صوت متوازن

الصوت المتوازن هو أسلوب لربط أجهزة الصوت باستخدام واجهات متوازنة. يُعد هذا النوع من التوصيل بالغ الأهمية في تسجيل وإنتاج الصوت، لأنه يسمح باستخدام كابلات طويلة مع تقليل التأثر بالضوضاء الخارجية الناتجة عن التداخل الكهرومغناطيسي. تضمن الواجهة المتوازنة ظهور الضوضاء المستحثة على شكل جهد مشترك عند جهاز الاستقبال، والذي يمكن رفضه بواسطة جهاز تفاضلي.

تستخدم التوصيلات المتوازنة عادةً كابلات مزدوجة مجدولة محمية وموصلات ثلاثية الموصلات. وتكون هذه الموصلات عادةً من نوع XLR ثلاثي الأطراف أو موصلات TRS مقاس 6.35 مم . عند استخدامها بهذه الطريقة، يحمل كل كابل قناة واحدة، وبالتالي يتطلب الصوت الاستريو (على سبيل المثال) كابلين. 

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن الصوت المتوازن يتطلب من مصدر الإشارة إرسال موجات متساوية ذات قطبية متعاكسة إلى موصلَي الإشارة في الخط المتوازن. مع ذلك، فإن العديد من الأجهزة المتوازنة تُشغّل جانبًا واحدًا فقط من الخط، ولكن بمقاومة تساوي مقاومة الجانب الآخر. يسمح هذا التوازن في المقاومة لجهاز استقبال الخط المتوازن (مرحلة الإدخال في الجهاز التالي) برفض إشارات الوضع المشترك التي تُدخَل إلى الموصلَين عن طريق الاقتران الكهرومغناطيسي.

تعمل العديد من الميكروفونات بمستويات جهد منخفضة، وبعضها بمقاومة خرج عالية (hi-Z)، مما يجعل كابلات الميكروفونات الطويلة عرضةً بشكل خاص للتداخل الكهرومغناطيسي . لذا، تُعدّ وصلات الميكروفونات من التطبيقات الشائعة للوصلات المتوازنة، التي تسمح لجهاز الاستقبال برفض معظم هذا التشويش المُستحث. إذا كانت مُضخّمات الطاقة لنظام الصوت العام موجودة على أي مسافة من وحدة التحكم بالمزج ، فمن المعتاد أيضًا استخدام خطوط متوازنة لمسارات الإشارة من وحدة المزج إلى هذه المُضخّمات. تحتوي العديد من المكونات الأخرى، مثل مُعادلات الصوت الرسومية ووحدات المؤثرات، على مداخل ومخارج متوازنة للسماح بذلك. في التسجيل، وللكابلات القصيرة عمومًا، لا بد من إيجاد حل وسط بين تقليل التشويش الذي توفره الخطوط المتوازنة والتكلفة الناتجة عن الدوائر الإضافية التي تتطلبها.

تُوفّر بعض الأجهزة، التي عادةً ما تحتوي على مُخرَج مُحوِّل، مُخرَجًا مُتوازنًا "عائمًا" بالنسبة للأرض؛ حيث تكون مُعاوقة الأرض من كل جانب من جوانب المُخرَج عالية. في أغلب الأحيان، تُشغِّل الأجهزة أحد جانبي الواجهة المُتوازنة أو كليهما بإشارة مُرجعية إلى الأرض. عندما لا يتم تشغيل أحد الجانبين، يُحرص على أن تكون مُعاوقة الأرض مُساوية لمُعاوقة الجانب المُشغَّل.

تستخدم وصلات الصوت المتوازنة عدداً من التقنيات لتقليل الضوضاء.

يتكون الكابل المتوازن النموذجي من سلكين متطابقين، يتم لفهما معًا ثم تغليفهما بموصل ثالث (رقائق معدنية أو جديلة) يعمل كدرع . يشكل السلكان دائرة كهربائية قادرة على نقل إشارة صوتية .

يُشتق مصطلح "متوازن" من طريقة موازنة معاوقة كل سلك في الدائرة؛ إذ يجب أن يكون للخط وجميع الدوائر المتصلة به مباشرةً (مثل دائرة الإرسال والاستقبال) معاوقات متطابقة بالنسبة إلى نقطة مرجعية. هذا يعني أن جزءًا كبيرًا من التداخل الكهرومغناطيسي سيُحدث جهد ضوضاء متساويًا في كل سلك. ولأن جهاز التفاضل في طرف الاستقبال يستجيب فقط لفرق الجهد بين خطي الإشارة، يتم رفض الضوضاء المتطابقة على كلا السلكين. يمكن تطبيق هذه الطريقة باستخدام مُضخِّم تفاضلي . كما يمكن استخدام مُحوِّل كهربائي بدلًا من مرحلة إدخال نشطة.

يُقلل الزوج الملتوي مساحة الحلقة بين الموصلات إلى أدنى حد ممكن، ويضمن أن المجال المغناطيسي الذي يمر بالتساوي عبر الحلقات المتجاورة سيُحدث مستويات متساوية من التشويش على كلا الخطين، والذي يتم إلغاؤه بواسطة جهاز التفاضل في جهاز الاستقبال. إذا كان مصدر التشويش قريبًا جدًا من الكابل، فمن المحتمل أن يُحدث على أحد الخطين أكثر من الآخر، ولن يتم إلغاؤه بنفس الكفاءة، ولكن سيحدث إلغاء جزئي للتشويش بقدر ما يكون متساويًا على كلا الخطين.

يُوفر الغلاف المنفصل، المُستخدم عادةً في كابلات الصوت المتوازنة، ميزةً في تقليل التشويش مقارنةً بالأنظمة غير المتوازنة ثنائية الموصلات (كما هو الحال في أجهزة الاستريو المنزلية الشائعة)، حيث يعمل الغلاف أيضًا كسلك لإرجاع الإشارة. وبالتالي، فإن أي تيارات تشويش مُستحثة في غلاف كابل الصوت المتوازن لن تُضاف مباشرةً إلى الإشارة، بينما يحدث ذلك في نظام ثنائي الموصلات. كما يمنع هذا مشاكل حلقة التأريض ، بفصل الغلاف/الهيكل عن تأريض الإشارة.

غالبًا ما تُنقل الإشارات عبر وصلات متوازنة باستخدام الوضع التفاضلي ، أي أن الأسلاك تحمل إشارات متساوية في المقدار ولكن بقطبية معاكسة (على سبيل المثال، في موصل XLR ، يحمل الطرف 2 الإشارة بقطبية عادية، بينما يحمل الطرف 3 نسخة معكوسة من الإشارة نفسها). على عكس الاعتقاد الشائع، هذا الترتيب ليس ضروريًا لرفض الضوضاء. طالما أن المعاوقات متوازنة، ستنتقل الضوضاء بالتساوي إلى السلكين (وسيرفضها مضخم تفاضلي)، بغض النظر عن الإشارة الموجودة عليهما. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تتمثل إحدى الطرق البسيطة لتشغيل خط متوازن في حقن الإشارة في السلك "الساخن" من خلال معاوقة مصدر معروفة ، وتوصيل السلك "البارد" بالأرضي المحلي للإشارة من خلال معاوقة مماثلة. نظرًا للمفاهيم الخاطئة الشائعة حول الإشارات التفاضلية، يُشار إلى هذا غالبًا باسم خرج شبه متوازن أو متوازن المعاوقة ، على الرغم من أنه في الواقع متوازن تمامًا وسيرفض التداخل ذي الوضع المشترك.

ومع ذلك، هناك بعض الفوائد الطفيفة لتشغيل الخط بمخرج تفاضلي كامل:

• على الرغم من أن مستوى الإشارة لن يتغير بسبب توحيد المستوى الاسمي ، إلا أن الحد الأقصى للإخراج من المحركات التفاضلية سيكون ضعف ما هو عليه، مما يوفر 6  ديسيبل إضافية من المساحة الرأسية . ^{[ 1 ]}
• يؤدي زيادة سعة الكابلات على امتداد مسارات طويلة إلى تقليل مستوى الإشارة الذي تُضعف عنده الترددات العالية. إذا كان كل سلك يحمل نصف نطاق جهد الإشارة كما هو الحال في المخارج التفاضلية الكاملة، فيمكن استخدام مسارات كابلات أطول دون فقدان الترددات العالية.
• سيتم إلغاء الضوضاء المرتبطة بين مكبري الصوت (الناتجة عن رفض مصدر الطاقة غير الكامل، على سبيل المثال).
• عند الترددات العالية، قد تتغير مقاومة خرج مضخم الخرج، مما يؤدي إلى عدم توازن طفيف. عند تشغيله في الوضع التفاضلي بواسطة مضخمين متطابقين، سيكون هذا التغير في المقاومة متساوياً لكلا الخطين، وبالتالي يتم إلغاؤه. ^{[ 1 ]}

توفر منتجات الصوت الاحترافية (التسجيل، أنظمة الصوت العامة، إلخ) عادةً مداخل ومخارج متوازنة، وذلك عبر موصلات XLR أو TRS . ومع ذلك، في معظم الحالات، تكون الدوائر الداخلية غير متوازنة تمامًا.

صُممت بعض المنتجات الصوتية بمسار إشارة متوازن تمامًا من المدخل إلى المخرج؛ حيث تحافظ الدائرة على توازن المعاوقة في جميع أنحاء الجهاز. ويتحقق هذا التصميم بتوفير مسارات إشارة داخلية متطابقة (معكوسة) لكل من الموصلات "الساخنة" و"الباردة". في التطبيقات الحساسة، يمكن لتصميم دائرة متوازنة بنسبة 100% أن يوفر سلامة إشارة أفضل بتجنب مراحل التضخيم الإضافية أو المحولات اللازمة لعدم توازن الإشارة في المدخل وإعادة توازنها في المخرج. ^{[ 3 ]}

تُستخدم موصلات XLR ثلاثية الأطراف وموصلات TRS ربع بوصة (6.35  مم) بشكل شائع في واجهات الصوت المتوازنة. صُممت العديد من المقابس الآن لاستقبال موصلات XLR أو TRS. تستخدم بعض الأجهزة المُخصصة للتركيب طويل الأمد أحيانًا شرائط طرفية أو موصلات Euroblock . كما تستخدم بعض توصيلات سماعات الرأس المتوازنة موصل Pentaconn TRRRS بقطر 4.4 مم . 

• 
   مقابس هاتف TRS بأحجام 2.5 و 3.5 و 6.35 ملم
• 
  موصلات XLR ثلاثية الأطراف، أنثى على اليسار وذكر على اليمين
• 
  مقبس هجين للهاتف من نوع XLR ثلاثي الأطراف بالإضافة إلى  مقبس TRS مقاس 6.35 مم.

في موصلات XLR، تُستخدم الأطراف 1 و2 و3 عادةً للغطاء الواقي (المتصل بالهيكل بشكل مثالي) وسلكي الإشارة، على التوالي. (يُشار غالبًا بعبارة "أرضي، حي، عودة"، المقابلة لـ "X، L، R"، كوسيلة مساعدة للتذكر، مع العلم أن سلك الإشارة الثاني ليس "عودة" في حالة الإشارة التفاضلية). أما في مقابس TRS، فيكون الطرف هو طرف الإشارة/غير العاكس، والحلقة هي طرف العودة/العاكس، والغطاء هو أرضي الهيكل.

إذا تم توصيل إشارة ستيريو أو إشارة ثنائية الأذن بمقبس كهذا، فسيتم طرح إحدى القناتين (عادةً اليمنى) من الأخرى (عادةً اليسرى)، مما ينتج عنه إشارة غير مسموعة L − R (يسار ناقص يمين) بدلاً من الإشارة أحادية الصوت L + R (يسار زائد يمين). كما أن عكس القطبية في أي نقطة أخرى في نظام صوتي متوازن سيؤدي إلى هذا التأثير عند مزجها لاحقًا مع القناة الأخرى.

تنقل خطوط الهاتف الصوت عبر دوائر متوازنة، وإن كان هذا يقتصر عمومًا على الدائرة المحلية . سُميت كذلك لأن السلكين يشكلان دائرة متوازنة يمر عبرها طرفا المكالمة الهاتفية . ولأن الهواتف تتطلب طاقة تيار مستمر للتشغيل وللسماح بسهولة باكتشاف رفع السماعة أو رفعها، فقد طُوّرت دوائر إضافية حيث يُغذى أحد سلكي الإشارة من ناقل الطاقة في المقسم، عادةً بجهد -50 فولت، بينما يُؤرض الآخر، وكلاهما عبر ملفات حث متساوية القيمة ذات مقاومة تيار مستمر تبلغ حوالي 400 أوم، وذلك لتجنب حدوث قصر في دائرة إشارة التيار المتردد المطلوبة وللحفاظ على توازن المعاوقة.

تُستخدم في بيئات العمل الاحترافية وصلات صوتية رقمية متوازنة في أغلب الأحيان، وفقًا لمعيار AES3 (AES/EBU). ويستخدم هذا المعيار موصلات XLR وكابلات مزدوجة مجدولة بمقاومة 110 أوم. في المقابل، فإن واجهة S/PDIF المحورية الشائعة في الأجهزة الاستهلاكية غير متوازنة.

يمكن ربط الدوائر المتوازنة وغير المتوازنة باستخدام محول balun ، وغالبًا من خلال وحدة DI (تسمى أيضًا "صندوق DI" أو "صندوق مباشر").

كحل أخير، يمكن توصيل خط صوتي متوازن بمدخل غير متوازن والعكس صحيح، شريطة معرفة التصميم الإلكتروني المستخدم لمرحلة الإخراج. في حالة توصيل مخرج متوازن بمدخل غير متوازن، يمكن توصيل الطرف السالب للإخراج بالأرضي، ولكن في بعض الحالات، يُفضل تركه غير موصول. ^{[ 4 ]}

• الإشارات التفاضلية
• AES3
• الطاقة الوهمية

• رابطة الصوت والإضاءة في المملكة المتحدة - مقال حول الخطوط المتوازنة
• راي رايبورن: "من التوازن إلى عدم التوازن؛ كيف تفعل ذلك بشكل صحيح"