طراحی و ارزیابی عملکرد هدفون مانیتورینگهای مرجع
هدفونها برای ساخت موسیقی و گوش دادن به موسیقی نقش اساس دارند. اما آیا واقعاً میتوان به صدایی که به ما ارائه میدهند اعتماد کرد؟
در سالهای اخیر، هدفونها جای بلندگوها را بهعنوان محبوبترین وسیله برای گوش دادن به موسیقی گرفتهاند. امروزه از ایربادهای کوچک و بیسیم گرفته تا هدفونهای حرفهای و هایفای با طراحی لوکس، تقاضا برای این محصولات بهقدری افزایش یافته است که درآمد سالانه بازار جهانی هدفون به بیش از ۱۰ میلیارد دلار رسیده است.
هرچه هزینه بیشتری برای خرید هدفون پرداخت میکنیم، انتظار داریم محصولی باکیفیتتر دریافت کنیم. این موضوع برای تولیدکنندگان موسیقی اهمیت دوچندانی دارد؛ زیرا آنها به هدفونهای مانیتورینگ مرجع نیاز دارند تا بتوانند با اطمینان به صدایی که میشنوند اعتماد کنند و مطمئن باشند میکس یا موسیقی آنها روی سایر هدفونها و سیستمهای پخش نیز بهدرستی شنیده خواهد شد.
اما وقتی صحبت از هدفون میشود، «کیفیت خوب» دقیقاً به چه معناست؟ چه عواملی باعث میشوند یک هدفون نسبت به مدل دیگر عملکرد بهتری داشته باشد و چه محدودیتهایی بر کیفیت صدای آن تأثیر میگذارند؟ این پرسشها در نگاه اول ساده به نظر میرسند، اما پاسخ آنها جنبههای فنی و تخصصی بسیاری دارد. برای یافتن پاسخ، با تعدادی از متخصصان برجسته در حوزه طراحی، آزمایش و اندازهگیری هدفون گفتوگو شده است.
آیا هدفون مانیتورینگ با پاسخ فرکانسی کاملاً فلت بهترین انتخاب است؟
بهطور کلی، میان متخصصان این حوزه اتفاقنظر وجود دارد که یک سیستم مانیتورینگ مرجع، چه مبتنی بر اسپیکر باشد و چه هدفون، باید از پاسخ فرکانسی خنثی (Neutral) یا فلت (Flat) برخوردار باشد. بااینحال، همین تعریف که در نگاه اول ساده به نظر میرسد، پرسشی اساسی را مطرح میکند: منظور از «صدای خنثی» دقیقاً چیست؟ پاسخ به این پرسش، موضوعی پیچیده و چندوجهی است که جنبههای مختلف طراحی و ارزیابی هدفون را در بر میگیرد.
در نگاه نخست، منطقی به نظر میرسد که یک اسپیکر مانیتورینگ خنثی را سیستمی بدانیم که در سراسر محدوده شنوایی انسان، پاسخ فرکانسی یکنواختی ارائه دهد. بااینحال، در یک محیط شنیداری معمولی، بازتاب و جذب صدا توسط دیوارها، سقف، کف و سایر سطوح باعث میشود صدایی که در نهایت به گوش شنونده میرسد، دیگر کاملاً فلت یا خنثی نباشد.
در مقابل، در هدفونها درایورها در فاصلهای بسیار نزدیک به گوش قرار میگیرند؛ بنابراین تأثیر آکوستیک محیط تقریباً حذف میشود و بازتابها و جذب صدا در اتاق نقش قابلتوجهی ندارند. اما در عوض، پدیدههای آکوستیکی دیگری که به ساختار گوش و نحوه قرارگیری هدفون روی آن مربوط میشوند، اهمیت بسیار بیشتری پیدا میکنند.
به همین دلیل، حتی اگر فرض کنیم بتوان از یک درایور مشابه هم در یک اسپیکر و هم در یک هدفون استفاده کرد، این درایور نمیتواند در هر دو کاربرد، صدایی کاملاً خنثی و مرجع ارائه دهد.
برخی از متخصصان بر این باورند که هدفون مانیتورینگ مرجع باید بهگونهای تنظیم شود که تعادل فرکانسی شنیدهشده در گوش، تا حد امکان مشابه صدایی باشد که از یک جفت اسپیکر مانیتورینگ ایدهآل در یک اتاق آکوستیکشده و استاندارد به گوش میرسد.
به بیان ساده، هدف از طراحی یک هدفون مرجع این نیست که صرفاً پاسخ فرکانسی کاملاً فلت داشته باشد؛ بلکه باید تجربه شنیداری آن تا حد امکان به شنیدن یک جفت اسپیکر مانیتورینگ دقیق در یک محیط استاندارد نزدیک باشد. از نظر تئوری، این ایده ساده به نظر میرسد، اما در عمل دستیابی به چنین نتیجهای به دلیل تفاوتهای آکوستیکی میان هدفون، گوش انسان و اسپیکر، فرآیندی بسیار پیچیده و چالشبرانگیز است.
دکتر دراگ کولیچ، مدیر ارشد فناوری یکی از تولیدکنندگان مطرح هدفون، نیز دیدگاه مشابهی دارد. به گفته او، برای اینکه یک هدفون بتواند عملکردی مرجع ارائه دهد، باید پاسخ فرکانسی آن بر اساس یک منحنی مرجع (Target Curve) مشخص تنظیم شود. این تنظیم باید با استفاده از تجهیزات اندازهگیری استاندارد انجام شود و سطح صدای هدفون نیز با شرایط ارزیابی اسپیکرها مطابقت داشته باشد.
به اعتقاد او، هدف از طراحی این منحنی مرجع آن است که تجربه شنیدن با هدفون، تا حد امکان به شنیدن صدای یک جفت اسپیکر مانیتورینگ ردهبالا در یک اتاق آکوستیکشده و استاندارد نزدیک شود. پس از طراحی این منحنی، عملکرد آن توسط گروهی از شنوندگان متخصص ارزیابی و بر اساس نتایج بهدستآمده اصلاح و بهینه میشود.
امروزه برخی دیگر از تولیدکنندگان هدفون نیز از رویکردی مشابه استفاده میکنند، اما هر برند بر اساس فلسفه طراحی و معیارهای خود، منحنی مرجع متفاوتی را بهعنوان استاندارد ایدهآل انتخاب میکند.
بااینحال، همه تولیدکنندگان مفهوم پاسخ فرکانسی فلت (Flat Response) را بر اساس تجربه شنیدن با اسپیکر تعریف نمیکنند. برخی برندها دیدگاه متفاوتی نسبت به این موضوع دارند.
برای مثال، هیرویاسو سوزوکی از بخش توسعه محصول آدیوتکنیکا معتقد است که هدف از یک پاسخ فرکانسی فلت، بازتولید دقیق و بدون تغییر سیگنال صوتی است. به عبارت دیگر، هدفون باید صدا را بدون افت کیفیت یا رنگآمیزی غیرضروری بازتولید کند تا شنونده بتواند موسیقی را همانگونه که ضبط و تولید شده است، تجربه کند.
ارزیابی هدفون در شرایط واقعی
همانطور که پیشتر اشاره شد، اندازهگیری پاسخ فرکانسی هدفون مانیتورینگ بهمراتب پیچیدهتر از اندازهگیری اسپیکر است. دلیل اصلی این موضوع آن است که برای دستیابی به نتایج دقیق، هدفون باید روی سر یک انسان یا یک شبیهساز استاندارد از سر و گوش قرار گیرد؛ درحالیکه شکل و ابعاد سر و گوش هر فرد با دیگری متفاوت است.
به همین دلیل، اندازهگیری عملکرد هدفون به شکلی که واقعاً با نحوه شنیدن انسان مطابقت داشته باشد، یک فرایند چندمرحلهای و تخصصی است و با یک اندازهگیری ساده نمیتوان به نتایج قابلاعتماد دست یافت. چالش اصلی زمانی مطرح میشود که بخواهیم مشخص کنیم «پاسخ فرکانسی فلت» در یک هدفون دقیقاً چه معنایی دارد. برخلاف اسپیکرها که استانداردهای مشخصی برای ارزیابی پاسخ فرکانسی آنها وجود دارد، هنوز روش واحد و مورد توافقی برای سنجش ویژگیهای تونال و صدادهی هدفونها تعریف نشده است. به همین دلیل، ارزیابی و تنظیم صدای هدفون نسبت به اسپیکرها پیچیدگی بیشتری دارد. همین مسئله باعث شده است که برخی تولیدکنندگان، بهجای تکیه بر تجهیزات اندازهگیری رایج، روشها و ابزارهای اختصاصی خود را برای اندازهگیری و کالیبراسیون هدفون توسعه دهند تا نتایج دقیقتر و قابلاعتمادتری به دست آورند.
دکتر دراگ کولیچ نیز با این دیدگاه موافق است و معتقد است برای ارزیابی دقیق عملکرد هدفون مانیتور، توسعه یک سیستم اندازهگیری اختصاصی ضروری بوده است. او توضیح میدهد که میکروفنهای مورد استفاده برای اندازهگیری اسپیکرها در فضای آزاد (Free Field) کار میکنند و به همین دلیل میتوانند پاسخ فرکانسی اسپیکر را با دقت بالایی اندازهگیری کنند. اما زمانی که همین میکروفن داخل شبیهساز گوش و سر (Headphone Measuring Rig) برای اندازهگیری هدفون قرار میگیرد، به دلیل هندسه داخلی این تجهیزات و ایجاد تشدیدهای آکوستیکی (Resonances)، دستیابی به یک پاسخ فرکانسی کاملاً فلت امکانپذیر نیست.
به همین دلیل، نتایجی که از تجهیزات اندازهگیری هدفون به دست میآید، بیشتر ماهیت نسبی دارند تا مطلق. علاوه بر این، هر سیستم اندازهگیری طراحی و ویژگیهای خاص خود را دارد؛ بنابراین نتایج حاصل از تجهیزات مختلف میتواند تفاوتهای قابلتوجهی با یکدیگر داشته باشد.
دکتر دراگ کولیچ تأکید میکند که هیچ استاندارد جهانی و واحدی برای اندازهگیری هدفون وجود ندارد که بتواند بهطور مستقیم، منحنی پاسخ فرکانسی «کاملاً فلت» را نمایش دهد. به گفته او، ارزیابی عملکرد هدفون فرایندی پیچیده است که بر اندازهگیریهای نسبی، استفاده از تجهیزات اندازهگیری اختصاصی و تفسیر دقیق نتایج متکی است. به همین دلیل، تنها اندازهگیری پاسخ فرکانسی کافی نیست و دادههای بهدستآمده باید با در نظر گرفتن ویژگیهای سیستم اندازهگیری، بهصورت تخصصی تحلیل و اصلاح شوند.
او همچنین توضیح میدهد که یکی از روشهای دستیابی به صدای مرجع، این است که ابتدا به صدای اسپیکرهای مانیتورینگ کالیبرهشده و فلت در یک محیط استاندارد گوش داده شود و سپس پاسخ فرکانسی هدفون بهگونهای تنظیم شود که تجربه شنیداری آن تا حد امکان با همان صدای مرجع مطابقت داشته باشد.
در بیشتر روشهای آزمایش و اندازهگیری هدفون، از تجهیزاتی استفاده میشود که برای شبیهسازی ویژگیهای آکوستیکی سر، لاله گوش، کانال گوش و سایر اجزای شنوایی یک انسان متوسط طراحی شدهاند. این تجهیزات به مهندسان کمک میکنند تا عملکرد هدفون را در شرایطی نزدیک به استفاده واقعی ارزیابی کنند.
بااینحال، حتی استفاده از چنین شبیهسازهایی نیز همه چالشها را برطرف نمیکند. از آنجا که شکل و ابعاد سر و گوش در افراد مختلف یکسان نیست، دنیل نایتن، از مدیران یکی از شرکتهای پیشرو در زمینه تجهیزات اندازهگیری صوت، معتقد است که شاید اساساً نتوان یک پاسخ فرکانسی کاملاً فلت و جهانی برای همه هدفونها تعریف کرد. زیرا هیچ استاندارد واحدی برای شکل سر و گوش انسان وجود ندارد و همین تفاوتهای فیزیکی باعث میشود هر فرد، صدای یک هدفون را اندکی متفاوت از دیگران بشنود.
او میگوید: «این موضوع در حال حاضر یکی از بحثبرانگیزترین مسائل در صنعت هدفون است. از آنجا که نحوه تعامل هر هدفون با لاله گوش، کانال گوش، پرده گوش و حفره گوش (Concha) در هر فرد متفاوت است، بسیاری از متخصصان معتقدند که نمیتوان یک منحنی پاسخ فرکانسی کاملاً فلت یا یک استاندارد واحد را برای همه افراد ایدهآل دانست.
در مقابل، شان الیو (Sean Olive) با ادامه تحقیقات فلوید تول (Floyd Toole)، آزمایشهای شنیداری گستردهای انجام داده و بر اساس نتایج آن، مجموعهای از منحنیهای هدف (Target Curves) را برای هدفونهای دورگوش (Over-Ear)، روگوشی (On-Ear) و داخلگوشی (In-Ear) ارائه کرده است. به اعتقاد او، این منحنیها بیشترین همبستگی را با ترجیحات شنوندگان دارند و میتوانند بهعنوان استاندارد پاسخ فرکانسی هدفونها مورد استفاده قرار گیرند؛ همانگونه که در طراحی اسپیکرها، پاسخ فرکانسی فلت در فضای آزاد (Free Field) بهعنوان مرجع در نظر گرفته میشود.
او در ادامه توضیح میدهد که هر زمان یک منحنی هدف (Target Response Curve) برای هدفون تعریف شده باشد، میتوان با استفاده از نرمافزارهای تخصصی اندازهگیری، پاسخ فرکانسی اندازهگیریشده را با آن منحنی مقایسه و ارزیابی کرد.
در این روش، ابتدا منحنی هدف بهصورت معکوس (Inverse) در قالب یک اکولایزر (EQ) روی نتایج اندازهگیری اعمال میشود. اگر پس از این اصلاح، پاسخ فرکانسی هدفون به یک خط صاف در سطح ۰ دسیبل (0 dB) تبدیل شود، به این معناست که عملکرد آن هدفون کاملاً با منحنی هدف مطابقت دارد و از نظر پاسخ فرکانسی، به صدای مرجع موردنظر نزدیک است.
چرا هر فرد صدای هدفون را متفاوت میشنود؟
اگر شکل سر و گوش ما دقیقاً با شبیهسازهای استاندارد مورد استفاده تولیدکنندگان هدفون مطابقت نداشته باشد، این تفاوت چه تأثیری بر صدایی که میشنویم خواهد داشت؟
پاسخ این است که میزان این تأثیر به نوع هدفون و همچنین میزان تفاوت ساختار سر و گوش هر فرد با مدلهای استاندارد بستگی دارد. یکی از مهمترین عوامل، کاهش آببندی آکوستیکی (Acoustic Seal) بین پدهای هدفون و گوش است که بیشترین تأثیر را بر فرکانسهای پایین (باس) میگذارد. به همین دلیل، افرادی که هدفون را روی عینک استفاده میکنند، ممکن است کاهش باس یا تغییر در تعادل فرکانسی را تجربه کنند.
بهطور کلی، هدفونهای دورگوشی (Over-Ear) با کاپهای بزرگ و طراحی پشتباز (Open-Back) معمولاً در برابر تغییر محل قرارگیری روی سر، پایداری بیشتری دارند و شخصیت صوتی آنها کمتر تغییر میکند. در مقابل، برخی دیگر از انواع هدفونها نسبت به نحوه قرارگیری روی گوش حساستر هستند و حتی جابهجاییهای کوچک نیز میتواند باعث تغییر محسوس در تعادل فرکانسی و صدای آنها شود.
هیرویاسو سوزوکی نیز معتقد است که ساختار فیزیکی گوش انسان و تابع انتقال مرتبط با سر (HRTF) نقش مهمی در نحوه درک صدا از طریق هدفون دارند. او توضیح میدهد که فشار افقی کاپهای هدفون مستقیماً بر فاصله بین گوش و درایور تأثیر میگذارد. همچنین، فشرده شدن پدهای هدفون هنگام قرار گرفتن روی سر، کیفیت آببندی آکوستیکی (Seal) را تغییر میدهد و در نتیجه بر HRTF و ویژگیهای آکوستیکی پدها نیز اثر میگذارد. از نظر صوتی، این تغییرات بیشترین تأثیر را بر فرکانسهای میانی و پایین دارند؛ به همین دلیل، تفاوت در نحوه قرار گرفتن هدفون روی سر یا شکل گوش افراد میتواند باعث تغییر در تعادل فرکانسی و شخصیت صدای هدفون شود.
دنیل نایتن نیز تأکید میکند که نحوه قرارگیری هدفون روی سر، شکل گوش و جمجمه و میزان فشار کاپها همگی میتوانند بر پاسخ فرکانسی هدفون تأثیر قابلتوجهی بگذارند. به گفته او، مهمترین نکته این است که هدفونهای داخلگوشی (In-Ear) و هدفونهای پشتبسته (Closed-Back) برای بازتولید صحیح فرکانسهای پایین، به آببندی آکوستیکی (Acoustic Seal) مناسب نیاز دارند. اگر به دلیل شکل لاله گوش یا ساختار سر، این آببندی بهخوبی برقرار نشود، عملکرد فرکانسهای پایین بهطور محسوسی تحت تأثیر قرار خواهد گرفت.
او همچنین اشاره میکند که در فرکانسهای بالاتر از ۱۰ کیلوهرتز، طول و شکل کانال گوش تأثیر بسیار زیادی بر صدای دریافتی دارد. این تفاوتها آنقدر قابلتوجه هستند که تاکنون استاندارد مشخص و مورد توافقی برای شبیهسازی کانال گوش و اندازهگیری عملکرد هدفون در فرکانسهای بالاتر از ۱۰ کیلوهرتز تدوین نشده است.
دکتر دراگ کولیچ نیز بر نقش حیاتی پدهای هدفونهای دورگوشی (Over-Ear) تأکید میکند. به گفته او، تمام اندازهگیریها و ارزیابیهای صوتی زمانی معتبر هستند که پدهای هدفون آببندی آکوستیکی مناسبی در اطراف گوش ایجاد کنند. اگر فشار هدبند کافی نباشد یا هدفون بهدرستی روی سر قرار نگیرد، ممکن است در اطراف پدها شکاف ایجاد شود. این موضوع باعث کاهش قابلتوجه عمق فرکانسهای پایین (Bass Extension) و بروز ناهنجاری در فرکانسهای بالاتر میشود. در چنین شرایطی، صدای هدفون نازک، کمجان و فاقد قدرت به نظر میرسد و علاوه بر آن، تصویر استریو (Stereo Imaging) نیز دقت و کیفیت خود را از دست میدهد.
علاوه بر آببندی آکوستیکی (Seal) و نحوه قرارگیری هدفون، شکل لاله گوش و کانال گوش نیز به دلیل ویژگیهای هندسی خود، بر صدایی که به پرده گوش میرسد تأثیر میگذارند. این موضوع کاملاً طبیعی است و تفاوت چندانی با دلیل اختلاف نتایج بین تجهیزات مختلف اندازهگیری هدفون ندارد.
بااینحال، تفاوت مهم میان یک سیستم اندازهگیری (Measurement Rig) و گوش انسان، توانایی مغز در جبران ویژگیهای آکوستیکی گوش شخصی است. مغز انسان میتواند تأثیرات ناشی از شکل گوش و کانال گوش خود را تا حدی اصلاح کند و به ما اجازه دهد صدایی متعادل و نزدیک به یک پاسخ فرکانسی خنثی را درک کنیم. بنابراین، با وجود تفاوتهای فیزیکی در ساختار گوش افراد، اگر هدفون بهدرستی روی سر قرار گرفته باشد و آببندی مناسبی ایجاد کند، بیشتر افراد با شنوایی طبیعی، تجربهای مشابه از صدای آن خواهند داشت.
نقطه ایدهآل برای شنیدن صدای مرجع
دراگ توضیح میدهد که قرارگیری صحیح هدفون روی سر، بهخصوص در هدفونهای Planar Magnetic که از ویژگیهای اصلی محصولات Audeze محسوب میشوند، اهمیت بسیار زیادی دارد. او میگوید: ما در هدفونهای خود از دیافراگمهای بسیار بزرگ استفاده میکنیم. این طراحی مزایای زیادی دارد؛ از جمله حساسیت بالا، توانایی تولید سطح فشار صوتی (SPL) بسیار زیاد، دیستورشن بسیار پایین و تصویرسازی صوتی دقیقتر. اما در کنار این مزایا، چالشهایی نیز وجود دارد. امواج صوتی تختی که توسط یک دیافراگم بزرگ تولید میشوند، باید با کمترین افت و تغییر ممکن به داخل کانال گوش هدایت شوند.
اگر هدفون در یک موقعیت نسبتاً ثابت روی سر قرار گیرد، پاسخ فرکانسی آن بسیار پایدار و قابل تکرار خواهد بود. اما اگر هدفون بیش از حدود یکچهارم اینچ در هر جهت جابهجا شود، پاسخ فرکانسی، بهخصوص در فرکانسهای بالاتر از ۱ کیلوهرتز، تغییرات قابلتوجهی پیدا میکند.
برای دستیابی به یک میانگین دقیق از عملکرد هدفون، معمولاً پنج اندازهگیری در محدودهای به قطر حدود نیم اینچ در اطراف موقعیت مرکزی ایدهآل انجام میشود. اگر جابهجایی هدفون از این محدوده بیشتر شود، پاسخ فرکانسی دچار نوسانات شدید شده و قلهها و افتهای زیادی در بالای ۱ کیلوهرتز ایجاد میشود. این تغییرات میتوانند رنگ صوتی هدفون را تغییر داده و دقت تصویرسازی استریو (Stereo Imaging) را کاهش دهند.
بهطور معمول، افراد تمایل دارند هدفون را در موقعیتهایی نسبتاً مشخص و قابل پیشبینی روی سر خود قرار دهند و این موضوع میتواند تا حد زیادی تکرارپذیر باشد. اما چیزی که قابل پیشبینی نیست، موقعیت دقیق قرارگیری هدفون روی سر هر کاربر است. این تفاوت ممکن است باعث شود هدفون در شرایطی غیرایدهآل قرار بگیرد و مشکلاتی که پیشتر توضیح داده شد، ایجاد شوند.
این موضوع بهخوبی توضیح میدهد که چرا افراد مختلف ممکن است از استفاده با یک مدل هدفون یکسان، برداشتهای صوتی کاملاً متفاوتی داشته باشند .در هدفونهایی که از درایورهای کوچکتر استفاده میکنند، حساسیت نسبت به محل قرارگیری کمتر است؛ اما این تأثیر همچنان وجود دارد و نمیتوان آن را کاملاً نادیده گرفت.
تفاوتهای هدفونهای پشتباز و پشتبسته
طراحان اسپیکرهای مانیتورینگ برای دستیابی به یک مانیتور مرجع ایدهآل، از رویکردهای متفاوتی استفاده میکنند. برای مثال، برخی معتقدند کابینتهای بسته (Sealed) بهترین عملکرد را ارائه میدهند، در حالی که برخی دیگر طراحیهای باسرفلکس (Ported) یا ترنسمیشنلاین (Transmission Line) را ترجیح میدهند. همچنین، بعضی از سازندگان از توییترهای ریبون استفاده میکنند، در حالی که برخی دیگر به درایورهای داینامیک (Moving-Coil) یا الکترواستاتیک روی میآورند. از سوی دیگر، درباره مزایا و معایب درایورهای هممحور (Dual-Concentric) نیز دیدگاههای متفاوتی وجود دارد.
دنیای هدفون نیز از این قاعده مستثنا نیست. تولیدکنندگان برای طراحی هدفونهای مرجع، رویکردها و فناوریهای مختلفی را به کار میگیرند و همانند اسپیکرها، هر طراحی مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارد. هیچ راهکار واحدی وجود ندارد که در همه شرایط بهترین عملکرد را ارائه دهد و انتخاب هر طراحی، به اهداف مهندسی و کاربرد موردنظر بستگی دارد.
بیشتر هدفونهای ردهبالا که برای شنیدن دقیق و مانیتورینگ حرفهای طراحی میشوند، از نوع دورگوشی (Over-Ear) هستند و کمتر از طراحیهای روگوشی (On-Ear) یا داخلگوشی (In-Ear) استفاده میکنند.
در این دسته، برخی تولیدکنندگان بر بهینهسازی درایورهای داینامیک (Moving-Coil) تمرکز دارند، در حالی که برخی دیگر از فناوریهایی مانند درایورهای الکترواستاتیک (Electrostatic) یا مگنت پلانار (Planar Magnetic) بهره میبرند.
بااینحال، مهمترین تفاوت در طراحی هدفونها به پشتبسته (Closed-Back) یا پشتباز (Open-Back) بودن آنها مربوط میشود. در هدفونهای پشتبسته، درایور داخل یک محفظه تقریباً بسته قرار دارد که از یک سمت توسط کاپ هدفون، از اطراف توسط پدها و از سمت دیگر توسط سر کاربر شکل میگیرد. در مقابل، در هدفونهای پشتباز، بخش پشتی این محفظه با استفاده از یک شبکه با عبورپذیری آکوستیکی بالا جایگزین میشود تا هوا و امواج صوتی بتوانند آزادانه از پشت درایور عبور کنند.
بهطور کلی، بسیاری بر این باورند که هدفونهای پشتباز (Open-Back) از نظر کیفیت صدا، ذاتاً عملکرد بهتری نسبت به هدفونهای پشتبسته (Closed-Back) دارند و مهمترین مزیت مدلهای پشتبسته، ایزولهسازی صدا و جلوگیری از ورود و خروج نویز است.
دکتر دراگ کولیچ معتقد است این موضوع بهویژه در هدفونهای مگنت پلانار (Planar Magnetic) کاملاً مشهود است. او توضیح میدهد که در هدفونهای پشتباز، امواج صوتی تولیدشده در پشت دیافراگم میتوانند آزادانه به محیط اطراف منتشر شوند؛ بنابراین بازتابها و تداخلهای ناشی از اجزای داخلی کاپ هدفون به حداقل میرسد.
اما در هدفونهای پشتبسته، امواج صوتی پشت دیافراگم در فضای داخلی کاپ محبوس میشوند. این موضوع باعث ایجاد رزونانس (Resonance) و بازتابهای داخلی میشود که میتوانند پاسخ فرکانسی هدفون را بهطور محسوسی تغییر دهند. نتیجه این پدیده معمولاً افت قابلتوجهی در فرکانسهای میانیِ پایین (Low Mid-Range)، کاهش دقت پاسخ فازی (Phase Response) و تغییر در تعادل کلی صدا است.
علاوه بر این، بخشی از بازتابهای ایجادشده در داخل کاپ از طریق دیافراگم دوباره به سمت گوش بازمیگردند و باعث ایجاد برجستگیهایی در فرکانسهای میانیِ بالا و فرکانسهای بالا میشوند. در نتیجه، صدا ممکن است تیزتر، خشنتر و رنگآمیزیشدهتر به نظر برسد و تصویرسازی استریو (Stereo Imaging) نیز دقت خود را از دست بدهد.
البته اگر در ساخت کاپها از مواد با رزونانس پایین استفاده شود و طراحی آکوستیکی آنها بهدرستی انجام گیرد، میتوان این مشکلات را تا حد زیادی کاهش داد؛ اما حذف کامل این اثرات در هدفونهای پشتبسته عملاً امکانپذیر نیست.
هیرویاسو سوزوکی نیز معتقد است که هدفونهای پشتباز در مقایسه با مدلهای پشتبسته، کمتر دچار دیستورشن (Distortion) میشوند. به گفته او، در هدفونهای پشتباز، پشت دیافراگم فضای بستهای وجود ندارد و به همین دلیل، فشار هوای محبوس در پشت درایور که میتواند بر حرکت دیافراگم تأثیر منفی بگذارد، ایجاد نمیشود.
بااینحال، او تأکید میکند که این موضوع به معنای برتری مطلق هدفونهای پشتباز نیست. از نظر ویژگیهای دینامیکی صدا (Dynamics)، هدفونهای پشتبسته معمولاً عملکرد بهتری دارند و میتوانند انرژی، قدرت و ضربه (Impact) صدا را با تأثیر بیشتری بازتولید کنند. بنابراین، هر یک از این دو طراحی، بسته به نوع کاربرد و انتظارات کاربر، مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارند.
Rūdolfs Putniņš نیز معتقد است که اگر بهترین هدفونهای موجود در بازار را بررسی کنیم، بخش قابلتوجهی از آنها پشتباز (Open-Back) هستند. بااینحال، او تأکید میکند که نباید تصور کرد هدفونهای پشتباز از هر نظر دقیقتر از مدلهای پشتبسته هستند؛ زیرا مفهوم دقت (Accuracy) به معیار ارزیابی بستگی دارد.
به گفته او، هدفونهای پشتباز معمولاً در فرکانسهای میانی و بالا عملکرد دقیقتری دارند، زیرا کمتر تحت تأثیر رزونانس و بازتابهای داخلی قرار میگیرند. اما از سوی دیگر، به دلیل الگوی تابش دوقطبی (Dipole Radiation)، بازتولید فرکانسهای پایین در آنها با افت حساسیت همراه است.
در مقابل، هدفونهای پشتبسته (Closed-Back) معمولاً باس عمیقتر و قدرتمندتری ارائه میدهند، اما این ویژگی اغلب با کاهش دقت و حساسیت در فرکانسهای بالاتر همراه است. بنابراین، هر دو نوع طراحی مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارند و انتخاب میان آنها به نوع استفاده و انتظارات شنونده بستگی دارد.
نمودارهای زیر که در آزمایشگاه Sonarworks ثبت شدهاند، پاسخ فرکانسی دو مدل هدفون را در هفت موقعیت مختلف و با جابهجاییهای جزئی نشان میدهند. همانطور که مشاهده میشود، پاسخ فرکانسی هدفون پشتباز با تغییر محل قرارگیری روی سر تقریباً ثابت باقی میماند؛ اما هدفون پشتبسته نسبت به این تغییرات حساستر است و پاسخ فرکانسی آن دچار نوسانات قابلتوجهی میشود.
ویژگیهای یک هدفون مرجع ایدهآل
در یک هدفون ایدهآل، درایورهای کانال چپ و راست باید عملکردی کاملاً یکسان داشته باشند تا هر دو گوش، صدا را با کیفیت و تعادل مشابه دریافت کنند. اما در عمل، دستیابی به این هدف همیشه امکانپذیر نیست و یکی از مهمترین دلایل آن، تلرانسهای تولید (Manufacturing Tolerances) است.
به گفته دنیل نایتن، تولیدکنندگان هدفونهای ردهبالا زمان و هزینه قابلتوجهی صرف میکنند تا درایورهای چپ و راست را پس از تولید اندازهگیری کرده و از نظر عملکرد با یکدیگر جفت (Matched) کنند. با این حال، انجام این فرایند برای هر درایور، بهویژه در تولید انبوه، هزینه و زمان تولید را بهطور چشمگیری افزایش میدهد.
به همین دلیل، این روش بیشتر در هدفونهای حرفهای و ردهبالا رایج است. اما در هدفونهای مصرفی که بهصورت انبوه تولید میشوند، معمولاً اختلاف عملکرد بین دو درایور تا حدود ۳ دسیبل نیز قابل قبول در نظر گرفته میشود. این اختلاف میتواند بر تعادل کانالهای چپ و راست و در نتیجه، دقت تصویر استریو (Stereo Imaging) تأثیر بگذارد.
همانطور که از یک تولیدکننده هدفونهای ردهبالا انتظار میرود، Audeze اهمیت ویژهای برای هماهنگی عملکرد درایورهای چپ و راست قائل است.
دکتر دراگ کولیچ توضیح میدهد که اگرچه اختلاف عملکرد درایورهای تولیدشده بسیار کم است، اما این شرکت یک گام فراتر میرود و درایورها را بهگونهای انتخاب و جفت میکند که اختلاف پاسخ فرکانسی آنها از ±۰٫۵ دسیبل بیشتر نباشد. سپس این درایورهای همسان در یک هدفون نصب میشوند.
بااینحال، او تأکید میکند که حتی این دقت بالا نیز تضمین نمیکند که کاربر در عمل دقیقاً همین میزان تطابق را تجربه کند. زیرا هنگام استفاده از هدفون، فشرده شدن پدها، نحوه قرارگیری هدفون روی سر و تنظیم ارتفاع هدبند میتوانند تغییراتی در پاسخ فرکانسی ایجاد کنند که حتی از اختلاف اولیه بین دو درایور نیز بیشتر باشد. به همین دلیل، ممکن است یک مدل هدفون برای یک فرد عملکردی نزدیک به ایدهآل داشته باشد، اما همان هدفون برای فردی دیگر تجربه شنیداری متفاوتی ایجاد کند.
Hiroyasu Suzuki نیز توضیح میدهد که Audio-Technica برای تمامی محصولات خود استاندارد مشخصی در نظر گرفته است. بر اساس این استاندارد، اختلاف حساسیت بین درایور چپ و راست نباید از ۲ دسیبل (در فرکانس ۵۰۰ هرتز و با توان ۱ میلیوات) بیشتر باشد. به گفته او، دستیابی به این سطح از تطابق، از دیدگاه مهندسی، هدفی کاملاً قابل دستیابی است.
بااینحال، او تأکید میکند که یکسان بودن حساسیت دو درایور در یک فرکانس و توان مرجع، لزوماً به این معنا نیست که عملکرد آنها در تمام محدوده پاسخ فرکانسی نیز کاملاً یکسان خواهد بود.
او توضیح میدهد که تطابق پاسخ فرکانسی، تنها به کیفیت یا عملکرد درایورها وابسته نیست؛ بلکه عوامل دیگری نیز در آن نقش دارند. یکی از مهمترین این عوامل، تفاوتهای جزئی در ساخت کاپ یا محفظه هدفون (Earcup Housing) است. حتی اختلافهای بسیار کوچک میان کاپ چپ و راست میتوانند باعث شوند پاسخ فرکانسی دو کانال کاملاً یکسان نباشد.
به همین دلیل، دستیابی به تطابق کامل پاسخ فرکانسی میان کانالهای چپ و راست، بهمراتب دشوارتر از یکسانسازی حساسیت درایورها است و نیازمند کنترل دقیق تمامی اجزای هدفون، نه فقط خود درایورها، خواهد بود.
فلسفه طراحی صوتی در هدفونهای مرجع
عامل دیگری که میتواند باعث اختلاف عملکرد بین کانالهای چپ و راست یک هدفون شود، تفاوتهای عمدی در طراحی کاپهای دو طرف است؛ تفاوتهایی که اگرچه با اهداف مهندسی ایجاد میشوند، اما گاهی پیامدهای ناخواستهای بر کیفیت صدا دارند.
یکی از رایجترین نمونهها، هدفونهایی هستند که کابل تنها از یک سمت وارد میشود و محل اتصال آن داخل یکی از کاپها قرار دارد. این طراحی باعث میشود ساختار داخلی دو کاپ کاملاً یکسان نباشد و در نتیجه، شرایط آکوستیکی هر یک با دیگری تفاوت داشته باشد.
Rūdolfs Putniņš در اینباره میگوید: «در حالت کلی، تطابق عملکرد درایورهای چپ و راست مشکل خاصی ندارد؛ اما باید در مورد هدفونهایی که طراحی نامتقارن دارند، محتاط بود. در برخی از هدفونهای پشتبسته که کابل تنها از یک سمت وارد میشود، تفاوت در بارگذاری آکوستیکی (Acoustic Loading) دو کاپ میتواند باعث شود درایورهای چپ و راست، بهویژه در فرکانسهای پایین، عملکرد یکسانی نداشته باشند.»
در مجموع، رودولفس پوتنینش معتقد است که مهمترین ضعف در طراحی هدفونها، ناهنجاریهای پاسخ فرکانسی (Frequency Response) است. به گفته او، حدود ۹۰ درصد از آنچه ما بهعنوان کیفیت صدا درک میکنیم، به دیستورشن خطی (Linear Distortion) یا به بیان سادهتر، مشکلات مربوط به پاسخ فرکانسی ارتباط دارد.
او توضیح میدهد که خوشبختانه این نوع دیستورشن را میتوان با استفاده از پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) یا اکولایزر تا حد زیادی اصلاح کرد. اما حتی پس از اصلاح پاسخ فرکانسی، کیفیت طراحی خود هدفون همچنان اهمیت زیادی دارد؛ زیرا دیستورشنهای غیرخطی (Non-Linear Distortion) همچنان باقی میمانند.
بهعنوان مثال، پس از اصلاح پاسخ فرکانسی، دیستورشن هارمونیک (Harmonic Distortion) و سایر دیستورشنهای غیرخطی بیشتر خود را نشان میدهند. برخلاف مشکلات پاسخ فرکانسی، این نوع دیستورشنها را نمیتوان بهسادگی با پردازش سیگنال یا اعمال اکولایزر برطرف کرد و تا حد زیادی به کیفیت طراحی و ساخت هدفون وابسته هستند.
او در ادامه توضیح میدهد که دیستورشنهای خطی و غیرخطی هر دو میتوانند ناشی از طراحی درایور و ساختار محفظه هدفون (Enclosure) باشند.
بهعنوان مثال، در یک هدفون پشتبسته که طراحی مناسبی ندارد، محفظه داخلی ممکن است باعث ایجاد رزونانس و بازتابهای ناخواسته شود. این پدیدهها با عملکرد درایور تداخل پیدا میکنند و در نهایت، کیفیت صدا، پاسخ فرکانسی و دقت بازتولید صوت را تحت تأثیر قرار میدهند.
او همچنین تأکید میکند که تشخیص یک طراحی خوب از یک طراحی ضعیف، تنها با نگاه کردن به ظاهر هدفون امکانپذیر نیست. دلیل این موضوع آن است که بسیاری از عوامل مؤثر بر کیفیت صدا، مانند ساختار آکوستیکی، نحوه کنترل رزونانس و جزئیات مهندسی محفظه، در داخل هدفون قرار دارند و از بیرون قابل مشاهده نیستند.
نقش شنوایی انسان در ارزیابی هدفون
طراحی هدفون حوزهای است که همواره در حال پیشرفت و تکامل است. سیستمهای اندازهگیری روزبهروز دقیقتر و پیشرفتهتر میشوند و فناوریهای جدید برای رفع محدودیتهای طراحی و بهبود عملکرد هدفونها به کار گرفته میشوند.
امروزه اکولایزر دیجیتال (Digital EQ) بهطور گسترده در اسپیکرهای مانیتورینگ استودیویی برای دستیابی به پاسخ فرکانسی مرجع و متعادل استفاده میشود. اکنون که شناخت مهندسان از پاسخ فرکانسی هدفونها نیز عمیقتر شده است، همین فناوریها بهطور فزایندهای در طراحی و کالیبراسیون هدفونهای حرفهای نیز مورد استفاده قرار میگیرند.
رودولفس پوتنینش در جمعبندی این موضوع میگوید: «مهمترین عامل تعیینکننده کیفیت صدای یک هدفون، پاسخ فرکانسی (Frequency Response) آن است و خوشبختانه این ویژگی را میتوان با استفاده از پردازش سیگنال (Signal Processing) اصلاح کرد.»
او معتقد است که هیچ هدفونی وجود ندارد که از اصلاح پاسخ فرکانسی بینیاز باشد. به همین دلیل، تنها زمانی میتوان درباره ویژگیهای دیگری مانند دیستورشن، تصویرسازی استریو یا سایر مشخصات صوتی بهطور دقیق قضاوت کرد که ابتدا پاسخ فرکانسی هدفون تا حد امکان اصلاح و به حالت مرجع نزدیک شده باشد.
دراگ کولیچ نیز با این دیدگاه موافق است. او توضیح میدهد که اگرچه تمامی هدفونهای این شرکت از ابتدا بهگونهای طراحی میشوند که تا حد امکان به پاسخ فرکانسی مرجع نزدیک باشند، اما همچنان میتوان با استفاده از پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) عملکرد آنها را بیش از پیش بهبود بخشید و برخی محدودیتهای فیزیکی طراحی را جبران کرد.
او این موضوع را با اسپیکرهای مانیتورینگ مقایسه میکند و میگوید همانطور که حتی پس از آکوستیکسازی مناسب اتاق نیز استفاده از اکولایزر (EQ) میتواند عملکرد اسپیکر را بهبود دهد، هدفونها نیز از اصلاح پاسخ فرکانسی سود میبرند.
البته او تأکید میکند که اکولایز کردن هدفونها به دلیل تفاوتهای فیزیکی گوش افراد، فرایند پیچیدهتری نسبت به اسپیکرها است. بااینحال، اگر پاسخ فرکانسی یک هدفون بهدرستی اصلاح شود، نتیجه حاصل برای بیشتر کاربران قابل استفاده و رضایتبخش خواهد بود. این در حالی است که اصلاح پاسخ فرکانسی اسپیکرها معمولاً فقط برای یک اتاق و یک محیط شنیداری مشخص معتبر است.
به همین دلیل، این شرکت پروفایلهای اکولایزر اختصاصی تمامی هدفونهای خود را از طریق پلاگین Reveal در اختیار کاربران قرار داده است تا بتوانند به صدایی نزدیکتر به مرجع دست پیدا کنند.
با وجود پیشرفتهای چشمگیر در اندازهگیری و اصلاح پاسخ فرکانسی هدفونها، متخصصان این حوزه همچنان معتقدند که هیچ فناوریای نمیتواند جایگزین قضاوت شنیداری انسان در ارزیابی کیفیت صدا شود.
دراگ کولیچ توضیح میدهد که برای بهدست آوردن تابع انتقال (Transfer Function) صحیح و تنظیم پاسخ فرکانسی هدفون بهگونهای که صدایی مشابه اسپیکرهای مانیتورینگ مرجع تولید کند، همچنان به ارزیابی شنیداری انسان نیاز است. به همین دلیل، مهندسان به تجربه و قضاوت افرادی با گوشهای آموزشدیده (Golden Ears) تکیه میکنند تا اصلاحات لازم را با دقت بیشتری انجام دهند.
رودولفس پوتنینش نیز در پایان تأکید میکند: «در نهایت، تنها یک آزمون شنیداری میتواند مشخص کند که آیا یک هدفون واقعاً از نظر تونال خنثی است یا خیر.»