0 THE LOUDSPEAKER

THE LOUDSPEAKER

تعتبر سماعات الصوت من الاجهزة التي لا يمكن الاستغناء عنها فهي موجودة فياي نظام صوتي مثل التلفزيون والمسجل والكمبيوتر والتلفون وجرس الباب وجرسالمنبه وغيره، كما وتعتمد نقاوة الصوت ووضوحه على نوع السماعات المستخدمة،فلو توفر لديك تسجيل صوتي على درجة عالية من الجودة وقمت بتشغيل التسجيلالصوتي على جهاز متصل بسماعات منخفضة الجودة لحصلت على نتيجة سيئة لا تعكسجودة الصوت المسجل. والسماعات تقوم بتحويل الاشارة الالكترونية المخزنةعلى اشرطة التسجيل او اقراص CD أو اقراص DVD إلى صوت نسمعه. في هذا الدرس باذن الله سوف نوضح كيف تقوم السماعات باصدار الصوت وسوف نشرح تركيبها ومكوناتها وانواعها المختلفة.

اساسيات

لكي نفهم كيف تعمل السماعة يجب ان نفهم كيف يعمل الصوت، ففي اذن كل واحدفينا غشاء رقيق يسمى طبلة الاذن. عندما تهتز طبلة الاذن نتيجة لاضطراب فيضغط الهواء وتخلخله فإن الدماغ يقوم بترجمة هذه الاهتزازات إلى صوت.فعندما يصدر اي جسم صوت فإن جزيئات الهواء تتضاغط وتتخلخل وتنتشر في فيالوسط المحيط (الهواء) وتقوم بالتأثير على طبلة الأذن لنسمع الصوت. وتعتبرحركة جزيئات الهواء هي الاشارة الصوتية التي تحمل الصوت وحركة غشاء الطبلةيعمل على ترجمة هذه الاشارة لنسمع الصوت.

ولتوضيح الفكرة نفترض جرساً يتحرك بصورة منتظمة مما يسبب في اهتزاز جدارهالمعدني فتنتقل الاهتزازات إلى الهواء المجاور له وتنتشر في صورة اضطرابات(تضاغط وتخلخل) في الهواء وعندما تصطدم باذن الانسان فإنها تتحول إلىالصوت الذي نسمعه للجرس.

تمييز الصوت

من المعلوم اننا نسمع اصواتاً مختلفة من مصادر متعددة ويعود هذا الى التغير في:

تردد موجة الصوت: فالتردد العالي للصوت يعني ان تضاغط وتخلخل الهواء يحدث بمعدل كبير. ونقول ان الصوت ذو نغمة عالية.

مستوى ضغط الهواء: وهي ما يعرف باتساع الموجة فكلما كان اتساع الموجة كبيرا ً كان الصوت مرتفعاً وهذا يحدث ازاحة اكبر لطبلة الاذن.

يعمل الميكرفون عمل الاذن حيث يتكون الميكروفونمن غشاء يهتز بواسطة الصوت الصادر امامه ويتم تحويلها الى اشارة كهربيةمتغيرة ومن ثم يتم تسجيلها اما على شريط تسجيل او على قرص CD. وعندما نقومبتشغيل الشريط او قرص CD فإن جهاز الاستيريو يقوم بقراءة الاشارة الكهربيةويكبرها بواسط المكبر amplifier ويرسلها إلى السماعات المتصلة به لنسمعالصوت الذي تم تسجيله. والان سوف نقوم بشرح كيف تصدر السماعات الصوتالمماثل للصوت الاصلي الذي سجل بواسطة الميكرفون.

انتاج الصوت

تعتبر السماعة المرحلة الاخيرة في ترجمة الاشارات الصوتية واصدار الصوتوهي تقابل الميكرفون في مرحلة تسجيل الصوت، حيث تقوم السماعة بتحويلالاشارات الكهربية الى حركة ميكانيكية تصدر الصوت المسموع.


غشاء السماعة diaphragm



تصدر السماعة الصوت من خلال تذبذب عشاء diaphragm ذو الشكل المخروطيوالمكون من الورق او البلاستيك او في بعض الاحيان من المعدن، ويتم تثبيتالجزء العلوي للمخروط بمادة مرنة تسمى suspension تسمح للمخروط بالحركةوالاهتزاز داخل تجويف معدني يسمى basket، ويثبت في نهاية المخروط ملفالصوت voice coil والذي يكون مثبت في التجويف المعدني بواسطة مادة مرنةتسمى spider تعمل على تثبيت ملف الصوت في مكانه بينما تسمح له بالحركةللامام والخلف فقط.

الملف الصوتي Voice Coil





وهذا ما تقوم به الاشارة الكهربية الصوتية الصادرة عن المكبر amplifierحيث تعمل على تمرير تيار كهربي متردد في الملف، وعند قيامك بالنظر إلى ايسماعة سوف تجد نقتطي توصيل التيار الكهربي للملف.

يتكون الملف الصوتي سلك يتم لفه على قطعة من الحديد، وعندما يمر تياركهربي في يتولد مجال كهربي يعمل على تحويل القطعة الحديدية إلى مغناطيسوهذا يسمى المغناطيس الكهربي electromagnet.وكأي مغناطيس عادي فإن المغناطيس الكهربي له قطبين شمالي وجنوبي ولكنالامر هنا مختلف حيث انه اذا كان التيار الكهربي المار في الملف هو تيارمتردد فإن قطبي المغناطيس سوف يتغيران باستمرار حسب اتجاه مرور التيارالكهربي في الملف. ولهذا فإن عكس اتجاه التيار الكهربي في الملف يؤدي إلىان عكس قطبي المغناطيس.

نقطتي توصيل الاشارة الكهربية التي تحمل الصوت في السماعة

المغناطيس Magnets

والسؤال الان ما الدور الذي يقوم به المغناطيس الدائم المثبت في السماعة؟نعلم ان في اسفل كل سماعة يوجد مغناطيس قوي يصدر هذا المغناطيس مجالاًمغناطيسياً دائماً ويكون الملف الصوتي موجوداً باستمرار داخل هذا المجالالمغناطيسي وعندما تمر الاشارة الكهربية الصوتي في الملف الصوتي يتحول إلىمغناطيسي كهربي وحسب قطبية المغناطيس الكهربي فإن المغناطيس الدائم يتجاذباو يتنافر مع الملف الصوتي وحيث ان التيار الكهربي الصوتي المار في الملفالصوتي هو تيار متردد فإن قطبية المغناطيس الكهربي تتغير بنفس الطريقةولذلك يتحرك الملف الصوتي تحت تأثير قوة التجاذب او التنافر مع المغناطيسالدائم.

حركة الملف الصوتي سوف تعمل على تحريك المخروط المثبت في الملف وفي الجهةالثانية مثبت بواسطة غشاء مرن في جسم السماعة، وحركة المخروط تحدث تضاغطاتوتخلخلات في الهواء المحيط بها ينتقل في الوسط إلى الاذن فنسمع الصوت.

وحيث ان الاشارة الكهربائية الصوتية المارة في الملف الكهربي تحمل ترددوسعة تعكس الصوت الذي احدثها فإن الصوت الناتج من السماعة له نفس الترددوالسعة ولهذا يكون الصوت الصادر من السماعة مطابقاً للصوت الاصلي.

أنواع السماعات

توجد السماعات بانواع واشكال عديدة واحجام مختلفة وهنا يجب ان نعلم ان حجمالسماعة له علاقة بتردد الصوت الذي يصدره فالسماعة الكبيرة والتي تسمى woofers ويصل قطر السماعة إلى 25 سم وتكون مخصصة لاصدار الاصوات ذات الترددات المنخفضة مثل صوت الطبلة. والسماعات الصغيرة tweetersحيث يصل قطرها إلى 3 سم وهي مناسبة للاصوات ذات الترددات العالية مثل صوتالالات الحادة كالجتار. وهناك السماعات متوسطة الحجم midrange والتيتستخدم للترددات المتوسطة.

ولذلك نجد ان احسن وسيلة للحصول على افضل جودة صوت هواستخدام الانواع الثلاثة من السماعات مع بعضها البعض للحصول على كلالترددات في النغمة الصوتية، لانه لا يمكن للسماعة الكبيرة ان تصدرالترددات المرتفعة حيث يتطلب منها ان تتذبذب بسرعة كبيرة في حين انالسماعة الصغيرة غير قادرة على اصدار الترددات المنخفضة. ولذلك نجد فيالانظمة الصوتية المتقدمة يحتوي صندوق السماعة على سماعة كبيرة واخرىصغيرة وفي بعض الاحيان السماعة الوسطية وذلك ليتم تغطية كل نطاق التردداتالصوتية.

كيف يتم فصل الترددات الصوتي؟

نظراً لاتساع مدى الترددات الصوتية من 20Hz إلى 20,000Hz فإن هذا المدىقسم إلى ثلاثة مناطق هي الترددات العالية والترددات المتوسطة والتردداتالمنخفضة ولكل نوع من هذه الترددات سماعة مخصصة له موجودة كلها في داخلصندوق واحد. والذي يقوم بتوزيع الترددات على السماعات يسمى الفاصلcrossover.

النوع الاكثر استخداماً هو الذي يعرف باسم passive crossover ويتكونمن مكثف كهربي وملف كهربي حيث يكون المكثف موصلاً للتيار الكهربي عندالترددات العالية بينما يكون عازلاً للتيار الكهربي عند التردداتالمنخفضة، ويعمل الملف بالعكس حيث يكون موصلاً للتيار الكهربي عندالترددات المنخفضة وعازلاً عند الترددات العالية

عندما تخرج مرور الاشارة الكهربية الصوتية من المكبر amplifier في طريقهاإلى السماعة تمر عبر الفاصل passive crossover المثبت عند كل نوع منالسماعات فاذا كانت الترددات كبيرة فإنها تدخل عبر المكثف الى السماعةالصغيرة واذا كان الصوت ذو ترددات منخفضة فإنها تدخل عبر الملف إلىالسماعة الكبيرة، وفي حالة السماعات الوسطية يتم استخدام كلا من الملفوالمكثف بحيث يتم اختيار قيم محددة لسعة المكثف وحث الملف ليتناسب معالمدى من الترددات الخاصة بهذه السماعة.

أما النوع الثاني من الفاصل وهو ما يسمى active crossoverوهو عبارة عن قطعة الكترونية تعمل على فصل الترددات قبل دخولها إلى جهازالتكبير amplifier. وهذه الطريقة تستخدم عندما يكون هناك دائرة تكبير خاصةلكل نوع من انواع السماعات المستخدم. والاجهزة التي تستخدم هذه الطريقةتعتبر اغلى سعر من الانواع التي تستخدم الطريقة الاولى.

تصميم صندوق السماعات

في معظم الانظمة الصوتية فإن اكثر من نوع من السماعات يتم تثبيتها فيصندوق خاص لتعمل كلها مع بعض لتصدر الصوت بكل تردداته. ويكون للصندوقالقدرة على امتصاص الاهتزازات التي تصدر عن السماعة نفسها وفي الغالب يكونالصندوق مصنوعاً من الخشب وبعض المواد الأخرى. كما ان لشكل الصندوقالمستخدم اثر كبير على جودة الصوت ووضوحه حيث ان الصوت الصادر عن حركةمخروط السماعة يصدر الصوت في اتجاه الخروج من الصندوق وفي نفس الوقت فيالاتجاه المعاكس داخل الصندوق.

النوع الاول الصندوق المغلق sealed enclosure



وهذا النوع الاكثر استخداماً ويكون فيه الصندوق مغلق تماماً ويسمىacoustic suspension enclosure حيث تنتشر الامواج الصوتية للخارج عند حركةمخروط السماعة للخارج بينما تنتشر الامواج الصوتية إلى الداخل عندما يتحركالمخروط للداخل وينتج عن هذه الحركة زيادة ونقصان في ضغط الهواء داخلالصندوق عن الضغط الخارجي.

يعتبر هذا النوع من الانواع الاقل كفاءة حيث يعملالمكبر amplifier إلى تكبير الاشارة الكهربائية الصوتية بالشكل الكافيللتغلب على الفرق في الضغط الحادث داخل الصندوق.

النوع الثاني الصندوق العاكس bass reflex enclosure


يعمل هذا النوع من الصناديق عكس الصوت الخلفي واخراجه من الصندوق عن طريقفتحة في الصندوق فعندما يتحرك مخروط السماعة للداخل يسمح للهواء المنضغطبالخروج من الفتحة وعندما يتحرك المخروط للامام يتم سحب هواء من خلالالفتحة للحفاظ مستوى الضغط وتسمى هذه الانواع من الصناديق باسم bassreflex حيث يتم فيها الاستفادة من الهواء المندفع للخارج في احداث تكبيرللترددات الصوتية المنخفضة.

هذا النوع يجمع بين النوع الاول والنوع الثاني في تصميم واحد حيثان الصندوق المستخدم هنا صندوق مغلق ولكن في نفس الوقت تم تثبيت سماعة فيالاتجاه الخلفي غير متصلة مع المكبر ولا يوجد فيها ملف صوتي وانما تتحركتحت تأثير الامواج الصوتية المرتدة لداخل الصندوق ويسمى هذا النوع passiveradiator. وتستخدم هذا النوع من السماعات انظمة السينما المزلية hometheater

السماعات الالكتروستاتيكية electrostatic speaker



بالاضافة الى السماعات التي سبق شرحها يوجد الان نوع اخر من السماعات تسمىالسماعات الالكتروستايكية. تتركب هذا النوع من السماعات من شريحتينمعدنيتين متوازيتين احدهما مشحونة بشحنة موجبة والأخرى مشحونة بشحنة سالبةوموجود بينهما شريحة معدنية رقيقة. عندما تمر الاشارة الكهربائية الصوتيةفي الشريحة الرقيقة تعمل على احداث شحنة كهربية اضافية على الشريحة فتتحركتحت تأثير المجال الكهربي.

وبهذه الطريقة تتذبذب الشريحة بين اللوحين المعدنينين مما تحدث تضاغط وتخلخل في جزيئات الهواء والتي تنتقل كصوت.

لعلك تلاحظ الان بساطة فكرة عمل السماعة في اصدار الصوت الذي نسمعه سواءمن المسجل او التلفزيون او الجوال او حتى جرس الباب او الميكرويف. وبغضالنظر عن حجم وشكل السماعة فإن مبدأ عملها واحد.