Ses Dönüştürücü

Ses Transdüserleri, mekanik titreşimler oluşturmak için elektrik enerjisini kullanarak, ister sesli ister duyulmayan bir frekanstan ses üreten havayı manipüle eden cihazlardır.

Ses, “akustik dalgalara” verilen genelleştirilmiş isimdir. Bu akustik dalgalar, yalnızca 1 Hz’den on binlerce Hertz’e kadar değişen frekanslara sahiptir ve insan işitmesinin üst sınırı 20 kHz (20.000 Hz) aralığındadır.

Duyduğumuz ses, temel olarak akustik dalgaları oluşturmak için kullanılan bir Ses Dönüştürücüsü tarafından üretilen mekanik titreşimlerden oluşur ve sesin “duyulabilmesi” için hava, sıvı veya katı aracılığıyla iletilmek üzere bir ortama ihtiyaç vardır.

ses dönüştürücü

Ayrıca, gerçek sesin tek bir ton veya nota gibi sürekli bir frekans ses dalgası olması gerekmez, mekanik bir titreşimden, gürültüden veya hatta “patlama” gibi tek bir ses darbesinden oluşan akustik bir dalga olabilir.

Ses Dönüştürücüleri, hem sesi mikrofon gibi elektrik sinyaline dönüştüren giriş sensörlerini hem de elektrik sinyallerini hoparlör gibi sese geri dönüştüren çıkış aktüatörlerini içerir.

Sesi yalnızca insan kulağının algılayabildiği, 20 Hz’den 20 kHz’e (tipik bir hoparlör frekans yanıtı) kadar olan frekans aralığında var olduğunu düşünme eğilimindeyiz, ancak ses bu aralıkların çok ötesine geçebilir.

Ses dönüştürücüler ayrıca, ses dalgalarını ve titreşimleri infra-ses adı verilen çok düşük frekanslardan ultrason adı verilen çok yüksek frekanslara kadar hem algılayabilir hem de iletebilir. Ancak bir ses dönüştürücünün “ses” algılaması veya üretmesi için önce sesin ne olduğunu anlamamız gerekir.

Ses Nedir?

Ses temel olarak, bir akort çatalı gibi bir tür mekanik titreşim tarafından üretilen ve sesin kaynağı tarafından belirlenen bir “frekansa” sahip olan bir enerji dalga biçimidir; örneğin, bir bas davul düşük frekanslı bir sese sahiptir. zil daha yüksek frekanslı bir sese sahiptir.

Bir ses dalga biçimi, Dalga Boyu ( λ ), Frekans ( ƒ ) ve Hız ( m/s ) olan bir elektrik dalga biçimiyle aynı özelliklere sahiptir. Hem ses frekansı hem de dalga şekli, sesi orijinal olarak üreten veya titreşim tarafından belirlenir, ancak hız, ses dalgasını taşıyan iletim ortamına (hava, su vb.) bağlıdır. Dalga boyu, hız ve frekans arasındaki ilişki aşağıda verilmiştir:

Ses Dalgası İlişkisi

ses dönüştürücü
ses dönüştürücü
  • Burada:
  • Dalga boyu  – Saniye cinsinden bir tam döngünün zaman periyodudur, ( λ )
  • Frekans  – Hertz cinsinden saniyedeki dalga boylarının sayısıdır, ( ƒ )
  • Hız  – m/s -1 cinsinden bir iletim ortamından geçen ses hızıdır.

Mikrofon Giriş Dönüştürücüsü

Mikrofon aynı zamanda bir “ses sensörü” olarak kabul edilebilir bir ses dönüştürücüdür. Bunun nedeni, esnek diyaframına etki eden “akustik” ses dalgasıyla orantılı bir elektriksel analog çıkış sinyali üretmesidir. Bu sinyal, akustik dalga biçiminin özelliklerini temsil eden bir “elektriksel görüntüdür”. Genel olarak, bir mikrofondan gelen çıkış sinyali, gerçek ses dalgasıyla orantılı olan bir voltaj veya akım biçimindeki bir analog sinyaldir.

Ses dönüştürücü olarak kullanılabilen en yaygın mikrofon türleri Dinamik , Elektret Kondenser , Şerit ve daha yeni Piezo-elektrik Kristal türleridir. Bir ses dönüştürücü olarak mikrofonlar için tipik uygulamalar, ses kaydı, çoğaltma, yayının yanı sıra telefon, televizyon, dijital bilgisayar kaydı ve ultrasonun tıbbi uygulamalarda kullanıldığı vücut tarayıcılarını içerir. Basit bir “Dinamik” mikrofon örneği aşağıda gösterilmiştir.

Dinamik Hareketli Bobinli Mikrofon Ses Dönüştürücü

ses dönüştürücü

Dinamik bir mikrofonun yapısı, bir hoparlörünkine benzer, ancak bunun tersidir. Ses dalgalarını elektrik sinyaline dönüştürmek için elektromanyetik indüksiyon kullanan hareketli bobin tipi bir mikrofondur. Kalıcı bir mıknatısın manyetik alanı içinde asılı duran çok küçük bir ince tel bobini vardır. Ses dalgası esnek diyaframa çarptığında, diyafram, üzerine etki eden ses basıncına tepki olarak ileri geri hareket eder ve bağlı tel bobininin mıknatısın manyetik alanı içinde hareket etmesine neden olur.

Bobinin manyetik alan içindeki hareketi, Faraday’ın Elektromanyetik İndüksiyon yasası ile tanımlandığı gibi bobinde bir voltajın indüklenmesine neden olur. Bobinden elde edilen çıkış voltajı sinyali, diyaframa etki eden ses dalgasının basıncıyla orantılıdır, bu nedenle ses dalgası ne kadar yüksek veya güçlü olursa, çıkış sinyali o kadar büyük olur ve bu tür mikrofon tasarımını basınca duyarlı hale getirir.

Tel bobini genellikle çok küçük olduğundan, bobinin ve bağlı diyaframın hareket aralığı da çok küçüktür ve ses sinyaline göre 90 o faz dışı olan çok doğrusal bir çıkış sinyali üretir. Ayrıca, bobin düşük empedanslı bir indüktör olduğundan, çıkış voltajı sinyali de çok düşüktür, bu nedenle sinyalin bir tür “ön amplifikasyonu” gereklidir.

Bu tür bir mikrofonun yapısı bir hoparlörün yapısına benzediğinden, gerçek bir hoparlörü mikrofon olarak kullanmak da mümkündür.

Açıkçası, bir hoparlörün ortalama kalitesi bir stüdyo tipi kayıt mikrofonununki kadar iyi olmayacaktır, ancak makul bir hoparlörün frekans tepkisi aslında ucuz bir mikrofondan daha iyidir. Ayrıca tipik bir hoparlörün bobin empedansı 8 ila 16Ω arasında farklıdır. Hoparlörlerin genellikle mikrofon olarak kullanıldığı yaygın uygulamalar interkomlarda ve telsizlerdedir.

Hoparlör Çıkış Dönüştürücüsü

Ses aynı zamanda bir uyarı sesi üretmek veya alarm işlevi görmek için bir çıkış cihazı olarak da kullanılabilir ve hoparlörler, ziller, kornalar ve sirenler, en yaygın olarak kullanılan işitilebilir tipte çıkış sesiyle bu amaç için kullanılabilecek tüm ses dönüştürücü türleridir.

ses dönüştürücü

Hoparlörler, “ses aktüatörleri” olarak sınıflandırılan ve mikrofonların tam tersi olan ses dönüştürücüleridir. Görevleri, karmaşık elektrik analog sinyallerini, orijinal giriş sinyaline mümkün olduğunca yakın olacak şekilde ses dalgalarına dönüştürmektir.

Hoparlörler, hareketli bobin, elektrostatik, izodinamik ve piezo-elektrik olmak üzere daha yaygın türleri olan tüm şekil, boyut ve frekans aralıklarında mevcuttur. Hareketli bobin tipi hoparlörler, elektronik devrelerde, kitlerde ve oyuncaklarda açık ara en yaygın kullanılan hoparlördür ve bu nedenle aşağıda inceleyeceğimiz bu tip ses dönüştürücüdür.

Hareketli Bobin Hoparlörün çalışma prensibi , yukarıda incelediğimiz “Dinamik Mikrofon”un tam tersidir. “Konuşma veya ses bobini” adı verilen bir ince tel bobini, çok güçlü bir manyetik alan içinde asılıdır ve bir kağıda veya “diyafram” olarak adlandırılan Mylar konisine bağlıdır ve kendisi de metal bir çerçeveye kenarlarında asılıdır. Daha sonra, basınca duyarlı giriş aygıtı olan mikrofondan farklı olarak, bu tür ses dönüştürücü, basınç üreten bir çıkış aygıtı olarak sınıflandırılabilir.

ses dönüştürücü
Hareketli Bobin Hoparlör

Hoparlörün ses bobininden bir analog sinyal geçtiğinde, bir elektromanyetik alan üretilir ve gücü “ses” bobininden akan akım tarafından belirlenir ve bu da sürüş amplifikatörünün ses kontrol ayarı tarafından veya hareketli bobin sürücüsü tarafından belirlenir. Bu alan tarafından üretilen elektromanyetik kuvvet, etrafındaki ana kalıcı manyetik alana karşı koyar ve bobini kuzey ve güney kutupları arasındaki etkileşime bağlı olarak bir yönde veya diğerinde itmeye çalışır.

Ses bobini koniye/diyaframa kalıcı olarak bağlı olduğundan, bu aynı zamanda tandem olarak hareket eder ve hareketi etrafındaki havada bir bozulmaya neden olarak bir ses veya nota üretir. Giriş sinyali sürekli bir sinüs dalgası ise, koni hareket ederken havayı iten ve çeken bir piston gibi hareket ederek içeri ve dışarı hareket edecek ve sinyalin frekansını temsil eden sürekli bir tek ton duyulacaktır. Koninin hareket ettiği ve çevresindeki havayı ittiği güç ve dolayısıyla hızı, sesin yüksekliğini üretir.

Konuşma veya ses bobini esasen bir tel bobini olduğundan, bir indüktör gibi bir empedans değerine sahiptir. Çoğu hoparlör için bu değer 4 ile 16Ω arasındadır ve 0Hz veya DC’de ölçülen hoparlörün “nominal empedans” değeri olarak adlandırılır.

Amplifikatör ve hoparlör arasında maksimum güç aktarımı elde etmek için amplifikatörün çıkış empedansını her zaman hoparlörün nominal empedansı ile eşleştirmenin önemli olduğunu unutmayın. Çoğu amplifikatör-hoparlör kombinasyonu, %1 veya %2 kadar düşük bir verimlilik derecesine sahiptir.

Bazıları tarafından tartışılsa da, iyi hoparlör kablosunun seçimi de hoparlörün verimliliğinde önemli bir faktördür, çünkü kablonun dahili kapasitansı ve manyetik akı özellikleri sinyal frekansıyla değişir ve böylece hem frekans hem de faz bozulmasına neden olur. Bu, sinyali zayıflatma etkisine sahiptir. Ayrıca, yüksek güç amplifikatörleri ile bu kablolardan büyük akımlar akar, bu nedenle küçük ince çan teli tipi kablolar uzun kullanım süreleri boyunca aşırı ısınabilir ve yine verimliliği azaltır.

İnsan kulağı genellikle 20Hz ila 20kHz arasındaki sesleri duyabilir ve genel amaçlı hoparlörler olarak adlandırılan modern hoparlörlerin frekans tepkisi, bu frekans aralığında çalışacak şekilde uyarlanmıştır.

Bununla birlikte, yüksek performanslı yüksek verimlilikli (Hi-Fi) ses sistemleri için, sesin Frekans tepkisi farklı küçük alt frekanslara bölünür ve böylece hem hoparlörlerin verimliliğini hem de genel ses kalitesini aşağıdaki gibi geliştirir:

Genelleştirilmiş Frekans Aralıkları

Tanımlayıcı BirimFrekans aralığı
Alt-Woofer10Hz ila 100Hz
Bas20Hz ila 3kHz
Orta sınıf1kHz ila 10kHz
Tweeter3kHz ila 30kHz

Tek bir muhafaza içinde bir arada bulunan ayrı bir Woofer, Tweeter ve Mid-range hoparlörlere sahip çoklu hoparlör muhafazalarında, ses sinyalinin tüm farklı alt birimler tarafından doğru bir şekilde bölünmesini ve yeniden üretilmesini sağlamak için pasif veya aktif bir “geçiş” ağı kullanılır.

Bu geçiş ağı , geçiş veya kesme frekans noktası ayrı hoparlör özelliklerine göre hassas bir şekilde ayarlanmış Dirençler , İndüktörler , Kapasitörler , RLC tipi pasif filtreler veya op-amp aktif filtrelerden oluşur ve bir çok hoparlörlü “Hi-fi” tipi tasarım aşağıda verilmiştir.

Çoklu Hoparlör (Hi-Fi) Tasarımı

ses dönüştürücü

Bu eğitimde, ses dalgalarını hem algılamak hem de oluşturmak için kullanılabilecek farklı Ses Dönüştürücülerine baktık. Mikrofonlar ve hoparlörler en yaygın olarak bulunan ses dönüştürücülerdir, ancak çok yüksek frekansları algılamak için piezoelektrik cihazları kullanan diğer birçok ses dönüştürücü türü, su altı seslerini algılamak için su altında kullanılmak üzere tasarlanmış hidrofonlar ve sesi hem ileten hem de alan sonar dönüştürücüler mevcuttur.