רמקולים ושמע – פרק ג´

חלק שלישי בסדרת מאמרי רמקולים ושמע של מוטי כהן. והפעם: עיצוב ותכנון הרמקול: זוית הקרנה, מבנה התיבה ורגישות הרמקול.

7:00
  /  
27.11.2008
  
כתב: מוטי כהן
רמקולים ושמע

לשאר הפרקים בסדרה

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק א´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק ב´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק ג´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק ד´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק ה´

רמקולים ושמע 

בחלקים הראשונים של המאמר נרמז על הקשר בין התיבה, מבנה הרמקול, התדר והקרוס לבין זווית הקרינה של הצליל בחלל החדר. בדרך כלל אין במפרט מערך הרמקולים התייחסות מספרית כל שהיא לזווית קרינת הרמקול שהוא מייצר, המידע בנושא זה מגיע בעיקר מבדיקות מעבדה של ירחונים או אתרים באינטרנט.

חשוב להבין אלו גורמים משפיעים על זווית הקרינה ולמה ברב הפעמים בהרכבה מקרית של רמקולים בתיבה התוצאה די מאכזבת.

חלק זה של המאמר גם מתייחס בהרחבה לכל הקשור לנושא רגישות הרמקול.

זווית הקרינה

אות שמע שמוקרן בעזרת הרמקול לחלל החדר, מתפשט לכל הכיוונים בעוצמות שונות. תדרים נמוכים מתפשטים בזווית רחבה וממלאים כל נקודה בחדר. לעומת זאת, צלילים בתדר יותר גבוה, כמו התדרים שמפיק ה Tweeter, הם צלילים כיווניים שנשמעים במיטבם כשהמאזין נמצא בזווית של 0 מעלות מהרמקול, כלומר ממש ממול לרמקול. עוצמתם יורדת ככל שהתדר גבוה יותר ושזווית השמיעה גדולה יותר.

אם נזריק לרמקול תדר רציף בעוצמה קבועה, ונעמוד במרחק קבוע מהרמקול עם מד עוצמת אות נקבל קריאה מסוימת. אם נתחיל לנוע אופקית לרמקול (ימינה או שמאלה), נראה שמד העוצמה מראה על ירידה של כמה dB טובים כל פעם שהמיקרופון לא עומד מול הרמקול.

כשמד העוצמה נמצא בדיוק מול הרמקול אפשר לומר שהזווית ביניהם היא 0 מעלות. בזווית של 30 מעלות כבר מורגשת ירידת עוצמה של 4dB ויותר. הירידה תלויה בתדר שמוכנס לרמקול, לזווית בין הרמקול לנקודת השמיעה וכמובן תלויה ביכולת הפיזור של הרמקול.

האנימציה הבאה ממחישה את הקשר בין התדר, הזווית וירידת העוצמה.


בעית הזוית – שימו לב להמתין לאנימציה!

האנימציה מראה מה קורה בתדר של 1000 תנודות בשנייה ומה קורה בתדר של 10000 תנודות בשנייה. אפשר לראות שבתדר של 1000 תנודות בשנייה ירידת העוצמה די מזערית וגל הקול מתפשט היטב לכל הכיוונים החל מתדר של 20 עד כ- 3000 תנודות בשנייה.

הגרף הבא מאפשר לקבל תחושה של ירידת עוצמה כתלות בתדר ובזווית השמיעה:


זויתיות הרמקול

כמובן שהגרף הנ"ל "מוחלק"!

במדידה אמיתית של רמקול ישנן תנודות רבות קטנות למעלה ולמטה בתדרים שונים והתוצאה יותר "רועשת" ולא נראית יפה כמו כאן. תפקיד הגרף הוא להמחיש את המגמה: ככל שהתדר גבוה יותר ו/או הזווית בין הרמקול למאזין גדולה יותר, עוצמת השמע יורדת בירידה תלולה יותר.

יחידת הרמקול שאחראית להפקת תחום התדרים הגבוהים היא ה- Tweeter לכן יצרני הרמקולים מנסים להקטין את הבעיה ע"י הרכבתו במבנה שונה (סוגים שונים) וגם בעזרת תוספות של מחזירי אות קשיחים וקבועים בתיבה.

אפילו עיגול פינות התיבה משפר את התפשטות הגל, או יותר נכון, מקטין התפשטות גלים לא רצויים.

עד כאן התייחסנו לבעיית שינוי העוצמה בציר האופקי של הרמקול, בעיה שמתייחסת בעיקר לתדרים הגבוהים של תחום התדר וקשורה בעיקר למבנה הפיזי של הרמקול עצמו.

אבל בנוסף לכל הנאמר, ישנה עוד נקודה נוספת בעייתית שקשורה לזווית הקרינה. בבעיה זו שותפים כל המרכיבים של מערך הרמקולים כולל ה- Woofer, ה- Tweeter, ה Crossover וההרכב שלהם בתיבה. זאת תופעה שונה מהתופעה שתוארה עד עכשיו. התופעה קיימת גם כשמאזינים מול התיבה וגם מצידה והיא מתרחשת בתחום תדרים צר אבל במרכז תחום השמע.

הנקודה הבעייתית היא נקודת תדר החיתוך. נקודת תדר החיתוך היא נקודת התדר שמעבר לה הקרוס מפסיק להעביר את הצלילים ליחידת ה – Woofer ומתחיל לנתב את הצלילים ליחידת ה – Tweeter. מבחינה טכנית, החיתוך לא יכול להיות חד ולכן נוצר תחום צלילים הדרגתי שבו העוצמה ל- Woofer יורדת והעוצמה ל- Tweeter עולה. רצוי כמובן ששיפוע הירידה או העלייה לרמקולים בזמן המעבר יהיה תלול וחד משמעי אבל מעשית (פיזיקאלית) זה קשה לבצע בעזרת הרכיבים הקיימים בקרוס.

נקודת המעבר יוצרת תחום תדרים בעייתי שבתחום זה, בו זמנית, שני רמקולים שמותקנים בתיבה במרחק של כ 15 ס"מ אחד מהשני מקרינים לכיוון המאזין סיגנל זהה.

בשרטוט הבא אפשר לחוש את המצב במערך הרמקולים בתיבה:

בנקודת תדר החיתוך עוצמת האות שמגיעה לרמקול ה – Woofer מתחילה לרדת ועוצמת האות שמגיעה לרמקול ה – Tweeter מתחילה לעלות. נוצר אזור תדרים (סביב נקודת ה Crossover Frequency) ששני יחידות הרמקולים מקרינים צליל זהה אבל כשהם נמצאים פיזית במרחקים שונים.

בתחום תדרים אלו, נוצר חיבור או חיסור אקוסטי של האותות שיוצאים מה Woofer וה Tweeter ובנקודות (זוויות) קריטיות עוצמת הצליל לא רציפה.

אם הרמקול עומד במצב אנכי, השרטוט מראה את שינוי העוצמה יחסית למיקום גובה האוזן.

מול הרמקול, בזווית אנכית של 0 מעלות  עוצמת האות מרבית. כשהאוזן עולה או יורדת (כ 20 מעלות למעלה או למטה) חלק מהתדרים דועך, ובהמשך שוב עולה ושוב דועך וכו´.

 

 


שינוי בקרוס יכול לשפר (או לקלקל) את התוצאה.

 

בשרטוט זה אפשר לראות שינוי בזווית הקרינה כתוצאה משינוי תכונות שיפוע הגרף בקרוס.

גם כאן המצב לא מזהיר. זה נראה אפילו יותר גרוע מהקודם כי זווית הקרינה נוטה לכיוון מטה, אבל תיבה זו עדיפה על הקודמת כשהיא מותקנת בגובה כדוגמת רמקול אחורי.

 


אחד הפתרונות הקלאסיים הוא שינוי במערך הרמקולים בתיבה. ע"י הוספת רמקול Woofer נוסף מעל ה Tweeter. במקרה זה התמונה משתנה לחלוטין.

עקום הקרינה של הרמקול "המשופר" נראה כך (הקו הסגול כמו בשרטוטים הקודמים):

איזה שינוי דרמטי!

עכשיו זה הרבה יותר מדויק מהרמקולים הקודמים. גם כאן, לקרוס ישנה השפעה חזקה על צורת הקרינה אבל ניתן להגיע למה שרואים בשרטוט בלי "מאמץ".

כאמור, התדרים הבעייתיים הם בסביבות תדר החיתוך שהוא בדרך כלל בנקודת ה – 2000 תנודות בשנייה. אזור תדרים זה מאד חשוב לשחזור קול אדם (שיחה) ולכן חשוב מאד לפתור בעיה זו בעיקר במערכת קולנוע בייתי.

אם נדמיין את הרמקול במצב אופקי, ונבין את השיפור הגדול ברציפות עוצמת הצליל כשהראש לא נמצא במרכז ומול כי אם ימינה או שמאלה מתיבת הרמקולים, נבין למה הרבה חברות שבונות תיבות רמקולים לקולנוע בייתי משתמשות בטכניקה הזאת לתיבת ה- Center.

כפי שניתן לראות, בניית מערך רמקולים בתיבה היא פעולה לא פשוטה. אין מצב אידיאלי ולכן חשובה ההתאמה בין כל מרכיבי המערך, בייחוד כשדורשים תוצאה ללא פשרות.

ואם כל זה לא מספיק אז בהמשך, נתון נוסף במפרט מערכת הרמקולים יאלץ הפעם את המגבר להשתתף בקביעת איכות הצליל הסופי.

רגישות

רגישות

כבר בחלק ראשון של המאמר מוסבר שתפקיד הרמקול הוא להפוך אנרגיה חשמלית לאנרגיה אקוסטית. האנרגיה החשמלית מזיזה פיזית ממבראנה וזו שדוחפת את האוויר לכיוון המאזין. ככל שהדחיפה יותר חזקה כך ישמע הצליל יותר חזק. מהירות התנועה של הממבראנה קובע את התדר שהרמקול מקרין אבל מרחק התזוזה של הממבראנה קובע את עוצמתו של תדר זה.

רגישות הרמקול (Sensitivity) מגדירה למעשה את הנצילות שלו, או במילים פשוטות כמה רעש הוא מוציא יחסית להספק שמוכנס לו.

אז כיצד נמדדת הרגישות?

כדי למדוד את הרגישות מכניסים את התיבה לחדר ללא הד (Anechoic Room) שהוא חדר מרופד במשולשים סופגי קול.

ממול לתיבה, במרחק של 1 מטר מציבים מיקרופון.


חדר ללא הד, אפשר לשמוע את עצמכם חושבים!

לתיבה מכניסים אות שמע בעוצמה של 1 וואט והמיקרופון מודד את עוצמת אות השמע שהרמקול מפיק ומקבלים מספר ב- dB בסולם SPL.

נתוני רגישות מקובלים שמפורסמים ע"י יצרני התיבות (מערך הרמקולים) נעים בין 84dB לבין 96dB. כלומר רמקול בעל רגישות של 90dB ושמקבל 1 וואט של צליל, ירעיש בעוצמה של 90dB SPL כשמאזינים במרחק של מטר מהתיבה.

כדי לקבל תחושה של "כמה חזק זה 90dB" אפשר להתבונן בטבלה בחלק א´ של המאמר.

הפרש של 3dB ברגישות הרמקול שקול לכפל הספק. מגבר של 100 וואט שמחובר לרמקול עם רגישות של  90dB ירעיש בעוצמה שקולה למגבר של 50 וואט שמחובר לרמקול עם רגישות של 93dB.

זה כל הסיפור, די פשוט.

מכאן כבר אפשר לעבור לפרק ולנושא אחר…

מה שרק נשאר לברר זה פרט קטן: איזה אות שמע (תדר) מקבל הרמקול בזמן בדיקת הרגישות שלו.

עכשיו זה כבר לא פשוט.

אם יקבעו תדר אחד כדוגמת 1000 תנודות בשנייה, זה לא יהיה ממש הוגן כי יתכן שרמקול מסוים מדגיש במיוחד את התדר הזה יחסית לרמקול אחר ולכן יקבל מספר טוב יותר ויוצג כרמקול רגיש יותר. למעשה, בחירה של כל תדר יחיד לא נותנת מענה הוגן, לכן ההחלטה די פשוטה – לבדוק את הרמקול מצליל שמורכב מכמה תדרים בו זמנית.

כלומר, לעשות איזה שהוא מיצוע בתחום תדרי השמע.

אז מכמה תדרים מורכב הצליל שמשמש לבדיקת רגישות הרמקול? והתשובה – כמה שיותר תדרים.

במילה אחרת: רעש…

רעש

רעש

גל שמשנה את תידרו ועוצמתו בצורה אקראית מוגדר כרעש. דוגמה לסוג מסוים של רעש אפשר לשמוע כשמכוונים רדיו FM לאזור בסקאלה שבה לא נקלטת תחנה, מה ששומעים זה אוסף של הרבה תדרים משתנים שנשמעים משהו כמו היסססס.

ואם נחזור למערך העקרוני של בדיקת רגישות הרמקול, אפשר לראות באיור הבא גם את סוג הרעש שמשתמשים לצורך הבדיקה:

הרעש הוא רעש ורוד. רעש ורוד בעוצמה של 1 וואט מוכנס לרמקול, ומהעבר השני, במרחק של 1 מטר מוצב מד עוצמה שמראה את רגישות הרמקול. ככל שרגישות הרמקול גדולה יותר כך יצא יותר רעש לחלל החדר והרמקול יחשב כיותר רגיש.

רגישות הרמקול קשורה למבנה שלו, לגודל המגנט, עובי הממבראנה, הקרוס שמחובר אליו וכמובן גודל וסוג התיבה שבה הוא נמצא. חשוב גם להבין שאין קשר ישיר בין איכות הצליל ורגישות הרמקול. לפעמים הרמקולים בתיבה עשויים מחומרים יותר קשים וכבדים ולפעמים מוסיפים בקרוס הרבה אלמנטים לתיקון הצליל וכל זה גורם באופן טבעי להקטנת רגישות המערך אבל לחילופין משפר את הצליל.

ובחזרה לנושא הרעש.

ישנם כמה סוגי רעש, שהמפורסם ביותר מביניהם הוא הרעש הלבן (White Noise).

הסוג שבדרך כלל שימושי בכל נושא השמע וזה שמוזרק למגבר לצורך הבדיקה הוא רעש שונה ומוגדר רעש ורוד (Pink Noise).

כאן אפשר לראות את ההבדל בין רעש לבן ורעש ורוד:


רעש "לבן" מול רעש "ורוד"

כאן אפשר לשמוע "רעש לבן" וכאן "רעש ורוד"

הרעש הלבן המפורסם הוא רעש שיש לו עוצמה ממוצעת קבועה בכל תדר לכל אורך ספקטרום תדרי השמע.

מוזיקה לא מתנהגת כמו רעש לבן.

אם נפרק את עוצמת התדרים בהשמעת מוזיקה אמיתית, נראה שהאנרגיה בתחום הבסים (התדרים הנמוכים) גדולה משמעותית מהאנרגיה שיש בהרמוניות בתדרים הגבוהים. מכיוון שמודל הרעש הלבן נותן עוצמות שוות בכל התדרים הוא לא בדיוק המודל הנכון שמזכיר התנהגות של מוזיקה, ולכן נבנה מודל רעש אחר שמפורסם מאד בכל מה שקשור לשמע, הוא הרעש הורוד.

עוצמתו של הרעש הורוד, כמו שרואים בגרף, יורדת ככל שעולים בתדר ובכך יוצרים קשר יותר הגיוני בינו לבין המוזיקה שאותה הוא אמור לחקות.

כאמור, בדיקות רגישות הרמקול מתבצעות עם מחולל רעש ורוד כדי ליצור אחידות בבדיקה של כל סוגי הרמקולים.

זהו הסבר די בסיסי בנושא הרעש הלבן והרעש הורוד. שיפוע ירידת העוצמה של הרעש הורוד לא מיקרי ומעוגן מבחינה מתמטית. לסקרנים שבינינו, ולמי שמעוניין להבין יותר לעומק את הנושא, מפורט ההסבר היותר מדויק.

רעש – לא מה שחשבת

רעש לבן מאופיין בכך שבכל תדר העוצמה שווה וגם בכל תחום תדר העוצמה שווה. אם נמדוד את ההספק בכל מרווח תדר נקבל הספק שווה בכל נקודה בספקטרום. דוגמה שקיימת בגרף, אם נמדוד את ההספק בתחום תדר שבין 50Hz לבין 100Hz נקבל הספק שווה גם אם נמדוד בתחום של 5000Hz לבין 5050Hz.

הפרט החשוב, בשני המדידות – תחום התדרים בזמן המדידה קבוע (בדוגמה הנ"ל הוא 50Hz).


האנרגיה שווה, הסקאלה לוגריתמית

אמנם לפי הגרף זה די מבלבל כי רוחב הפיסה הירוקה שונה בשני המקרים אבל לא נשכח שציר התדר הוא לוגריתמי ואם נשרטט את הגרף ליניארי, נראה שרוחב שני הפסים הירוקים למעשה שווה.

רעש ורוד מאופיין בכך שהעוצמה היחסית שלו הפוכה לתדר. כל פעם שהתדר מוכפל פי שניים, העוצמה (הנקודתית) יורדת פי שניים (3dB-). אם נמדוד את ההספק בתחום תדרים כמו שמדדנו ברעש הלבן נקבל שבתחום ה- 50Hz ההספק המתקבל הרבה יותר גדול מההספק שיש באזור ה- 5000Hz.

מבט בגרף מסביר מדוע זה כך: באזור ה- 5000Hz עוצמת האות הרבה יותר קטנה.


רעש ורוד, שימו לב, להבדל בטווחי התדרים בגלל הסקאלה הלוגריתמית

למען הדיוק, העוצמה קטנה ב 20dB שזה בדיוק יחס של 100 (היחס בין 5000 ל 50).

את ההשוואות בעוצמה נבצע ברעש ורוד בסקאלה לוגריתמית.

האנרגיה שבין תדר 50Hz לבין תדר 100Hz שווה לאנרגיה שיש בתחום שבין 500Hz ו- 1000Hz ששווה לאנרגיה שקיימת בתחום הרעש בין 5000Hz לבין 10000Hz.

אפשר להסתכל על זה אחרת, ככל שעולים בתדר כך מודדים את האנרגיה בתחום יותר רחב של תדרים.

ברעש ורוד ההספק הוא לוגריתמי בתחום התדר ומכיוון שגם האוזן מרגישה שינויי עוצמה בצורה לוגריתמית,

זה בדיוק סוג הרעש שמתאים לבדיקות שמע.

בחזרה לרגישות

ועכשיו נחזור לרגישות 

עוצמת האות שמתקבלת קשורה בכמה משתנים:

  1. ההספק שיוצא מהמגבר
  2. רגישות הרמקול
  3. פיזור האות בחדר
  4. מרחק פיזי מהרמקול

אז איך אפשר לקשר בין כל המרכיבים כדי לקבל את המספר הסופי שאומר מה היא, בסיכומו של דבר, עוצמת השמע שנוצרת בחלל החדר?

באולם הקולנוע מכוילת עוצמת השמע בממוצע ל- 85dB , איזה הספק דרוש כדי להגיע למספר הזה במערכת ביתית?

פיצוצים ושאר הרעשים מושמעים בבית הקולנוע ביותר מ- 100dB, האם גם בבית, בסלון, אפשר לשחזר עוצמה כזאת?

לשם כך צריך לבנות משוואה, להציב את הנתונים, לחשב, ואז מקבלים את מספר הפלא.

dB מגדיר את עוצמת האות בסולם SPL שמתקבל בנקודת האזנה.

P   זה נתון ההספק בוואטים של המגבר בערוץ אחד. הנוסחה מניחה שהמגבר פועל בשני ערוצים.

S   זה המספר ב- dB של רגישות הרמקול כמו שרשום במפרטיי היצרן.

L  מגדיר את מרחק האזנה מהרמקול (במטרים).

D  זה מספר שתלוי בהתפשטות וההחזרות של האות בחדר. תיאורטית, כשאין החזרות והרמקול שולח את הצליל לכל הכיוונים המספר D שווה ל 6. בחדר ישנם הרבה אותות שחוזרים ומצד שני הרמקול לא בדיוק מפזר את האות לכל הכיוונים לכן המספר קטן מ- 6. במדידות שערכתי המספר D יותר קרוב ל 4 מאשר ל- 6 התיאורטי.

במקום פתוח יש להציב בנוסחה D = 6.

במקום סגור, כשהמרחקים מהרמקול קצרים ויש החזרות מקירות, הייתי מציב  D = 4.

דוגמה לחישוב:

נתון מגבר סטריאו של 50 וואט לערוץ ושמחובר לרמקולים עם רגישות ממוצעת של 89dB. מה תהיה עוצמת השמע כשהמגבר בשיאו במרחק האזנה של 4 מטרים.

נקבל:

3 + 17 + 89 – 8 = 101

קיבלנו 101dBspl, ועדיין לא הגענו למכסימום היכולת שיש לאולם קולנוע. כדי להגיע ל- 105dB צריך להכפיל את ההספק !!!

למי שמעוניין "לשחק" עם המספרים בקלות כדי לתכנן לפני הקנייה לאילו עוצמות הוא אמור לצפות במערכת הסופית, ניתן לפתוח מחשבון של האתר עם הנוסחה הנ"ל ולבצע את החישובים מיידית.

כמו שרואים, כדי להרעיש היטב יש צורך בהספק לא מבוטל אפילו כשיושבים מהרמקולים במרחק של 4 מטרים בלבד.

יחידת Subwoofer אקטיבית עוזרת לתוספת הספק ולכן מעלה את העוצמה הכללית.

נצילות הרמקול בהתמרת הספק חשמלי להספק אקוסטי די נמוכה, רק כ- 2% צליל, שאר האנרגיה מתפתחת ברמקול בצורת חום. רמקולי במה בנויים מיחידות עם נצילות יותר גבוהה כ- 10%, והרגישות מגיעה ל- 100dB ויותר, כל זאת כדי לאפשר עוצמות שמע גבוהות למרחקים בלי להזדקק להספקים אדירים.

ההתנגדות האקטיבית של התיבה וההשלכות על המגבר קשורים גם הם לנושא העוצמה, אבל זה כבר בחלק הבא של המאמר.

להמשך הדיון בפורום לחצו כאן


7:00
  /  
27.11.2008
  
כתב: מוטי כהן

1