خانه / صدا / اعوجاج در میکروفن ها

اعوجاج در میکروفن ها

نویسنده: سارا محمودان ما نمی خواهیم هیچ گونه اعوجاج ناخواسته در زنجیره ضبط صدا ایجاد شود. اما متأسفانه معمولاً انواعی از اعوجاج در این زنجیره به وجود می آید هرچند ممکن است این اعوجاج پایین تر از آستانه شنوایی بوده و قابل شنیدن نباشد.
هنگام تنظیم زنجیره ضبطِ صدا ، هر کدام از حلقه های زنجیره ی ضبط ممکن است به طور جداگانه به تجمیع اعوجاج کمک کند و در نهایت آن را تبدیل به اعوجاج قابل شنیدن کند.
قبل از در نظر گرفتن میزان اعوجاج ، باید اشکال مختلف اعوجاج را که در تجهیزات صدا با آن مواجه می شویم – با تمرکز ویژه بر میکروفون – تعریف کنیم. همچنین باید سیستم شنوایی (گوش و مغز) را که محدودیت های واقعی برای آستانه شنیداری را تعیین می کند، در نظر بگیریم.
اعوجاج – خطی یا غیر خطی؟
وقتی سیگنالی از ورودی به خروجی منتقل می شود ، هرگونه تغییر در آن سیگنال (به طور مثال تغییر در شکل موج) را می توان به عنوان اعوجاج در نظر گرفت. به طور کلی ، همه اعوجاج ها غیر خطی هستند. با این حال، با تغییر در اندازه ممکن است به عنوان “اعوجاج خطی” در نظر گرفته شوند زیرا می توانند در مرحله بعدی اصلاح شوند. تأخیر سیگنال گاهی اوقات به عنوان اعوجاج خطی تلقی می شود زیرا شکل موج دست نخورده است ، فقط کمی دیرتر تحویل داده می شود.
بنا بر تعریفی که از اعوجاج در بالا گفته شد، هرگونه اعمال خود خواسته ی اکولایزر ، تغییر در پهنای باند و محدود کردن دامنه نیز نوعی اعوجاج محسوب می شود. با این حال ، ما باید از اعوجاج ناخواسته و نحوه تأثیر آن بر کیفیت صدای درک شده، آگاه باشیم.
اعوجاج – از کجا ناشی می شود؟
اعوجاج به دلیل محدودیت ها و سایر عواملِ غیر خطی یک سیستم رخ می دهد. حتی صدای موجود در هوا نیز محدودیت بزرگی دارد. همانطور که می دانید تعدادِ مولکولهایِ جابجا شده در ماده کشسان (هوا) از حالتِ تعادل به قله (Crest)، و دره (Trough) دامنه‏ ی موج صدا را تعیین می‏کند. هر چه شدت ارتعاش بيشتر باشد، مولكولهاي بيشتري جابجا مي‌شوند و در نتیجه ارتفاعِ قله و عمقِ دره (دامنه موج صدا) بیشترخواهد بود (شکل۱). هنگامی که سطح فشار صوت از ۱۹۴ دسی بل SPL بیشتر می شود ، دیگر هیچ مولکول هوایی وجود ندارد که قسمت منفی موج صوتی را تشکیل دهد زیرا به نقطه خلأ کامل رسیده است. (شکل۲).

شکل ۱٫ تعدادِ مولکولهایِ جابجا شده در ماده کشسان (هوا) از حالتِ تعادل به قله (Crest)، و دره (Trough) دامنه‏ ی موج صدا را تعیین می‏کند.

شکل ۲٫ اعوجاج در هوا وقتی SPL بیش از ۱۹۴ دسی بل باشد.

اعوجاج در میکروفون

یکی از اجزای اصلی میکروفون دیافراگم است. اگر میکروفون از نوع خازنی باشد ، فاصله دیافراگم تا صفحه پشتی (backplate) در محدوده ۲۰-۵۰ میکرومتر است. (شکل ۳)

شکل ۳

هنگام قرار دادن میکروفون در موقعیتی با تراز فشار صدا (SPL) بالا ، بدیهی است که برای حرکت رفت و برگشتیِ دیافراگم محدودیت وجود دارد ، خصوصا زمانی که به سمت صفحه پشتی حرکت می کند. همچنین، خود ماده دیافراگم محدودیتی برای “ارتجاع” در هر دو جهت دارد.
هر میکروفون خازنی به یک مرحله الکترونیکی نیاز دارد که امپدانس بالای مبدل را به یک امپدانس نسبتاً کم تبدیل کند تا کابل های طولانی تر تغذیه شود. این بخش الکترونیکی ممکن است منبعی برای رفتارهای غیرخطی باشد (شکل ۴). اگرچه سازندگان به طور مداوم در تلاش برای بهبود میکروفون هستند ، اما محدودیت هایی در سیستم های میکروفون وجود دارد که در نهایت ممکن است باعث اعوجاج شود.

شکل ۴٫ توصیف غیر خطی بودن یک سیستم. منحنی آبی: بدون اعمال محدود کننده ی دامنه. منحنی قرمز: اعمال محدود کننده دامنه در سیستم.

چگونه می توان اعوجاج را مشخص کرد؟
بر اساس استانداردهای IEC، غیر خطی بودن دامنه با سه معیار بیان می شود: مجموع اعوجاج هارمونیک (THD) یا اعوجاج هارمونیکی کل ، اعوجاج مرتبه n ام و اعوجاج اختلاف فرکانسی مرتبه دوم.
این عبارات به چه معناست؟
مجموع اعوجاج هارمونیک: یک موج سینوسی صوتی (که اصطلاحاً به آن نغمه ی ناب می گویند) از یک و تنها یک فرکانس تشکیل شده است. هنگام وقوع اعوجاج (که معمولاً با برش قله سیگنال رخ می دهد) ، فرکانس های اضافی – ضرایب صحیح از فرکانس نغمه ی اصلی – ایجاد می شود. اگر میکروفون در یک میدان صوتی با نغمه ی ناب (به عنوان مثال ۱ کیلوهرتز) قرار گیرد ، در صورت وقوع اعوجاج – هارمونیک های تولید شده شامل مولفه های فرکانسی در ۲ کیلوهرتز ، ۳ کیلوهرتز ، ۴ کیلوهرتز و غیره است که به طور معمول از نظر سطح دامنه کاهش می یابند. (در صورت برش متقارن symmetrical clipping، فقط هارمونیک های ناهموار ، ۳ ، ۵ ، ۷ و غیره ایجاد می شود).
اندازه گیری THD با اندازه گیری مقدار (RMS) همه هارمونیک های مرتبه بالاتر به عنوان درصدی از سطح فرکانس پایه انجام می شود. نتیجه ترجیحاً باید کمتر از ۱٪ در قسمت عمده محدوده دینامیکی باشد. اعوجاج هارمونیک ۱٪ بدین معناست که مولفه های فرکانسی ناخواسته دارای تراز ۴۰ دسی بل کمتر از فرکانس پایه هستند. این محدودیتی است که بسیاری از تولید کنندگان میکروفون آن را مد نظر قرار می دهند.

شکل ۵٫ THD مجوع هارمونیک هایی است که به دلیل غیر خطی بودن سیستم (به عنوان مثال در برش دامنه) رخ می دهد.

اعوجاج مرتبه n ام: این در اصل همان THD است ، با این تفاوت که هارمونیک ها به صورت جداگانه اندازه گیری و کیفیت سنجی می شوند. گاهی اوقات هارمونیک سوم از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا با برش متقارن، این هارمونیک بالاترین سطح را نسبت به تمام هارمونیک های تولید شده خواهد داشت. (شکل۶)

شکل ۶
اعوجاج تفاوت فرکانس یا اعوجاج مدولاسیون داخلی InterModulation Distortion (IMD) : مدولاسیون داخلی زمانی اتفاق می‌افتد که ورودیِ یک سیستم غیرخطی، ترکیبی از دو یا چند بسامد باشد. در این صورت نوعی مدولاسیون دامنه بین سیگنال‌های ورودی رخ می‌دهد و در خروجی علاوه بر هماهنگ‌هایِ بسامدهایِ ورودی، مجموع یا تفاضل آن‌ها نیز حاصل می‌شود. برای اندازه گیری این پارامتر ، دو نغمه ناب موج سینوسی در سطوح یکسان به میکروفن اعمال می شوند. استاندارد IEC فاصله فرکانسی بین این دو نغمه را ۸۰ هرتز تعریف می کند. به طور مثال نغمه های ۱۰۰۰ هرتز و ۱۰۸۰ هرتز. با این حال ، ممکن است تفاوت در محدوده وسیع تری اعمال شود. اعوجاج تفاوت فرکانس، مجموع و تفاوت فرکانس های سیگنال های ورودی است که در خروجی ایجاد می شود (مثلا اگر در ورودی نغمه های ۱۰۰۰ هرتز و ۱۱۰۰ هرتز اعمال شود، نغمه ای با فرکانس های ۱۰۰ و ۲۱۰۰ هرتز را در خروجی ایجاد می کند). این مولفه های فرکانسی ایجاد شده به عنوان درصدی از فرکانس های پایه ی ورودی اندازه گیری و محاسبه می شوند. (شکل ۷)

شکل ۷

البته لازم به ذکر است که در حالت عملی و واقعی ، سیگنال ها بسیار پیچیده تر هستند و مولفه های اعوجاج نیز پیچیده تر خواهند بود.
آیا تمام اعوجاج های رخ داده، قابل شنیدن است؟
برای یافتن پاسخ این سؤال مهم است به تحقیقات روان-آکوستیکی مراجعه کنیم. در اینجا به مطالعه ی برخی از پدیده هایی که بر کیفیت صدای درک شده تأثیر می گذارند ، می پردازیم.
آستانه شنوایی: سیستم شنوایی ما یک آستانه ی طبیعی شنیداری دارد که تغییرات فشار صوتی که پایین تر از این حد باشد را درک نمی کند. این آستانه در فرکانس های مختلف متفاوت است. (شکل ۸)

شکل ۸٫ منحنی آستانه شنوایی را نشان می دهد (افراد دارای شنوایی طبیعی). انسان قادر به شنیدن صدا در زیر آستانه نیست. همانطور که در شکل می بینید در محدوده ی فرکانهای ۲ تا ۵ کیلوهرتز، منحنی در پایین ترین حد خود قرار دارد؛ پس سیستم گوش-مغز در این محدوده ی فرکانسی بیشترین حساسیت را دارد.

پدیده پوشش (masking): هنگامی که گوش با محدوده فرکانس خاصی از انرژی صوتی مواجه می شود ، پوشی بر روی فرکانس های اطراف ایجاد می شود که مخصوصاً در فرکانس های بالاتر بیشتر است. به این ترتیب صدایی که انرژی و شدت پایینی دارد، توسط صدای دیگری در همان گستره فرکانسی با پهنای باند اندکی وسیع‌تر و یا شدت و انرژی بیش‌تر، پوشانده می شود و آن‌را غیر قابل شنیدن می‌گرداند. همانند صدای جاده ، که صدایِ آهسته رادیو را می‌پوشاند.
تصویر زیر منحنی های پوشش یک نغمه ناب ۱ کیلوهرتزی را در SPL های مختلف نشان می دهد.

شکل۹- منحنی های پوشش نغمه ناب ۱ کیلوهرتز در SPL های مختلف

این بدان معناست که غالباً مولفه های اعوجاج های به وجود آمده در میکروفن به دلیل پوشیده شدن توسط سیگنال های صوتی که انرژی بیشتری دارند ممکن است غیر قابل شنیدن شوند.
به طور مثال اگر میکروفون در یک میدان صوتی با نغمه ی نابِ ۱کیلوهرتز قرار گیرد ، در صورت وقوع اعوجاج، هارمونیک سوم آن قابل شنیدن نخواهد بود. حتی اگر میزان دیستورشن ۵ درصد باشد. (شکل۱۰ )

شکل ۱۰

با توجه به اعوجاج تفاوت فرکانس ، مولفه های فرکانسی به وجود آمده ی حاصل از این اعوجاج که پایین تر از فرکانس های پوشاننده قرار می گیرند بیشتر قابل شنیدن هستند و بنابراین بیشتر آزاردهنده تلقی می شوند.
اثر پوشش در تمام فرمت های صوتی که از روش کاهش بیت استفاده می کنند، امری مهم است زیرا اعوجاج ممکن است زیاد و نسبت سیگنال به نویز کم باشد اما با این حال ، ما (به طور کلی شنوندگان) اغلب نحوه صداگذاری را می پذیریم. زیرا اعوجاج های به وجود آمده، بر اثر پدیده پوشش غیر قابل درک شده اند.
اعوجاج گوش: گوش خود باعث ایجاد اعوجاج می شود. این پدیده به ویژه در SPL های بالاتر وجود دارد. گوش دارای بهترین وضوح در SPL های پایین تر است.
این پدیده هنگام گوش دادن به دو نغمه که تقریباً به یک اندازه بلند هستند ، شنیده می شود. بسته به فاصله فرکانسی بین دو نغمه ، صدای سومی نیز شنیده می شود. به عنوان مثال ، اگر دو تن را با فاصله یک پنجمِ موسیقایی ، C3 و G3 (131 هرتز و ۱۹۶ هرتز) را به طور هم زمان بشنوید ، گوش شما صدای متفاوت ۶۵ هرتز (C2 ، که یک اکتاو زیر C3 است) را ایجاد می کند.
در زیر نمونه ای از اعوجاج تفاوت فرکانسی یا اعوجاج مدولاسیون داخلی را مشاهده می کنید. دو نغمه به طور هم زمان پخش می شوند. سپس گوش ، اعوجاج تفاوت فرکانسی را ایجاد و مولفه های فرکانسی جدیدی تولید می کند. با این حال ، تنها نغمه هایی که مولفه های فرکانسی آن ها پایین تر از نغمه های واقعیِ پخش شده است، درک می شود زیرا دیگر مولفه های تولید شده از اعوجاج مدولاسیون داخلیِ گوش به سبب پدیده ی پوشش، غیر قابل شنیدن خواهند شد.

شکل ۱۱- اعوجاج در گوش: مولفه های فرکانسی که به سبب دو فرکانس ۱ کیلوهرتز و ۱٫۶ کیلوهرتز رخ می دهد. فقط دو مولفه ی زیر ۱ کیلوهرتز قابل شنیدن هستند.

نتیجه
به طور کلی ، هیچ گونه اعوجاجی در میکروفون نباید وجود داشته باشد. اما در واقعیت برخی از آنها وجود دارد. اندازه گیری هایی مانند THD و IMD تمام واقعیت اعوجاج ها را نشان نمی دهند. با این حال ، اعداد موجود در مشخصات فنیِ میکروفن را می توان به عنوان “سالم” بودن طراحی در نظر گرفت. آنچه توسط گوش درک می شود بسیار پیچیده تر است زیرا گوش خود باعث ایجاد اعوجاج می شود. علی رغم اعداد و ارقام ، هرچه اعوجاج در میکروفون شما بیشتر باشد ، صدا در ضبط مبهم تر (unclear) و کدر تر (Muddy) می شود.
https://www.dpamicrophones.com/mic-university/the-basics-about-distortion-in-mics

حتما ببینید

دیش صدابرداری(Parabolic Reflector)

یکی از دغدغه های صدابرداران برنامه های تلویزیونی (به خصوص برنامه های مستند طبیعت و …

دیدگاهتان را بنویسید

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