الجمعة , 14 ديسمبر 2018
الرئيسية » كيف تعمل الأشياء » كمبيوتر وملحقاته » كيف نحول التسجيل الصوتي التناظري إلى رقمي

كيف نحول التسجيل الصوتي التناظري إلى رقمي




عندما اخترع القرص المدمج والذي يعرف باسم السي دي  CD اختصاراً لأول حرفين من  compact disk في منتصف أواخر الثمانينات من القرن الماضي كان الهدف منه هو تخزين أو تسجيل الموسيقى بطريقة رقمية أي بنظام الديجيتال digital.  ولكي نتمكن من فهم فكرة عمل السي دي لابد أن نفهم أولا كيف تقوم فكرة عمل تسجيل الموسيقى الصوتية وتشغيلها بالطريقة الرقمية.  وكذلك الفرق بينها وبين الطريقة التناظرية analog




 في هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم باستعراض فكرة التسجيل الرقمي والتناظري وفهم الفرق بينهما.

 

أول جهاز تسجيل صوتي اخترعه العالم تومس اديسون Thomas Edison في العام 1877، حيث  توصل لاكتشاف طريقة سهلة لتسجيل الأمواج الصوتية بطريقة ميكانيكية. أطلق على جهاز التسجيل هذا اسم الفونوجراف phonograph والذي يحتوي على إبرة تقوم بتحويل الإشارة الصوتية التناظرية إلى خدش ميكانيكي على سطح اسطواني رقيق من المعدن.

أول جهاز فونوجراف

 

فإذا تحدثت أمام جهاز الفونوجراف لاديسون فان الجهاز سوف يقوم بتسجيل صوتك على الاسطوانة.  حيث يتذبذب حامل الإبرة تحت تأثير الذبذبات
الصوتية وحركة الإبرة هذه تسجل على الاسطوانة المعدنية في صورة خدوش ذات أعماق مختلفة حسب شدة الصوت وتردده، مما تشكل مسارات دائرية حول سطح الاسطوانة.  وعند تشغيل الفونوجراف فانه يتم وضع إبرة الفونوجراف نفسها على أول المسارات على الاسطوانة ومن ثم يتم تشغيل الجهاز لتدور الاسطوانة بنفس سرعة التسجيل وتهتز الإبرة تحت تأثير الخدوش فترسل هذه الاهتزازات إلى الجهاز لتحويلها إلى صوت مسموع.

تم تطوير هذا الجهاز بواسطة اميل برلينر Emil Berliner في نفس العام وأعطى له اسم جديد هو الجراموفون gramophone، حيث استخدم سطح مستوي في شكل قرص دائري بدلا من السطح الاسطواني مما جعل عملية التسجيل والنسخ وإعادة التشغيل لهذه الأقراص أسهل وأفضل.  والفونوجراف الحديث يعمل بنفس الطريقة فيما عدا أن الإشارة الصوتية التي تقرأ بواسطة الإبرة تعالج الكترونيا بدلا من إرسال ذبذباتها الميكانيكية إلى السماعة مباشرة.

 

الأمواج التناظرية Analog  wave

لو تسألت عزيزي القارئ عن هذه الخدوش التي قامت إبرة الفونوجراف بخدشها على الاسطوانة المعدنية أو على القرص الدائري المسطح؟ فان الإجابة على هذا هو أمواج تناظرية analog wave تمثل الاهتزازات الصوتية التي صدرت عن المتحدث.  فعلى سبيل المثال في هذا المخطط نلاحظ موجة صوتية تمثل نطقك لكلمة hello. 


 

الموجة الصوتية لكلمة hello

 

هذه الموجة الصوتية الموضحة في الشكل أعلاه تمثل الموجة الصوتية بطريقة الكترونية ولكن في الفونوجراف فإنها تكون نفس الشكل ولكن على شكل خدوش متغيرة العمق في مادة الاسطوانة أو القرص الدائري.  والذي يمثله الشكل أعلاه هو موضع ميكروفون الفونوجراف على والممثل على محور Y بالنسبة لزمن والممثل على محور X.  نلاحظ إن الاهتزازات في الموجة تتغير بسرعة كبيرة حيث يصل معدل هذه الاهتزازات إلى 1000 اهتزازة في الثانية.  وكما ذكرنا هذه الاهتزازات نفسها التي سجلت على اسطوانة الفونوجراف ونلاحظ أيضا كم معقدة هذه الاهتزازات لكلمة hello ولو نظرنا إلى نغمة موسيقية ذات تردد واحد مثلا لكانت شكل الموجة ابسط من ذلك بكثير كما هو موضح في الشكل أدناه حيث تمثل موجة صوتية بنغمة 500 هيرتز أي 500 اهتزازة في الثانية.

 


 

موجة صوتية بنغمة ذات تردد 500 هيرتز

 

الآن تستطيع عزيزي القارئ أن ترى كيف تسجل النغمة الصوتية وكيف تشغلها مرة أخرى بواسطة الأمواج التناظرية من خلال طريقة سهلة وهي نقل اهتزازات النغمة الصوتية إلى إبرة تقوم بإحداث خدوش متواصلة على سطح رقيق أي تحول الموجة الصوتية إلى موجة ميكانيكية تتمثل في حركة إبرة الفونوجراف.

 

 

حسنا الآن المشكلة تتمثل في إننا لا نستطيع أن نفعل شيء بعد تسجيل الصوت بهذه الطريقة السهلة الميكانيكية التناظرية فالتخلص من الضجيج أو التشويش المصاحب للصوت أثناء التسجيل  أمرا مستحيلا لان هذه التشويشات أصبحت جزء من الخدوش التي أحدثتها الإبرة على الاسطوانة كذلك إعادة الاستماع وتشغيل الفونوجراف سوف يقلل من جودة المادة المسجلة في كل مرة مما يجعل عمره الافتراضي صغيراً

 

ولكنها في ذلك الوقت كانت اختراعا وكانت مفيدة جداً لعدم توفر تكنولوجيا بديلة وهذه التكنولوجيا التي سنتحدث عليها الآن

 

 

البيانات الرقمية Digital Data 

في أقراص السي دي أو في الوسائط التي تعمل بتكنولوجيا رقمية، فان الهدف هو تسجيل الصوت بدرجة عالية من النقاوة والوضوح بحيث لا تستطيع تفريقه عن الصوت الأصلي.  هذا بالإضافة إلى الحفاظ على نفس درجة الوضوح بغض النظر عن عدد مرات التشغيل أو إعادة نسخ التسجيل وطباعتها أكثر من مرة على وسائط تخزين مختلفة.

 

ولانجاز هذه الأهداف فان تكنولوجيا تحويل الأمواج الصوتية من الحالة التناظرية إلى الحالة الرقمية حيث تصبح الموجة الصوتية سلسلة من الأرقام المكونة من 0 و 1 وبدلا من تخزين الموجة الصوتية يتم تخزين هذه الأرقام.  وتحويل الأمواج الصوتية التناظرية إلى رقمية يتم استخدام أداة الكترونية تعرف باسم analog-to-digital converter أو اختصاراً ADC والتي تعني المحول من التناظري إلى الرقمي.  وعند تشغيل الصوت مرة أخرى للاستماع له فان هذا يتطلب ترجمة هذه الأرقام إلى موجة صوتية مرة أخرى ويتم هذا باستخدام أداة الكترونية تعرف باسم digital-to-analog converter واختصارا DAC أي المحول من الرقمي إلى التناظري.  يتم تكبير الموجة التناظرية الناتجة من DAC قبل توجيهها إلى السماعات لإصدار الصوت.

ومن هنا يكون للموجة الصوتية التناظرية نفس الجودة بغض النظر عن عدد مرات تشغيلها طالما لم تتغير الموجة الرقمية المخزنة.  أما حول موضوع إعادة إنتاج نفس النغمة الصوتية الأصلية فهذا يعتمد على التقنية التي تستخدمها أداة التحويل ADC في تحويل الصوت الأصلي إلى صوت رقمي. وهنا تكمن أهمية

كيف تعمل أداة التحويل التناظري إلى رقمي ADC

إذا كان لدينا موجة صوتية وأردنا أن نحولها إلى إشارة رقمية فإننا نستخدم أداة التحويل الالكترونية ADC والتي تقوم بعملها عن طريق اخذ عينة صغيرة من الإشارة الصوتية وتحويلها إلى قيمة رقمية وهذه تسمى عملية النمذجة أو sampling ولتوضيح ذلك أكثر دعنا نأخذ الموجة الصوتية الموضحة في الشكل التالي:

 




 

موجة صوتية تناظرية 

افترض أن كل سم على المحور الأفقي يمثل جزء من الألف من الثانية في حين المحور الرأسي يمثل شدة الصوت

 

عندما تبدأ أداة ADC بعملها فإنها تقوم بنمذجة الموجة الصوتية وتتحكم في متغيرين اثنين هما:

(1) معد النمذجة sampling rate والتي تحدد عدد النماذج أو العينات التي ستقوم بأخذها في الثانية.

(2) دقة النمذجة sampling precision والتي تتحكم في مستويات التغير في الإشارة.

 في الشكل التالي قامت أداة التحويل ADC بعملها من بنمذجة بمعدل 1000 عينة لكل ثانية وكانت دقة النمذجة 10.

 

 


  

المستطيلات الخضراء في الشكل تمثل العينات التي قسمت إليها الموجة الصوتية.  حيث تم اخذ عينة كل جزء من الألف من الثانية وكل مستطيل له ارتفاع يمثل شدة الصوت عند تلك اللحظة هذا الارتفاع يتم التعبير عنه بقيمة عددية بين 0 و 9 حيث تمثل هذه الأعداد التمثيل الرقمي للموجة الصوتية.  وفي الشكل التالي يوضح نتيجة النمذجة والتحويل من الموجة التناظرية إلى موجة رقمية في المنحنى الظاهر باللون الأزرق.

  

 

 

وكما هو واضح من المقارنة بين المنحنيين الأخضر الذي يمثل الموجة التناظرية والمنحنى الأزرق الذي يمثل الموجة الرقمية إن هناك فقد في الإشارة حدث عند إتمام عملية النمذجة والتحويل.  وهذا يعني أن الموجة الناتجة لن تكون بنفس درجة الموجة الأصلية قبل النمذجة.  وهذا يشار إليه بخطأ في النمذجة sampling error وللتخلص من هذا الخطأ يتم زيادة معدل النمذجة والدقة في نفس الوقت.  تأثير زيادة معدل النمذجة يتضح في الشكل التالي حيث تم زيادة معدل النمذجة والدقة بمقدار الضعف أي أصبحت الدقة 20 وأصبح معدل النمذجة 2000 عينة في الثانية.

 

 


 

أما في الشكل التالي فان معدن النمذجة تضاعف مرة أخرى بحيث أصبحت الدقة 40 ومعدل النمذجة 4000 عينة في الثانية.

  


لاشك وانك تلاحظ عزيزي القارئ كلما زادت معدل النمذجة والدقة كلما أصبحت الموجة الرقمية الناتجة اقرب إلى الموجة الأصلية.  وهذا بالتأكيد سوف يحسن جودة الصوت الرقمي، وفي حالة الصوت المخزن على أقراص السي دي فان معدل النمذجة يكون 44,100 عينة في الثانية والدقة 65,536، وعند هذا المستوى فان الموجة الصوتية الرقمية تكون اقرب ما يكون إلى الموجة الأصلية ومناسبة جدا لمستوى استجابة الأذن البشرية. 

السعة التخزينية لقرص السي دي

لحساب قدرة قرص السي دي لتخزين الصوت فإن هذا يتم من خلال فهمنا لما سبق فالبيانات الرقمية الناتجة عن ADC تحسب بوحدة البايت byte فكل عينة تستخدم مساحة قدرها 2 بايت، ويتم تخزين كل عينة على مسارين في نظام تسجيل الستيريو حيث يكون لكل سماعة مسار. 

وحيث ان قرص السي دي يخزن 74 دقيقة من الموسيقى أو النغمات الصوتية فان كمية المعلومات الرقمية التي يمكن لقرص السي دي أن يخزنها هي  

44,100 samples/(channel*second) * 2 bytes/sample * 2 channels * 74 minutes * 60 seconds/minute

= 783,216,000 bytes

وهذه مساحة كبيرة جدا من المعلومات يمكن تخزينها على وسط بلاستيكي بحجم قرص السي دي.  ومن الجدير ذكره هنا إن يمكن التحكم في معدل النمذجة للحصول على جودة صوت اقل ولكن بسعة تخزينية اقل للحصول على ملفات صوتية صغيرة يمكن التعامل معها على الانترنت أو تشغيلها بواسطة أجهزة MP3 والتي قد قمنا بشرحها في مقالات سابقة.

 

 

لمزيد من المعلومات يرجى زيارة المواقع التالية: 




تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email skhazem@gmail.com

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.