مبدل های صدا

مبدل‌های صدا از انرژی الکتریکی برای ایجاد ارتعاش استفاده می‌کنند تا امواج با طول موج‌های خاصی در هوا پراکنده شود

صدا نام کلی برای امواج صوتی می‌باشد. این امواج صوتی فرکانس‌های متفاوتی دارند که از یک هرتز (1Hz) یا چند کیلوهرتز (kHz) متغیر است. اما بازه‌ی شنوایی انسان تا ۲۰KHz می‌باشد.

۱. مبدل های صدا

مبدل‌های صدا امواج صوتی تولید می‌کنند.  امواج صوتی برای انتقال نیاز به یک ماده‌ی واسط دارند. به عنوان مثال هوا، مایعات یا جامدات.

همچنین لزومی ندارد که صدا یک موج پیوسته باشد؛ گاهی اوقات صداها به صورت یک پالس شدید یا نویز می‌باشند.

مبدل‌های صدا سنسورهایی داخلی هستند که صدا را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند: مانند اسپیکرها.

گوش انسان تنها می‌تواند امواج صوتی با فرکانس بین ۲۰Hz تا۲۰KHz را بشنود اما امواج صوتی تنها به این بازه محدود نمی‌شوند.

مبدل‌های صدایی وجود دارند که می‌توانند امواج صوتی با فرکانس فوق‌العاده پایین را تشخیص دهند که به آن امواج فروصوت (Infra-sound) می‌گویند. همچنین آن‌ها قادر هستند فرکانس‌های فوق‌العاده بالای امواج صوتی که به اولتراساند (Ultrasound) نیز معروف هستند را شناسایی کنند.

صدا چیست؟

صدا به طور پایه نوعی از انرژی است که توسط یک ارتعاش مکانیکی به وجود می‌آید و فرکانس مخصوص به خودش را دارد که وابسته به منبع صدا می‌باشد. به عنوان مثال یک طبل صدایی با فرکانس پایین را تولید می‌کند در حالیکه سنج فرکانس بالاتری دارد.

یک موج صوتی خصیصه‌هایی مشابه یک موج الکترومغناطیسی دارد: مانند طول موج (λ) فرکانس (f) و سرعت (m/s).

فرکانس صدا و شکل موج توسط منبعی که صدا را تولید کرده تعیین می‌شوند اما پارامتر سرعت وابسته به واسطی ( هوا ، آب و…) است که صوت از آن عبور می‌کند. رابطه‌ی بین طول موج، سرعت و فرکانس در زیر نشان داده شده است.

روابط بین امواج صوتی

۲. روابط بین امواج صوتی

طول موج: بازه زمانی است که یک سیکل به طور کامل طی می‌کند و آن را با علامت (λ) نشان می‌دهند .

فرکانس: تعداد سیکل هایی است که یک موج در ثانیه طی می‌کند .

سرعت: سرعت صدا هنگام عبور از یک واسط خاص بر حسب متر بر ثانیه می‌باشد که آن را با علامت (V) نشان می‌دهند .

میکروفون

میکروفون یک مبدل صدا می‌باشد که می‌تواند به عنوان سنسور صدا نیز لقب بگیرد. چرا که قادر است یک خروجی آنالوگ الکتریکی تولید کند که وابسته به امواج صوتی است که دریافت کرده. به طور کلی سیگنال خروجی از یک میکروفون یک سیگنال الکتریکی به صورت ولتاژ یا جریان می‌باشد.

اکثر میکروفون‌هایی که در دسترس عموم قرار دارند دینامیک، الکترت( Electret Condenser) یا پیزوالکتریک هستند. از میکروفون غالباً برای ضبط صوت در تلفن‌ها و موبایل ها، ضبط‌های کامپیوتری و اسکنرهای بدن استفاده می‌شود.

( اسکنرهای بدن غالباً از امواج اولتراساند استفاده می‌کنند ) یک مثال از یک میکروفون دینامیک در ذیل آورده شده است.

میکروفون هایی که از یک سیم پیچ متحرک (دینامیک) استفاده می‌کنند

۳. میکروفون هایی که از یک سیم پیچ متحرک (دینامیک) استفاده می‌کنند

ساختار یک میکروفون دینامیک تا حد زیادی شبیه به اسپیکر می‌باشد، اما به صورت معکوس عمل می‌کند. میکروفون دینامیک از القای الکترومغناطیسی برای تبدیل امواج صوتی به سیگنال الکتریکی استفاده می‌کند. درون این نوع میکروفون یک سیم‌پیچ کوچک قرار گرفته که یک میدان مغناطیسی که توسط آهنربای دائم تولید شده آن را معلق نگه داشته هنگامی که امواج صوتی به دیافراگم متحرک برخورد می‌کند، دیافراگم در پاسخ به فشار امواج صوتی به عقب و جلو می‌رود و باعث می‌شود که سیم پیچ در داخل میدان مغناطیسی جابه جا شود.

حرکت سیم پیچ در داخل میدان مغناطیسی باعث می‌شود که ولتاژی در داخل سیم پیچ به وجود بیاید. این سیگنال ولتاژ با میزان فشار امواج صوتی تناسب دارد و هر چقدر امواج صوتی قوی‌تر باشند سیگنال الکتریکی تولید شده نیز دارای ولتاژ بیشتری خواهد بود در‌واقع این میکروفون به صدا حساس می‌باشد.

سیگنال الکتریکی خروجی در این میکروفون‌ها با سیگنال صوت ورودی ۹۰ درجه اختلاف فاز دارد و از آن جایی که سیم پیچ یک ماده ی القایی با امپدانس پایین است ولتاژ خروجی دامنه ی فوق‌العاده کمی دارد و باید به گونه‌ای تقویت شود.

از آنجایی که ساختار یک میکروفون شباهت زیادی به اسپیکر دارد، حتی می‌توان از یک اسپیکر به عنوان میکروفون نیز بهره جست.

البته واضح است که کیفیت صدای ضبط شده توسط اسپیکر به خوبی میکروفون‌هایی که در استودیوها استفاده می‌شوند نخواهد بود، اما پاسخ فرکانسی اسپیکر فوق‌العاده بهتر از میکروفون‌های ارزان‌قیمت می‌باشد. در ضمن امپدانس سیم پیچ بین ۸ تا ۱۶ اهم تغییر می‌کند.

مبدل خروجی اسپیکر

اسپیکر در دزدگیرها، زنگ‌ها، بوق‌ها و خیلی دستگاه‌های دیگر کاربرد دارند. اسپیکرها مبدل‌های صوتی می‌باشند که در دسته‌ی اکچویتورهای صوتی قرار می‌گیرند و عملکردشان دقیقاً برعکس میکروفون می‌باشد. کار آن‌ها این است که سیگنال‌های الکتریکی آنالوگ را تبدیل به امواج صوتی می‌کنند که تا حد ممکن به امواج صوتی ورودی شباهت داشته باشد.

۴. مبدل خروجی اسپیکر

اسپیکرها در انواع و اقسام و شکل‌ها و سایزها موجود می‌باشد و از سیستم‌های مختلفی از جمله سیم‌پیچ متحرک، الکترواستاتیک و کریستال‌های پیزوالکتریک برای کارکردشان استفاده می‌کنند. اسپیکرها با سیم‌پیچ متحرک رایج ترین نوع اسپیکر در مدارات الکترونیکی و کیت‌ها هستند که ما در زیر به بررسی آن می‌پردازیم.

اصول کارکرد اسپیکر با سیم‌پیچ متحرک دقیقاً برعکس میکروفون‌های دینامیک می‌باشد. یک سیم‌پیچ درون یک میدان مغناطیسی فوق‌العاده قوی معلق می‌باش.د دیافراگم نیز از یک کاغذ با پرده‌ی نازک مخروطی شکل درست شده که به یک چارچوب فلزی متصل شده، اما برخلاف میکروفون‌ها که فشار هوای بیرون را دریافت می‌کنند؛ اسپیکرها ارتعاشاتی را می‌سازند که منجر به تغییر فشار هوا شود.

اسپیکر با سیم پیچ متحرک

۵. اسپیکر با سیم پیچ متحرک

هنگامی که یک سیگنال آنالوگ از سیم‌پیچ یک اسپیکر عبور می‌کند، یک میدان الکترومغناطیسی ساخته می‌شود که قدرتش وابسته به جریان سیگنال آنالوگ است. جریان این سیگنال نیز با دکمه ی کنترل صدا مشخص می‌شود که تقویت‌کننده‌ی داخلی اسپیکر را تنظیم می‌کند نیروی الکترومغناطیسی که توسط عبور جریان از سیم‌پیچ ایجاد می‌شود با میدان مغناطیسی آهنربا تداخل می‌کند و سیم‌پیچ به سمت قطب شمال یا جنوب آهنربا انحراف پیدا می‌کند.

از آن جایی که سیم‌پیچ به دیافراگم متصل شده با حرکت سیم‌پیچ دیافراگم نیز به لرزه درمی آید و حرکتش باعث ارتعاش هوای اطراف می‌شود و در نتیجه یک موج صوتی تولید می‌شود. اگر سیگنال ورودی یک موج سینوسی پیوسته باشد دیافراگم مخروطی مانند یک پیستون به سمت داخل و خارج حرکت می‌کند و یک صدای پیوسته با تن ثابت به گوش می‌رسد. قدرت و سرعتی که دیافراگم مخروطی بر اساس آن جابه جا می‌شود ، میزان بلندی صدا را تعیین می‌کند.

سیم‌پیچ میکروفون یا اسپیکر مانند هر سیم‌پیچ دیگری یک بار القایی است و دارای امپدانس می‌باشد. مقدار امپدانس برای اکثر اسپیکر‌ها از ۴ تا ۱۶ اهم تغییر می‌کند. امپدانس نامی اسپیکر هنگامی به دست می‌آید که یک سیگنال DC به آن اعمال می‌شود .( فرکانس برابر با صفر)

فراموش نکنید که امپدانس خروجی توقیت کننده باید با امپدانس نامی اسپیکر تطبیق داشته باشد تا ماکزیمم قدرت از تقویت‌کننده به سیم‌پیچ انتقال می‌یابد.

در ضمن انتخاب یک کابل مناسب برای اسپیکر یک فاکتور مهم در بالا بردن کارایی اسپیکر می‌باشد. از آن جایی که ظرفیت خازنی و میدان مغناطیسی که یک کابل تولید می‌کند متناسب با فرکانس تغییر می‌کند؛ ممکن است در برخی موارد انحراف فاز و فرکانس به وجود بیاید و این امر باعث ایجاد نویز بر روی سیگنال می‌شود. در ضمن در تقویت‌کننده‌های توان بالا جریان‌های فوق‌العاده زیادی از سیم‌ها می‌گذرد که ممکن است کابل های نازک را دچار سوختگی کند.

گوش انسان می‌تواند اصواتی که در بازه ی فرکانسی ۲۰Hz تا۲۰KHz هستند را بشنود. به همین دلیل اکثر اسپیکرها برای این بازه‌ی فرکانسی طراحی شده‌اند.

به هر حال برخی سیستم‌های صوتی خاص (Hi-Fi) (High performance-High fidelity) نیز وجود دارند که پاسخ‌های فرکانسی را به چند زیر مجموعه تقسیم می‌کنند و به این وسیله کارایی اسپیکرها و کیفیت صدای تولیدی را افزایش می‌دهند به جدول زیر نگاه کنید:

تقسیم‌بندی کلی بازه‌های فرکانسی

بازه‌ی فرکانسی

نام دسته بندی

برخی از اسپیکرهای جعبه‌ای چند گاه وجود دارند که اسپیکرهای تخصصی ووفر (Woofer) (اسپیکر برای فرکانس‌های پایین)، توییتر(Tweeter) اسپیکربرای فرکانس‌های بالا و فرکانس‌های میانه را به صورت یک پکیج در کنار هم مجتمع کرده‌اند و از شبکه جداکننده امواج صوتی برای جدا کردن فرکانس ها و پخش شدن شان توسط اسپیکر تخصصی درون مجموعه استفاده می‌کنند.

شبکه‌ی جداکننده امواج صوتی متشکل از یک مقاومت، سلف ، خازن و یک فیلتر پسیو RLC یا یک فیلتر اکتیو آپ امپ می‌باشد که فرکانس فیلترینگ برایش تعریف شده‌است. مثالی از یک طراحی اسپیکر چند گانه (Hi-Fi) در زیر آورده شده است :

طرح کلی یک اسپیکر چند گانه

۶. طرح کلی یک اسپیکر چند گانه

در این مقاله به مبدل‌های  صدای گوناگونی پرداختیم که می‌توانند برای تشخیص تا تولید امواج صوتی به کار روند. میکروفون و اسپیکرها معروف‌ترین مبدل‌های  صدا هستند. اما انواع دیگری از مبدل‌های  صدا نیز موجود هستند که از کریستال پیزوالکتریک برای تشخیص فرکانس‌های فوق‌العاده بالا استفاده می‌کنند. همچنین هیدروفون‌ها (Hyrdophones) یا دستگاه‌های شنود زیرآبی برای تشخیص و ضبط صداهایی که درون آب تولید می‌شود؛ کاربرد دارند. از دستگاه‌های مبدل امواج فراصوت نیز برای انتقال یا دریافت امواج فراصوت به منظور ردیابی زیردریایی‌ها و کشتی‌ها استفاده می‌شود.