دیافراگم صوتی: از لرزش تا شنیدن
بررسی بخش متحرک بلندگو، جنسهای مختلف، فیزیک تولید صدا و نقش آن در کیفیت صدای نهایی
اگر به یک بلندگو دقت کنید، میبینید که بخشی از آن در هنگام پخش موسیقی به لرزش درمیآید. این بخش که «دیافراگم صوتی» نام دارد، در واقع قلب بلندگوست. وظیفه آن تبدیل سیگنال الکتریکی به امواج مکانیکی (لرزش) و در نهایت به امواج صوتی قابل شنیدن است. در این مقاله با زبانی ساده و با مثالهای علمی، با ساختار، مواد سازنده، فیزیک حاکم بر عملکرد و چالشهای پیش روی این قطعه کلیدی آشنا میشویم.
ماهیت دیافراگم صوتی: مبدل انرژی
دیافراگم صوتی که به آن مخروط بلندگو1 نیز گفته میشود، یک مبدل الکترومکانیکی-آکوستیکی است. یعنی انرژی الکتریکی را ابتدا به حرکت مکانیکی و سپس به انرژی صوتی تبدیل میکند. تصور کنید یک صفحه نازک و انعطافپذیر دارید که به یک موتور بسیار کوچک وصل شده است. این موتور با دریافت سیگنال الکتریکی (که همان موسیقی یا صدا است)، صفحه را به جلو و عقب میراند. این حرکت رفت و برگشتی، لایههای مجاور هوا را فشرده و منبسط کرده و امواج صدا را ایجاد میکند. برای درک بهتر، به یک مثال عملی توجه کنید: > وقتی یک سنگ را در آب آرام میاندازید، امواجی دایرهوار روی سطح آب ایجاد میشود. دیافراگم بلندگو هم دقیقاً همین کار را با هوا انجام میدهد. با حرکت به جلو، هوای جلوی خود را فشرده میکند (ایجاد منطقه فشردگی یا تراکم) و با حرکت به عقب، هوا را رقیق میکند (ایجاد منطقه انبساط یا خلأ). دنباله این فشردگیها و انبساطها همان صدایی است که میشنویم. سرعت و شدت این حرکت توسط فرکانس و دامنه سیگنال ورودی کنترل میشود. هرچه سیگنال قویتر باشد، دیافراگم بیشتر جابجا میشود و صدای بلندتری تولید میکند. هرچه فرکانس سیگنال بالاتر باشد، دیافراگم سریعتر میلرزد و صدای زیرتری تولید میکند.مواد سازنده: سفتی در برابر سبکی
یک دیافراگم ایدهآل باید همزمان چند ویژگی متناقض داشته باشد: باید بسیار سبک باشد تا بتواند سریع حرکت کند، سخت باشد تا هنگام حرکت تغییر شکل ندهد و شکل خود را حفظ کند، و در عین حال میرایی داخلی مناسبی داشته باشد تا ارتعاشات اضافی و ناخواسته را سریع خاموش کند. به همین دلیل، دیافراگمها از مواد متنوعی ساخته میشوند که هر کدام مصارف خاص خود را دارند.| جنس دیافراگم | ویژگیها | کاربرد رایج |
|---|---|---|
| کاغذ (خمیر کاغذ) | سبک، میرایی خوب، ارزان، اما حساس به رطوبت | بلندگوهای عمومی، باندهای قدیمی، برخی هدفونها |
| پلیپروپیلن (پلاستیک) | مقاوم در برابر رطوبت، بادوام، یکنواخت، سنگینتر از کاغذ | بلندگوهای خودرو، اسپیکرهای مقاوم به هوا |
| فلز (آلومینیوم، تیتانیوم) | بسیار سخت و سبک، شفافیت صوتی بالا، میرایی ضعیف | تیتر (توییتر)های باکیفیت، بلندگوهای حرفهای |
| پارچه (کِولار، فایبرگلاس) | بسیار مقاوم، سفتی بالا، وزن متوسط | ساب ووفرهای قوی، بلندگوهای صنعتی و پرقدرت |
فیزیک حاکم بر عملکرد دیافراگم
عملکرد دیافراگم با چند قانون فیزیکی ساده اما مهم توصیف میشود. اولین و مهمترین آنها، قانون القای الکترومغناطیسی است. نیروی محرکه دیافراگم از یک سیمپیچ2 و یک آهنربا تأمین میشود. سیمپیچ به دیافراگم چسبیده و در میدان مغناطیسی آهنربا شناور است. وقتی جریان الکتریکی (که نماینده صدا است) از سیمپیچ عبور میکند، مطابق قانون لنز، نیرویی به آن وارد شده و آن را به حرکت درمیآورد. اندازه این نیرو از فرمول زیر به دست میآید: $F = B \times l \times I$ در این فرمول:- $F$ نیروی وارد بر سیمپیچ و دیافراگم (نیوتن)
- $B$ چگالی میدان مغناطیسی (تسلا)
- $l$ طول سیم درون میدان (متر)
- $I$ جریان عبوری (آمپر)
$p = \rho \times c \times v$
در اینجا $p$ فشار صوت، $\rho$ چگالی هوا، $c$ سرعت صوت در هوا و $v$ سرعت ذرات هوا (که برابر با سرعت دیافراگم است) میباشد.
این فرمول نشان میدهد که برای ایجاد فشار صوت بالا (صدای بلند)، دیافراگم باید بتواند با سرعت زیادی حرکت کند.
در اینجا $p$ فشار صوت، $\rho$ چگالی هوا، $c$ سرعت صوت در هوا و $v$ سرعت ذرات هوا (که برابر با سرعت دیافراگم است) میباشد.
کاربرد عملی: دیافراگم در انواع بلندگو
همانطور که در جدول مواد نیز اشاره شد، دیافراگم بسته به نوع بلندگو (زیروبس) طراحی متفاوتی دارد.- بلندگوهای تمامدامنه (Full-range): این بلندگوها یک دیافراگم دارند که باید تمام فرکانسها را پوشش دهد. معمولاً از جنس کاغذ یا مواد کامپوزیت ساخته میشوند و شکل آن مخروطی ساده است.
- تیتر (توییتر) یا بلندگوی فرکانس بالا: این بلندگوها برای صداهای زیر (مثل سنج یا صدای جیرجیرک) طراحی شدهاند. دیافراگم آنها بسیار کوچک، سبک و معمولاً گنبدی شکل است تا بتواند با سرعت بسیار بالا (چندین هزار بار در ثانیه) بلرزد. جنس آنها اغلب از پارچه آغشته به رزین، پلیاستر یا فلزات سبک مانند آلومینیوم و تیتانیوم است.
- ووفر و سابووفر (بلندگوی فرکانس پایین): وظیفه تولید صداهای بم (مثل طبل یا انفجار) را بر عهده دارند. دیافراگم آنها بزرگ و با جابجایی زیاد است تا بتواند حجم هوای زیادی را برای ایجاد امواج بلند و عمیق جابجا کند. این دیافراگمها باید بسیار مقاوم باشند و معمولاً از کاغذ چندلایه، پلیپروپیلن یا کِولار ساخته میشوند. یک لاستیک یا فوم نرم (سرمصوتی3) دور دیافراگم را میگیرد تا حرکت آن را ممکن کند و هوا از اطراف آن نشت نکند.
چالشهای مفهومی
❓ چرا دیافراگم نباید هنگام لرزش خم شود یا تغییر شکل دهد؟
اگر دیافراگم نرم باشد و خم شود، بخشهای مختلف آن با سرعتهای متفاوتی حرکت میکنند. این باعث میشود امواج صوتی تولید شده توسط بخش جلویی و بخش عقبی دیافراگم با هم تداخل کرده و اصطلاحاً تغییرشکل (دیستورشن) صدا ایجاد شود. به این پدیده، شکست مد میگویند. دیافراگم ایدهآل مانند یک پیستون عمل میکند: تمام نقاط آن با هم و در یک جهت حرکت میکنند تا صدا خالص بماند.
❓ چرا برای تولید صداهای زیر و بم از دیافراگمهای متفاوت استفاده میشود؟
این موضوع به طول موج صدا برمیگردد. صداهای بم طول موج بلندی دارند (چند متر) و برای تولید آنها نیاز به جابجایی حجم زیادی هواست که با یک دیافراگم بزرگ امکانپذیر است. صداهای زیر طول موج کوتاهی دارند (چند سانتیمتر) و نیاز به لرزش سریع دارند. یک دیافراگم بزرگ به دلیل اینرسی بالا نمیتواند سریع بلرزد، بنابراین از دیافراگم کوچک و سبک برای این کار استفاده میشود.
❓ اصطلاح "شکستن دیافراگم" در بلندگوها به چه معناست؟
این اصطلاح دو معنا دارد. یکی معنای فیزیکی و مخرب: اگر نیروی بیش از حد به دیافراگم وارد شود (مثلاً با صدای بیش از حد بلند)، ممکن است سیمپیچ از جای خود درآید یا خود دیافراگم پاره شود که به آن خرابی فیزیکی میگویند. معنای دیگر، مفهومی و مربوط به عملکرد است: در فرکانسهای بسیار بالا، دیافراگم مانند یک پیستون صلب رفتار نمیکند و شروع به خم شدن و ارتعاش در بخشهای مختلف خود میکند که این پدیده هم نوعی تغییرشکل صدا ایجاد میکند و به آن "شکست مد" گفته میشود که کاملاً طبیعی و مربوط به محدودیت فیزیکی مواد است.
جمعبندی
دیافراگم صوتی نقش محوری در تبدیل سیگنال الکتریکی به امواج شنیداری دارد. کیفیت مواد سازنده، شکل هندسی و تطابق آن با فرکانسهای مورد نظر، تعیینکننده نهایی وفاداری بلندگو به صدای اصلی است. از کاغذ ساده گرفته تا آلیاژهای پیشرفته فلزی، همه تلاش مهندسان برای نزدیک شدن به یک هدف است: ساختن دیافراگمی که بینهایت سبک و در عین حال بینهایت سخت باشد تا بتواند صدا را بدون کموکاست و اعوجاج بازتولید کند. درک این قطعه کوچک، کلید درک کیفیت هر سیستم صوتی است.
پاورقی
1 مخروط بلندگو (Speaker Cone): بخش اصلی دیافراگم در بلندگوهای معمولی که شکل مخروطیناقص دارد و وظیفه جابجایی هوا را بر عهده دارد.
2 سیمپیچ (Voice Coil): سیمی که به دور یک استوانه نازک پیچیده شده و به دیافراگم متصل است. با عبور جریان، در میدان مغناطیسی حرکت میکند.
3 سرمصوتی (Surround): حلقه انعطافپذیری که لبه بیرونی دیافراگم را به قاب بلندگو متصل میکند و امکان حرکت رفت و برگشتی آن را فراهم میآورد.
2 سیمپیچ (Voice Coil): سیمی که به دور یک استوانه نازک پیچیده شده و به دیافراگم متصل است. با عبور جریان، در میدان مغناطیسی حرکت میکند.
3 سرمصوتی (Surround): حلقه انعطافپذیری که لبه بیرونی دیافراگم را به قاب بلندگو متصل میکند و امکان حرکت رفت و برگشتی آن را فراهم میآورد.
