ساب ووفر کاردیوئید چیست و چه کاربردی در سیستم صوتی دارد؟
ممکن است با مشاهده عنوان این مقاله تصور کنید که به‌اشتباه دو موضوع متفاوت با یکدیگر ترکیب شده‌اند؛ زیرا اصطلاح کاردیوئید (Cardioid)معمولاً در توصیف میکروفن‌ها به کار می‌رود، نه بلندگوها.
اسپیکرها و میکروفون‌ها هر دو مبدل(Transducer) هستند؛ یعنی دستگاه‌هایی که انرژی الکتریکی را به فشار صوتی تبدیل می‌کنند یا برعکس. تفاوت آن‌ها در این است که در دو انتهای زنجیره سیگنال صوتی قرار دارند و در واقع، عملکردی مشابه اما در جهت مخالف انجام می‌دهند. بنابراین، همان‌طور که هنگام بررسی الگوهای دریافت صدا در میکروفن‌ها از اصطلاح کاردیوئید استفاده می‌کنیم و آن را با نمودار معروف قلبی‌شکل نمایش می‌دهیم، می‌توان همین مفهوم را در مورد بلندگوها نیز به کار برد و الگوهای پخش صدا(Dispersion Patterns) را بررسی کرد.
الگوی پخش همه‌جهته (Omnidirectional)
تقریباً تمام بلندگوها تا حدی دارای جهت‌مندی هستند؛ به همین دلیل، معمولاً نیازی نیست الگوی پخش صدای آن‌ها را کاردیوئید بنامیم. اما ساب‌ووفرها شرایط متفاوتی دارند. به دلیل قوانین فیزیک، ساب‌ووفرها عموماً دارای الگوی پخش همه‌جهته (Omnidirectional) هستند.
برای ایجاد جهت‌مندی در انتشار یک فرکانس صوتی، ابعاد محفظه بلندگو باید تقریباً با طول موج آن فرکانس متناسب باشد. برای مثال، طول موج فرکانس ۱۰۰ هرتز حدود ۳٫۳۵ متر است؛ بنابراین، بعید است ابعاد محفظه ساب‌ووفر شما به این اندازه باشد. در نتیجه، ساب‌ووفر تقریباً در تمام جهات، سطح فشار صوتی یکسانی تولید می‌کند و انرژی صوتی آن به‌صورت تقریباً یکنواخت در محیط منتشر می‌شود.
معایب پخش همه‌جهته صدا (The Downside)
انتشار همه‌جهته صدا در ساب‌ووفرها می‌تواند مشکلات متعددی ایجاد کند. هنگام چیدمان سیستم صوتی روی صحنه، معمولاً دقت می‌کنیم که بلندگوهای اصلی (Top Speakers) در مقابل میکروفن‌ها قرار بگیرند تا احتمال بروز فیدبک صوتی (Feedback) کاهش یابد. همچنین، در اغلب موارد، ساب‌ووفرها را درست در زیر بلندگوهای اصلی قرار می‌دهیم. این چیدمان کمک می‌کند تا ساب‌ووفرها و بلندگوهای اصلی از نظر زمانی هم‌تراز باشند و سیگنال‌های آن‌ها با یکدیگر هم‌فاز باقی بمانند.
با این حال، در حالی که بلندگوهای اصلی انرژی صوتی را عمدتاً به سمت جلو هدایت می‌کنند، ساب‌ووفرها تقریباً به همان اندازه که به سمت مخاطبان انرژی صوتی منتشر می‌کنند، آن را به سمت میکروفن‌های باز نیز می‌فرستند. به همین دلیل، مهندسان صدای زنده هنگام کار با میکروفن‌ها از فیلترهای برش فرکانس پایین یا فیلتر بالاگذر (HPF) روی کنسول‌های میکس استفاده می‌کنند. این فیلترها به کنترل فیدبکی کمک می‌کنند که در صورت تقویت فرکانس‌های پایین، ممکن است به‌سرعت تشدید شود.
استفاده از چند ساب‌ووفر روی صحنه با هدف افزایش سطح بیس نیز می‌تواند مشکلات دیگری ایجاد کند؛ زیرا ساب‌ووفرها ممکن است با یکدیگر تداخل صوتی داشته باشند. در نتیجه، در برخی نقاط سالن، فرکانس‌های بیس یکدیگر را خنثی می‌کنند و در نقاط دیگر، شدت آن‌ها به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. این پدیده می‌تواند در اثر اختلاف زمانی میان امواج مستقیم فرکانس پایین یا بازتاب‌های صوتی ایجاد شود؛ بازتاب‌هایی که به دلیل انتشار همه‌جهته فرکانس‌های پایین، احتمال وقوع آن‌ها بیشتر است.
علاوه بر این، تجمع انرژی فرکانس‌های پایین می‌تواند باعث ایجاد ارتعاشات و تشدیدهای ناخواسته روی صحنه شود. این مسئله ممکن است موجب تشدید رزونانس در سازه‌های توخالی صحنه، لرزش و صدای ناخواسته قطعات و اتصالات درام و به‌طور کلی، ایجاد شرایط نامطلوب برای اجرای زنده شود.
راهکار جهت‌مند کردن انتشار صدا (A Directional Solution)
اگر می‌توانستیم انرژی صوتی ساب‌ووفر را نیز مانند بلندگوهای تمام‌باند (Full-Range) عمدتاً به سمت جلو هدایت کنیم، نتیجه بسیار مطلوبی به دست می‌آمد. چنین قابلیتی می‌توانست مشکلات فیدبک صوتی و تجمع انرژی فرکانس‌های پایین را کاهش دهد و با متمرکز کردن بخش بیشتری از انرژی صوتی به سمت مخاطبان، بازده عملکرد ساب‌ووفر را نیز افزایش دهد. این دقیقاً همان ایده‌ای است که اساس طراحی ساب‌ووفرهای کاردیوئید (Cardioid Subwoofers) را تشکیل می‌دهد.
این مفهوم جدید نیست. ایده ایجاد جهت‌مندی در انتشار صدای فرکانس پایین، نخستین بار در اواخر دهه ۱۹۵۰ در قالب یک مقاله علمی مطرح شد. از چند دهه پیش نیز مهندسان صدای خلاق با آرایش چند ساب‌ووفر در کنار یکدیگر، تلاش کرده‌اند انتشار فرکانس‌های پایین را جهت‌دارتر کنند.
در این روش، چند ساب‌ووفر با آرایش مشخص در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و زمان‌بندی انتشار صدای آن‌ها از طریق تغییر موقعیت فیزیکی ساب‌ووفرها به سمت جلو یا عقب، یا با استفاده از تأخیر الکترونیکی (Electronic Delay) تنظیم می‌شود. با محاسبه دقیق موقعیت و زمان‌بندی هر ساب‌ووفر، می‌توان از طریق ترکیب کنترل فاز و جانمایی مناسب، جهت‌مندی بیشتری در انتشار فرکانس‌های پایین ایجاد کرد.
برای درک بهتر این مفهوم، می‌توانید دو ساب‌ووفر را در موقعیت‌های مختلف روی صحنه قرار دهید و تأثیر آرایش آن‌ها را بررسی کنید. برای مثال، اگر دو ساب‌ووفر را روی یکدیگر قرار دهید و یکی از آن‌ها را در جهت مخالف دیگری نصب کنید، تا حدی به آرایش موردنیاز برای ایجاد الگوی پخش کاردیوئید نزدیک شده‌اید.
ایده اصلی در طراحی ساب‌ووفر کاردیوئید، استفاده از دو منبع صوتی است که سیگنال‌های یکسانی در محدوده فرکانس‌های پایین تولید می‌کنند، با این تفاوت که قطبیت (Polarity) یکی از منابع معکوس شده است.
سپس با تنظیم تأخیر زمانی (Time Delay)، شرایطی ایجاد می‌شود که امواج صوتی در جلوی آرایه ساب‌ووفر با یکدیگر هم‌فاز شوند و از طریق تداخل سازنده (Constructive Interference)، سطح خروجی صدا را تا ۶ دسی‌بل افزایش دهند. در مقابل، سیگنال‌های منتشرشده از پشت آرایه به‌گونه‌ای تنظیم می‌شوند که اختلاف فاز داشته باشند و در نتیجه، یکدیگر را تا حد زیادی خنثی کنند. این پدیده تداخل مخرب (Destructive Interference) نام دارد.
از آنجا که میزان تأخیر زمانی باید متناسب با طول موج فرکانس موردنظر تنظیم شود، بیشترین تأثیر این آرایش در فرکانس مرکزیِ طراحی‌شده برای ایجاد جهت‌مندی در جلوی ساب‌ووفر حاصل می‌شود.
برای مثال، اگر فرکانس هدف را ۵۵ هرتز در نظر بگیریم که طول موج آن حدود ۶ متر (۲۰ فوت) است، باید برای بلندگوی پشتی حدود ۴٫۵ میلی‌ثانیه تأخیر زمانی در نظر گرفت. این مقدار تأخیر، اختلاف مکانی معادل یک‌چهارم طول موج ایجاد می‌کند و باعث می‌شود امواج صوتی در جهت موردنظر از نظر زمانی هم‌تراز شده و به‌طور مؤثر با یکدیگر ترکیب شوند.
بدیهی است که با تغییر موقعیت ساب‌ووفرها یا انتخاب فرکانس هدف متفاوت، مقادیر تأخیر زمانی و سایر پارامترهای تنظیم نیز تغییر خواهند کرد. از آنجا که محدوده کاری ساب‌ووفرها معمولاً به بازه نسبتاً محدودی از فرکانس‌ها، حدود ۳۰ تا ۱۲۰ هرتز، محدود می‌شود، اجرای این روش در ساب‌ووفرها تأثیرگذاری بیشتری نسبت به بلندگوهای تمام‌باند (Full-Range) دارد.
اگر توضیحات فنی این روش کمی پیچیده به نظر می‌رسد، جای نگرانی نیست. تولیدکنندگان تجهیزات صوتی به‌تدریج ساب‌ووفرهای کاردیوئید را در قالب یک محفظه مستقل با ابعاد متعارف به بازار عرضه می‌کنند که تمام محاسبات و تنظیمات موردنیاز برای ایجاد الگوی پخش جهت‌دار را به‌صورت داخلی انجام می‌دهند.
این محصولات امکان بهره‌مندی از مزایای کاهش انتشار فرکانس‌های پایین به سمت پشت و روی صحنه را فراهم می‌کنند، بدون آنکه لازم باشد هر بار چندین محفظه سنگین ساب‌ووفر را جابه‌جا و به‌صورت جداگانه آرایش‌بندی کنید.
از آنجا که این فناوری هنوز برای بسیاری از کاربران و مهندسان صدا نسبتاً جدید است، تولیدکنندگان تلاش می‌کنند نمودارهای الگوی پخش قلبی‌شکل (Cardioid Dispersion Patterns) محصولات خود را حتی جذاب‌تر و دقیق‌تر از نمودارهای ارائه‌شده توسط تولیدکنندگان میکروفون طراحی و نمایش دهند.
یکی از نمونه‌های ساب‌ووفرهای کاردیوئید، مدل QSC KS212C است که دو آمپلی‌فایر قدرت و دو درایور ۱۲ اینچی را در یک محفظه واحد جای داده است. در این محصول، با تنظیم دقیق اختلاف زمانی میان عملکرد دو درایور، شرایطی ایجاد می‌شود که امواج صوتی در پشت محفظه یکدیگر را خنثی کنند. این طراحی می‌تواند سطح خروجی صدا در پشت ساب‌ووفر را تا ۱۵ دسی‌بل کاهش دهد.
مزیت اصلی این طراحی آن است که تمام محاسبات و تنظیمات فنی موردنیاز، از پیش توسط سازنده انجام شده است؛ بنابراین، نیازی به محاسبه دستی تأخیر زمانی یا تنظیم جداگانه پارامترهای آکوستیکی ندارید. کافی است ساب‌ووفر را روشن کرده و آن را در جهت صحیح قرار دهید تا از عملکرد جهت‌مند آن بهره‌مند شوید.