكر الكترواستاتيك است. اين اسپيكرها هوا را با يك ديافراگم نازك و بزرگ، به ارتعاش در مي آورند. اين ديافراگم بين دو قاب رسانا ثابت، كه با يك جريان الكتريكي شارژ مي شوند، معلق است. اين قاب ها ميداني الكتريكي توليد مي كنند. علائم صوتي ، جرياني را از ميان قاب معلق هدايت مي كند كه به سرعت بين بار مثبت و منفي تغيير مي كند. وقتيكه بار مثبت است قاب به سمت انتهاي منفي ميدان كشيده مي شود و وقتيكه بار منفي است قاب به سمت انتهاي مثبت ميدان حركت مي كند.
ديافراگم بطور متناوب ، براساس علائم صوتي متغير، با يك جريان مثبت و جرياني منفي شارژ مي شود. وقتيكه ديافراگم بار مثبت دارد به سمت جلوي صفحه نوسان مي يابد و وقتيكه بارش منفي است به سمت صفحه پشتي نوسان مي يابد، به اين طريق، به شكل واضحي نمونه هاي ضبط شده اي از نوسانات هوا را مجدداً توليد مي كند.
به اين ترتيب، ديافراگم سريعاً هواي جلويش را مرتعش مي سازد. از آنجا كه اندازه قاب بسيار كوچك است، بسيار سريع و واضح به بارهاي علائم صوتي پاسخ مي دهد، اينكار باعث توليد صداهاي واضح و بسيار شفاف مي شود. اما قاب حركت زيادي نمي كند لذا در توليد اصوات با فركانس پايين ( بم ) چندان كارآمد نيست. به همين دليل، اسپيكرهاي الكترواستاتيك غالباً با يك
Woofer جفت مي شوند كه به محدوده فركانس پايين مي افزايد. مشكل ديگر اسپيكرهاي الكترواستاتيك اين است كه بايد آنها را به پريزهاي برق ديواري وصل كرد لذا جا دادن آنها در يك اتاق كاري بسيار مشكل است.

speaker-07-7_s.gif

شكل 7: نمونه اي از يك اسپيكر از نوع الكترواستاتيك

 

گزينه ديگراسپيكرهايPlanar Magnetic است. اين دستگاه ها از يك نوار بلند فلزي كه بين دو صفحه مغناطيسي معلق است استفاده مي كنند. اين اسپيكرها اساساً به همان روشي كار مي كنند كه اسپيكرهاي الكترواستاتيك كار مي كنند با اين تفاوت كه جريان مثبت و منفي متغير، ديافراگم را در يك ميدان مغناطيسي حركت مي دهد نه در يك ميدان الكتريكي. اين اسپيكرها همانند اسپيكرهاي الكترواستاتيك صداهايي با فركانس بالا را بسيار واضح توليد مي كنند اما صداهاي با فركانس پايين كمتر مشخص اند. هر دو اين طرح ها هر روز به محبوبيت بيشتري در ميان علاقمندان صوتي دست مي يابند، اما درايورهاي قديمي هنوز كاملاً متداولند.شما هر جا كه برويد آنها را مي بينيد نه فقط در دستگاه هاي استريو بلكه در تلويزيون ، كامپيوتر و چندين وسيله ديگر.
حيرت آور است كه چطور يك چنان مفهوم ساده اي ،دنياي مدرن را دچار تغيير و تحول ساخته است.

منبع: رایانه خبر