انعكاس الصوت الجهير

نظام انعكاس الصوت الجهير ( المعروف أيضًا باسم الصندوق ذي المنفذ أو منفذ التهوية ) هو نوع من صناديق مكبرات الصوت يستخدم منفذًا (فتحة) أو فتحة تهوية محفورة في الصندوق، وجزءًا من أنبوب أو ماسورة مثبتة بهذا المنفذ. ^{[ 1 ] [ 2 ]} يُمكّن هذا المنفذ الصوت من الجانب الخلفي للحجاب الحاجز، مما يزيد من كفاءة النظام عند الترددات المنخفضة مقارنةً بمكبرات الصوت التقليدية المغلقة أو ذات الحاجز اللانهائي.

يُعد منفذ الانعكاس السمة المميزة لهذا النوع الشائع من الصناديق الصوتية . يُحسّن هذا التصميم من إعادة إنتاج الترددات المنخفضة الصادرة عن مكبر الصوت الجهير أو مضخم الصوت الفرعي . يتكون المنفذ عادةً من أنبوب واحد أو أكثر مثبتة في الواجهة الأمامية ( الحاجز ) أو الخلفية للصندوق. وبناءً على العلاقة الدقيقة بين خصائص مكبر الصوت ، وحجم الصندوق (والحشو إن وُجد)، ومقطع الأنبوب وطوله، يُمكن تحسين الكفاءة بشكل ملحوظ مقارنةً بأداء صندوق مغلق مماثل في الحجم.

على عكس مكبرات الصوت المغلقة، التي تكاد تكون محكمة الإغلاق، يحتوي نظام انعكاس الصوت الجهير على فتحة تُسمى منفذًا أو قناة تهوية في هيكل مكبر الصوت، وتتكون عادةً من أنبوب أو قناة (عادةً ما يكون مقطعها العرضي دائريًا أو مستطيلًا). ^{[ 3 ] [ 4 ]} يتردد صدى كتلة الهواء في هذه الفتحة مع مرونة الهواء داخل الهيكل بنفس الطريقة التي يتردد بها الهواء في زجاجة عند توجيه تيار هواء عبر الفتحة. ومن التشبيهات الشائعة الأخرى تشبيه الهواء بنابض أو شريط مطاطي. يعتمد تردد رنين نظام الصندوق/المنفذ، المعروف برنين هيلمهولتز ، على الطول الفعال ومساحة المقطع العرضي للقناة، والحجم الداخلي للهيكل، وسرعة الصوت في الهواء. في السنوات الأولى لمكبرات الصوت المزودة بمنافذ تهوية، كان على مصممي مكبرات الصوت إجراء تجارب مكثفة لتحديد القطر الأمثل للمنفذ وطول أنبوب المنفذ. مع ذلك، ظهرت مؤخراً العديد من الجداول وبرامج الحاسوب التي تحسب، لحجم معين من الصندوق، حجم فتحة التهوية وطول الأنبوب المطلوبين. ولكن حتى مع هذه البرامج، لا يزال من الضروري إجراء بعض التجارب على النماذج الأولية لتحديد جودة صوت الصندوق.

إذا تم اختيار رنين كتلة هواء الفتحة/مرونة هواء الصندوق بحيث يكون تردده أقل من تردد الرنين الطبيعي لمكبر الصوت الجهير، تحدث ظاهرة مثيرة للاهتمام: تنعكس قطبية الموجة الخلفية لانبعاث صوت مكبر الصوت الجهير في نطاق التردد بين الرنينين. ^{[ 3 ]} وبما أن الموجة الخلفية معاكسة بالفعل في القطبية للموجة الأمامية، فإن هذا الانعكاس يجعل الانبعاثين متوافقين في الطور (على الرغم من أن انبعاث الفتحة يتأخر بمقدار دورة موجية واحدة)، وبالتالي يعزز كل منهما الآخر. وهذا مفيد لإنتاج خرج أعلى (لأي حركة معينة لمكبر الصوت مقارنةً بصندوق مغلق)، أو على العكس، خرج مماثل بحركة أصغر (مما يعني تشويهاً أقل لمكبر الصوت). أما ثمن هذا التعزيز فهو تشوه زمني: ففي جوهره، يزيد رنين الفتحة من خرج مكبر الصوت الرئيسي عن طريق إضافة "ذيل رنيني" إليه. بالنسبة للترددات الأعلى من تردد الرنين الطبيعي لمكبر الصوت، لا يكون لمحاذاة الانعكاس أي تأثير. بالنسبة للترددات الأقل من تردد رنين فتحة التهوية، لا يتم عكس القطبية، ويحدث إلغاء للموجة العكسية. علاوة على ذلك، يتصرف مكبر الصوت كما لو كان معلقًا في الهواء الطلق، نظرًا لغياب مرونة الهواء داخل الصندوق.

عند تصميم مكبرات الصوت للاستخدام المنزلي أو لعروض الأداء الحي عالية الصوت (مثل مكبرات صوت مضخمات الصوت الجهير ومكبرات الصوت وأنظمة الصوت العامة ومضخمات الصوت الفرعية )، غالبًا ما يرجح المصنعون كفة مزايا منفذ التهوية (زيادة استجابة الصوت الجهير، انخفاض استجابة الصوت الجهير، تحسين الكفاءة) على عيوبه (ضوضاء المنفذ، مشاكل الرنين). يحظى هذا التصميم بشعبية واسعة بين المستهلكين والمصنعين (إذ يمكن أن تكون مكبرات الصوت أصغر حجمًا وأخف وزنًا، مع أداء مكافئ تقريبًا)، لكن زيادة خرج الصوت الجهير تتطلب توافقًا دقيقًا بين المحرك والهيكل ومنفذ التهوية. قد تعاني تصميمات انعكاس الصوت غير المتوافقة من خصائص أو عيوب غير مرغوب فيها، مما يجعلها أحيانًا غير مناسبة للإعدادات التي تتطلب دقة عالية وحيادية صوتية، مثل مكبرات الصوت المستخدمة في الاستوديوهات من قبل مهندسي الصوت في مرافق المراقبة واستوديوهات التسجيل، وما إلى ذلك. ومع ذلك، من الممكن تصميم نظام انعكاس صوت جهير يتغلب على معظم هذه العيوب؛ وتوجد تصميمات انعكاس صوت جهير عالية الجودة بشكل شائع في البيئات الصعبة حول العالم.

تتشابه المشعات السلبية في طريقة عملها مع أنظمة انعكاس الصوت الجهير المزودة بفتحات تهوية، ويُستخدم كلا النظامين لنفس الغرض: توسيع نطاق استجابة الترددات المنخفضة للنظام . ^{[ 5 ] [ 6 ]} المشع السلبي هو استخدام مخروط واحد أو أكثر (غشاء) إضافي داخل الصندوق بدلاً من فتحات التهوية. لا تحتوي هذه الأغشية السلبية على مغناطيس أو ملف صوتي ، ولا تتصل بمضخم طاقة . صوتيًا، تتصرف هذه المشعات بشكل مشابه إلى حد كبير لفتحات التهوية حول ترددها، حيث تعمل أيضًا كمرنان هيلمهولتز مُثار بواسطة الجانب الخلفي لغشاء مكبر الصوت الجهير. يمكن ضبط المشعات السلبية بشكل مستقل عن أبعادها عن طريق إضافة أو إزالة كتلة من غشاء المشع السلبي. هذا يجعلها مفيدة للصناديق الصغيرة ذات نفس ضبط الصندوق، حيث يكون استخدام فتحة تهوية مضبوطة بشكل مكافئ غير عملي. كما أنها تتجنب رنين الأنابيب في نطاق الترددات المتوسطة الذي قد يمثل مشكلة في الصناديق المزودة بفتحات التهوية في أنظمة النطاق الكامل. ^{[ 7 ]} مع ذلك، لكي تكون فعّالة، تتطلب مساحة سطح أكبر بكثير على الهيكل الخارجي مقارنةً بالمنفذ. كما أنها أغلى ثمناً بكثير من أنبوب المنفذ، لأنها في الواقع عبارة عن وحدة تشغيل مكبر صوت بدون ملف الصوت والمغناطيس.

لم يكن تأثير معايير السماعات المختلفة، وأحجام الصناديق، وأبعاد المنافذ (والقنوات) على أداء أنظمة انعكاس الصوت الجهير مفهومًا جيدًا حتى أوائل الستينيات. لاحقًا، قدمت تحليلات رائدة من قِبل أ. ن. ثيل ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} ، وج. إ. بنسون ^{[ 11 ] [ 12 ]} ، وريتشارد هـ. سمول ^{[ 4 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} الأسس النظرية لتصميم أنظمة مكبرات الصوت ذات انعكاس الصوت الجهير لتلبية معايير أداء محددة للترددات المنخفضة، وتم تطويرها إلى سلسلة من "التوافقات" ( مجموعات من معايير السماعات ذات الصلة ) التي سمحت للمصممين بإنتاج استجابات مفيدة وقابلة للتنبؤ. قام كيلي ^{[ 16 ]} بتوسيع خيارات التصميم من خلال تقديم مجموعة جديدة من توافقات أنظمة مكبرات الصوت ذات الصناديق المفتوحة من الدرجة السادسة. أتاحت هذه النتائج لمصنعي مكبرات الصوت تصميم مكبرات صوت ذات منفذ انعكاس صوتي لتناسب أحجامًا مختلفة من الصناديق، ومطابقة الصناديق مع مكبرات صوت محددة بدقة عالية. ونظرًا للقيود الكهروميكانيكية الفيزيائية، لا يمكن لمكبر صوت صغير في صندوق صغير أن ينتج استجابة ترددات منخفضة ممتدة بكفاءة عالية (أي يتطلب مضخمًا منخفض الطاقة فقط). من الممكن الجمع بين صفتين من هذه الصفات، ولكن ليس جميعها؛ وقد أُطلق على هذا اسم "قانون هوفمان الحديدي" نسبةً إلى ملخص ج. أنطون هوفمان من شركة KLH (بالاشتراك مع هنري كلوس ) لأعمال إدغار فيلتشور قبل سنوات. يعتمد ضغط الصوت الناتج على كفاءة مكبر الصوت، وقدرة المحرك على تحمل الطاقة الميكانيكية أو الحرارية، ومدخلات الطاقة، وحجم المحرك.

خلص نوفاك ^{[ 2 ]} إلى أن صندوق مكبر الصوت ذي انعكاس الصوت الجهير يمكن أن يوفر ناتجًا صوتيًا أكبر لمستوى معين من التشوه، وتشوهًا توافقيًا كليًا أقل، وتشوهًا عابرًا أقل من صندوق مغلق تمامًا ذي حجم مماثل. يعزز هذا النظام الرنيني استجابة الجهير للوحدة الصوتية، وإذا صُمم بشكل صحيح، فإنه يمكنه توسيع نطاق استجابة التردد لمجموعة الوحدة الصوتية/الصندوق إلى ما دون النطاق الذي يمكن للوحدة الصوتية إعادة إنتاجه في صندوق مغلق ذي حجم مماثل. للرنين في الصندوق فائدة ثانوية تتمثل في الحد من حركة المخروط في نطاق ترددات متمركز حول تردد الضبط، مما يقلل التشوه في نطاق التردد هذا. أنظمة الصناديق المزودة بفتحات تهوية أرخص من مكبرات الصوت ذات المشع السلبي التي تؤدي نفس الأداء؛ فبينما يتطلب نظام المشع السلبي مكبر صوت واحد أو اثنين من نوع "المخروط الطنان"، لا يتطلب النظام المزود بفتحات تهوية سوى فتحة أو منفذ وجزء من الأنبوب.

بالمقارنة مع مكبرات الصوت ذات الصندوق المغلق، تتميز مكبرات الصوت ذات انعكاس الصوت الجهير باستجابة عابرة أضعف ، مما يؤدي إلى فترات اضمحلال أطول مرتبطة بنغمات الجهير. ^{[ 4 ]} يوضح الشكل المرفق بعض الأمثلة على استجابات الخطوة لوظائف مرشحات الترددات العالية  المختلفة، حيث يمتلك كل مرشح تردد قطع متطابقًا عند -3 ديسيبل يبلغ 50  هرتز. في هذا الشكل،  يمثل (أ) استجابة الخطوة لمحاذاة صندوق تهوية تقليدي من نوع B4، بينما  يمثل (ب) استجابة الخطوة لمحاذاة صندوق مغلق من نوع B2 بمعامل جودة Q  =  0.7071. يمكن تحسين الاستجابة العابرة لمكبر الصوت ذي الصندوق المفتوح باختيار محاذاة QB3 مشابهة لـ  (ج)، مما ينتج عنه استجابة عابرة أكثر استقرارًا من تلك التي تنتجها محاذاة B4. مع ذلك، فإن محاذاة صندوق تهوية من نوع C4 مشابهة لـ  (هـ) ينتج عنها استجابة عابرة أقل استقرارًا.

لتحقيق استجابة ترددات منخفضة قوية، تعمل صناديق مكبرات الصوت المزودة بفتحات تهوية على تداخل رنينين : أحدهما من مكبر الصوت والهواء المحصور، والآخر من الهواء المحصور وفتحة التهوية. عند تردد ضبط فتحة التهوية، يكون خرج الصوت من الفتحة هو المصدر الرئيسي للصوت، حيث تكون إزاحة مكبر الصوت في أدنى حد. وهذا يشكل نظامًا أكثر تعقيدًا وأعلى رتبة من صندوق مكبر صوت مغلق مماثل. ينتج عن التفاعل بين الرنينين نظام ذو تخميد أقل وتأخير زمني أكبر ( تأخير المجموعة ). ونتيجة لذلك، لا يحدث استجابة ترددات منخفضة ثابتة ومستوية في نفس وقت باقي الصوت عند الترددات العالية في نطاق التشغيل. بل تبدأ لاحقًا (تتأخر) ويزداد هذا التأخير مع مرور الوقت، مكونًا "ذيلًا" رنينيًا طويلًا نسبيًا يصل خلف "جسم" الإشارة الصوتية الرئيسي. نتيجة لخصائصها الكهروضوئية، فإن الصناديق ذات المنافذ، والتي يمكن تقريبها بشكل جيد كأنظمة مرشح تمرير عالي من الدرجة الرابعة، تؤدي عمومًا إلى استجابة عابرة أضعف عند الترددات المنخفضة مقارنة بأنظمة مكبرات الصوت ذات الصناديق المغلقة، والتي هي أنظمة مرشح تمرير عالي من الدرجة الثانية.

من عيوب هذا التحسين أنه عند الترددات الأقل من تردد ضبط فتحة التهوية، تُخفف الفتحة الضغط عن المخروط وتسمح له بالتحرك لمسافات كبيرة جدًا. هذا يعني أنه يمكن تشغيل السماعة بما يتجاوز حدود التشغيل الميكانيكية الآمنة عند الترددات الأقل من تردد الضبط بطاقة أقل بكثير مما هو عليه في صندوق مغلق ذي حجم مماثل. لهذا السبب، غالبًا ما تُحمى الأنظمة عالية الطاقة التي تستخدم تصميم انعكاس الصوت الجهير بمرشح تمرير عالي يزيل الإشارات الأقل من تردد ضبط فتحة التهوية. لسوء الحظ، يُضيف الترشيح الكهربائي تأخيرًا إضافيًا للمجموعة يعتمد على التردد. حتى لو أمكن ضبط هذا الترشيح بحيث لا يُزيل المحتوى الموسيقي، فقد يتداخل مع المعلومات الصوتية المرتبطة بحجم وأجواء موقع التسجيل أو المكان، وهي معلومات غالبًا ما توجد في نطاق الترددات المنخفضة جدًا. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

لا يزال تأثير هذه العوامل على الصوت في نظام مصمم بشكل صحيح موضع نقاش. فنظام انعكاس الصوت الجهير المصمم بشكل سيئ، والذي يكون فيه منفذ التهوية مضبوطًا بشكل خاطئ على تردد عالٍ جدًا أو منخفض جدًا، يميل إلى إنتاج صوت مفرط عند تردد الضبط مقارنةً ببقية نطاق ترددات النظام. قد يُضيف هذا السلوك نغمةً واحدةً مدويةً إلى إعادة إنتاج ترددات الصوت الجهير. ورغم أن البعض قد يعتقد أن هذا ناتج عن رنين المنفذ الذي يفرض خصائصه على النغمة المُشغّلة، إلا أنه ببساطة نتيجة لوظيفة استجابة ترددية غير مسطحة تمامًا. وإذا تزامنت ذروة استجابة الصوت الجهير في صندوق انعكاس الصوت الجهير مع أحد أنماط رنين الغرفة، وهو أمر شائع، فإن التأثيرات ستتفاقم. وبشكل عام، كلما انخفض تردد ضبط المنفذ، قلّت احتمالية ظهور هذه المشاكل.

غالبًا ما تُوضع منافذ التهوية على اللوحة الأمامية، مما قد يسمح بانتقال ترددات متوسطة المدى غير المرغوب فيها، المنعكسة من داخل الصندوق، إلى بيئة الاستماع. وإذا كان المنفذ صغيرًا جدًا، فقد يُصدر أيضًا "ضوضاء رياح" أو أصوات "نفخ" نتيجةً للاضطراب حول فتحات المنفذ عند سرعات الهواء العالية. ^{[ 19 ]} تعمل الصناديق ذات المنفذ الخلفي على إخفاء هذه التأثيرات إلى حد ما، ولكن لا يمكن وضعها مباشرةً على الحائط دون التسبب في مشاكل مسموعة. فهي تتطلب مساحة خالية حول المنفذ لكي تعمل كما هو مُصمم لها. يُدمج بعض المصنّعين منفذًا أرضيًا ضمن حامل السماعة أو قاعدتها، مما يوفر أداءً متوقعًا وقابلًا للتكرار للمنفذ ضمن قيود التصميم.

يُعدّ انضغاط المنفذ انخفاضًا في فعاليته مع ازدياد مستويات ضغط الصوت. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} فعندما يُصدر نظام المنفذ صوتًا أعلى، تقل كفاءة المنفذ، ويزداد التشوه الناتج عنه. يمكن تقليل هذا التشوه من خلال تصميم المنفذ، ولكن لا يمكن إزالته تمامًا. ^{[ 19 ]} يمكن تقليل التحميل غير المتماثل على مخروط مكبر الصوت أثناء الاستخدام بمستويات صوت عالية عن طريق وضع حاجز في الطرف الداخلي لأنبوب المنفذ. كما يمكن أن يعمل هذا الحاجز كعنصر هيكلي مُقوٍّ للحاوية.

تُزود صناديق مكبرات الصوت الفرعية المستخدمة في أنظمة السينما المنزلية وأنظمة تعزيز الصوت عادةً بفتحات تهوية. كما تُصنع صناديق مكبرات الصوت الخاصة بمضخمات الصوت الجهير ومضخمات لوحات المفاتيح ، والتي يجب أن تُعيد إنتاج الأصوات منخفضة التردد حتى 41  هرتز أو أقل، بفتحات تهوية، والتي عادةً ما تكون في مقدمة الصندوق (مع أنها قد توجد أيضًا في الخلف). حتى أن بعض مكبرات الصوت عالية الدقة باهظة الثمن مزودة بفتحات تهوية مصممة بعناية.

• التعليق الصوتي - طريقة لتصميم واستخدام صناديق مكبرات الصوت تستخدم محرك مكبر صوت واحد أو أكثر مثبت في صندوق أو خزانة محكمة الإغلاق.
• صندوق مكبر الصوت
• مشع سلبي
• مكبر صوت خط النقل