האתר שלנו מבוסס על פרסומות. ללא פרסומות לא נוכל להתקיים כלכלית.
כנראה שנעשה שימוש בדפדפן שלך בחוסם פרסומות אשר פוגע בנו כלכלית
אנחנו מבקשים שתוסיף אותנו לרשימה הלבנה Whitelist בתוסף חוסם הפרסומות שלך

תודה והמשך גלישה נעימה באתר!


עוד אפשרויות

Google translateGoogle translate
RSSמאמרים וחדשות RSS
קישור לעמוד זהLinkback
גרסא להדפסהגרסא להדפסה
del.icio.usשמירה ב del.icio.us
DIGGהמלצה ב-DIGG
google bookmarkסימניית גוגל

מאמרים מהקבוצה

רמקולים ושמע - פרק א´ בסדרה

כתב: מוטי כהן
09/10/2008 - 07:00



 
 


לשאר הפרקים בסדרה

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע - פרק א´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע - פרק ב´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע - פרק ג´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע - פרק ד´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע - פרק ה´

הקדמה

אחת נקודות הקשר החשובות שלנו עם העולם מתרחשת בעזרת התופעה הפיזיקאלית הנפלאה של תחושת הצליל. בכי של תינוק, צופר אזעקה, טלפון וכמובן הדיבור הם רק חלק מצורת תקשורת ישנה וחדשה בעזרת אחד החושים המופלאים של האדם - חוש השמע. מעבר לתפקידו כמקשר, חוש זה משמש גם ליצירת תחושת ההנאה כשפותח לפנינו את תחום הצלילים הרבים ששוטפים אותנו כמוזיקה.

מאמר זה מתרכז בשתי "קופסאות". שתי קופסאות בשתי קצוות.

מצד אחד תיבת הרמקולים ובצד השני "תיבת" הראש. הראשון משדר והשני קולט בעוד שהאויר משמש כתווך בינהם.

מאמר זה מנסה להוציא לאור את המסתתר ב"קופסאות החשוכות" הללו ומפרט את המנגנון האלקטרו-מכני-אקוסטי שמייצר את הקול במערכות קולנוע ביתי, וגם על קצה המזלג, מתאר את הפיזיולוגיה של החלק החשוב שבראשנו שאחראי לתרגום תנועת האוויר לתחושה של צליל. 

למרות שהמאמר משתדל להמעיט במושגים טכניים, לא מהנמנע שמושגים אלו יופיעו מידי פעם לצורך הבנה והבהרה יותר מעמיקה. המאמר כולו ארוך ולכן מחולק לכמה חלקים כשמצורפים לכל נושא הרבה איורים בתקווה שהמשפט "תמונה אחת שווה אלף מילים" תעזור לכולנו להבין את הרעיון מאחרי ההסבר המילולי.

מה זה בכלל קול?

קול נוצר כשמשהו זז במהירות ויוצר גל. קול חייב חומר כדי לעבור דרכו ולהתפשט הלאה. בועת האוויר הענקית שבה אנו חיים, הלא היא האטמוספרה, מהווה את התווך העיקרי להעברת גלי הקול. כל עצם מתנדנד ידחוף את המולקולות של האוויר שלידו ואלו יזיזו את המולקולות שלידן וכך תתרחש התפשטות של תזוזת מולקולות לכיוונים שונים. אוזן האדם מרגישה את תחושת התנועה ומתרגמת את זה לתחושה עצבית שמועברת למוח ומתורגמת לצלילים.

ככל שהתנועה של המולקולות גדולה ודחוסה יותר, כך הצליל נשמע חזק יותר.

ככל שתנועת המולקולות מהירה יותר, כך הצליל נשמע בתדר גבוה יותר.

כמה עובדות ומספרים על הקול:

מהירות הקול הממוצעת באוויר היא 330 מטר לשנייה. מהירות הקול עולה ככל שטמפרטורת התווך עולה וב 100 מעלות צלסיוס מהירות הקול באוויר מגיעה ל 386 מטר לשנייה. מהירות הקול במים גדולה עוד יותר ומגיעה לכ- 1500 מטר בשנייה.

אחת התכונות החשובות החיוביות והשליליות של הצליל היא תכונת ההחזרה. קול חוזר מאפשר לנו לשמוע גם אם אנו לא בקו ישיר עם מקור הצליל, לעומת זאת ריבוי החזרות יוצר רעש. במערכות לשליטה על קול משתמשים בחומרים מוצקים ובחומרים ספוגיים. החומרים המוצקים מחזירים קול בהצלחה והחומרים הספוגיים גורמים לקול להתפזר בתוכם ולהיבלע.

תכונת ההחזרה מאפשרת לשלוט באמצעים מכאניים גם על ריכוז והגברת הצליל  וגם על פיזור הצליל לאזורי שטח שונים.

תנודת גל בסיסית בנויה מגל מחזורי.


סימולציה של תזוזת מולקולות בעקבות שימוש בסקסופון

גל קול מזיז את המולקולות קדימה ואחורה ע"י דחיפה בעזרת לחץ ומשיכה בגרימת תת לחץ. מספר הפעמים שהמולקולות נעות קדימה ואחורה במשך זמן של שנייה נקרא תדירות הגל, או תדירות הקול.

צליל בכל צורה הוא הרכב של גלים סינוסים מחזוריים שהם מכפלה של הגל הבסיסי. התו "לה" היסודי של כינור הוא תדר של 440 תנודות בשנייה שעליו מורכבים עוד תדרים שהם כפולות של התדר היסודי כלומר 880, 1320 וכו´.

באיור הבא אפשר לראות כיצד משתנה הגל לאורך זמן כשהתדר גבוה או נמוך.

ההבדל בין תדר נמוך לתדר גבוה הוא מספר המחזורים שהגל חוזר על עצמו לאורך זמן נתון. אם נתבונן בקטע זמן קבוע, מספר הפעמים שהגל עולה מלמטה למעלה בתדר הגבוה גדול ממספר הפעמים שהגל עולה מלמטה למעלה בתדר הנמוך.

ההגדלה מדגישה כיצד נראה הגל כשהוא עובר מתדר אחד לשני או עובר מעוצמה אחת לעוצמה שנייה. מעברים חדים ולא רציפים אלו הם חלק מצורות הגל הקשות והבעייתיות שמועברות לרמקול וממנו לאוזן, אבל כל זה בהמשך.

אוזן האדם רגישה לתחום תדרים של 20 תנודות בשנייה עד 20000 תנודות בשנייה. התדרים הנמוכים עד 150 מוגדרים כתדרי באס (Bass). מ 150 עד כ 400 כבאסים בינוניים. מ 400 עד 2000 כתדרי ביניים, ומעבר לזה תדרים גבוהים.

כדי לתת תחושה של תחומי תדרים, כמה דוגמאות לתחומי תדר בסיסיים של אדם וכלי נגינה:

  • אדם בעל קול באס            מ- 90 עד 300 תנודות בשנייה
  • אדם בעל קול טנור           מ- 150 עד 500 תנודות בשנייה
  • אדם בעל קול סופרנו        מ- 300 עד 1000 תנודות בשנייה
  • גיטרה                            מ- 80 עד 700 תנודות בשנייה
  • פסנתר                           מ- 30 עד 4000 תנודות בשנייה
  • קסילופון                         מ- 150 עד 3000 תנודות לשנייה
  • פיקולו                            מ- 500 עד 4000 תנודות בשנייה

אם בוחנים את המספרים אפשר לראות שהתדר הגבוה ביותר שמוציא כלי נגינה הוא 4000 תנודות בשנייה, אז למה מערכת שמע טובה חייבת להעביר תדרים של 20000 תנודות בשנייה?

התשובה היא כי המספרים בטבלה מציינים את התדר הבסיסי של מקור השמע ולא את ההרמוניות שמתלוות לתדר. הרמוניות אלו (המכפלות) הן בתדר גבוה מהתדר הבסיסי והן שיוצרות את ההבדל הדק בין צליל של כלי מסויים לצליל של כלי אחר, אפילו אם הם מנגנים את אותו תו בדיוק.


הדציבל 

יחידת הדציבל מופיעה תדיר בכל הקשור למערכות אלקטרוניות ובייחוד בכל מה שקשור לשמע ובוודאי שבהקשר לרמקולים. יחידת הדציבל קשורה ישירות לעוצמות שמע ורצוי כבר בשלב זה להתייחס ולהסביר קמעה את הנושא.

לקול יש תכונה של עוצמה ותכונה של תדר. התדר מגדיר את מספר המחזורים בשנייה שהגל בתזוזה, והעוצמה מגדירה את ההספק של הגל. הספק נמדד ביחידת הוואט, וקשור ישירות לעוצמת הצליל שאנו שומעים. כדי להקל בניתוח ורישום של מספרים גדולים מאד או קטנים מאד, הגדירו המדענים יחידת יחס וכינו אותה דציבל והיא נרשמת כך - dB. כל הספק שחזק פי 10 מקודמו הוגדר כגבוה יותר ב 10 דציבל ולהיפך, כל הספק שחלש פי 10 מקודמו הוגדר כנמוך יותר ב 10 דציבל.

המילה דציבל מורכבת משתי מילים. דצי ובל. דצי שזה עשירית ו בל לזכרו של אלכסנדר גרהם בל ממציא הטלפוניה.

ומכיוון שבל זה שם של מישהו, תמיד תיכתב ה B  באות גדולה. דציבל = dB.

סולם עוצמות חדש נבנה ביחידות הדציבל. הסולם נקרא SPL - Signal Pressure Level.

בסולם זה עוצמת השמע הנמוכה ביותר שאוזן האדם מסוגלת להרגיש הוגדרה כ 0dB. עוצמת השמע הגבוהה ביותר שהאוזן מסוגלת לחוש נמדד כ- 130dB.

עוצמת דיבור נעה בין 60 ל 80 דציבל.

אוזן מתחילה להרגיש כאב בעוצמה של כ 120 דציבל.

צליל שקט הוא צליל שעוצמתו נמוכה מ 40 דציבל.

מערכת השמע בקולנוע מכוילת לעוצמה של 85dB בממוצע, ומותר לצליל לעלות לזמנים קצרים (פיצוצים, יריות, התמוטטות וכו´) ב- 20dB כלומר לא יותר מ 105dB. כל זה כמובן לפי כיול בסולם ה SPL.

למספרים הללו יש חשיבות בתכנון עוצמת השמע הכללית בחדר כי יש קשר ישיר בין העוצמה המרבית הדרושה ממערכת השמע לבין הספק המגבר, רגישות הרמקולים ורגישות האוזן.


יצירת מופת

והכוונה כמובן לאוזן. מכל המערכות הפיזיולוגיות שבן האדם חונן, מערכת השמיעה היא אחת המופלאות שבניהן. שנים של בדיקות עם הרבה מסקנות מוטעות בדרך לקח לחוקרים להתחיל להבין את מורכבות האוזן והמנגנונים השונים שאחראים על הזרמת תחושת השמע למוח.

ועדיין יש הרבה מהנסתר.

האוזן מסוגלת לברור צליל יחיד מתוך בליל של צלילים. האוזן מסוגלת לזהות כיוון מדויק של הצליל. האוזן רגישה עד לצליל בהספק אפסי של 1 חלקי מאה אלף מיליוני וואט. לאוזן יש מנגנוני ויסות עוצמה אוטומטים שמשנים את רגישותם מרמת שמיעה של צליל זמזום זבוב ועד לרעש מטוס בהמראה.

 אין ספק שמכונה כל כך משוכללת מהווה בסיס לקנאת הרבה מהנדסי אלקטרוניקה ומכאניקה גם יחד. יחידת הגברה, יחידת תמסורת, יחידת בקרת עוצמה אוטומטית ומתמר אנרגיה מכאנית לאנרגיה חשמלית (עצבית) וכל זה בגודל של 10 ס"מ מרובע.

מדהים!

אז מה עושה את האוזן למנגנון כל כך משוכלל?

החלק החיצוני של האוזן בנוי ממגביר קול - האפרכסת. האוויר הנע שמסיע את אות השמע, נכנס לתעלת האוזן שבנויה כמעין משפך וממשיך ופוגע בקרום התוף. קרום התוף נע בהתאם לתנועת האוויר בתעלת האוזן כשבצידו השני של קרום התוף מחוברים העצמימים.

שלושת עצמות העצמימים הן עצם הפטיש, עצם הסדן ועצם המישוורת. הרעיון של מבנה העצמימים הוא צורת חיבור במבנה של מגבר לחץ.

אם נגדיל רק את החלק של העצמימים הן יראו בדומה לאיור הבא:

תנועת הפטיש הארוכה מומרת לתנועה קצרה במישוורת אבל הלחץ שהיא יוצרת על השבלול הרבה יותר גדול. העצמימים מתאמים בין קרום התוף לשבלול והמישוורת מהווה את נקודת המגע עם החלק שבתוכו מסתתר הסוד הגדול של האוזן, הוא השבלול.

עכשיו על האוזן לבצע את החלק הקשה מכל והוא פרוק הצליל לתדרים המרכיבים אותו. תפקיד מסובך זה מוטל על החלק הקטן שאופן פעולתו נחקר לאורך השנים שבמהלכן הגיעו לא פעם למסקנות הפוכות מאילו הידועות כיום.

השבלול

הספקטרום אנלייזר של אות השמע.

בחלקו הפנימי של השבלול ולאורכו משולבת ממבראנה שבתחילתה היא מתוחה ודקה ובסופה עבה יותר ורפויה. כל גל שמגיע לשבלול גורם להרעדת הממבראנה. מכיוון שמתיחות הממבראנה משתנה, תדר גבוה ירעיד את הממבראנה בתחילתה, בקצה הקרוב לעצם המישורת, ותדר נמוך ירעיד את הממבראנה בקצהו הרחוק, הרפוי. הממבראנה בשבלול מרוצפת לאורכה בחיישנים ומיקום הרעידות ועוצמתן עובר דרך החיישנים העצביים למוח.

הממבראנה בשבלול מחוברת לאוסף ענק של פילטרים שמפרקים את הצליל לחלקי התדרים שממנו הוא מורכב ולמוח מגיע ההרכב המדויק שממנו בנוי אות השמע שנכנס לאוזן.

אבל לא רק זה, מנגנון השמיעה מצויד גם במערכת בקרת עוצמה (AGC) משוכלל שמווסת את רגישות האוזן בהתאם לעוצמה הנקלטת. כשמגיע צליל יותר חזק, השרירים באוזן משנים קלות את זווית העצמימים ועוצמת הרעידות בממבראנה פוחת. פעולה זו, ביחד עם שינוי מתיחות קרום התוף גורמת להחלשת רגישות האוזן. כשעוצמת השמע נמוכה, נגרמת פעולה הפוכה שמגבירה את רגישות האוזן לצליל הנקלט.

למעשה, האוזן בנויה כספקטרום אנלייזר קולי רגיש ומדויק, בתוספת מבנה מדהים של בקרת עוצמה אוטומטית משוכללת לתחום ענק של יחס הספק שגדול מאחד ל 1,000,000,000,000.

ועם מנגנון פיזיולוגי אדיר זה הרמקול צריך להתמודד.


מאלקטרוני לאקוסטי

מכיוון שאנחנו מאחסנים כיום את התכנים שלנו באופן אנלוגי (תקליטים) או דיגיטלי (תקליטורים), כל פעולה של שחזור הקלטה בעצם מגיעה לנקודה שבה יש לנו את אותות הצליל ב "פורמט" חשמלי. העובדה שאלקטרונים מסוגלים להתנהג כגל עוזר מאוד בשחזור הצליל המקורי.

מתנועת אלקטרונים לתזוזת חלקיקים, מזרם חילופין לתנועת מסה - זה תפקידו של הרמקול. במילים אחרות, המרת אות חשמלי לאות אקוסטי. תפקיד די ברור אבל בהחלט לא פשוט.

הרמקול מקבל זרם משתנה (חילופין) מהמגבר וממיר אותו לתנועה מכאנית שגורמת להזזת פרודות האוויר ובכך ליצירת גל קול. מרמקול אידיאלי נצפה שיבצע התמרה מדויקת של האות החשמלי לאות אקוסטי ללא תלות בעוצמת האות או בתדר וכמובן נדרוש שיעביר בדיוק את המוכנס לו ללא תוספות, עיוותים או שינויים.

אז מה הרעיון הבסיסי של פעולת הרמקול:

הפיזיקה מלמדת שאם לוקחים שני מגנטים ומקרבים אותם אחד לשני כשהקטבים שלהם מנוגדים, המגנטים יימשכו אחד לשני בחוזקה, ולהיפך, כשהקטבים שווים המגנטים ינסו לדחות אחד את השני ולהתרחק.

רוב הרמקולים בנויים על העיקרון הבסיסי הזה של משיכה-דחיפה בשדה מגנטי. בתהליך התנועה משתתפת עוד תכונה חשמלית-פיזיקאלית והיא סליל ומגנוט: כשעובר זרם בסליל חשמלי, הופך הסליל למגנט. ככל שהזרם חזק יותר נוצר שדה חזק יותר ומתקבל מגנט חזק יותר.

אם ניקח סליל שמלופף על מגנט גלילי צף ונזרים זרם בסליל, יהפוך הסליל למגנט ונקבל 2 מגנטים - המגנט המקורי והסליל. כשהסליל הופך למגנט, הוא מושך או דוחף (בהתאם לכיוון הזרם) את המגנט והמגנט זז לכיוון מרכז הסליל או ממנו. הרעיון הוא שהקטבים במגנט קבועים והקטבים שנוצרו בסליל משתנים בהתאם לכיוון הזרם.


אנימציה של פעולת האלקטרומגנט

האנימציה ממחישה את העיקרון הבסיסי של הפיכת אות חשמלי לתנועה מכאנית.

זרם בסליל גורם למשיכה של המגנט. ככל שהזרם חזק יותר המגנט נמשך ביתר כוח. כשהזרם מפסיק המשיכה נעלמת והקפיץ מחזיר את המגנט למקומו.

ככל שהזרם בסליל חזק יותר יבצע המגנט תזוזה ארוכה יותר וככל שהזרם יחליף כיוון מהר יותר כך יחליף המגנט כיוון מהר יותר.

הבעיה במגנט שהוא רכיב עם מסה גדולה וקשה להניע אותו במהירות של מאות פעמים בשנייה, לכן בבניית הרמקול החליפו את התפקידים: המגנט נשאר קבוע והתנועה מתבצעת בסליל צף. עיקרון התזוזה נשאר - מגנטים שמושכים או דוחים זה את זה. במקרה של הרמקול, המגנט נשאר קבוע והסליל נע.

כדי לדחוף כמות אויר מתאימה, הוסיפו מסביב לסליל קרום מחומר קשה שמגדיל את שטח הפנים של החלק הנע, הלא היא הממבראנה. הממבראנה צפה בעזרת תומך מגומי או טקסטיל או קרטון גלי שנמצא מסביב לקצה שלה וזה מאפשר לה תנועה חופשיות קדימה ואחורה.מסביב לסליל ובתוכו ישנו מגנט כך שקווי השטף המגנטי נסגרים באזור אחד.

התמונה הבאה ממחישה את המרכיבים העיקריים של הרמקול: הממבראנה שמחוזקת למתכת בקצוות בעזרת פס גומי נפוח, הסליל שמלופף על גליל קרטון והמגנט העגול המיוחד עם קוטב בחלקו מרכזי.


חלקי הרמקול

זרם מהמגבר שנכנס לסליל גורם לו למגנוט ובהתאם נוצרת תזוזה בסליל. הסליל מניע את הממבראנה ואויר נדחף לחלל החדר.

עובי הממבראנה, החומר ממנו היא עשויה, חיבור הממבראנה למסגרת, גודל הממבראנה, מבנה הסליל, מבנה המגנט והחומר ממנו הוא עשוי הם המשפיעים העיקרים על תכונות הרמקול ועל התוצאה הסופית של הצליל שהוא מפיק.

יחידת הרמקול שנועדה להפיק תדרים נמוכים נקראת Woofer.  גודל הממבראנה בדרך כלל מ-6 אינטש ומעלה. יחידה לתדרים גבוהים יותר נקראת Tweeter ותחום תדר העבודה שלה מ- 2000 תנודות לשנייה ומעלה.

למעשה המספר 2000 לא מדויק ומשתנה בהתאם לרמקול. אם נדייק יותר נקבל את הקשר בין גודל הרמקול ותחום התדרים המומלץ: 

יחידות Woofer

  • 12 אינטש          מ 40 עד 1500
  • 10 אינטש          מ 50 עד 2500
  • 8 אינטש             מ 60 עד 4000
  • 5 אינטש             מ 75 עד 13000

יחידות Tweeter

  • 2 אינטש              מ 1500 עד 15000
  • 1 אינטש              מ 2200 עד 22000

כאמור, קשה לבנות יחידת רמקול אחת שתפיק את כל תדרי השמע. בדרך כלל כדי לקבל תחום נרחב של תדרי השמע מספיקים 2 יחידות רמקול, לדוגמה, 10 אינטש ו 1 אינטש.  אבל אם רוצים לרדת לתדר של 40 תנודות בשנייה יש צורך ביחידת רמקול של 12 אינטש מה שיוצר "חור" באזור תדר ה 2000 שבו יחידת ה 1 אינטש לא פועלת. במקרה זה מוסיפים יחידת ביניים כמו 4 או 5 אינטש שבשילוב עם כל היחידות מקבלים רצף צלילים מ 40 עד 20000 תנודות בשנייה.

ליחידת הרמקול הנוספת שפועלת בתחום הצלילים הבינוניים קוראים יחידת Mid Range.

לקבלת צליל רצוי יוצרים לפעמים שילובים שונים ומשונים של סוגי רמקולים, אבל בכל מקרה, רמקול בודד או מערך של הרבה רמקולים לא יכולים להישאר תלויים באוויר, מה שצריך לעשות זה לחבר ביניהם ולהכניס אותם לתיבה.

עוד על כך בפרקים הבאים...

לתגובות בפורומים על מאמר זה לחצו כאן


עוד מ: motico

דרגת קושי: 3
דירוג הכתבה

דירוג ממוצע:

4.7
(19) הצבעות

בהקשר זה

 מגברים: הסבר
 פורום רב ערוצי
 רמקולים ושמע - חלק א'
 ביקורות אודיו
 עוד על אודיו


המאמר הפופולרי ביותר בתחום אודיו:
רמקולים ושמע - פרק א´ בסדרה
למאמר זה בפרקים
תקנון / תנאי השימוש באתר צור קשר / contact us כל הזכויות שמורות לקבוצת ht