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

انواع سیگنال در مهندسی صـدا(بخش دوم)

نویسنده: سارا محمودان

شکلِ موج‌های خـاص

    در میانِ شکل‌موج‌های متناوب، شکل‌موج‌هایی همچون سینوسی، مربعی، قطار ضربه (یا رشته ضربه)، مثلثی و دندان‌اره‌ای از بقیه برجسته‌ترند.

1) موجِ دندان‌اره‌ای(saw tooth wave)

موجِ دندان‌اره‌ای حاوی بسامد پایه و همه هماهنگ‌ها (زوج و فـرد) با نسبتی خاص است که این نسبت، معکوسِ شماره هماهنگ است(یعنی: هماهنگ دوم با یک‌دوم دامنه بسامد پایه، هماهنگِ سوم با یک‌سوم دامنه بسامد پایه و…) (شکل5).

شکل5) شکل موج ِدندان اره‌ای و طیف بسامدی با بسامد پایه هزار هرتزی

همه هماهنگ‌ها به‌صورتِ هم‌فاز با یکدیگر ترکیب می‌شوند؛ به عبارتی در لحظه‌های عبور از دامنة صفر(zero- crossing)  در شکل موجِ دندان اره‌ای، تک‌تکِ نغمه‌های هماهنگ نیز از دامنة صفر حتما عبور کرده‌اند (شکل 6).

شکل 6)

در شکل 6 سمت چپ، 5 نغمه ناب مطابق با نغمة پایه نشان داده شده است. رونغمة هماهنگ دومِ این نغمه پایه(با دامنه=1/2 دامنه نغمه پایه)، رونغمة هماهنگ سومِ این نغمه پایه( با دامنه= 1/3 دامنه نغمه پایه)، رونغمة هماهنگ چهارم این نغمه پایه( با دامنه= 1/4 دامنه نغمه پایه)، رونغمة هماهنگ پنجم این نغمه پایه (با دامنه= 1/5 دامنه نغمه پایه)تولید شده‌اند.

در انتها این پنج نغمه ناب با هم جمع شده‌اند. شکل موج نهایی، تقریبی از شکل موج دندان اره‌ای است. توجه کنید که همة رو نغمه ها در اینجا هم‌فازند و از صفر درجه آغاز شده‌اند. اگر زاویه‌های فاز متفاوت باشند،  شکل موج نهایی نیز متفاوت خواهد بود. همانگونه که در شکل سمت راست نشان داده شده است؛ تغییر فاز 180 درجه‌ای در هارمونیک دوم نمایان است. با وجود اینکه بسامدها و دامنه‌های نغمه‌های نابِ سمت راست و چپ با هم برابرند، شکل موج‌های نهایی متفاوتند. صدای موج دندان‌اره‌ای خشن و واضح(clear)  است. شکل‌موج‌هایِ دندان‌اره‌ای بیش‌تر برای استفاده در نواسازهـا (synthesizers)  شناخته شده‌اند و اغلب برای ساخت الکترونیکی صدای سازهایِ آرشه‌ای مانند ویولن، ویولن سِل، سازهای برنجی(brass instruments) و … استفاده می‌شوند. موج دندان‌اره‌ای، نامتقارن‌ترین نوع موج مثلثی است که در ادامه بررسی می‌شود.

2) موج مربعی(square wave)  

موج مربعی شاملِ بسامد پایه و همة هماهنگ‌های فـردِ بسامد پایه است. در این موج – همانند موج دندان اره‌ای- دامنه هماهنگ‌ها روندی نزولی با نسبتی خاص دارند(هماهنگ سوم با یک‌سوم دامنه بسامد پایه، هماهنگِ پنجم با یک‌پنجم دامنه بسامد پایه و…). در واقع هر چه بسامد افزایش می‌یابد دامنة‌ هماهنگ‌هایِ فـرد (با نسبتِ عکسِ شماره هماهنگ) اُفت می‌کند(شکل7). همانند موج دندان اره‌ای، همه هماهنگ‌ها به‌صورتِ هم‌فاز با هم ترکیب می‌شوند. صدای موج مربعی، اغلب به‌ صدای خالی از گستره بسامدی میانی(hollow)   شهره است. در حالی‌که بیشتر سازها، کلام‌ها و آواها در گستره بسامدی میانی دارای انرژی قابل شنیدن هستند.

شکل7) شکل موج ِ مربـعـی و طیفِ بسامدی آن با بسامد پایه هزار هرتزی

موج مربعی در تجهیزات الکتروآکوستیکی هم شناخته شده است؛ جایی که دامنة سیگنالِ ورودی از حدِ مجازِ سیستم  فراتر باشد(در استانداردِ EBU-R68  بیش از +18dBuمعادلِ6.15 ولت) صدا دچارِ اعوجاجِ برشِ سَرِ سیگنال می‌گردد و سَرقلّه سیگنال بُریده می‌شود (مثبت و منفی). در این حالت، قلة سیگنال از حالتِ قوسی شکل به صورتِ مربعی در‌می‌آید(شکل8)

شکل 8) سمتِ چپ(سیگنالِ ورودی، بدونِ مشکل)-سمتِ راست(سیگنالِ بیش از حد تقویت‌شده و بریده)

بریده شدن(clipping)  یکی از دلایل وقوع اعوجاج هماهنگ (harmonic distortion)  است. به اعوجاج هماهنگ، اعوجاج بریده شدن سر سیگنال(Clip Distortion)  نیز گفته می‌شود.

بُریده شدنِ سر سیگنال معمولاً هنگامی رخ می‌دهد که خروجی صدای تقویت‌کننده فرابار(overload)  و یا طبقه ورودی‌اَش(overdriven)  شود. دامنة رونغمه‌های هماهنگ تولید شده در این اعوجاج، با استناد به بسامد پایه توضیح داده می‌شود و کمیتی است که بر حسب درصدی از بسامد پایه بیان می‌شود (به‌عنوان مثال اعوجاج کل هماهنگ‌ها برابر با %xx است).

برش(كليپ شدن) سيگنال در اثر فرابار شدن، صدايي مبهم‌- تیره (fuzzy)  و خشن (gritty) توليد مي‌كند. طبقِ قانونِ فوریه، سیگنالِ مربعی شکل، از بی‌نهایت هماهنگِ سینوسی فرد تشکیل شده‌است. هارمونیک‏هایِ فرد برایِ انسان بسیارِ آزاردهنده و ناخوشایند(dissonance)  هستند (به‌جز هماهنگِ سوم، آن‌هم در دامنه پایین‌تر نسبت به سیگنالِ پایه). به‌همین دلیل گوش‌کردن به سیگنالِ صدایِ بریده شده برای بسیاری باعثِ آزردگیِ سریع و شدید می‏شود. در نواسازها از موج مربعی برای ساختِ صدای سازهایِ زبانه‌ای(Reeds)، صداهای بَـم (Bass Sounds)  و پُرکننده‌های الکترونیکی(Pads)  استفاده می‌شـود.

اگر به شکل 7 رجـوع ‌کنید؛ عرضِ قلّه و دره یکسان است، به همین دلیل به موج مربعی مشهور است. اگر عرض قله و دره یکسان نباشد به این شکلِ موج، مستطیلی می‌گویند.

 اگر عرضِ دره یا بخشِ منفی بزرگتر از عرض قله باشد، شکل موج قطار ضربه (یا رشته ضربه) نامیده می‌شود(شکل 9) که در حوزه دیجیتال و سیگنال و سیستم کاربرد بیش‌تری دارد.

شکل 9) شکل موج ِ قطار ضربه (موج مستطیلی است)

3) موج مثلثی (trianglewave)

موج مثلثی همانند موج مربعی شاملِ بسامد پایه و هماهنگ‌های فـرد است.(شکل 10). یکی از تفاوت اصلی بین موج مثلثی و مربعی در آن است که دامنه هماهنگ‌های بسامدهای بالا در موج مثلثی حتی از موج مربعی هم کم‌تر است.

شکل 10) شکل موج ِ مثلثی با بسامد پایه هزار هرتز و طیفِ بسامدی آن

به همین دلیل، صدای موج مثلثی در مقایسه با موج مربعی، کم‌تر خشن (harsh)  و آزاردهنده است – موج صدای نرمی دارد-  و اغلب در نواسازی(synthesis)  برای ساختِ سازِ فلوت وپُرکننده‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.

در ادامه به تعریف بسامد پاره می‌پردازیم:

 بسامد پاره‌هـا/ پـاره‌ها (partials):

1 )گروهی از فرکانس‌هـا در نـغـمه‌های مرکب که لـزوماً به طور هـمـاهنـگ با فـرکـانسِ پـایـه در ارتباط نـیستند. ساززنگیِ بِل (Bells)، ردیف‌های زایلوفون (blocks xylophone) و بسیاری از سازه‌های کوبه‌ای، پاره‌هایِ نـامرتبط با فرکانس پـایـه تولید می‌کنند.

2 )بسامد پاره‌هـا، رونغمه‌ها و هماهنگ‌ها، مولفه‌هـایِ بسامدی هستند که صداهایِ موسیقایی را شکل می‌دهند؛ اگرچه این دو اصطلاح (رونغمه‌ها و هماهنگ‌ها)خاص‌تـر هستند. هماهنگ‌ها به عنوان مضرب صحیحی از پایین‌ترین بسامد یا بسامد پایة صـدا تعریف می‌شوند و آنها دقیقاً با یکدیگر و با بسامد پایه کـوک و میـزان(tune) هستند. بسیاری از سازهای

موسیقی به طور قریبی، هماهنگ‌های صحیح و واقعی تولید می‌کنند اما برای بعضی دیگر، مانند پیانو چنین نیست. هماهنگ‌ها به ترتیب شماره‌گذاری شده‌اند؛ از بسامد پایه که اولین هماهنگ است.

اصطلاح بسامدپاره، مولفه‌ای از نغمه مرکب است خواه کوک و میزان با بسامد پایه و یـا نـه. بسامد‌پاره‌ها ممکن است از نظر بسامدی پایین‌تر از بسامد پایه باشند، بنابراین بـه آنها گاهی اوقات «زیـر هماهنگ‌ها» (subharmonics)  نیز گفته می‌شود. رونغمه‌ها به عنوان هماهنگ‌های بالایِ بسامدِ پـایـه تعریف می‌شوند امّـا در کاربردی مشترک، رونغمه‌ها هـر بسامد پارة بالاتر از بسامد پایه است. برخی سازهـا مانندِ زنگ‌ها و برخی درام‌هـا، مجموعه‌ای(collection) از بسامد‌پاره‌هـا را با شباهتِ کم به سریهایِ (series)  هماهنگ تولید می‌کنند. اگر صدا از بسامد پاره‌هایی تشکیل شود که لزوماً مضرب صحیحی از بسامد پایه مشترک نباشند، درکِ نـواک پدیدهای پیچیده‌تر می‌شـود. برای مثال، ناقوس کلیسا و سایرِ لوله‌ها (bars)  و صفحه‌های لزران نغمه‌های مرکب با ردیفی از بسامدپاره‌های نـاهماهنگ(inharmonic) به وجود می‌آورد. در این شرایط ممکن است؛ یک یا چندین نـواک از صدای زنگ درک شود و نواک‌ها مطابقِ بعضی بسامدپاره‌هایِ تراز بالا در طیفِ صدا باشند و یا نواک‌هـا، نواک‌هایِ مجازی باشند که بعضی بسامدپاره‌ها به وجود آورده‌اند. پیرامونِ بیشترِ زنـگ‌هـا(Bells)، بسامدپاره‌ای قوی در یک-نیمه بسامدی از نواکِ درک شده در زنگ وجود دارد که به آن نغمه هام‌گونه(tone Hum) گفته می‌شود. در بسیاری از سازهای کوبه‌ای(instruments percussive )دیگر، بسامدپـاره‌ای خارج از کوک و میزان وجود دارد که به عنوانِ نواکی متمایز شنیده می‌شود. نواکی که با نواکِ درک‌شده از سـاز ارتباطِ کم یا بدونِ ارتباط است.

 

 

حتما ببینید

انواع سیگنال در مهندسی صـدا(بخش اول)

صدا‌(Sound) فشاری است که در بُعد زمان در حال تغییر است. شکلِ الکتریکی‌شدة‌(Audio) آن، ولتاژ …

پاسخ دهید

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