موقع المهندس موقع المهندس بيت كل مهندس تعتبر سماعات الصوت من الاجهزة التي لا يمكن الاستغناء عنها فهي موجودة في اي نظام صوتي مثل التلفزيون والمسجل والكمبيوتر والتلفون وجرس الباب وجرس المنبه وغيره، كما وتعتمد نقاوة الصوت ووضوحه على نوع السماعات المستخدمة، فلو توفر لديك تسجيل صوتي على درجة عالية من الجودة وقمت بتشغيل التسجيل الصوتي على جهاز متصل بسماعات منخفضة الجودة لحصلت على نتيجة سيئة لا تعكس جودة الصوت المسجل. والسماعات تقوم بتحويل الاشارة الالكترونية المخزنة على اشرطة التسجيل او اقراص CD أو اقراص DVD إلى صوت نسمعه.
في هذه المقالة من كيف تعمل الاشياء 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 واحد فينا غشاء رقيق يسمى طبلة الاذن. عندما تهتز طبلة الاذن نتيجة لاضطراب في ضغط الهواء وتخلخله فإن الدماغ يقوم بترجمة هذه الاهتزازات إلى صوت. فعندما يصدر اي جسم صوت فإن جزيئات الهواء تتضاغط وتتخلخل وتنتشر في في الوسط المحيط (الهواء) وتقوم بالتأثير على طبلة الأذن لنسمع الصوت. وتعتبر حركة جزيئات الهواء هي الاشارة الصوتية التي تحمل الصوت وحركة غشاء الطبلة يعمل على ترجمة هذه الاشارة لنسمع الصوت.
ولتوضيح الفكرة نفترض جرساً كما في الشكل ادناه يتحرك بصورة منتظمة مما يسبب في اهتزاز جداره المعدني فتنتقل الاهتزازات إلى الهواء المجاور له وتنتشر في صورة اضطرابات (تضاغط وتخلخل) في الهواء وعندما تصطدم باذن الانسان فإنها تتحول إلى الصوت 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 الميكروفون من غشاء يهتز بواسطة الصوت الصادر امامه ويتم تحويلها الى اشارة كهربية متغيرة ومن ثم يتم تسجيلها اما على شريط تسجيل او على قرص CD. وعندما نقوم بتشغيل الشريط او قرص CD فإن جهاز الاستيريو يقوم بقراءة الاشارة الكهربية ويكبرها بواسط المكبر amplifier ويرسلها إلى السماعات المتصلة به لنسمع الصوت الذي تم تسجيله. والان سوف نقوم بشرح كيف تصدر السماعات الصوت المماثل للصوت الاصلي الذي سجل بواسطة الميكرفون.
انتاج الصوت
تعتبر السماعة المرحلة الاخيرة في ترجمة الاشارات الصوتية واصدار الصوت وهي تقابل الميكرفون في مرحلة تسجيل الصوت، حيث تقوم السماعة بتحويل الاشارات الكهربية الى حركة ميكانيكية تصدر الصوت المسموع.
غشاء السماعة diaphragm
تصدر السماعة الصوت من خلال تذبذب عشاء diaphragm ذو الشكل المخروطي والمكون من الورق او البلاستيك او في بعض الاحيان من المعدن، ويتم تثبيت الجزء العلوي للمخروط بمادة مرنة تسمى suspension تسمح للمخروط بالحركة والاهتزاز داخل تجويف معدني يسمى basket، ويثبت في نهاية المخروط ملف الصوت voice coil والذي يكون مثبت في التجويف المعدني بواسطة مادة مرنة تسمى spider تعمل على تثبيت ملف الصوت في مكانه بينما تسمح له بالحركة للامام والخلف فقط.
الملف الصوتي Voice Coil
يتكون الملف الصوتي سلك يتم لفه على قطعة من الحديد، وعندما يمر تيار كهربي في يتولد مجال كهربي يعمل على تحويل القطعة الحديدية إلى مغناطيس وهذا يسمى المغناطيس الكهربي electromagnet.
وكأي مغناطيس عادي فإن المغناطيس الكهربي له قطبين شمالي وجنوبي ولكن الامر هنا مختلف حيث انه اذا كان التيار الكهربي المار في الملف هو تيار متردد فإن قطبي المغناطيس سوف يتغيران باستمرار حسب اتجاه مرور التيار الكهربي في الملف. ولهذا فإن عكس اتجاه التيار الكهربي في الملف يؤدي إلى ان عكس قطبي المغناطيس.
وهذا ما تقوم به الاشارة الكهربية الصوتية الصادرة عن المكبر amplifier حيث تعمل على تمرير تيار كهربي متردد في الملف، وعند قيامك بالنظر إلى اي سماعة سوف تجد نقتطي توصيل التيار الكهربي للملف.
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 مجالاً مغناطيسياً دائماً ويكون الملف الصوتي موجوداً باستمرار داخل هذا المجال المغناطيسي وعندما تمر الاشارة الكهربية الصوتي في الملف الصوتي يتحول إلى مغناطيسي كهربي وحسب قطبية المغناطيس الكهربي فإن المغناطيس الدائم يتجاذب او يتنافر مع الملف الصوتي وحيث ان التيار الكهربي الصوتي المار في الملف الصوتي هو تيار متردد فإن قطبية المغناطيس الكهربي تتغير بنفس الطريقة ولذلك يتحرك الملف الصوتي تحت تأثير قوة التجاذب او التنافر مع المغناطيس الدائم.
حركة الملف الصوتي سوف تعمل على تحريك المخروط المثبت في الملف وفي الجهة الثانية مثبت بواسطة غشاء مرن في جسم السماعة، وحركة المخروط تحدث تضاغطات وتخلخلات في الهواء المحيط بها ينتقل في الوسط إلى الاذن فنسمع الصوت.
وحيث ان الاشارة الكهربائية الصوتية المارة في الملف الكهربي تحمل تردد وسعة تعكس الصوت الذي احدثها فإن الصوت الناتج من السماعة له نفس التردد والسعة ولهذا يكون الصوت الصادر من السماعة مطابقاً للصوت الاصلي.
أنواع السماعات
توجد السماعات بانواع واشكال عديدة واحجام مختلفة وهنا يجب ان نعلم ان حجم السماعة 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 tweeters حيث يصل قطرها إلى 3 سم وهي مناسبة للاصوات ذات الترددات العالية مثل صوت الالات الحادة كالجتار. وهناك السماعات متوسطة الحجم midrange والتي تستخدم للترددات المتوسطة.
على اليمين صورة سماعة woofer وعلى اليسار سماعة tweeter ولمقارنة ابعاد السماعتين استعن بالقطعة النقدية في الصورة
ولذلك نجد ان احسن وسيلة للحصول على افضل جودة صوت هو استخدام الانواع الثلاثة من السماعات مع بعضها البعض للحصول على كل الترددات في النغمة الصوتية، لانه لا يمكن للسماعة الكبيرة ان تصدر الترددات المرتفعة حيث يتطلب منها ان تتذبذب بسرعة كبيرة في حين ان السماعة الصغيرة غير قادرة على اصدار الترددات المنخفضة. ولذلك نجد في الانظمة الصوتية المتقدمة يحتوي صندوق السماعة على سماعة كبيرة واخرى صغيرة وفي بعض الاحيان السماعة الوسطية وذلك ليتم تغطية كل نطاق الترددات الصوتية.
كيف يتم فصل الترددات الصوتي؟
نظراً لاتساع مدى الترددات الصوتية من 20Hz إلى 20,000Hz فإن هذا المدى قسم إلى ثلاثة مناطق هي الترددات العالية والترددات المتوسطة والترددات المنخفضة ولكل نوع من هذه الترددات سماعة مخصصة له موجودة كلها في داخل صندوق واحد. والذي يقوم بتوزيع الترددات على السماعات يسمى الفاصل crossover.
النوع الاكثر استخداماً هو الذي يعرف باسم passive crossover ويتكون من مكثف كهربي وملف كهربي حيث يكون المكثف موصلاً للتيار الكهربي عند الترددات العالية بينما يكون عازلاً للتيار الكهربي عند الترددات المنخفضة، ويعمل الملف بالعكس حيث يكون موصلاً للتيار الكهربي عند الترددات المنخفضة وعازلاً عند الترددات العالية.