Garso kelionė iš elektroninio signalo į mūsų ausis
Kiekvieną dieną naudojamės telefonais – klausomės muzikos, žiūrime vaizdo įrašus, kalbamės su artimaisiais. Bet ar kada susimąstėte, kaip tas mažytis garsiakalbis, įmontuotas į jūsų išmaniojo telefono korpusą, sugeba atkurti tokią įvairią garsų paletę? Nuo subtilių pianino natų iki galingų boso dūžių, nuo šnabždesio iki riksmo – visa tai sukuria įrenginys, kuris dažnai būna mažesnis už vieno euro monetą.
Telefono garsiakalbio veikimo principas iš esmės nėra labai sudėtingas, tačiau jo realizavimas tokiame mažame korpuse reikalauja tikros inžinerinės meistriškumo. Šiuolaikiniai išmanieji telefonai paprastai turi du ar net tris garsiakalbius – vieną pokalbių metu naudojamą ausies garsiakalbį ir vieną ar du garsesnius garsiakalbius medijos turiniui. Kiekvienas iš jų veikia pagal tą patį fizikos principą, tik pritaikytas skirtingoms užduotims.
Elektromagnetizmo magija miniatiūriniame įrenginyje
Garsiakalbio šerdis – tai elektromagnetinis keitiklis, kuris paverčia elektros signalus mechaniniais virpesiais. Įsivaizduokite tokią situaciją: jūsų telefonas gauna skaitmeninį garso failą – tai gali būti muzikos kūrinys, balso žinutė ar filmo garso takelis. Šis skaitmeninis signalas pirmiausia keliauja per telefono procesorių ir garso lustą, kur jis konvertuojamas į analoginį elektros signalą – kintamą elektros srovę, kurios stiprumas ir dažnis atitinka norimą garsą.
Šis elektros signalas patenka į garsiakalbio ritę – labai plono vario vielos vijurką, apvyniotą aplink magnetą arba esančią magnetinio lauko zonoje. Kai pro ritę teka elektros srovė, ji sukuria savo magnetinį lauką. Štai čia ir prasideda įdomiausia dalis – šis naujai sukurtas magnetinis laukas sąveikauja su pastoviu magnetu garsiakalbio viduje.
Pagal fizikos dėsnius, du magnetiniai laukai arba pritraukia, arba stumia vienas kitą. Kadangi pro ritę tekanti srovė nuolat keičiasi (būtent todėl ji vadinama kintama srove), magnetinis laukas taip pat nuolat keičiasi. Tai reiškia, kad ritė pradeda judėti pirmyn ir atgal, pritraukiama ir atstumama pastovaus magneto. Šie judesiai vyksta labai greitai – nuo kelių dešimčių iki kelių dešimčių tūkstančių kartų per sekundę, priklausomai nuo garso dažnio.
Kaip virpesiai tampa garsu
Prie tos virpančios ritės yra pritvirtinta plona membrana arba diafragma – paprastai pagaminta iš specialaus plastiko, popieriaus ar net metalo. Kai ritė juda, ji stumia ir traukia šią membraną. Membrana, judėdama pirmyn ir atgal, stumia ore esančias oro molekules, sukurdama oro slėgio bangas. Būtent šios oro slėgio bangos, pasiekusios mūsų ausis, ir yra tai, ką mes vadiname garsu.
Žemų dažnių garsams (kaip boso dūžiai) membrana juda lėčiau, bet didesniu atstumu. Aukštų dažnių garsams (kaip paukščių čiulbesys) membrana vibruoja labai greitai, bet mažesniais judesiais. Sudėtingesni garsai, kaip žmogaus balsas ar muzikos instrumentai, yra daugelio skirtingų dažnių derinys, todėl membrana turi vienu metu atlikti labai sudėtingus judėjimo modelius.
Telefono garsiakalbio membrana paprastai būna apie 10-15 milimetrų skersmens. Tai gana mažas plotas, todėl telefonų garsiakalbiai negali sukurti tokio galingo garso kaip dideli namų kino sistemos garsiakalbiai. Tačiau šiuolaikinės technologijos leidžia išgauti stulbinamai gerą garso kokybę net iš tokių mažyčių įrenginių.
Skirtingi garsiakalbių tipai telefone
Jei atidžiai pažiūrėsite į savo išmanųjį telefoną, pastebėsite kelis nedidelius plyšelius ar skylutes – tai garsiakalbių vietos. Šiuolaikiniuose telefonuose paprastai yra keletas skirtingų garsiakalbių, kiekvienas pritaikytas konkrečiai užduočiai.
Ausies garsiakalbis (dar vadinamas pokalbių garsiakalbiu) yra mažiausias ir silpniausias. Jis įmontuotas telefono viršutinėje dalyje ir skirtas tik pokalbių metu – jį prispaudžiate prie ausies ir klausotės pašnekovo balso. Šis garsiakalbis optimizuotas žmogaus balso dažniams (maždaug 300-3400 Hz) ir nėra skirtas muzikai ar kitiems garsams atkurti. Dėl to pokalbių metu muzika ar foniniai triukšmai skamba prastai – taip ir turėtų būti, nes garsiakalbis filtruoja viską, kas nėra balso dažnių diapazone.
Pagrindinis garsiakalbis (arba apatinis garsiakalbis) yra didesnis ir galingesnis. Jis naudojamas klausantis muzikos, žiūrint vaizdo įrašus ar žaidžiant žaidimus. Šis garsiakalbis turi atkurti platesnį dažnių spektrą – nuo žemų iki aukštų tonų. Paprastai jis būna telefono apatinėje dalyje, šalia įkrovimo lizdo.
Daugelis šiuolaikinių telefonų turi stereo garsiakalbių sistemą. Tai reiškia, kad ausies garsiakalbis taip pat naudojamas kaip antrasis kanalas medijos turiniui atkurti. Kai žiūrite filmą horizontalioje padėtyje, vienas garsiakalbis yra kairėje, kitas dešinėje, sukurdami erdvinį garso efektą. Tai žymiai pagerina klausymosi patirtį, nes skirtingi garsai gali ateiti iš skirtingų pusių, kaip tikrame gyvenime.
Technologinė evoliucija nuo pirmo skambučio iki šių dienų
Pirmieji mobilieji telefonai turėjo labai primityvius garsiakalbius. 1980-ųjų “plytų” telefonai naudojo paprastus dinaminius garsiakalbius, kurie buvo gana dideli ir sunkūs. Garso kokybė buvo prasta – balsai skambėdavo metaliniai, foniniai triukšmai trukdydavo pokalbiui, o apie muzikos klausymą niekas net negalvodavo.
1990-aisiais, telefonams tampant kompaktiškesniems, inžinieriai turėjo sugalvoti, kaip sumažinti ir garsiakalbius. Atsirado pjezoelektriniai garsiakalbiai, kurie veikė šiek tiek kitokiu principu – naudojo specialius kristalus, kurie deformuojasi elektros įtampos poveikiui. Šie garsiakalbiai buvo daug mažesni, bet garso kokybė vis dar paliko gerų norų.
Tikra revoliucija įvyko 2000-ųjų pradžioje, kai išmanieji telefonai tapo multifunkciniais įrenginiais. Staiga telefonas turėjo ne tik skambinti, bet ir groti muziką, leisti vaizdo įrašus, žaidimus. Tai pareikalavo daug geresnių garsiakalbių. Pradėti naudoti MEMS (mikro-elektromechaniniai sistemos) garsiakalbiai – mikroskopiniai įrenginiai, pagaminti panaudojant mikroschemų gamybos technologijas.
Šiandien telefono garsiakalbiai yra tikri technologiniai stebuklai. Jie gali būti mažesni nei 5 milimetrai, bet atkurti garsą nuo 20 Hz iki 20 kHz – visą žmogaus klausos diapazoną. Kai kurie premium klasės telefonai turi net keturis garsiakalbius, palaikančius Dolby Atmos ar kitas erdvinio garso technologijas.
Kodėl telefono garsiakalbis kartais skamba prastai
Turbūt pastebėjote, kad net geriausi telefono garsiakalbiai negali prilygti net pigiausioms Bluetooth kolonėlėms ar ausiniams. Tam yra kelios priežastys, ir visos jos susijusios su fizikos dėsniais, kurių niekaip neapgausi.
Pirmiausia – dydis. Garsiakalbio galimybė atkurti žemus dažnius (bosą) tiesiogiai priklauso nuo membranų dydžio ir oro tūrio, kurį ji gali pajudinti. Telefono garsiakalbis yra toks mažas, kad fiziškai negali sukurti gilių boso tonų. Kai girdite “bosą” iš telefono, tai dažniausiai yra vidurinių dažnių garsai, kuriuos mūsų smegenys interpretuoja kaip žemus tonus.
Antra problema – vieta. Garsiakalbis telefone yra įspraustas tarp daugelio kitų komponentų – baterijos, procesoriaus, kameros modulių. Jam trūksta oro erdvės, kuri reikalinga geresniam garsui. Profesionalūs garsiakalbiai turi specialias dėžes (korpusus), kurios sustiprina ir pagerina garsą. Telefone tokios prabangos nėra.
Trečia – energija. Galingas garsas reikalauja daug energijos. Telefonas turi taupyti bateriją, todėl garsiakalbis negali gauti tiek energijos, kiek norėtų. Kai pakeliate garsumą iki maksimumo, pastebėsite, kad baterija senka žymiai greičiau – būtent todėl.
Dar viena dažna problema – užsikimšusios garsiakalbio angos. Tie maži plyšeliai telefono korpuse labai lengvai užsikemša dulkėmis, kišenės pūkais ar kitomis smulkmenomis. Jei jūsų telefono garsas staiga tapo tylenis, pirmiausia patikrinkite, ar garsiakalbio angos švarios. Švelniai nuvalykite jas minkštu šepetėliu (puikiai tinka sena dantų šepetėlis) – dažnai tai išsprendžia problemą.
Programinė garso optimizacija ir triukai
Šiuolaikiniuose telefonuose garsiakalbio darbą labai stipriai veikia ne tik pati aparatinė įranga, bet ir programinė įranga. Telefonų gamintojai naudoja įvairiausius skaitmeninio garso apdorojimo algoritmus, kad pagerintų garso kokybę.
Vienas populiariausių metodų – ekvalaizerio naudojimas. Programinė įranga automatiškai sustiprina tam tikrus dažnius ir susilpnina kitus, kad garsas skambėtų geriau. Pavyzdžiui, kadangi telefono garsiakalbis negali gerai atkurti žemų dažnių, sistema gali šiek tiek sustiprinti žemiausius vidutinius dažnius, sukurdama iliuziją, kad boso yra daugiau.
Kitas triukas – psichoakustiniai efektai. Mūsų smegenys garsą interpretuoja ne visai taip, kaip jis fiziškai yra. Programinė įranga gali pridėti harmonikų ar subtilių iškraipymų, kurie verčia smegenis “išgirsti” dažnius, kurių iš tikrųjų nėra. Tai vadinama psichoakustiniu boso sustiprinimo efektu.
Daugelis telefonų turi ir garso kompresijos algoritmus. Kai klausotės muzikos dideliu garsumu, sistema automatiškai sumažina skirtumą tarp tylių ir garsių garsų, kad garsiakalbis neiškreiptų garso ir nesugadintų. Tai ypač svarbu, nes mažas garsiakalbis, bandydamas atkurti per garsų signalą, pradeda “traškėti” – membrana pasiekia savo fizinę ribą ir nebegali normaliai judėti.
Ateities perspektyvos ir naujos technologijos
Telefono garsiakalbių technologijos nuolat tobulėja. Viena įdomiausių naujovių – pjezoelektriniai ekranai. Kai kurie gamintojai jau eksperimentuoja su technologija, kai pats telefono ekranas virpa ir veikia kaip garsiakalbis. Tai leidžia visiškai atsisakyti tradicinių garsiakalbių angų, o visas ekrano paviršius tampa viena didžiule membrana.
Kita perspektyvi kryptis – kaulinio laidumo technologija. Vietoj oro virpesių kūrimo, garsiakalbis tiesiogiai virpina telefono korpusą, o šie virpesiai per jūsų ranką ir kaukolės kaulus pasiekia vidinę ausį. Tai skamba keistai, bet veikia stebėtinai gerai ir leidžia “girdėti” garsą net triukšmingoje aplinkoje.
Dirbtinis intelektas taip pat keičia garsiakalbių veikimą. Šiuolaikiniai telefonai gali realiu laiku analizuoti, kokį turinį klausotės, ir automatiškai optimizuoti garso nustatymus. Žiūrite filmą? Sistema sustiprina dialogų aiškumą. Klausotės muzikos? Optimizuoja dažnių balansą pagal žanrą. Kalbatės telefonu? Filtruoja foninį triukšmą ir sustiprina balso dažnius.
Kaip išgauti geriausią garsą iš savo telefono
Nors telefono garsiakalbio fizinių apribojimų nugalėti negalime, yra keletas praktinių patarimų, kaip išgauti maksimalią kokybę iš turimo įrenginio.
Pirma, išbandykite skirtingas telefono padėtis. Kai telefonas guli ant kietų paviršių (stalo, spintos), garsas atspindimas ir sustiprinamas. Kai kurie žmonės net padeda telefoną į tuščią puodelį ar dubenį – tai veikia kaip primityvus garso stiprintuvas. Skamba juokingai, bet fizika čia neklysta.
Antra, paeksperimentuokite su garso nustatymais. Daugelis telefonų turi paslėptus ekvalaizerio nustatymus garso nustatymuose. Galite rankiniu būdu sureguliuoti dažnius pagal savo skonį ir klausymosi sąlygas. Jei klausotės tyliai, sustiprinkite žemus ir aukštus dažnius – mūsų ausys mažu garsumu prasčiau girdi kraštutinių dažnių spektrą.
Trečia, reguliariai valykite garsiakalbio angas. Kaip minėjau anksčiau, net nedidelė dulkių sankaupa gali žymiai pabloginti garso kokybę. Kartą per mėnesį švelniai nuvalykite visas angas minkštu šepetėliu.
Ketvirta, jei jūsų telefonas turi stereo garsiakalbius, žiūrėkite vaizdo įrašus horizontalioje padėtyje. Taip garsiakalbiai bus kairėje ir dešinėje, o ne viršuje ir apačioje, kas sukuria daug geresnį erdvinį efektą.
Ir paskutinis patarimas – nepersistenkite su maksimaliu garsumu. Kai garsiakalbis dirba ant ribos, jis ne tik greičiau dėvisi, bet ir skamba prasčiau dėl iškraipymų. Dažnai 80-90% garsumo skamba geriau nei 100%, nes sistema dar sugeba kontroliuoti membranos judesius.
Telefono garsiakalbis – tai sudėtingas elektromagnetinis įrenginys, kuris per dešimtmečius evoliucionavo nuo primityvaus triukšmo generatoriaus iki tikro mažo garso stebuklo. Nors jis niekada nepakeis kokybišką namų garso sistemą ar gerų ausinių, šiuolaikiniai telefono garsiakalbiai sugeba suteikti visai priimtiną klausymosi patirtį. Suprasdami, kaip jie veikia ir kokie yra jų apribojimai, galime geriau juos naudoti ir išgauti maksimalią kokybę iš šių mažyčių technologinių stebuklų, kurie kasdien keliauja mūsų kišenėse.