مكبر الصوت (Loudspeaker)

مكبر الصوت، الذي يطلق عليه في كثير من الأحيان مكبر الصوت أو، بشكل أكثر شمولاً، نظام مكبر الصوت، يشتمل على واحد أو أكثر من برامج تشغيل مكبر الصوت، وعلبة، والتوصيلات الكهربائية المرتبطة بها، والتي قد تتضمن شبكة متقاطعة. في الأساس، يعمل برنامج تشغيل مكبر الصوت كمحول طاقة كهروصوتي، حيث يقوم بتحويل الإشارة الصوتية الكهربائية إلى مخرج صوتي مكافئ.

مكبر الصوت (يُشار إليه عادةً باسم مكبر الصوت أو نظام مكبر الصوت بشكل أكثر اكتمالًا) عبارة عن مزيج من واحد أو أكثر من برامج تشغيل مكبر الصوت، وإطار، وتوصيلات كهربائية (ربما تتضمن شبكة متقاطعة). برنامج تشغيل مكبر الصوت عبارة عن محول كهربائي صوتي يقوم بتحويل الإشارة الصوتية الكهربائية إلى صوت مناظر.

يتكون قلب برنامج التشغيل من محرك خطي مرتبط ميكانيكيًا بغشاء، والذي يترجم حركة المحرك إلى صوت عن طريق إزاحة الهواء. تخضع الإشارة الصوتية الواردة، التي يتم الحصول عليها عمومًا من ميكروفون أو تسجيل أو إرسال راديو، إلى تضخيم إلكتروني لتحقيق مستوى الطاقة المطلوب لتشغيل المحرك، وبالتالي تكرار الصوت الأصلي غير المضخم. يشبه هذا المبدأ التشغيلي الوظيفة العكسية للميكروفون. في الواقع، يستخدم مكبر الصوت الديناميكي السائد تصميمًا أساسيًا مطابقًا لتصميم الميكروفون الديناميكي، الذي يعمل على العكس كمولد كهربائي.

تم تطوير مكبر الصوت الديناميكي في عام 1925 بواسطة إدوارد دبليو كيلوج وتشيستر دبليو رايس. يعتمد عملها على قانون فاراداي للحث: عندما يمر تيار كهربائي من إشارة صوتية عبر الملف الصوتي - وهو ملف سلكي مصمم للحركة المحورية داخل فجوة أسطوانية تحتوي على مجال مغناطيسي مركّز يتولد عن مغناطيس دائم - يتعرض الملف لحركة متبادلة سريعة. يتم نقل هذه الحركة إلى الحجاب الحاجز أو مخروط السماعة (وهو مخروطي الشكل عادة من أجل السلامة الهيكلية) والذي يولد موجات صوتية من خلال التفاعل مع الهواء المحيط. إلى جانب مكبرات الصوت الديناميكية، توجد تقنيات بديلة مختلفة لتحويل الإشارات الكهربائية إلى صوت، مع عدد محدود يستخدم حاليًا تجاريًا.

لضمان إنتاج صوت فعال، خاصة عند الترددات المنخفضة، يتطلب برنامج تشغيل مكبر الصوت حيرة لمنع انبعاث الصوت الخلفي من الإلغاء الصوتي للإخراج الأمامي المقصود. يتم تحقيق هذا المحير عادةً من خلال حاوية مكبر الصوت أو خزانة مكبر الصوت، والتي غالبًا ما تكون عبارة عن هيكل مستطيل مصنوع من الخشب، ولكن في بعض الأحيان مصنوع من المعدن أو البلاستيك. يؤثر التصميم الصوتي لهذه العلبة بشكل كبير على جودة الصوت النهائية. تتضمن معظم أنظمة السماعات عالية الدقة برامج تشغيل متعددة للسماعات، تم تحسين كل منها لقطاع معين من طيف التردد المسموع. يُطلق على برامج التشغيل المصممة لأعلى ترددات الصوت مكبرات الصوت، وتُعرف برامج التشغيل الخاصة بالترددات المتوسطة باسم برامج تشغيل النطاق المتوسط، ويُشار إلى برامج التشغيل الخاصة بالترددات المنخفضة باسم مكبرات الصوت. ضمن نظام مكبرات صوت ثنائي الاتجاه أو ثلاثي الاتجاه، والذي يستخدم برامج تشغيل تغطي نطاقين أو ثلاثة نطاقات ترددية متميزة، يتم استخدام مكون إلكتروني سلبي يُعرف باسم شبكة متقاطعة لتوجيه مكونات تردد محددة للإشارة الإلكترونية إلى برامج التشغيل الأكثر ملاءمة لإعادة إنتاجها. في نظام مكبر الصوت الذي يعمل بالطاقة، يتم دمج مضخم الطاقة الذي يوفر محركات السماعات مباشرة في العلبة؛ وقد اكتسبت هذه الأنظمة انتشارًا متزايدًا، لا سيما في تطبيقات مثل الكمبيوتر ومكبرات صوت Bluetooth.

تم دمج مكبرات الصوت المدمجة في أجهزة مختلفة، بما في ذلك أجهزة الراديو وأجهزة التلفزيون ومشغلات الصوت المحمولة وأجهزة الكمبيوتر الشخصية (مثل مكبرات صوت الكمبيوتر) وسماعات الرأس وسماعات الأذن. وعلى العكس من ذلك، يتم نشر أنظمة مكبرات الصوت الأكبر حجمًا وذات الإخراج العالي في الأجهزة المنزلية عالية الدقة (أجهزة الاستريو)، والآلات الموسيقية الإلكترونية، وتطبيقات تعزيز الصوت داخل المسارح وقاعات الحفلات الموسيقية، وأنظمة العناوين العامة.

المصطلحات

يمكن أن تشير التسمية مكبر الصوت إما إلى محولات الطاقة الفردية، والتي تُعرف أيضًا باسم المشغلات، أو أنظمة السماعات الشاملة التي تشتمل على حاوية ومشغل واحد أو أكثر.

للحصول على إعادة إنتاج شاملة ودقيقة عبر نطاق ترددي واسع، خاصة عند مستويات ضغط الصوت المرتفعة (SPL) أو للحصول على أعلى دقة، تشتمل معظم أنظمة مكبرات الصوت على محركات متعددة. تم تصميم كل محرك خصيصًا لإعادة إنتاج نطاق متميز من الترددات. تشتمل برامج التشغيل المتخصصة هذه على مكبرات الصوت الفرعية للترددات المنخفضة جدًا، ومكبرات الصوت للترددات المنخفضة، ومكبرات الصوت متوسطة المدى للترددات المتوسطة، ومكبرات الصوت للترددات العالية، وأحيانًا مكبرات الصوت الفائقة لأعلى الترددات المسموعة وحتى الموجات فوق الصوتية. يمكن أن تختلف تسميات برامج التشغيل هذه بناءً على التطبيق المحدد. في الأنظمة ثنائية الاتجاه، حيث لا يوجد برنامج تشغيل مخصص متوسط ​​المدى، يتم توزيع إعادة إنتاج الأصوات متوسطة المدى بين مكبر الصوت ومكبر الصوت. عندما يتم استخدام برامج تشغيل متعددة داخل النظام، يقوم التقاطع الصوتي - شبكة تصفية متخصصة - بفصل الإشارة الصوتية الواردة إلى نطاقات التردد الخاصة بها، وتوجيه كل نطاق إلى برنامج التشغيل المناسب. يتم تعيين نظام مكبر الصوت الذي يتميز n بنطاقات تردد مميزة على أنه مكبرات صوت ذات اتجاه n؛ على سبيل المثال، يشتمل النظام ثنائي الاتجاه على مكبر صوت ومكبر صوت، بينما يشتمل النظام ثلاثي الاتجاه على مكبر صوت ومكبر صوت متوسط ​​المدى ومكبر صوت. يُشار إلى مشغلات مكبرات الصوت التي يتم تصويرها بشكل شائع على أنها ديناميكية (اختصار للديناميكية الكهربائية)، وهو تصنيف يميزها عن التصميمات البديلة مثل مكبرات الصوت الحديدية المتحركة، أو تلك التي تستخدم مبادئ كهرضغطية أو إلكتروستاتيكية.

التاريخ

تم دمج أول مكبر صوت كهربائي في هاتف يوهان فيليب ريس في عام 1861، وكان قادرًا في البداية على إعادة إنتاج نغمات مميزة، مع التعديلات اللاحقة التي أتاحت إعادة إنتاج الكلام المكتوم. حصل ألكسندر جراهام بيل على براءة اختراع لمكبر الصوت الكهربائي الافتتاحي - وهو نوع حديدي متحرك قادر على إعادة إنتاج الكلام بشكل واضح - كجزء لا يتجزأ من هاتفه في عام 1876. وقد نجح ذلك في عام 1877 من خلال التكرار المعزز الذي طوره إرنست سيمنز. في الوقت نفسه، حصل توماس إديسون على براءة اختراع بريطانية لنظام يستخدم الهواء المضغوط كآلية تضخيم لفونوغرافاته الأسطوانية الناشئة؛ ومع ذلك، فقد تبنى في النهاية البوق المعدني التقليدي، الذي يتم تشغيله بواسطة غشاء متصل بالقلم. في عام 1898، حصل هوراس شورت على براءة اختراع لتصميم مكبر صوت يعمل بالهواء المضغوط، ثم نقل الحقوق لاحقًا إلى تشارلز بارسونز، الذي حصل على العديد من براءات الاختراع البريطانية الإضافية قبل عام 1910. أنتجت بعض الشركات المصنعة، ولا سيما شركة فيكتور توكينج ماشين كومباني وباثي، مشغلات تسجيل تشتمل على مكبرات صوت تعمل بالهواء المضغوط. كانت تصميمات الهواء المضغوط هذه مقيدة بشكل كبير بسبب جودة الصوت الرديئة وعدم القدرة على إعادة إنتاج الصوت بمستويات صوت منخفضة. في حين أن الاختلافات في هذا التصميم وجدت فائدة في أنظمة العناوين العامة، فقد تم استخدام تعديلات أحدث لتقييم مرونة المعدات الفضائية ضد مستويات الصوت والاهتزاز الشديدة الناتجة أثناء إطلاق الصواريخ.

الملف المتحرك

تم تصميم مكبر الصوت التجريبي الأولي ذي الملف المتحرك، والمعروف أيضًا باسم مكبر الصوت الديناميكي، بواسطة أوليفر لودج في عام 1898. وتم لاحقًا إنتاج أول مكبرات صوت ذات ملف متحرك قابلة للتطبيق تجاريًا في عام 1915 على يد المهندس الدنماركي بيتر ل. جنسن وإدوين بريدهام في نابا، كاليفورنيا. على غرار تصميمات مكبرات الصوت السابقة، استخدمت هذه النماذج المبكرة الأبواق لتضخيم الصوت الناتج عن الحجاب الحاجز المدمج. لم تنجح طلبات براءة اختراع جنسن. بعد عدم قدرتهم على تسويق منتجهم لشركات الهاتف، أعاد جنسن وبريدهام توجيه تركيزهما في عام 1915 نحو أسواق الراديو ونظام الخطابة العامة، ووصفوا اختراعهم باسم Magnavox. لسنوات عديدة بعد اختراع مكبر الصوت، احتفظ جنسن بحصة ملكية جزئية في شركة Magnavox.

تم تسجيل براءة اختراع مبدأ الملف المتحرك، الذي يشكل أساس مكبرات الصوت المعاصرة، في عام 1925 من قبل إدوارد دبليو كيلوج وتشيستر دبليو رايس. يكمن الاختلاف المحوري بين تصميمهم الحاصل على براءة اختراع والمساعي السابقة في التعديل الدقيق للمعلمات الميكانيكية لتحقيق استجابة تردد مسطحة نسبيًا.

في البداية، كانت مكبرات الصوت تحتوي على مغناطيسات كهربائية بسبب التكلفة الباهظة والتوافر المحدود للمغناطيسات الدائمة القوية. يتلقى ملف المغناطيس الكهربائي، المعروف باسم ملف المجال، الطاقة عبر مجموعة منفصلة من التوصيلات مع السائق. عادةً ما يؤدي هذا الملف وظيفة مزدوجة، ويعمل أيضًا كملف خانق لتصفية مصدر الطاقة لمكبر الصوت المتصل. يعمل ملف الاختناق على تخفيف تموج التيار المتردد في التيار بشكل فعال. ومع ذلك، غالبًا ما تقوم ترددات خط التيار المتردد بتعديل الإشارة الصوتية الموجهة إلى الملف الصوتي، مما يساهم في حدوث طنين مسموع. في عام 1930، أطلق جنسن أول مكبر صوت بمغناطيس ثابت ومتوفر تجاريًا؛ ومع ذلك، أثبتت المغناطيسات الحديدية الكبيرة والثقيلة في تلك الحقبة أنها غير عملية، مما يضمن استمرار هيمنة مكبرات الصوت ذات الملفات الميدانية حتى أصبحت مغناطيسات النيكو خفيفة الوزن متاحة على نطاق واسع بعد الحرب العالمية الثانية.

أنظمة مكبرات الصوت المبكرة

خلال ثلاثينيات القرن العشرين، بدأت الشركات المصنعة لمكبرات الصوت في دمج محركات متعددة، عادةً ما تكون اثنين أو ثلاثة، تم تحسين كل منها خصيصًا لنطاقات تردد مميزة. ويهدف هذا النهج إلى تعزيز استجابة التردد ورفع مستويات ضغط الصوت. في عام 1937، أشرفت شركة مترو غولدوين ماير على تطوير نظام مكبرات الصوت القياسي الافتتاحي لصناعة السينما، وهو نظام بوق شيرر للمسارح ثنائي الاتجاه. يتميز هذا النظام بأربعة محركات منخفضة التردد مقاس 15 بوصة، وشبكة متقاطعة تم تكوينها عند 375 هرتز، وقرن فردي متعدد الخلايا مزود بمحركين ضغط لإعادة الإنتاج عالي التردد. وكان لجون كينيث هيليارد، وجيمس بولو لانسينغ، ودوغلاس شيرر دور فعال في إنشائها. بعد ذلك، في معرض نيويورك العالمي عام 1939، تم إنشاء نظام مخاطبة عامة كبير ثنائي الاتجاه على برج في فلاشينغ ميدوز. قام رودي بوزاك، كبير المهندسين في شركة Cinaudagraph، بتصميم محركاتها الثمانية ذات التردد المنخفض مقاس 27 بوصة.

في عام 1943، كشفت شركة Altec Lansing عن 604، والذي أصبح فيما بعد أشهر محرك مزدوج المحور. وقد دمج هذا التصميم المبتكر بوقًا عالي التردد يقوم بإسقاط الصوت من خلال فتحة في قطعة عمود مكبر الصوت مقاس 15 بوصة، وبالتالي تحقيق أداء صوتي قريب من المصدر. قدم نظام مكبر الصوت "صوت المسرح" من شركة Altec، والذي تم إطلاقه تجاريًا في عام 1945، تماسكًا ووضوحًا فائقين عند مستويات الإخراج المرتفعة المطلوبة للأماكن السينمائية. بدأت أكاديمية فنون وعلوم الصور المتحركة على الفور في تقييم خصائصه الصوتية، وصنفته في نهاية المطاف كمعيار صناعي لدور السينما في عام 1955.

في عام 1954، كان إدغار فيلتشور رائدًا في مبدأ التعليق الصوتي في تصميم مكبرات الصوت. سهّل هذا الابتكار استجابة صوت جهير فائقة مقارنةً بما كان يمكن تحقيقه مع السائقين الموجودين في حاويات أكبر سابقًا. أسس فيلتشور، بالتعاون مع شريكه هنري كلوس، شركة Acoustic Research لإنتاج وتوزيع أنظمة السماعات بناءً على هذا المبدأ. بعد ذلك، أدت التطورات المستمرة في تصميم العلبة وعلوم المواد إلى تحسينات كبيرة في الأداء المسموع.

تشمل التطورات الكبيرة في المحركات الديناميكية المعاصرة ومكبرات الصوت التي تستخدمها تحسينات في المواد المخروطية، واعتماد مواد لاصقة عالية الحرارة، وتركيبات مغناطيسية دائمة فائقة، ومنهجيات قياس محسنة، وتصميم بمساعدة الكمبيوتر، وتحليل العناصر المحدودة. بالنسبة لتطبيقات التردد المنخفض، كانت نظرية الشبكة الكهربائية ذات المعلمات الصغيرة/ثييل مفيدة في تحسين التآزر بين مشغلات الصوت الجهير ومرفقاتها منذ أوائل السبعينيات.

تصميم ديناميكي لمشغل مكبر الصوت

أنظمة مكبرات الصوت

يدمج تصميم أنظمة مكبرات الصوت التقييمات الذاتية للجرس وجودة الصوت مع القياسات الصارمة والتحقق التجريبي. يتضمن تحسين الأداء عادةً تطبيق مبادئ من النظريات المغناطيسية والصوتية والميكانيكية والكهربائية وعلوم المواد، والتي يتم مراقبتها بدقة من خلال قياسات عالية الدقة ورؤى من المستمعين المتمرسين. تشمل التحديات الرئيسية التي يواجهها مصممو السماعات والسائقين معالجة التشوه والفصوص الصوتية وتأثيرات الطور والاستجابة خارج المحور والعناصر المتقاطعة. لعزل أداء مكبر الصوت عن صوتيات الغرفة، قد يستخدم المصممون غرفة كاتمة للصدى أو يستخدمون تقنيات إلكترونية مختلفة تقدم بدائل جزئية. وعلى العكس من ذلك، يفضل بعض المطورين تكوينات الغرف الموحدة على الغرف عديمة الصدى، بهدف تكرار بيئات الاستماع الأصلية.

تحقق المحركات الكهروديناميكية الفردية الأداء الأمثل ضمن نطاق تردد مقيد. للتغلب على هذا القيد، يتم عادةً دمج برامج تشغيل متعددة - مثل مكبرات الصوت الفرعية ومكبرات الصوت وبرامج التشغيل متوسطة المدى ومكبرات الصوت - في نظام مكبر صوت شامل. أنظمة الإشعاع الصوتي السائدة الثلاثة المستخدمة هي المحركات المخروطية والقبة والبوقية.

برامج تشغيل كاملة النطاق

إن برنامج التشغيل كامل النطاق أو واسع النطاق هو أحد مكونات مكبر الصوت المصمم للاستخدام الفردي في إعادة إنتاج قناة صوتية، مما يستلزم تغطية نطاق الترددات الصوتية بالكامل ذي الصلة بتطبيقه. عادةً ما تكون هذه المحركات مدمجة الحجم، ويتراوح قطرها عادةً من 3 إلى 8 بوصات (7.6 إلى 20.3 سم)، لتسهيل الاستجابة المعقولة للترددات العالية. لقد تم تصميمها بدقة لإنتاج مخرجات منخفضة التشوه بترددات منخفضة، وإن كان ذلك مع الحد الأقصى لمستوى الإخراج المنخفض. يتم العثور على برامج تشغيل كاملة النطاق بشكل شائع في أنظمة العناوين العامة، وأجهزة التلفزيون، وأجهزة الراديو الصغيرة، وأجهزة الاتصال الداخلي، وبعض مكبرات صوت الكمبيوتر.

في أنظمة السماعات عالية الدقة (hi-fi)، يمكن أن يؤدي استخدام برامج تشغيل واسعة النطاق إلى تخفيف التفاعلات غير المرغوب فيها التي تنشأ عن وضع برامج التشغيل غير المتزامنة أو المشكلات داخل الشبكات المتقاطعة. ومع ذلك، قد يؤدي هذا النهج أيضًا إلى تقييد الاستجابة الشاملة للتردد وقدرات الإخراج، خاصة عند الترددات المنخفضة. غالبًا ما تتطلب أنظمة Hi-fi التي تستخدم برامج تشغيل واسعة النطاق حاويات كبيرة أو متطورة أو مكلفة لتحقيق الأداء الصوتي الأمثل.

تشتمل برامج التشغيل ذات النطاق الكامل في كثير من الأحيان على مخروط مساعد، يُعرف باسم الأزيز، وهو مخروط صغير وخفيف الوزن متصل عند تقاطع الملف الصوتي والمخروط الأساسي. يعمل المخروط الأزيز على توسيع استجابة السائق للترددات العالية ويوسع من اتجاهية الترددات العالية، والتي لولا ذلك لكان من الممكن أن تضيق بشكل كبير لأن القطر الخارجي للمادة المخروطية الرئيسية لا يمكنه مواكبة الملف الصوتي المركزي عند الترددات الأعلى. في تصميم أزيز، تم تصميم المخروط الرئيسي ليُظهر مرونة أكبر في قطره الخارجي مقارنة بمركزه. وبالتالي، فإن المخروط الرئيسي ينتج ترددات منخفضة، بينما يساهم مخروط الأزيز بشكل أساسي في إنتاج ترددات أعلى. نظرًا لأن مخروط الأزيز أصغر من الحجاب الحاجز الرئيسي، فقد تم تحسين تشتت الإخراج عالي التردد مقارنةً بغشاء فردي أكبر حجمًا.

يتم عادةً دمج برامج التشغيل محدودة المدى، والمصممة أيضًا للتشغيل المستقل، في أجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر والألعاب وأجهزة الراديو ذات الساعة. تعد برامج التشغيل هذه أقل تعقيدًا وأكثر اقتصادا من برامج التشغيل ذات النطاق الواسع، وقد يتم اختراقها بشكل كبير لتلائم مساحات التركيب الضيقة للغاية. في هذه التطبيقات، تعد جودة الصوت أولوية ثانوية.

تتضمن المنهجية البديلة الجمع بين عدة محركات متطابقة كاملة النطاق مع المعادلة النشطة. ومن الأمثلة البارزة على هذا النهج مكبر الصوت Bose 901، الذي قدمته Bose في عام 1968. يستخدم نظام 901 تسعة محركات صغيرة كاملة المدى ويغفل شبكة التقاطع السلبي؛ بدلاً من ذلك، يتم إنشاء استجابة التردد الإجمالية بواسطة معادل خارجي نشط. تم تفصيل التصميم المعماري لهذا النظام في براءات اختراع Bose فيما يتعلق بمعادلة مكبر الصوت وتم فحصه لاحقًا في المراجعات الفنية لأنظمة مكبرات الصوت المتعددة المشغلات المتوازنة، بما في ذلك التحليلات المحددة لـ 901.

مضخم الصوت

مضخم الصوت هو برنامج تشغيل مكبر صوت متخصص مخصص حصريًا لإعادة إنتاج الجزء الأقل درجة من الطيف الصوتي: عادةً أقل من 200 هرتز لأنظمة الصوت الاستهلاكية، وأقل من 100 هرتز لتطبيقات الصوت الحية الاحترافية، وأقل من 80 هرتز في التكوينات المعتمدة من THX. نظرًا لنطاق التردد المحدد هذا، غالبًا ما يكون تصميم نظام مضخم الصوت أبسط من تصميم مكبرات الصوت التقليدية، وغالبًا ما يشتمل على محرك واحد موجود داخل حاوية مناسبة. نظرًا لأن الصوت في نطاق التردد هذا ينحرف بسهولة حول العوائق، فإن فتحة مكبر الصوت لا تتطلب بالضرورة توجيهًا مباشرًا نحو الجمهور، مما يسمح بتركيب مكبرات الصوت الفرعية في الجزء السفلي من العلبة، في مواجهة الأرض. يتم تسهيل هذه المرونة بشكل أكبر من خلال القيود الإدراكية للسمع البشري عند الترددات المنخفضة؛ لا يمكن تحديد موضع مثل هذه الأصوات مكانيًا لأن أطوالها الموجية الكبيرة، على عكس الترددات الأعلى، لا تنتج التأثيرات التفاضلية في الأذنين (بسبب تظليل الرأس والحيود) التي تعد ضرورية لإشارات التعريب.

لإعادة إنتاج ترددات الجهير المنخفضة جدًا بشكل دقيق، تتطلب أنظمة مضخم الصوت بنية قوية وتدعيمًا مناسبًا لتخفيف اهتزازات الخزانة غير المرغوب فيها. وبالتالي، تتميز مكبرات الصوت عالية الجودة عمومًا بكتلة كبيرة. تشتمل العديد من تكوينات مضخم الصوت على مضخمات طاقة مدمجة ومرشحات إلكترونية دون سرعة الصوت، جنبًا إلى جنب مع أدوات التحكم الإضافية ذات الصلة بإخراج التردد المنخفض، مثل تعديل التقاطع ومفتاح الطور. يتم تعيين هذه التكوينات كمكبرات صوت فرعية نشطة أو مزودة بالطاقة. على العكس من ذلك، تتطلب مكبرات الصوت السلبية تضخيمًا خارجيًا.

ضمن إعدادات الصوت القياسية، يتم عادةً وضع مكبرات الصوت الفرعية بشكل مستقل عن حاويات مكبرات الصوت الأخرى. بسبب عوامل مثل تأخير الانتشار والترتيب المكاني، يمكن أن يظهر خرج مضخم الصوت تناقضات في الطور بالنسبة للإشارة الصوتية الرئيسية. لذلك، تشتمل مضخمات الطاقة الخاصة بمضخم الصوت في كثير من الأحيان على آلية تعديل تأخير الطور، والتي يمكنها تحسين الأداء العام للنظام. تجد مكبرات الصوت تطبيقًا واسع النطاق في أنظمة تعزيز الصوت للحفلات الموسيقية الكبيرة والأماكن متوسطة الحجم. تشتمل حاويات مضخم الصوت عادةً على منفذ انعكاس الجهير، وهو عنصر تصميم يعمل، عند تصميمه بشكل مناسب، على تحسين إنتاج الجهير وزيادة الكفاءة.

مكبر الصوت

يشكل مكبر الصوت محول طاقة مصمم خصيصًا لإعادة إنتاج الصوت منخفض التردد. يعمل برنامج التشغيل هذا جنبًا إلى جنب مع الخصائص الصوتية لحاوية السماعة الخاصة به لتوليد ترددات منخفضة مناسبة. تستخدم بعض أنظمة مكبرات الصوت مكبر صوت للتعامل مع الترددات المنخفضة، وأحيانًا بكفاءة كافية لتفادي الحاجة إلى مضخم صوت مخصص. علاوة على ذلك، تستخدم بعض تصميمات مكبرات الصوت مكبر الصوت لإدارة الترددات متوسطة المدى، مما يحول دون تضمين مشغل متوسط المدى منفصل.

برنامج تشغيل متوسط المدى

مكبر الصوت متوسط المدى عبارة عن محول طاقة لمكبر الصوت تم تصميمه لإعادة إنتاج نطاق تردد يمتد عادةً من 1 إلى 6 كيلو هرتز، ويشار إليه عادةً بالترددات المتوسطة، الموجودة بين النطاقات التشغيلية لمكبر الصوت ومكبر الصوت. يمكن تصنيع أغشية المحركات متوسطة المدى من الورق أو المواد المركبة، وتعمل إما كمحركات إشعاع مباشر، على غرار مكبرات الصوت المصغرة، أو كمحركات ضغط، على غرار تكوينات معينة لمكبرات الصوت. إذا كان السائق متوسط ​​المدى يعمل كمبرد مباشر، فيمكن لصقه على الحاجز الأمامي لحاوية مكبر الصوت؛ وبدلاً من ذلك، إذا كان محرك ضغط، فيمكن تركيبه على عنق البوق لزيادة مستوى الإخراج وتحسين نمط الإشعاع.

مكبر الصوت

يعمل مكبر الصوت كمحول طاقة عالي التردد مسؤول عن إعادة إنتاج الترددات العليا داخل النظام الصوتي. يتمثل أحد التحديات الكبيرة في هندسة مكبرات الصوت في تحقيق تشتت صوتي زاوي واسع، أو استجابة خارج المحور، نظرًا لميل الصوت عالي التردد للانتشار من مكبر الصوت في حزم ضيقة. تنتشر مكبرات الصوت ذات القبة الناعمة في أنظمة الاستريو المحلية، في حين يتم استخدام محركات الضغط المحملة بالبوق بشكل متكرر في تطبيقات تعزيز الصوت الاحترافية. لقد شهدت مكبرات الصوت الشريطية زيادة في الاعتماد، لا سيما مع رفع خرج الطاقة لبعض التصميمات إلى مستويات مناسبة لتعزيز الصوت الاحترافي، مما يوفر نمط إخراج عريضًا أفقيًا مفيدًا لتطبيقات الصوت الخاصة بالحفلات الموسيقية.

المحركات المحورية

يمثل المحرك المحوري محول طاقة مكبر الصوت الذي يدمج اثنين أو أكثر من المحركات متحدة المركز داخل وحدة واحدة. تشمل الشركات المصنعة البارزة للمحركات المحورية Altec، وTannoy، وPioneer، وKEF، وSEAS، وB&C مكبرات الصوت، وBMS، وCabasse، وGenelec.

تصميم النظام

Crossover

ضمن أنظمة السماعات متعددة المحركات، يعمل التقاطع كشبكة مرشح مصممة لتقسيم إشارة الإدخال إلى نطاقات تردد مميزة، بما يتماشى مع المواصفات التشغيلية لكل محرك على حدة. وبالتالي، يتلقى كل سائق الطاقة حصريًا ضمن نطاق التردد المحدد له، مما يعمل على تقليل التشويه داخل المحركات وتخفيف التداخل بين السائقين. يتم تصنيف الشبكات المتقاطعة على أنها سلبية أو نشطة.

يشكل التقاطع السلبي دائرة إلكترونية تشتمل على مزيج من واحد أو أكثر من المقاومات والمحاثات والمكثفات. يتم دمج هذه العناصر المكونة لإنشاء شبكة مرشح، يتم وضعها عادةً بين مضخم الطاقة كامل المدى ومشغلات مكبر الصوت، بغرض تجزئة إشارة مكبر الصوت إلى نطاقات التردد المطلوبة قبل التوزيع على محولات الطاقة الفردية. في حين أن دوائر التقاطع السلبي تعمل بدون طاقة خارجية، وتعتمد فقط على الإشارة الصوتية، إلا أنها تمثل عيوبًا معينة، مثل احتمال الحاجة إلى محاثات ومكثفات أكبر لاستيعاب متطلبات التعامل مع الطاقة. وعلى النقيض من عمليات الانتقال النشطة، التي تشتمل على مضخم صوت متكامل، تظهر عمليات الانتقال السلبية توهينًا متأصلًا داخل نطاق المرور الخاص بها، مما يؤدي عادةً إلى تقليل عامل التخميد قبل الملف الصوتي.

يعمل التقاطع النشط كدائرة ترشيح إلكترونية، حيث يقوم بتقسيم الإشارة الصوتية إلى نطاقات تردد متميزة قبل تضخيم الطاقة، مما يستلزم مضخم طاقة مخصصًا لكل نطاق. في حين أن التصفية السلبية يمكن أن تسبق تضخيم الطاقة بالمثل، فإن هذا الأسلوب أقل شيوعًا ويوفر مرونة أقل مقارنة بالتصفية النشطة. يُطلق على المنهجيات التي تستخدم التصفية المتقاطعة التي نجحت عن طريق التضخيم بشكل جماعي اسم التضخيم الثنائي، والتضخيم الثلاثي، والتضخيم الرباعي، والتسميات المشابهة، اعتمادًا على العدد المطلوب من قنوات مكبر الصوت.

تدمج تكوينات معينة لمكبرات الصوت كلاً من الترشيح المتقاطع السلبي والنشط، على سبيل المثال، استخدام التقاطع السلبي لمحركات التردد المتوسطة والعالية جنبًا إلى جنب مع التقاطع النشط لمشغل التردد المنخفض.

يتم عادةً دمج عمليات الانتقال السلبي داخل حاويات السماعات وتمثل نوع التقاطع السائد للتطبيقات المحلية ومنخفضة الطاقة. داخل أنظمة الصوت الخاصة بالسيارات، قد يتم وضع عمليات الانتقال السلبية في حاوية متميزة، وهي ضرورة تمليها أبعاد المكونات المكونة لها. يمكن أن تتراوح عمليات الانتقال هذه من التصميمات البسيطة للتصفية ذات الترتيب المنخفض إلى التكوينات المعقدة التي تتيح المنحدرات الشديدة، مثل 18 أو 24 ديسيبل لكل أوكتاف. علاوة على ذلك، يمكن تصميم عمليات الانتقال السلبية للتخفيف من الخصائص غير المرغوب فيها الناشئة عن أصداء السائق أو البوق أو العلبة؛ ومع ذلك، يمكن أن يكون تنفيذها أمرًا صعبًا بسبب تفاعلات المكونات. على غرار وحدات التشغيل التي توفرها، تمتلك عمليات الانتقال السلبية قيودًا على التعامل مع الطاقة، وتتحمل خسائر في الإدخال، وتعديل الحمل الكهربائي المقدم إلى مكبر الصوت. كثيرًا ما تثير هذه التعديلات مخاوف لعشاق الموسيقى. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مستويات إخراج عالية، غالبًا ما تعتبر عمليات الانتقال النشطة أكثر فائدة. يمكن أن تظهر عمليات الانتقال النشطة كدوائر مباشرة تكرر استجابة الشبكة السلبية، أو كأنظمة أكثر تعقيدًا تسهل تعديلات الصوت الشاملة. قد تشتمل بعض عمليات الانتقال النشطة، خاصة أنظمة إدارة مكبرات الصوت الرقمية، على مكونات إلكترونية وعناصر تحكم لمحاذاة الطور والوقت بشكل دقيق عبر نطاقات التردد، والمساواة، وضغط النطاق الديناميكي والحد منه.

المرفقات

تشتمل غالبية أنظمة مكبرات الصوت على برامج تشغيل مدمجة داخل حاوية أو خزانة. وتتمثل الوظيفة الأساسية للعلبة في منع التداخل المدمر بين الموجات الصوتية التي تنتشر من الجزء الخلفي للسائق وتلك المنبعثة من الأمام. الموجات الصوتية المنبعثة من الخلف تكون خارج الطور بزاوية 180 درجة مع الموجات المنبعثة للأمام؛ وبالتالي، في حالة عدم وجود حاوية، يؤدي ذلك عادةً إلى عمليات إلغاء تقلل بشكل كبير من مستوى الصوت وجودته عند الترددات المنخفضة.

يتضمن تكوين تركيب برنامج التشغيل الأكثر بدائية لوحة مسطحة (يربك) يتم تثبيت برامج التشغيل فيها. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة تؤدي إلى إلغاء الترددات الصوتية التي تمتلك أطوال موجية تتجاوز أبعاد الحاجز، حيث يتداخل الإشعاع الطور المضاد من الجزء الخلفي للمخروط مع الإشعاع الأمامي. من الناحية النظرية، من شأن لوحة كبيرة لا متناهية أن تقضي على هذا التداخل. يمكن للحاوية المغلقة ذات الحجم المناسب أن تقارب هذه الخاصية المرغوبة.

نظرًا لعدم عملية الألواح ذات الأبعاد اللانهائية، تعمل غالبية العبوات من خلال احتواء الإشعاع الخلفي الناشئ من الحجاب الحاجز المتحرك. يمنع الغلاف المحكم نقل الصوت المنبعث من الجزء الخلفي لمكبر الصوت من خلال احتوائه داخل صندوق صلب ومحكم الغلق. تشتمل الاستراتيجيات المستخدمة لتقليل انتقال الصوت عبر جدران الخزانة على بناء جدار أكثر سمكًا، ودعامة داخلية، واستخدام مواد حائط غير قابلة للفقد.

ومع ذلك، فإن الغلاف الصلب يعكس الصوت داخليًا، والذي يمكن إعادة إرساله لاحقًا من خلال الحجاب الحاجز لمكبر الصوت، مما يؤثر على جودة الصوت. يمكن التخفيف من هذه الظاهرة من خلال الامتصاص الداخلي، باستخدام مواد مثل الصوف الزجاجي أو الصوف أو الألياف الاصطناعية داخل العلبة. علاوة على ذلك، يمكن تصميم الهندسة الداخلية للحاوية لتقليل هذا التأثير عن طريق توجيه الأصوات بعيدًا عن حاجز مكبر الصوت، مما يسهل امتصاصها لاحقًا.

تقوم تصميمات الحافظة البديلة بتعديل إشعاع الصوت الخلفي لتمكين تجميعه البناء مع الإخراج من مقدمة المخروط. يتم استخدام مثل هذه التصميمات (على سبيل المثال، انعكاس الجهير، المشعاع السلبي، خط النقل) بشكل متكرر لتوسيع الاستجابة الفعالة للتردد المنخفض وزيادة خرج التردد المنخفض للسائق.

لتسهيل الانتقال السلس بين السائقين، سعى مصممو النظام إلى تحقيق محاذاة الوقت عن طريق إعادة وضع واحد أو أكثر من مواقع تثبيت السائق طوليًا، وبالتالي ضمان أن المركز الصوتي لكل سائق يشغل نفس المستوى الرأسي. قد تستلزم هذه العملية أيضًا إمالة السائق للخلف، أو توفير حاوية فردية لكل سائق، أو استخدام المنهجيات الإلكترونية لتحقيق التأثير المطلوب. وكثيرًا ما توجت مبادرات التصميم هذه بهياكل الخزانات المميزة.

إن تكوينات تركيب مكبرات الصوت، التي تشمل الخزانات الخاصة بها، قادرة على إحداث الانعراج، والذي يظهر على شكل قمم وانخفاضات ضمن استجابة التردد. تكون هذه الظاهرة أكثر أهمية عادةً عند الترددات الأعلى، حيث تكون الأطوال الموجية إما مماثلة للأبعاد المادية للخزانة أو أصغر منها.

مكبرات الصوت القرنية

تشكل مكبرات الصوت القرنية أقدم أشكال أنظمة مكبرات الصوت. يمكن إرجاع استخدام الأبواق كمكبرات صوت لتضخيم الصوت إلى القرن السابع عشر على الأقل، مع حدوث دمجها في الحاكيات الميكانيكية في وقت مبكر من عام 1877. تشتمل مكبرات الصوت القرنية على دليل موجي ذو شكل دقيق، يقع إما أمام السائق أو خلفيه، لزيادة اتجاهية مكبر الصوت ولإحداث تحول من حالة الضغط العالي ذات القطر الصغير على سطح مخروط السائق إلى حالة الضغط المنخفض ذات القطر الكبير عند فتحة البوق. يعمل هذا التصميم على تحسين مطابقة المعاوقة الصوتية الكهربائية/الميكانيكية بين السائق والهواء المحيط بشكل كبير، وبالتالي تعزيز الكفاءة وتركيز انتشار الصوت داخل منطقة مكانية أكثر تحديدًا.

يجب تحديد أبعاد الحلق والفم والطول الإجمالي للبوق ومعدل توسيع مساحته بدقة لتتناسب بدقة مع السائق، وبالتالي ضمان وظيفة التحويل الفعالة عبر نطاق تردد محدد. يتطلب الطول المطلوب ومنطقة الفم المستعرضة لتوليد ترددات الجهير أو الجهير الفرعي بوقًا يبلغ طوله عدة أقدام. توفر تصميمات القرون المطوية تقليلًا في الحجم المادي الإجمالي ولكنها تجبر المصممين على تنفيذ حلول وسط وقبول زيادة تكاليف التصنيع وتعقيدات البناء. لا تتضمن بعض تكوينات البوق بوقًا مطويًا منخفض التردد فحسب، بل تستخدم أيضًا جدران الغرفة بشكل استراتيجي، وخاصة الزوايا، كامتداد لفم البوق. في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي، لم تكن أنظمة البوق التي تتميز بأفواه تشغل جزءًا كبيرًا من جدار الغرفة شائعة بين عشاق الدقة العالية. ومع ذلك، انخفض التطبيق العملي لهذه التركيبات بحجم الغرفة وقبولها بشكل كبير عندما أصبح نشر وحدتين أو أكثر ضروريًا.

يستطيع مكبر الصوت المحمل بالبوق إظهار حساسية تصل إلى 110 ديسيبل_SPL عند قياسه عند 2.83 فولت (أي ما يعادل 1 وات في حمل 8 أوم) على مسافة متر واحد. يشير مقياس الأداء هذا إلى زيادة بمقدار مائة ضعف في الإخراج الصوتي عند مقارنته بمكبر صوت يتمتع بتصنيف حساسية يبلغ 90 ديسيبل بموجب المواصفات المذكورة أعلاه. تثبت هذه الحساسية العالية أنها لا تقدر بثمن في التطبيقات التي تتطلب مستويات مرتفعة لضغط الصوت أو حيث تكون موارد طاقة مضخم الصوت مقيدة.

من الأمثلة البارزة على نظام مكبرات الصوت المحمل بالكامل بالقرن هو Klipschhorn، الذي ابتكره Paul W. Klipsch في الأربعينيات. يستخدم قسم التردد المنخفض الخاص به بوقًا جهيرًا مطويًا، وتكتمل مرحلة التوسعة الطرفية بزاوية الغرفة. وبالتالي، تعمل الغرفة كمكون أساسي للمسار الصوتي للبوق، بدلاً من مجرد العمل كميسر للوضع. يعمل هذا التكوين على تعزيز التحميل الصوتي والكفاءة من خلال إنشاء هيكل بوق أكبر بشكل فعال دون الحاجة إلى زيادة في أبعاد العلبة المادية، وهو مبدأ تم توضيحه في طلب براءة اختراع تم تقديمه في عام 1941 وتم إصداره لاحقًا في عام 1943. ابتكر كليبش لاحقًا تصميمات بوق عالية التردد تهدف إلى الحفاظ على الكفاءة والحفاظ على الاتجاه المتحكم به عند أطوال موجية أقصر، كما هو موثق في طلب براءة اختراع تم تقديمه في عام 1949 وتم منحه في عام 1951.

مكبر صوت خط النقل

يشكل مكبر الصوت الخاص بخط النقل تصميمًا محددًا لحاوية مكبر الصوت الذي يشتمل على خط نقل صوتي داخلي، وهو ما يتناقض مع التصميمات التقليدية والأبسط القائمة على الغلاف. على عكس الأنظمة التي يتردد فيها الصوت داخل حاوية مبللة واضحة نسبيًا، يتم توجيه الإخراج الصوتي من الجزء الخلفي لمشغل الصوت الجهير إلى مسار ممتد (مطوي عادةً) ومخمد يقع داخل حاوية مكبر الصوت. يتيح هذا الأسلوب التحكم الفائق والاستخدام الأكثر كفاءة للطاقة المشعة للمكبر.

اتصالات الأسلاك

تحتوي مكبرات الصوت المنزلية عالية الدقة (hi-fi) عادةً على طرفي أسلاك للاتصال بمصدر الإشارة، مثل مضخم الصوت أو جهاز الاستقبال. يتم تسهيل هذه الاتصالات من خلال أعمدة الربط أو المشابك الزنبركية أو المقابس المثبتة على اللوحة المدمجة في حاوية مكبر الصوت. في حالة انحراف الأسلاك الخاصة بزوج من مكبرات الصوت عن القطبية الكهربائية الصحيحة، يتم وصف مكبرات الصوت بأنها خارج الطور أو، بشكل أكثر دقة، خارج القطبية. عند استقبال إشارات متطابقة، سيتحرك مخروط مكبر الصوت خارج القطبية في الاتجاه المعاكس مقارنة بالسماعات الأخرى. تؤدي هذه الحالة عادةً إلى الإلغاء وخفض المستوى وضعف توطين المحتوى أحادي الصوت ضمن تسجيل استريو، والذي يعزى إلى التداخل المدمر للموجات الصوتية. تكون ظاهرة الإلغاء أكثر وضوحًا عند الترددات التي تكون فيها مكبرات الصوت مفصولة بربع طول موجي أو أقل، حيث تشهد الترددات المنخفضة التأثير الأكبر. على الرغم من أن خطأ الأسلاك هذا لا يؤدي إلى إلحاق ضرر بمكبرات الصوت، إلا أنه يضر بتجربة الاستماع المثالية.

بالنسبة لأنظمة تعزيز الصوت، وأنظمة العناوين العامة (PA)، ومرفقات مكبرات الصوت الخاصة بمكبرات الصوت، يتم عادةً إنشاء الاتصالات عبر الكابلات باستخدام أنواع معينة من المقابس أو الموصلات. يتم استخدام مقابس ربع بوصة (1/4 بوصة) بشكل متكرر في أنظمة الصوت وخزائن مكبرات الصوت ذات السعر المنخفض والمتوسط. وعلى العكس من ذلك، تشتمل خزانات مكبرات الصوت وأنظمة الصوت الأعلى والأكثر قوة على موصلات Speakon. تعتبر موصلات Speakon خيارًا أكثر أمانًا لمكبرات الصوت عالية القوة نظرًا لتصميمها، مما يمنع الاتصال البشري بالمحطات الكهربائية.

مكبرات الصوت اللاسلكية

تعمل مكبرات الصوت اللاسلكية بشكل مشابه لنظيراتها التي تعمل بالطاقة السلكية، ولكنها تستقبل إشارات صوتية عبر موجات التردد اللاسلكي (RF) بدلاً من كابلات الصوت المادية. تم دمج مكبر الصوت داخل حجرة مكبر الصوت، حيث أن موجات التردد اللاسلكي وحدها تفتقر إلى الطاقة الكافية لتشغيل محول الطاقة. على الرغم من نقل الصوت لاسلكيًا، لا تزال مكبرات الصوت هذه بحاجة إلى الطاقة، حيث تسحبها إما من منفذ طاقة تيار متردد قريب أو من البطاريات الداخلية. ونتيجة لذلك، يصبح كابل الإشارة الصوتية فقط غير ضروري.

المواصفات الفنية

تشمل مواصفات مكبر الصوت عادةً المعلمات التالية:

• مكبر الصوت أو نوع المشغل (ينطبق على الوحدات الفردية فقط): تتضمن هذه الفئة تسميات مثل النطاق الكامل، أو مكبر الصوت، أو مكبر الصوت، أو النطاق المتوسط.
• أبعاد المشغل الفردي: بالنسبة للمحركات المخروطية، يشير الحجم المحدد عادةً إلى القطر الخارجي للسلة. في كثير من الأحيان، قد يمثل هذا البعد قطر محيط المخروط، مقاسًا من القمة إلى القمة، أو المسافة بين مراكز فتحات التثبيت المتعارضة. يمكن أيضًا توفير قطر الملف الصوتي. في حالة مكبر الصوت الذي يتضمن محرك بوق ضغط، يمكن الإشارة إلى قطر حلق البوق.
• الطاقة المقدرة: يشير هذا المقياس إلى مستويات الطاقة المستمرة والذروة التي يستطيع مكبر الصوت التعامل معها. يمكن للسائق أن يتعرض لأضرار عند مستويات طاقة أقل بكثير من تصنيفها الاسمي إذا تعرض لرحلة ميكانيكية زائدة عند ترددات منخفضة. في بعض الولايات القضائية القانونية، تعد القدرة على التعامل مع الطاقة مصطلحًا محددًا قانونيًا، مما يتيح إجراء مقارنات موحدة بين مكبرات الصوت. ومع ذلك، في مناطق أخرى، يمكن أن تؤدي التفسيرات المتنوعة لقدرة التعامل مع السلطة إلى قدر كبير من الغموض.
• الممانعة: تتضمن القيم المحددة بشكل عام 4 أوم (أوم)، و8 أوم، وتصنيفات قياسية أخرى.
• نوع الحاجز أو الهيكل (ينطبق فقط على الأنظمة المغلقة): تشمل الأمثلة التصميمات المختومة وانعكاس الجهير وغيرها من التصميمات.
• مكمل برنامج التشغيل (ينطبق فقط على أنظمة مكبرات الصوت الكاملة): يحدد هذا التكوينات مثل الاتجاهين، والثلاث اتجاهات، وما إلى ذلك.
• تصنيف مكبر الصوت:
  • الفئة 1: تتميز بحد أقصى لمستوى ضغط الصوت (SPL) يبلغ 110-119 ديسيبل، ومكبرات الصوت هذه مناسبة لإعادة إنتاج الصوت في الأماكن الضيقة أو لتطبيقات الموسيقى الخلفية. تعمل في المقام الأول كمكبرات صوت لأنظمة الفئة 2 أو الفئة 3، وتتميز عادةً بمكبرات صوت صغيرة مقاس 4 أو 5 بوصات ومكبرات صوت مقببة.
  • الفئة 2: تحقق مكبرات الصوت متوسطة الطاقة هذه حدًا أقصى لمستوى ضغط الصوت يبلغ 120-129 ديسيبل ويتم استخدامها لتعزيز الصوت في الأماكن الصغيرة إلى المتوسطة، أو كمكبرات صوت تكميلية لأنظمة الفئة 3 أو الفئة 4. تشتمل عادةً على مكبرات صوت مقاس 5 إلى 8 بوصات ومكبرات صوت على شكل قبة.
  • الفئة 3: تعرض مكبرات الصوت عالية الطاقة بحد أقصى لمستوى ضغط الصوت (SPL) يبلغ 130-139 ديسيبل، وتُستخدم كأنظمة أساسية في المساحات الصغيرة إلى المتوسطة الحجم ويمكن أن تعمل أيضًا كمكبرات صوت ملء لأنظمة الفئة 4. يتضمن تكوينها النموذجي مكبرات صوت مقاس 6.5 بوصة إلى 12 بوصة ومحركات ضغط مقاس 2 بوصة أو 3 بوصة لإعادة الإنتاج عالي التردد.
  • الفئة 4: تحقق مكبرات الصوت عالية الطاقة هذه حدًا أقصى لمستوى ضغط الصوت يصل إلى 140 ديسيبل أو أكثر، وتعمل كأنظمة رئيسية في الأماكن المتوسطة إلى الكبيرة، أو كمكبرات صوت في مثل هذه البيئات. وتتميز عادةً بمكبرات صوت مقاس 10 إلى 15 بوصة ومشغلات ضغط مقاس 3 بوصة.

قد تتضمن المواصفات الاختيارية ما يلي:

• الترددات المتقاطعة (ينطبق فقط على الأنظمة متعددة المشغلات): يشير هذا إلى نقاط التردد الاسمية التي يتم عندها تقسيم الإشارة الصوتية بين مشغلات مختلفة.
• استجابة التردد تشير إلى أداء الإخراج المقاس أو المحدد للنظام عبر نطاق محدد من الترددات، مع الأخذ في الاعتبار مستوى إدخال ثابت يختلف عبر هذا الطيف. يتضمن هذا المقياس أحيانًا حدًا للتباين، مثل "± 2.5 ديسيبل".
• بالنسبة للسائقين الفرديين، تشمل معلمات Thiele/Small العديد من المواصفات الرئيسية، بما في ذلك F_s (تردد الرنين)، وQ_ts (الذي يمثل عامل Q للسائق، والذي يقارب تخميده عند تردد الرنين)، وV_as (ال حجم امتثال الهواء المكافئ للسائق).
• الحساسية تقيس مستوى ضغط الصوت الناتج عن مكبر الصوت داخل بيئة كاتمة للصدى. يتم التعبير عن ذلك عادةً بـ _SPL يتم قياسه على مسافة 1 متر، مع دخل 1 واط (أي ما يعادل 2.83 فولت RMS في حمل 8 أوم)، عادةً عند واحد أو أكثر من الترددات المحددة. كثيرًا ما يستفيد المصنعون من هذه المواصفات في المحتوى الترويجي.
• يمثل الحد الأقصى لمستوى ضغط الصوت ذروة الإخراج التي يمكن لمكبر الصوت تحقيقها دون تكبد أي ضرر أو تجاوز حد التشوه المحدد مسبقًا. يتم استخدام هذا المقياس بشكل متكرر من قبل الشركات المصنعة في المواد التسويقية، غالبًا بدون إشارة صريحة إلى نطاق التردد التشغيلي أو مستوى التشويه المرتبط به.

الخصائص الكهربائية لمكبرات الصوت الديناميكية

لتوليد الصوت، يتلقى مكبر الصوت تيارًا كهربائيًا معدلاً من مكبر الصوت، والذي يمر عبر ملف مكبر الصوت. يستحث هذا التيار مجالًا مغناطيسيًا حول الملف عبر الحث. ونتيجة لذلك، تتحول التغيرات في التيار الكهربائي إلى مجال مغناطيسي متقلب. يؤدي تفاعل هذا المجال المتغير مع المجال المغناطيسي الدائم للسائق إلى تحرك الحجاب الحاجز لمكبر الصوت، وبالتالي توليد حركة الهواء التي تكرر الإشارة الأصلية من مكبر الصوت.

يشكل الحمل الكهربائي الذي يقدمه السائق إلى مكبر الصوت ممانعة معقدة، تشتمل على مقاومة إلى جانب كل من المفاعلة السعوية والحثية. تدمج هذه المعاوقة الخصائص المتأصلة للسائق، وديناميكياته الميكانيكية، وتأثير أي مكونات متقاطعة تقع بين مكبر الصوت والمحرك، وتأثيرات تحميل الهواء كما تم تعديلها بواسطة العلبة وظروفها المحيطة. في حين أن معظم مكبرات الصوت تحدد طاقة الخرج في حمل مقاوم مثالي، فإن مقاومة مكبر الصوت ليست ثابتة عبر نطاق تردد التشغيل الخاص بها. بدلاً من ذلك، هناك عوامل مثل الطبيعة الاستقرائية للملف الصوتي، والرنين الميكانيكي للسائق، وتعديل العلبة للخصائص الكهربائية والميكانيكية للسائق، ومساهمات شبكات التقاطع السلبي، كلها تقدم اختلافات. ونتيجة لذلك، تتقلب مقاومة الحمل بشكل كبير مع التردد، وغالبًا ما يكون مصحوبًا بتحول طور يعتمد على التردد بين الجهد والتيار. وتختلف قدرة مكبرات الصوت على إدارة مثل هذه الاختلافات في المعاوقة بشكل كبير.

تتوفر نماذج كهربائية مفصلة لمكبرات الصوت لتحليل هذه التأثيرات بشكل شامل.

القياسات الكهروميكانيكية

تشمل قياسات مكبر الصوت النموذجية خصائص السعة والطور كدالة للتردد؛ الاستجابة النبضية في ظل ظروف مختلفة (على سبيل المثال، الموجات المربعة، رشقات الموجات الجيبية)؛ أنماط الاتجاهية عبر الترددات (على سبيل المثال، الأفقي، الرأسي، الكروي)؛ التشوه التوافقي والتشكيل البيني بالنسبة لمستوى ضغط الصوت (SPL)، باستخدام إشارات اختبار متنوعة؛ الطاقة المخزنة (أي الرنين) بترددات مختلفة؛ المعاوقة مقابل التردد؛ والأداء في ظل ظروف الإشارة الصغيرة والإشارة الكبيرة. يتطلب تنفيذ معظم هذه القياسات أدوات متطورة ومكلفة في كثير من الأحيان. يتم قياس مستوى ضغط الصوت (SPL) الناتج عن مكبر الصوت بشكل تقليدي بالديسيبل بالنسبة إلى 20 μPa (dB_SPL).

الكفاءة مقابل الحساسية

يتم تعريف كفاءة مكبر الصوت رسميًا على أنها نسبة خرج الطاقة الصوتية إلى مدخلات الطاقة الكهربائية. تعمل معظم مكبرات الصوت كمحولات طاقة غير فعالة، حيث تحول حوالي 1% فقط من الطاقة الكهربائية التي يوفرها مكبر الصوت إلى طاقة صوتية. ويتبدد الباقي على شكل حرارة، بشكل أساسي داخل الملف الصوتي ومجموعة المغناطيس. ينبع عدم الكفاءة هذا إلى حد كبير من التحدي المتأصل المتمثل في تحقيق مطابقة المعاوقة المثالية بين المعاوقة الصوتية لوحدة القيادة والهواء المحيط الذي تشع فيه. علاوة على ذلك، فإن كفاءة مكبرات الصوت تظهر اعتماداً على التردد. على سبيل المثال، يتضاءل خرج مشغل مكبر الصوت مع انخفاض تردد الإدخال نتيجة لتوافق المعاوقة الضعيف تدريجيًا بين الهواء والمضخم نفسه.

يُطلق على مقاييس أداء السائق، وتحديدًا تلك التي تعتمد على مستوى ضغط الصوت (SPL) لمدخل محدد، اسم تقييمات الحساسية وتحمل تشابهًا مفاهيميًا مع الكفاءة. يتم قياس الحساسية تقليديًا على أنها SPL (dB_SPL، ويُفهم عادةً على أنها dB بالنسبة إلى 20 μPa) المتولدة عن مدخلات كهربائية بقدرة 1 واط، يتم قياسها على مسافة 1 متر، وفي كثير من الأحيان بتردد فردي. غالبًا ما يكون الجهد القياسي المستخدم هو 2.83 فولت_RMS، والذي يسلم 1 واط إلى مكبر صوت بمقاومة اسمية 8 أوم. يُشار عادةً إلى القياسات المشتقة من هذا المرجع على أنها dB_SPL عند 2.83 فولت و1 متر.

يتم تقييم خرج ضغط الصوت أو تعديله رياضيًا إلى ما يعادل مترًا واحدًا من مكبر الصوت وعلى طول محوره المركزي (الأمام مباشرة)، بافتراض أن مكبر الصوت يشع في مساحة غير محدودة أثناء تركيبه على حاجز لا نهائي. وبالتالي، لا تظهر الحساسية علاقة دقيقة مع الكفاءة، لأنها تعتمد أيضًا على اتجاهية السائق قيد التقييم والبيئة الصوتية المحددة التي تسبق مكبر الصوت مباشرة. على سبيل المثال، يعمل بوق المشجع على تضخيم إخراج الصوت في مساره الموجه عن طريق تركيز الموجات الصوتية، وبالتالي تركيزها. علاوة على ذلك، تعمل البوق على تعزيز مطابقة المعاوقة بين المصدر الصوتي والهواء المحيط، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الصوتية لطاقة إدخال معينة.

نظرًا لأن الحساسية وقدرات التعامل مع الطاقة هي سمات مميزة إلى حد كبير، فإن السائق الذي يمتلك تصنيفًا فائقًا للطاقة القصوى لا يضمن بطبيعته مستويات إخراج أعلى مقارنة بنظيره ذي التصنيف الأقل. لأغراض توضيحية، وبافتراض معاوقة كهربائية متطابقة، والتشغيل على نفس التردد ضمن نطاقات التمرير الخاصة بها، وضغط وتشويه الطاقة الذي لا يُذكر، فإن مكبر الصوت الأكثر حساسية بمقدار 3 ديسيبل من مكبر الصوت الآخر سيولد ضعف الطاقة الصوتية تقريبًا (أي أعلى بمقدار 3 ديسيبل) لمدخل طاقة كهربائية مكافئ. وبالتالي، فإن محرك 100 واط (A) مع معدل حساسية 92 ديسيبل_SPL عند 1 واط @ 1 متر سوف ينتج ضعف الطاقة الصوتية لمشغل 200 واط (B) مصنف عند 89 ديسيبل_SPL عند 1 واط @ 1 متر، عندما يتم تزويد كليهما بقدرة 100 واط من الطاقة الكهربائية. في هذا السيناريو، يحقق مكبر الصوت A، عند تشغيله بقدرة 100 واط، نفس مستوى ضغط الصوت (SPL) أو جهارة الصوت المدرك، الذي قد ينتجه مكبر الصوت B فقط مع إدخال 200 واط. ولذلك، فإن تحسين حساسية مكبر الصوت بمقدار 3 ديسيبل يعني ضمنًا الحاجة إلى نصف قدرة مكبر الصوت للوصول إلى SPL محدد، مما يؤدي إلى احتمال وجود مضخم طاقة أكثر إحكاما وأقل تعقيدًا، مما يؤدي غالبًا إلى انخفاض الإنفاق الإجمالي للنظام.

من غير العملي عمومًا تحقيق كفاءة عالية في نفس الوقت (خاصة عند الترددات المنخفضة)، وحجم حاوية مدمج، واستجابة قوية للتردد المنخفض. في تصميم أنظمة مكبرات الصوت، عادةً ما يكون المرء مقيدًا باختيار اثنين فقط من هذه المعلمات الثلاث المترابطة. على سبيل المثال، إذا كان كل من الأداء الممتد للتردد المنخفض وحجم العلبة الصغير من أهداف التصميم الحاسمة، فيجب قبول التسوية التي تنطوي على كفاءة أقل. يُشار أحيانًا إلى هذا المبدأ الأساسي باسم قانون هوفمان للحديد، والذي سمي على اسم ج.أ. هوفمان، الذي كان له دور فعال في KLH.

اعتبارات البيئة الصوتية

إن التفاعل بين نظام مكبر الصوت والبيئة المحيطة به معقد ويتجاوز إلى حد كبير التأثير المباشر لمصمم مكبر الصوت. تُظهر معظم مساحات الاستماع درجات متفاوتة من الانعكاس، اعتمادًا على أبعادها وهندستها وحجمها ومفروشاتها. وبالتالي، فإن التجربة السمعية في آذان المستمع لا تشتمل فقط على الصوت المباشر من نظام السماعات ولكن أيضًا نفس الصوت، الذي يتم تأخيره وتعديله عن طريق انتشاره من وإلى سطح واحد أو أكثر. هذه الموجات الصوتية المنعكسة، عندما يتم تركيبها مع الصوت المباشر، تحفز ظاهرة الإلغاء والتعزيز عبر ترددات مختلفة، غالبًا بسبب أوضاع الغرفة الرنانة، وبالتالي تغيير الطابع الصوتي والطابع الصوتي الذي يراه المستمع. يعتبر الجهاز السمعي البشري حساسًا للغاية للتغيرات الدقيقة في الصوت المنعكس، والذي يفسر جزئيًا الاختلافات الإدراكية في صوت نظام مكبر الصوت عبر مواقع استماع متميزة أو غرف متنوعة.

من المحددات الحاسمة للإخراج الصوتي لنظام مكبر الصوت درجة امتصاص الصوت وانتشاره داخل بيئته. على سبيل المثال، عادةً ما تولد الغرفة الفارغة الخالية من الستائر أو السجاد صدى حادًا ومترددًا عند التصفيق باليد، ويعزى ذلك إلى عدم وجود امتصاص وانتشار مناسب للصوت.

تحديد موضع مكبر الصوت

في بيئة استماع مستطيلة نموذجية، تحفز الأسطح الصلبة والمتوازية للجدران والأرضيات والسقف عقد الرنين الصوتي الأولية عبر ثلاثة أبعاد رئيسية: الجانبية والرأسية والطولية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تنشأ أنماط رنين أكثر تعقيدًا من تفاعل جميع الأسطح الحدودية الستة، مما يؤدي إلى تكوين موجات واقفة. وتسمى هذه الظاهرة استجابة تداخل حدود السماعة (SBIR). تعمل الترددات المنخفضة في الغالب على إثارة هذه الأوضاع، نظرًا لأن أطوالها الموجية الأطول تتأثر بشكل طفيف بترتيبات الأثاث أو موضعه. يعد التوزيع المكاني لهذه الأوضاع أمرًا بالغ الأهمية، خاصة في البيئات المدمجة والمتوسطة الحجم مثل استوديوهات التسجيل والمسارح المنزلية ومرافق البث. يؤثر قرب مكبرات الصوت من حدود الغرفة بشكل كبير على كل من شدة إثارة الرنين والسعة النسبية عند الترددات المختلفة. وبالمثل، فإن موقع المستمع له أهمية قصوى، حيث أن القرب من الحدود يمكن أن يغير بشكل كبير توازن التردد المتصور. يحدث هذا التأثير لأن أنماط الموجات المستقرة تكون أكثر وضوحًا في مثل هذه المواقع وعند الترددات المنخفضة، وتحديدًا تحت تردد شرودر، مع كون العتبة الدقيقة مشروطة بأبعاد الغرفة.

الاتجاهية

قام علماء الصوتيات، من خلال بحثهم في إشعاع مصدر الصوت، بصياغة مفاهيم أساسية ضرورية لفهم إدراك مكبر الصوت. يتم تصور مصدر الإشعاع الأساسي كمصدر نقطي. يمثل المصدر النقطي المثالي موضعًا صغيرًا للغاية ينبعث منه الصوت. ولأغراض توضيحية، يمكن للمرء أن يتصور كرة نابضة دقيقة، تتوسع وتتقلص بشكل منتظم في القطر، وبالتالي تنشر الموجات الصوتية بشكل متناحٍ.

يمكن تصور أي كيان يشع الصوت، بما في ذلك نظام مكبر الصوت، على أنه تجميع لهذه المصادر النقطية الأولية. يختلف نمط الإشعاع الناتج من مجموعة من المصادر النقطية عن مصدر منفرد، ويتوقف على المسافة بين المصادر واتجاهها، والموقع النسبي للمستمع إلى المصفوفة، والتردد المحدد للصوت. رياضيًا، تكون مجموعات معينة من المصادر المباشرة قابلة للتحليل بسهولة.

يتضمن التكوين المباشر مصدرين أوليين منفصلين مكانيًا ويهتزان في الطور المضاد، حيث يتوسع أحد المجالين المصغرين بشكل متزامن مع انكماش الآخر. تم تعيين هذا الاقتران على أنه ثنائي القطب، وتشبه خصائصه الإشعاعية خاصية مكبر الصوت الديناميكي الصغير الذي يعمل بدون حاجز. يُظهر ثنائي القطب نمط اتجاهية على شكل رقم ثمانية، يتميز بأقصى خرج على طول المتجه الذي يربط بين المصدرين وأقل خرج أفقيًا عندما تكون نقطة المراقبة على مسافة متساوية من كلا المصدرين، وذلك بسبب إلغاء مكونات الموجة الموجبة والسالبة. على الرغم من أن غالبية المحركات تعمل بطبيعتها كثنائيات أقطاب، إلا أن نمط إشعاعها يمكن أن يظهر إما كسلوك نقطة المصدر أو سلوك ثنائي القطب، ويتوقف ذلك على العلبة المرفقة. عند دمجها في حاجز محدود، مما يسمح لهذه الموجات خارج الطور بالتفاعل، فإن استجابة التردد ستظهر قمم وأصفرًا ناتجة. على العكس من ذلك، إذا تم امتصاص الإشعاع الخلفي أو احتوائه داخل حاوية، فإن الحجاب الحاجز يقترب من مشعاع نقطة المصدر. مكبرات الصوت ثنائية القطب، التي تم إنشاؤها عن طريق تركيب محركات في الطور (كلا الأغشية تتحرك بشكل متزامن إما للخارج من العلبة أو للداخل فيها) على جوانب متقابلة من الخزانة، تمثل طريقة لتحقيق أنماط إشعاع شاملة الاتجاهات.

في التطبيقات العملية، يمتلك السائقون الفرديون أشكالًا هندسية معقدة ثلاثية الأبعاد، مثل المخاريط والقباب، ويتم تثبيتهم على حواجز لاعتبارات وظيفية متنوعة. في حين أن استخلاص الاتجاهية رياضيًا لمثل هذه الأشكال المعقدة، استنادًا إلى مجموعات المصدر النقطي، غير ممكن بشكل عام، فإن اتجاهية المجال البعيد لمكبر الصوت الذي يتميز بغشاء دائري يقترب بشكل وثيق من اتجاه المكبس الدائري المسطح، وبالتالي يكون بمثابة تبسيط توضيحي مفيد للأغراض التحليلية.

إن اتجاهية المجال البعيد لمكبس دائري مسطح مثبت في حاجز لا نهائي هي

25§ <مسوب> <مي>ي §3233§ ( <مسوب> <مي>ك <مي>أ الخطيئة ⁡ θ ) <مرو> <مسوب> <مي>ك <مي>أ الخطيئة ⁡ θ {\displaystyle p(\theta )={\frac {p_{0}J_{1}(k_{a}\sin \theta )}{k_{a}\sin \theta }}}

حيث ${\displaystyle k_{a}={\frac {2\pi a}{\lambda }}}$, 51§ {\displaystyle p_{0}} يمثل الضغط على المحور، ${\displaystyle a}$ يشير إلى نصف قطر المكبس، ${\displaystyle \lambda }$ يدل على الطول الموجي (على وجه التحديد، ${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{f}}={\frac {\text{سرعة الصوت}}{\text{التردد}}}}$)، ${\displaystyle \theta }$ يشير إلى الزاوية خارج المحور، و160§ {\displaystyle J_{1}} يشير إلى دالة بيسل من النوع الأول.

يُظهر مصدر الصوت المستوي إشعاعًا صوتيًا منتظمًا عندما تتجاوز الأطوال الموجية أبعاده المادية. مع ارتفاع التردد، يتقارب الصوت المنبعث من هذا المصدر إلى حزمة زاويّة أضيق تدريجيًا. تتجلى ظاهرة تضييق الاتجاهية هذه عند الترددات الأعلى للسائقين الأصغر. وحتى مع الأغشية غير الدائرية، يستمر هذا التأثير، مما يجعل المصادر الأكبر حجمًا أكثر توجيهًا. تحاكي العديد من تكوينات مكبرات الصوت هذه الخاصية، في الغالب تلك التي تستخدم تصميمات كهروستاتيكية أو مغناطيسية مستوية.

تستخدم الشركات المصنعة تكوينات متنوعة لتركيب المحرك لتوليد مجالات صوتية محددة مصممة خصيصًا للبيئات المقصودة. يمكن لأنماط الإشعاع الناتجة أن تقارب الخرج الصوتي للآلات الموسيقية الفعلية أو تنشئ توزيعًا منظمًا للطاقة من إشارة الإدخال. مثال توضيحي للأول هو نظام زاوية الغرفة الذي يتضمن العديد من المحركات الصغيرة المتجمعة على سطح الكرة الثمانية. تم تسجيل براءة اختراع لتصميم يجسد هذا النظام وتم تسويقه لاحقًا باسم Bose 2201.

تشكل الاتجاهية عاملاً حاسمًا، حيث تؤثر على كل من توازن التردد الملحوظ للصوت والتفاعل الصوتي بين نظام السماعات وبيئته. يمكن لمكبر الصوت عالي التوجيه، أو الشعاعي (على وجه التحديد، عند قياسه على محور عمودي على وجهه) أن ينتج مجالًا تردديًا يفتقر إلى محتوى عالي التردد، وبالتالي يخلق تصورًا لعدم كفاية طبقة الصوت الثلاثية، حتى لو كانت القياسات على المحور تشير إلى إعادة إنتاج طبقة الصوت الثلاثية بشكل مناسب. تشرح هذه الظاهرة جزئيًا سبب عدم قدرة قياسات استجابة التردد على المحور وحدها على تمييز صوت مكبر الصوت بشكل كامل.

تصاميم بديلة لمكبرات الصوت

على الرغم من استخدام مكبرات الصوت المخروطية الديناميكية في الغالب، تتوفر مجموعة متنوعة من تقنيات مكبرات الصوت البديلة.

التصميمات القائمة على الحجاب الحاجز

مكبرات صوت متحركة من الحديد

على النقيض من التصميم الديناميكي (الملف المتحرك) الأحدث، يستخدم مكبر الصوت المصنوع من الحديد المتحرك ملفًا ثابتًا لتحفيز الاهتزاز في مكون معدني ممغنط، يشار إليه بالحديد أو القصب أو عضو الإنتاج. يعمل هذا المعدن إما كملحق للحجاب الحاجز أو كحاجز نفسه. شكلت تقنية الحديد المتحرك التصميم الأصلي لمكبرات الصوت، مع تطبيقها الأولي في أنظمة الهاتف المبكرة.

تظهر محركات الحديد المتحركة كفاءة منخفضة واستجابة تردد محدودة، مما يستلزم مغناطيسات وملفات كبيرة لزيادة الإخراج الصوتي.

تتضمن محركات المحرك المتوازن، وهو نوع محدد من محرك الحديد المتحرك، عضوًا يتأرجح بطريقة مشابهة للأرجوحة أو لوحة الغوص. وتساهم طبيعتها غير المقيدة في تحقيق كفاءة استثنائية؛ ومع ذلك، فإن هذه الخاصية تؤدي أيضًا إلى رنين واضح. تظل برامج التشغيل هذه سائدة في سماعات الأذن وأجهزة السمع عالية الدقة، حيث يعتبر الحجم الصغير والكفاءة العالية من الاعتبارات القصوى.

مكبرات الصوت الكهرضغطية

توجد مكبرات الصوت الكهرضغطية تطبيقًا شائعًا كمؤشرات صوتية في الساعات والأجهزة الإلكترونية المختلفة، وأحيانًا تعمل كمكبرات صوت في أنظمة مكبرات الصوت الأكثر اقتصادا، بما في ذلك مكبرات صوت الكمبيوتر وأجهزة الراديو المحمولة. توفر مكبرات الصوت هذه العديد من المزايا مقارنة بمكبرات الصوت التقليدية: فهي تظهر مرونة في تحمل الأحمال الزائدة القادرة على إتلاف محولات الطاقة الأخرى عالية التردد، كما تسمح خصائصها الكهربائية المتأصلة بالتشغيل بدون شبكة متقاطعة. مكبرات الصوت الكهرضغطية قادرة على إنتاج مخرجات عالية التردد، وهي خاصية مفيدة في سياقات متخصصة محددة؛ على سبيل المثال، في تطبيقات السونار حيث تعمل محولات الطاقة الكهرضغطية كبواعث (تولد صوتًا تحت الماء) ومستقبلات (تعمل كعناصر استشعار للميكروفونات تحت الماء). تشمل المزايا الإضافية في هذه التطبيقات، على وجه الخصوص، بنيتها البسيطة ذات الحالة الصلبة، والتي توفر مقاومة فائقة لمياه البحر مقارنة بالأجهزة الشريطية أو المخروطية. على العكس من ذلك، توجد بعض العيوب: قد تظهر بعض مكبرات الصوت تذبذبًا عند تحريك الأحمال السعوية، مثل العناصر الكهرضغطية، مما قد يؤدي إلى تشويه أو تلف مكبر الصوت. علاوة على ذلك، فإن استجابتها الترددية أقل عمومًا من تلك التي تحققها التقنيات البديلة.

في عام 2013، كشفت شركة كيوسيرا النقاب عن مكبرات صوت رفيعة للغاية ومتوسطة الحجم تعمل بطبقة كهرضغطية، وتتميز بسمك ملليمتر واحد فقط وكتلة قدرها سبعة جرامات، وهي مصممة للدمج في أجهزة تلفزيون OLED مقاس 55 بوصة.

مكبرات الصوت المغناطيسية

على عكس التصميمات التقليدية التي تستخدم ملفًا صوتيًا لتشغيل مخروط مكبر الصوت، يستخدم مكبر الصوت المغناطيسي مجموعة من الأشرطة المعدنية المثبتة على غشاء فيلم كبير. يتفاعل المجال المغناطيسي الناتج عن تيار الإشارة الذي يمر عبر هذه الشرائط مع مجال المغناطيس الدائم الموجود خلفها. تعمل القوة الناتجة على تشغيل الغشاء، وبالتالي إزاحة الهواء المجاور. وبشكل عام، تظهر هذه التكوينات كفاءة أقل مقارنة بمكبرات الصوت التقليدية ذات الملف المتحرك.

مكبرات الصوت ذات التضيق المغناطيسي

تعمل محولات الطاقة التي تستفيد من الانقباض المغناطيسي في المقام الأول كمشعات للموجات الصوتية بالموجات فوق الصوتية في تطبيقات السونار؛ ومع ذلك، فقد توسع تطبيقها ليشمل أنظمة مكبرات الصوت، ولا سيما بما في ذلك مكبرات الصوت الفرعية. توفر محركات مكبرات الصوت ذات التضيق المغناطيسي العديد من المزايا المميزة: فهي قادرة على توليد قوة أكبر برحلات أصغر مقارنة بالتقنيات البديلة، وهذا الانحراف المحدود يخفف التشوهات المرتبطة عادةً بالرحلات الكبيرة في التصميمات الأخرى. علاوة على ذلك، فإن الطبيعة الثابتة للملف الممغنط تسهل عملية تبريد أكثر كفاءة، وتنبع متانتها من عدم وجود ملفات تعليق وملفات صوتية دقيقة. تم تصنيع وحدات مكبرات الصوت ذات التقييد المغناطيسي بواسطة شركة Fostex وFeONIC.

مكبرات الصوت الكهروستاتيكية

تعمل مكبرات الصوت الإلكتروستاتيكية من خلال استخدام مجال كهربائي عالي الجهد، بدلاً من المجال المغناطيسي، الموجود بين مستويين موصلين لتحفيز غشاء رقيق مشحون بشكل ثابت. هذا التصميم، الذي يوزع القوة الدافعة عبر سطح الغشاء بأكمله بدلاً من تركيزها عبر ملف صوتي صغير، من المحتمل أن ينتج عنه خطية فائقة وتشويه أقل مقارنة بالمحركات الديناميكية. علاوة على ذلك، فإن نمط تشتيت الصوت الضيق المميز الخاص بها يسهل تحديد موضع مجال الصوت بدقة، على غرار ذلك الذي تحققه شاشات الاستوديو. ومع ذلك، فإن هؤلاء المتحدثين يظهرون منطقة استماع مثالية مقيدة ويمتلكون كفاءة محدودة. رحلة الحجاب الحاجز مقيدة بشكل كبير بسبب قيود البناء المتأصلة؛ على وجه التحديد، زيادة الفصل بين الطائرات يتطلب جهدًا أعلى لتحقيق خرج مناسب. تؤدي هذه الحالة إلى تفاقم الميل إلى الانحناء الكهربائي وتزيد من جاذبية المتحدث لجزيئات الغبار. يستمر الانحناء كمشكلة محتملة مع التقنيات المعاصرة، خاصة عندما يتراكم الغبار أو الأوساخ على الألواح وتتعرض لمستويات إشارة مرتفعة.

تعمل محولات الطاقة الكهروستاتيكية بطبيعتها كمشعات ثنائية القطب، كما أن أغشيتها الرقيقة والمرنة تجعلها أقل ملاءمة للتكامل في العبوات، مما قد يخفف من عمليات الإلغاء منخفضة التردد من الأمام إلى الخلف. وبالتالي، بالتزامن مع قدرتها المحدودة على الانطلاق، تكون مكبرات الصوت الكهروستاتيكية كاملة النطاق كبيرة بشكل جوهري، مع توهين ترددات الجهير عند نقطة تقابل ربع الطول الموجي لأضيق أبعاد اللوحة. لتحقيق تصميمات تجارية أكثر إحكاما، يتم استخدام هذه الوحدات في كثير من الأحيان كمحركات عالية التردد، ومتكاملة مع المحركات الديناميكية التقليدية التي تدير ترددات الجهير المنخفضة بكفاءة.

تتطلب مكبرات الصوت الكهروستاتيكية عادةً محولًا تصاعديًا لتضخيم تقلبات الجهد الناتجة عن مضخم الطاقة. يعمل هذا المحول بشكل متزامن على تكبير الحمل السعوي المتأصل لمحولات الطاقة الكهروستاتيكية، مما يؤدي إلى تقديم مقاومة فعالة لمضخمات الطاقة التي تتقلب بشكل كبير مع التردد. على سبيل المثال، مكبر الصوت الذي تم تقييمه اسميًا بـ 8 أوم قد يُظهر حملًا منخفضًا يصل إلى 1 أوم عند الترددات الأعلى، مما يشكل تحديًا كبيرًا لبعض بنيات مكبرات الصوت.

مكبرات الصوت المغناطيسية الشريطية والمستوية

يتكون مكبر الصوت الشريطي من شريط معدني رفيع معلق داخل مجال مغناطيسي. يتم تطبيق إشارة كهربائية على هذا الشريط، مما يحفز حركته داخل المجال المغناطيسي لتوليد الصوت. الميزة الأساسية لمشغلات الشريط هي كتلتها المنخفضة بشكل استثنائي، والتي تتيح التسارع السريع وبالتالي توفر استجابة ممتازة عالية التردد. ومع ذلك، فإن مكبرات الصوت الشريطية غالبًا ما تكون حساسة. تظهر غالبية مكبرات الصوت الشريطية نمط إشعاع ثنائي القطب، على الرغم من أن بعضها يشتمل على دعامات لتقييد هذه الخاصية. يتضاءل الخرج السمعي أعلى وأسفل أطراف الشريط المستطيل عمومًا بسبب إلغاء الطور، مع كون الاتجاه الدقيق متوقفًا على طول الشريط. تتطلب تصميمات الأشرطة عادةً مغناطيسات قوية بشكل استثنائي، مما يساهم في ارتفاع تكلفة تصنيعها. علاوة على ذلك، تمتلك الأشرطة مقاومة منخفضة جدًا، مما يجعلها غير متوافقة مع التضخيم المباشر بواسطة معظم مضخمات الطاقة. وبالتالي، يتم استخدام محول تنحي بشكل شائع لزيادة التيار المتدفق عبر الشريط. مكبر الصوت يدرك بشكل فعال حملًا مكافئًا لمقاومة الشريط مضروبة في مربع نسبة دورات المحول. يعد تصميم المحول الدقيق أمرًا ضروريًا لمنع استجابة التردد والخسائر الطفيلية من التأثير على جودة الصوت، وبالتالي زيادة التكلفة والتعقيد مقارنة بتصميمات مكبرات الصوت التقليدية.

يتم إنشاء مكبرات الصوت المغناطيسية المستوية باستخدام غشاء مرن يتميز بملف صوتي إما مطبوع مباشرة على سطحه أو مثبت عليه بشكل آمن. يتفاعل التيار الكهربائي الذي يمر عبر هذا الملف مع المجال المغناطيسي الناتج عن مغناطيسات موضوعة بدقة تحيط بالحجاب الحاجز. يؤدي هذا التفاعل إلى اهتزاز الغشاء بدرجة عالية من التجانس، وخاليًا إلى حد كبير من الانحناء أو التجاعيد. إن التوزيع الواسع للقوة الدافعة عبر جزء كبير من سطح الغشاء يخفف بشكل فعال من مشكلات الرنين المرتبطة عادةً بالأغشية المسطحة ذات المحرك اللولبي.

مكبرات الصوت ذات الموجة المنحنية

تشتمل محولات الطاقة ذات الموجات المنحنية على غشاء مصمم خصيصًا لتحقيق المرونة. تزداد صلابة المادة تدريجياً من المنطقة الوسطى نحو الأطراف. تنبعث الأطوال الموجية الأقصر في الغالب من المنطقة الداخلية، بينما تنتشر الموجات الأطول نحو حافة السماعة. ولتخفيف الانعكاسات من المحيط إلى المركز، يمتص المثبط المحيطي الأطوال الموجية الأطول. محولات الطاقة هذه قادرة على تغطية نطاق ترددي واسع وقد تم تسويقها على أنها تقارب مصدر الصوت المثالي. تم اعتماد هذه المنهجية المميزة من قبل عدد محدود من الشركات المصنعة، باستخدام تكوينات متنوعة.

تشتمل مكبرات الصوت Ohm Walsh على محرك مميز ابتكره لينكولن والش، وهو مهندس سابق لتطوير الرادار خلال الحرب العالمية الثانية. طور والش بعد ذلك اهتمامًا بتصميم المعدات الصوتية، وبلغ ذروته في مشروعه الأخير: مكبر صوت فردي أحادي الاتجاه يستخدم سائقًا منفردًا. تم توجيه المخروط إلى الأسفل داخل حاوية محكمة الغلق. على عكس مكبرات الصوت التقليدية التي تظهر حركة تشبه حركة المكبس، فإن هذا المخروط يولد الصوت من خلال حركة متموجة، مماثلة لظاهرة "خط النقل" التي لوحظت في إلكترونيات الترددات اللاسلكية. أنتج هذا التصميم الجديد للسماعات مجالًا صوتيًا أسطوانيًا. توفي لينكولن والش قبل إطلاق سراح المتحدث باسمه علنًا. منذ ذلك الحين، قامت شركة Ohm Acoustics بتصنيع نماذج مختلفة لمكبرات الصوت تتضمن تصميم Walsh للمشغل. تستخدم شركة German Physiks، وهي شركة تصنيع معدات صوتية ألمانية، هذه المنهجية أيضًا في إنتاج مكبرات الصوت الخاصة بها.

قامت شركة Manger الألمانية بتصميم وتصنيع محرك موجة منحني يقدم مظهرًا تقليديًا في البداية. ومع ذلك، فإن اللوحة الدائرية المثبتة على الملف الصوتي تنثني بطريقة منظمة بدقة لتوليد صوت كامل النطاق. حصل جوزيف دبليو مانجر على جائزة رودولف-ديزل-ميداي من المعهد الألماني للاختراعات، تقديرًا لتطوراته وابتكاراته الاستثنائية.

مكبرات الصوت المسطحة

لقد تم بذل العديد من الجهود لتصغير أنظمة مكبرات الصوت أو، بدلاً من ذلك، لجعلها أقل وضوحًا. تضمن أحد المحاولات الملحوظة إنشاء ملفات محولات طاقة مثيرة مثبتة على لوحات مسطحة، تعمل كمصادر صوت، وتسمى بشكل أكثر دقة محركات المثير/اللوحة. يمكن تصنيع هذه الألواح بألوان محايدة وتثبيتها على الجدران، وبالتالي تكون أقل وضوحًا من العديد من مكبرات الصوت التقليدية، أو يمكن تزيينها عمدًا بأنماط لخدمة غرض زخرفي. ومع ذلك، تمثل تقنيات اللوحات المسطحة تحديين مترابطين: أولاً، تتمتع اللوحة المسطحة بطبيعتها بمرونة أكبر من المخروط المصنوع من مادة متطابقة، وبالتالي تظهر حركة وحدوية منخفضة؛ ثانيًا، يكون رنين لوحة التحكم أمرًا شاقًا، وغالبًا ما يؤدي إلى تشوهات كبيرة. وعلى الرغم من هذه التحديات، فقد تم طرح العديد من أنظمة اللوحات المسطحة تجاريًا في السنوات الأخيرة.

محولات طاقة حركة الهواء

طوّر أوسكار هيل محول طاقة حركة الهواء خلال ستينيات القرن العشرين. تتضمن هذه المنهجية غشاءًا مطويًا يتم وضعه داخل مجال مغناطيسي، ويجبر على التمدد والانكماش استجابة لإشارة صوتية. وبالتالي، يتم طرد الهواء من بين الطيات، بما يتوافق مع الإشارة المطبقة، وبالتالي يصدر الصوت. تظهر برامج التشغيل هذه متانة فائقة مقارنة بتصميمات الشريط وتظهر كفاءة أعلى بكثير، وقادرة على تحقيق مستويات إخراج مطلقة أكبر من تكوينات مكبر الصوت الشريطي أو الكهروستاتيكي أو المستوي المغناطيسي. قامت شركة ESS، وهي شركة مصنعة مقرها كاليفورنيا، بترخيص التصميم، وتعاقدت مع Heil، ثم أنتجت بعد ذلك أنظمة مكبرات صوت مختلفة تتضمن مكبرات الصوت الخاصة به طوال السبعينيات والثمانينيات. راديو لافاييت، وهي سلسلة بيع بالتجزئة بارزة في الولايات المتحدة، قامت أيضًا ببيع أنظمة مكبرات الصوت بالتجزئة التي تتميز بمكبرات الصوت هذه لفترة من الوقت. حاليًا، تنتج العديد من الشركات المصنعة برامج التشغيل هذه، بما في ذلك اثنتان على الأقل في ألمانيا - تقوم إحداهما بتصنيع مجموعة من مكبرات الصوت الاحترافية المتطورة باستخدام مكبرات الصوت وبرامج التشغيل متوسطة المدى استنادًا إلى هذه التكنولوجيا - ويتوسع تطبيقها ضمن أنظمة الصوت الاحترافية. في الولايات المتحدة، يقوم Martin Logan بتصنيع العديد من مكبرات الصوت AMT، بينما تقوم GoldenEar Technologies بدمجها عبر خط إنتاج مكبرات الصوت الكامل الخاص بها.

مكبرات صوت شفافة ذات توصيل أيوني

في عام 2013، كشف فريق بحث عن مكبر صوت شفاف للتوصيل الأيوني، يتكون من صفحتين من مادة هلامية موصلة شفافة تحيط بطبقة من المطاط الشفاف، وهو مصمم للاستفادة من الجهد العالي والتشغيل للحصول على جودة صوت عالية. تنطبق تقنية السماعات هذه على مجالات مثل الروبوتات، والحوسبة المتنقلة، والبصريات التكيفية.

مكبرات الصوت الرقمية

بدأت التحقيقات التجريبية في تكنولوجيا السماعات الرقمية في مختبرات بيل في وقت مبكر من عشرينيات القرن العشرين. يعمل هذا التصميم على مبدأ مباشر: كل جزء يتحكم بشكل مستقل في المحرك، الذي يعمل إما في حالة "التشغيل" أو "إيقاف التشغيل" بالكامل. ومع ذلك، جعلت التحديات الكامنة هذا التصميم غير عملي للتصنيع المعاصر. في المقام الأول، يتطلب تحقيق جودة إعادة إنتاج الصوت الكافية عددًا كبيرًا من البتات، مما يؤدي إلى وجود مساحة مادية كبيرة جدًا لنظام السماعات. ثانيًا، تؤدي مشكلات التحويل الجوهرية من التناظري إلى الرقمي حتمًا إلى ظهور أسماء مستعارة، مما يؤدي إلى انعكاس إخراج الصوت بسعة متساوية في مجال التردد خارج حد نيكويست (نصف تردد أخذ العينات). تولد هذه الظاهرة مستوى عاليًا غير مقبول من التداخل بالموجات فوق الصوتية إلى جانب الإخراج المقصود. حتى الآن، لم يتم تطوير أي حل قابل للتطبيق للتخفيف من حدة هذه المشكلات بشكل فعال.

تقنيات السماعات الخالية من الحجاب الحاجز

مكبرات الصوت ذات القوس البلازما

تستخدم مكبرات الصوت ذات القوس البلازما البلازما الكهربائية كعنصر مشع. نظرًا لكتلة البلازما الضئيلة وطبيعتها المشحونة، يمكن التحكم فيها بدقة بواسطة مجال كهربائي، مما ينتج عنه خرج خطي للغاية عبر ترددات يتجاوز بشكل كبير الطيف المسموع. ومع ذلك، فإن التحديات المتعلقة بالصيانة والموثوقية عادة ما تمنع هذه التكنولوجيا من اعتمادها على نطاق واسع من قبل المستهلكين. ومن الجدير بالذكر أنه في عام 1978، قام آلان إي هيل، التابع لمختبر أسلحة القوات الجوية في ألبوكيرك بولاية نيو مكسيكو، بتطوير Plasmatronics Hill Type I، وهو مكبر صوت يولد البلازما من غاز الهيليوم. لقد نجح هذا الابتكار في التحايل على إنتاج أكاسيد الأوزون والنيتروجين (NOx) المرتبطة بتحلل الترددات الراديوية للهواء، وهو عيب لوحظ في تصميمات مكبرات الصوت البلازما السابقة. تضمنت هذه النماذج السابقة Ionovac، الذي صنعته شركة DuKane الرائدة في الخمسينيات من القرن الماضي (وتم تسويقه باسم Ionofane في المملكة المتحدة).

يتضمن البديل الأكثر اقتصادًا لهذا المفهوم استخدام اللهب كمحرك، مع الاستفادة من وجود الغازات المتأينة (المشحونة كهربائيًا) داخل اللهب.

مكبرات الصوت الصوتية الحرارية

في عام 2008، قدم باحثون في جامعة تسينغهوا مكبر صوت حراريًا، يُعرف أيضًا باسم الحراري، وهو مصنوع من طبقة رقيقة من أنابيب الكربون النانوية (CNT). يعتمد مبدأ تشغيله على التأثير الصوتي الحراري، حيث تقوم التيارات الكهربائية بترددات صوتية بتسخين مادة CNT بشكل دوري، وبالتالي توليد الصوت في الهواء المحيط. يتميز مكبر الصوت ذو الطبقة الرقيقة CNT بالشفافية والمرونة والمرونة. بعد ذلك، في عام 2013، قام الباحثون في نفس الجامعة بتطوير سماعة أذن صوتية حرارية باستخدام خيوط رقيقة من أنابيب الكربون النانوية وجهاز صوتي حراري مثبت على السطح. يمثل كلا الابتكارين أجهزة متكاملة تمامًا، مما يدل على التوافق مع تكنولوجيا أشباه الموصلات القائمة على السيليكون.

مكبرات الصوت الدوارة

يعمل مكبر الصوت الدوار بشكل أساسي كمروحة مزودة بشفرات تعمل على ضبط درجة صوتها بشكل مستمر، مما يتيح إزاحة الهواء بكفاءة في الاتجاهين. تتميز هذه الأجهزة ببراعة في إعادة إنتاج الترددات دون الصوتية بكفاءة عالية، وهي قدرة يمثل تحديًا أو من المستحيل تحقيقها باستخدام مكبرات الصوت التقليدية القائمة على الحجاب الحاجز. وبالتالي، يتم نشر مكبرات الصوت الدوارة بشكل متكرر في البيئات السينمائية لتوليد تأثيرات غامرة منخفضة التردد، مثل الهادر المرتبط بالانفجارات.

ملاحظات

ملاحظات

المراجع

• تحويل الحساسية إلى كفاءة الطاقة بالنسبة المئوية لمكبرات الصوت السلبية
• مقالة عن حساسية وكفاءة مكبرات الصوت (PDF)