خانه / صدا / انواع سیگنال در مهندسی صـدا(بخش اول)

انواع سیگنال در مهندسی صـدا(بخش اول)

نویسنده: سارا محمودان

صدا‌(Sound) فشاری است که در بُعد زمان در حال تغییر است. شکلِ الکتریکی‌شدة‌(Audio) آن، ولتاژ یا جریان است که آن هم با گذر زمان در حالِ تغییر است. این بدان معنی است که هر صدا را – صرف‌نظر از تعداد فرکانس‌های تشکیل دهنده آن- می‌توان به‌صورتِ سیگنالِ متغیر در حوزة زمان یا شکلِ موج‌(waveform) نشان داد. برخی از شکلِ موج‌های مرسوم و محتوای بسامدی‌‌شان در این مقاله بحث خواهد شد.

1-نغمه‌هـای نـاب‌(Pure tones)

نغمه‌های ناب، با شکلِ موجِ سینوسی مشخص می‌شوند(شکل1). این شکل موج‌ها سیگنال‌های متناوب‌(periodic signals)، شاملِ یک و فقط یک مولفة بسامدی(فرکانس) هستند. نغمه‌های ناب اغلب به‌عنوانِ سیگنال‌های تست(کالیبراسیونِ تجهیزات یا تست آکوستیکیِ محل تولید/ بازتولید صدا) استفاده می‌شوند.

 

شکل1) شکلِ موج و طیفِ بسامدیِ نغمه (سینوسی) ناب شاملِ یک وفقط یک بسامد

2- نغمه‌هـای مـرکـب‌(Complex tones)

نغمه‌های مـرکب، سیگنال‌هایِ متناوبی(دوره‌ای) هستند که از یک بسـامـد پـایـه‌(fundamental frequency) با رونغمه‌هایِ هـمـاهنگ‌(harmonic overtones)تشکیل شده‌اند.

این سیگنال‌ها از ویژگی‌ آلاتِ موسیقایی هستند. در متونِ موسیقی، رونغمه ها(overtone)  به هماهنگ‌ها‌(harmonic) با پـاره‌ها‌(partials)اشاره دارد.

هنگامی‌که به بسامدِ نغمه‌ای اشاره می‌شود، در واقع، فـرکـانسِ پـایه یا کم‌ترین پاره‌(Lowest Partial) آن نغمه مد نظر است.

بسامدِ رونغمه‌های هماهنگ‌(harmonic overtones) ، مضرب صحیحی از بسامد نـغـمه پـایـه خواهد بود. اگر بسامد نـغـمه پـایـه، هزار هرتز باشد، بسامد هماهنگ دوم(رونغمة دوم) 2000 هرتز، هماهنگ سوم 3000 هرتز و هماهنگ چهارم4000 هرتز خواهد بود.

هر نغمة مرکب از ترکیبِ نغمه‌های ناب به ‌وجود می‌آید. نت موسیقی یک نغمة مرکب است. (شکل2)

شکل 2) پنج نغمة نـاب در این شکل نشان داده شده است. متناسب با نغمه پآیه، هماهنگ دوم (با دامنه نصف دامنه نغمة پایه)، هماهنگ سوم(با دامنه یک-سوم دامنه نغمة پایه)، هماهنگ چهارم (با دامنه یک-چهارم دامنه نغمة پایه) و هماهنگ پنجم (با دامنه یک-پنجم دامنه نغمة پایه). در شکل انتهایی، این پنج نغمه با هم ترکیب شده‌اند. شکل موج بدست آمده تقریباً شبیه به شکلِ موج دنـدان اره‌ای (saw tooth) است. توجه داشته باشید که تمامی منحنی‌ها از نقطه صفر شروع شده‌اند. اگر نسبتِ فـازی (زاویه فاز) متفاوت باشد، در نتیجه شکل موج هم ظاهری متفاوت خواهد داشت.

شکل 3، شکل موجِ فشار صوتی منتشر‌شده و طیفِ بسامدی مربوط به آن برای دو نُت اجراء شده با یک سـاز اُبـوآ را نشان می‌دهد.

شکل 3) سمت چپ، شکل موج دو نت ساز اَبـوآ- سمت راست، طیفِ بسامدی که تعداد هماهنگ‌های این دو نت را نشان می‌دهد

علاوه بر فرکانس و دامنة حوزه فرکانس‌(magnitude)، ما از فاز برای توصیفِ نغمة مرکب استفاده می‌کنیم. مولفة فـازِ یک سیگنال، بیانگر میزان تاخیر موج سینوسی در مقایسه با موج سینوسیِ مرجع با همان بسامد است. این فاز فقط زمانی درست تعریف می‌شود که با یک مرجع سنجیده شود(شکل 4).

شکل 4) فاز همواره با یک مرجع سنجیده می‌شود و برای تعریف به مرجع وابسته است.

فاز با زاویه(صفر تا 360 درجه) توصیف می‌شود، همان‌طور که ما در اینجا به دایره واحد رجوع می‌کنیم که از مثلثات می‌شناسیم. اگر دو موج سینوسی – هم‌بسامد – هم‌فاز(‌in phase)  باشند، بدین معنا است که هیچ تاخیری بین این دو موج وجود نـدارد.  یا می‌توانیم بگوییم که زاویه فـاز برابر صفر درجه است. اگر دوموج،خارج از فازout of phase) ) باشند، زاویه فاز، مخالفِ صفر است به‌عبارت دیگر، یکی از دو موج نسبت به دیگری تاخیر دارد. گاهی اوقات، اصطلاحِ »خارج از فاز«(به اشتباه) به‌صورت دو سیگنال با فاز مخالف درک می‌شود که سیگنالی نسخة معکوسی از دیگری است. هرچند، تاخیری بین‌ آن‌ها وجود نـدارد. در این حالت گفته می‌شود که زاویه فاز 180 درجه(de-phase) است یا یکی از سیگنال‌ها قطبیتِ معکوسی‌(inverted polarity) نسبت به سیگنال دیگر دارد. در بخش ورودیِ بسیاری از میزهای میکس صـدا ما می‌توانیم دکمه کوچکی با حرف یونانیِ (phi) بیابیم. با فشردن این دکمه، سیگنال ورودی معکوس می‌شود – قطبیت جابه‌جا می‌شود. به‌طور کلی، هنگام تجزیه و تحلیل سیگنال‌های الکتریکی صدا(یا سیگنال‌های ارتعاشی) بسامد و دامنه حوزه بسامد بخش حقیقی  (‌real part) و فاز، بخش موهومی‌(imaginary part) خوانده می‌شود.

در ادامه به تعریف واژه «بسامد پایه» می‌پردازیم.

بسامد پـایـه(fundamental frequency)

1) در موج متناوب، فرکانسِ پـایه کم‌ترین مولفه بسامدی در شکلِ موج است. هر شکلِ موجِ صوتی که با نواکی موسیقایی (musical pitch) درک شود، متناوب است؛ یعنی آن مـوج، شکلی دارد که تکرار می‌شود. این صـدا مجموعه‌ای از هماهنگ‌ها را دارد که گاهی نوازنده‌ها/ آهنگ‌سازها(musicians) به آن‌ها رونغمه‌(overtone) می‌گویند.(در حقیقت، اولین رونغمه، هماهنگ دوم است و…). به کم‌ترین هماهنگ، که هماهنگ اول است، پایه(بسامد پایه) نیز گفته می‌شود. به‌طور کلی، نواکِ موسیقایی، هر نت با فرکانسِ پایه‌اَش تعیین می‌شود. اثر جالب در علمِ روان-آکوستیک(psychoacoustic) بر اساسِ مکانیزمِ شنوایی انسان، این است که مـا نـواکِ(pitch) موج مرکب را براساسِ بسامد پایه‌اش درک می‌کنیم، حتی اگـر بسامد پایه واقعاً در مـوج موجود نـباشـد. به‌عبارتِ دیگر، تا زمانی‌که هماهنگ‌های بالاتر وجود دارند، گوش بسامد پایه را بازسازی می‌کند. این کار با احساسِ تفاوت میانِ هماهنگ‌های متوالی انجام می‌شود. این اختلافِ بسامدی ثابت خواهد بود، زیرا هماهنگ‌ها همگی مضرب صحیحی از بسامدِ پایه هستند. این پدیده، ردیابیِ بسامد پایـه(fundamental tracking)نامیده می‌شود و در فهمِ ذهنیِ مـا از موسیقی اهمیت زیادی دارد. در بعضی از کتاب‌هـا به این پدیده نواکِ مجازی(virtual pitch) یا نواکِ باقی‌مانده(residue pitch) نیز گفته می‌شود. (شکل5)

شکل 5)

اغلبِ سـازه‌های با نواکِ کم(low-pitched) مانندِ باسون(bassoon)، ویولون باس(bass viol)، تـوبا)(tuba) ) و…. انـرژی بـسـیار کمی‌در بسامد‌های پایه در پایین‌ترین نغمه‌ها تولید می‌کنند. به ‌راحتی می‌توان این مسئله را از اندازة فیزیکی سازهـا فهمید. به طور معمول اندازه منبع صدا باید از طول موجی که گسیل می‌کند، بزرگتر باشد تا انرژی صـدا قابل توجه باشد. برای مثال نُتِ A  پایین در سـاز پیانو، بسامدِ 27 هرتزی دارد، که بسامد پایه آن، طولِ موجی بیش از  9/14 متر    (30 فوت) دارد و به این‌ترتیب، انرژی نـاچیزی در این بسامد تولید می‌شود. این موضوع در مورد اغلب سـازه‌ها صادق است، اگرچه در این خصوص سازِ اُرگـان(organ)، استثنا است. لـوله‌های با طراحی خاص در اغلب ارگان‌ها وجود دارند که مقادیر زیادی از انرژی در بسامدهای پایین تولید می‌کنند. ویژگیِ «ردیابی بسامد پایه» به ما اجازه می‌دهد تا نُـت‌های بَـمِ خوشایندی را درک کنیم که از سازهای نسبتاً کوچک منتشر می‌شود.  ردیابی بسامد پایه، همچنین، به مـا امکان می‌دهد تا از موسیقیِ بازتولید شده از بلندگوهای خیلی کوچک لذت ببریم و بازهم نغمه‌های بَـم(bass tones) را بشنویم. صدای ارکستر سمفونیک در رادیوهای ترانزیستوریِ قدیمی، ‌از بلندگویی با قطر 8 سانتی‌متر بازتولید می‌شود که شباهت بسیار کمی ‌به صدای اصلی با آن گستردگی(wide-range)دارد، با این‌حال، مـا قـادر به درکِ نواک‌های موسیقاییِ(musical pitches) خیلی خوبی هستیم. البته، این واقعیت را تشخیص می‌دهیم که نواک‌هایِ پایین(low pitches) ضعیف هستند و صـدا « لاغـر»(thin) است، امّـا نواک‌ها هنوز به‌درستی شنیده می‌شوند.

 

حتما ببینید

انواع سیگنال در مهندسی صـدا(بخش چهارم)

صدای حنجره(Voice)  به عنوان منبع صـدا درکِ ویژگی‌های صدایِ خارج شده از حنجره مهم است. …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *