ارسال شده در تاریخ ژوئن 15, 2020 در تکنیک و ترفند, دانش نامه, مقالات برگزیده | ۱ دیدگاه

در این مقاله سعی می‌کنیم در مورد مفهوم فاز، که بیشتر اوقات درک درستی از آن صورت نمی‌­گیرد، صحبت کنیم و نگاهی به تفاوت‌های میان فاز و قطبیت بیندازیم.

یکی از مفاهیمی که بیشتر اوقات به درستی درک نمی‌شود، مفهوم فاز است. این درک نادرست معمولاً به خاطر اشتباه گرفتن مفهوم فاز و قطبیت به وجود می‌آید.

پس بیایید نگاهی به این مفاهیم بیندازیم و ببینیم ارتباط آنها با صدای زنده چیست.

بیشتر افراد، زمانی با مفهوم فاز آشنا می‌شوند که دکمه‌ی «فاز معکوس» بر روی کانال ورودی میز میکس آنالوگ را می‌بینند (که نشانه‌ی آن یک دایره با یک خط 45 درجه روی آن است: Ø).

آنها معمولاً این دکمه را راه حلی برای رفع مشکل صدای نازک ایجاد شده به خاطر استفاده از چند میکروفن بر روی یک ساز می‌دانند. مشکل اینجاست که این دکمه در حقیقت یک کلید معکوس‌سازی قطبیت است – کاری که انجام می‌دهد تعویض پین‌های 2 و 3 رابط ورودی XLR است – در نتیجه قطبیت سیگنال را معکوس می‌کند.

قطبیت یکی از ویژگی‌های موج است، که مقدار مثبت آن نشان‌دهنده‌ی افزایش فشار صدا (در فاز انقباض موج) و مقدار منفی آن نشان‌دهنده‌ی کاهش فشار صدا (در فاز انبساط موج) است. شکل 1 را ببینید.

هنگامی که میکروفن موج صوتی را (که در این مورد یک موج سینوسی است) به یک سیگنال جریان متناوب منتقل می‌کند، قطبیت در بار مثبت و منفی میان دو قطب سیگنال الکتریکی نمود پیدا خواهد کرد. بنابراین اگر کلید قطبیت معکوس روی میز پری-آمپ را فشار دهیم، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، کل موج را حول خط مبدأ وارونه می‌کنیم.

این به ما اجازه می‌دهد تا قطبیت هر ورودی را نسبت به سایر سیگنال‌ها – چه به خاطر استفاده از یک میکروفن خاص باشند و چه به خاطر سیم‌کشی نادرست کابل XLR (زمانی که پین‌های 2 و 3 اتصالی کرده‌اند) – تصحیح کنیم.

با این وجود، می‌توان از آن برای حل مسئله‌ی فاز نیز استفاده کرد، که فقط باعث سردرگمی بیشتر خواهد شد. اما فاز چیست؟

مسئله‌ی زمان‌بندی

بر اساس دیکشنری آکسفورد، فاز «رابطه‌ی میان حالت‌ها یا چرخه‌های متوالی یک سیستم نوسانی یا تکرارشونده (مثل یک جریان الکتریکی متناوب یا یک موج صوتی یا نوری) و یک نقطه‌ی مبنای ثابت یا حالت‌ها یا چرخه‌های یک سیستم دیگر که ممکن است با آن هم­زمانی داشته باشد یا نداشته باشد، بر حسب زمان» است.

چرخه‌ی موج بر حسب درجه اندازه‌گیری می‌شود، و یک چرخه‌ی کامل 360 درجه است، بنابراین برای نشان دادن تفاوت فاز میان دو موج از درجه استفاده می‌کنیم.

اگر یک موج سینوسی 1 کیلوهرتز را به یک بلندگو بفرستیم و دو میکروفن را طوری جلوی بلندگو قرار دهیم که کپسول‌های آنها نزدیک‌ترین فاصله‌ی ممکن به هم را داشته باشند، هر دو میکروفن سیگنال مشابهی دریافت خواهند کرد (شکل 4).

اگر این سیگنال‌ها را از طریق دو کانال میز میکس که در یک سطح تنظیم شده‌اند با هم ترکیب کنیم، یک خروجی ترکیبی برابر با سیگنال اولیه اما با دامنه‌ی دو برابر تولید خواهند کرد. به این کار تداخل سازنده گفته می‌شود.

با این حال، اگر یکی از میکروفن‌ها را 6.8 اینچ (6.8 اینچ در واقع نصف طول موج 1 کیلوهرتز است) به پشت میکروفن دیگر بریم، تأخیر زمانی که در دو سیگنال ایجاد می‌شود دقیقاً 180 درجه خواهد بود (شکل 5).

در این مورد اگر دو سیگنال در یک سطح در میکسر ترکیب شوند، قله‌های یک موج باعث خنثی کردن فرورفتگی‌های دیگری شده و سکوت ایجاد می‌شود. به این کار، تداخل مخرب گفته می‌شود.

با این وجود اگر در یکی از کانال‌ها (که در این مثال همان میکروفن دوم/دورتر است) کلید قطبیت معکوس را فشار دهیم، دو سیگنال طوری با هم ترکیب می‌شوند که گویی روی میکروفن‌های هم‌فاصله دریافت شده‌اند و سیگنالی مشابه با دامنه‌ی دو برابر تولید می‌کنند (شکل 6).

و این همان جایی است که فاز و قطبیت با هم اشتباه گرفته می‌شوند، چون بر خلاف این نکته که تأخیر زمانی همچنان وجود دارد، معکوس کردن قطبیت یکی از سیگنال‌ها این تصور را ایجاد می‌کند که دو سیگنال هم‌فاز هستند، اما در واقعیت فاز آنها 180 درجه با هم اختلاف دارد.

غالباً این موضوع باعث می‌شود که بگوییم دو سیگنال یا هم‌فاز هستند یا ناهم‌فاز، اما این یک نگاه تقریباً دوگانه به موضوع است.

هرچه اختلاف فاز از صفر بیشتر می‌شود، سیگنال‌ها به تدریج ناهم‌فاز می‌شوند، که باعث می‌شود دامنه‌ی سیگنال ترکیبی به تدریج کم شود تا به 180 درجه برسد، و سیگنال بی‌صدا شود.

پس از آن هرچه اختلاف فاز بیشتر می‌شود، دامنه‌ی سیگنال ترکیبی بیشتر می‌شود تا به 180 درجه برسد، و دوباره به دامنه‌ی کامل و دو برابر برسد.

قله‌ها و دره‌ها

مطالعه‌ی بر هم کنش صداهای سینوسی برای یادگیری علم محض آن بسیار مفید است، اما به ندرت اتفاق می‌افتد که صرفاً از امواج سینوسی، موسیقی واقعی تولید شود.

بیشتر آلات موسیقی ترکیب پیچیده‌ای از امواج مختلف با فرکانس‌های مختلف تولید می‌کنند که از نظر طیف و دامنه بر هم تأثیر می‌گذارند تا یک طنین منحصربه‌فرد و پیچیده تولید ایجاد کنند.

پس وقتی از چند میکروفن برای طنین‌های پیچیده‌تر استفاده می‌کنیم، ترکیب پیچیده‌ای از تداخل سازنده و مخرب در فرکانس‌های مختلف خواهیم داشت. به این حالت فیلترینگ شانه‌ای گفته می‌شود (شکل 7).

فیلتر شانه‌ای، حاصل ترکیب یک سیگنال پهن‌باند (یعنی طیف گسترده‌ای از فرکانس‌ها) با یک نسخه‌ی دارای تأخیر از خودش است. این کار باعث تولید یک پاسخ فرکانس با اسپایک‌های منظم می‌شود، که اگر نمودار آن را رسم کنیم شبیه به دندانه‌های شانه خواهد بود.

عرض و عمق اسپایک‌ها بسته به محتوای سیگنال‌های صدا و رابطه‌ی فازی آن‌ها تغییر می‌کند (شکل 8).

اگر همان فیلتر را در مقیاس لگاریتمی رسم کنیم (که نحوه‌ی درک صدا توسط ما را بهتر نشان می‌دهد) عمیق‌ترین شکاف، یک فرورفتگی بزرگ در فرکانس‌های پایین‌تر است، که مشخص می‌کند چرا یکی از برجسته‌ترین پیامدهای فیلترینگ شانه‌ای، نبودن بخش تحتانی است. این حالت معمولاً یک صدای نازک یا توخالی تولید می‌کند که برخی افراد آن را به درستی «فازی» می‌نامند. پس چطور می‌توانیم از مشکلات فازی و فیلترینگ شانه‌ای اجتناب کنیم؟

بسیاری از مهندسین صدا از یک قاعده‌ی کلی به نام قانون 3:1 استفاده می‌کنند. این قانون بیان می‌کند که فاصله‌ی میان دو میکروفن باید حداقل سه برابر فاصله‌ی نزدیک‌ترین میکروفن به منبع آن باشد. ایده‌ی قانون این است که سه برابر کردن فاصله‌ی هر میکروفن اضافی، یعنی سیگنال دریافتی باید حداقل 9 دسی‌بل پایین‌تر از سیگنال اولین میکروفن باشد (به خاطر قانون مربع معکوس که به ما می‌گوید با دو برابر شدن فاصله، صدا عموماً 6 دسی‌بل افت می‌کند). بنابراین وقتی دو سیگنال ترکیب می‌شوند، اختلاف سطح تضمین می‌کند که هیچ اختلاف فازی به اندازه‌ی comb filtering قابل توجه نیست.

تنها مشکل با قانون 3:1 این است که فرض را بر این می‌گذارد که بهره (Gain) تمام میکروفن‌ها با هم برابرند؛ گرچه به محض اینکه بهره‌ی میکروفن‌های دورتر را افزایش دهید (به نفع ساختار بهره بهتر)، علی‌رغم جایگذاری با دقت، باز هم ریسک مواجهه با مشکل فاز را خواهید داشت.

این موضوع برای نوازندگان گروهی و گروه‌های ارکستر مفید است و در محیط ضبط استودیویی کنترل‌شده ارزش زیادی دارد، اما روی صحنه‌ی زنده و پر هرج و  مرج، بهترین راه حل این است که میکروفن اصلی در نزدیک‌ترین فاصله‌ی ممکن از منبع قرار داده شود. این کار همواره اثر مجاورتی را به همراه خواهد داشت (چون بیشتر میکروفن‌های مورد استفاده در اجرای زنده جهت‌دار هستند) اما کمی فیلتر High pass و اکولایزر کانال به سادگی مشکل را حل می‌کند.

خلاق یا فنی

چند حالت وجود دارد که در آنها، تنظیم موقعیت میکروفن حساس را به نفع شیوه‌های خلاقانه‌ای که صداهای جالبی را می‌گیرند، نقض می‌کنیم، به همین خاطر باید مراقب مشکلات احتمالی فاز و قطبیت باشیم.

رایج‌ترین مثال آن، تکنیک قدیمی میکروفن بالا/پایین در اسنیر درام است که در آن، یک میکروفن در بالای درام برای گرفتن صدای پوسته‌‌ی رویی و یک میکروفن در زیر آن برای گرفتن لرزش پوسته‌ی زیرین قرار داده می‌شود.

با این حال، وقتی این دو سیگنال مشابه با هم ترکیب می‌شوند به احتمال زیاد منجر به فیلترینگ شانه‌ای و ایجاد یک صدای نازک خواهد شد. این اتفاق به خاطر این است که وقتی به درام ضربه وارد می‌شود و پوسته‌ی آن به طرف بالا و پایین نوسان می‌کند، همزمان که به سمت میکروفن بالایی حرکت می‌کند از میکروفن پایینی دور می‌شود. بنابراین دو سیگنال با قطبیت مخالف خواهیم داشت. این موضوع را می‌توانیم به سادگی با دکمه‌ی قطبیت معکوس (که معمولاً برای میکروفن پایین استفاده می‌شود) حل کنیم.

یکی دیگر از تکنیک‌های رایج دو میکروفنی، ترکیب داخل و خارج کیک درام است که در آن یک میکروفن boundary در داخل کیک درام و یک میکروفن داینامیک در بیرون آن یا در حفره‌ی پوسته‌ی جلویی قرار داده می‌شود. در این حالت اختلاف آشکاری در زمان رسیدن صدا به دو میکروفن خواهیم داشت، که مشکلات فاز را به دنبال دارد. این مشکل را می‌توان با معکوس کردن قطبیت یکی از میکروفن‌ها حل کرد، اما طبق تجربه‌ این راه همیشه جوابگو نیست، و به همین خاطر می توانید یا میکروفن‌ها را حول یکی جابجا کنید یا کل بخش پایینی را از یکی از آنها جدا نمایید (تا از حذف فرکانس پایین جلوگیری شود) و سطوح مختلف را امتحان کنید تا به صدای دلخواه برسید (از فیلترینگ شانه‌ای استفاده کنید). این موضوع غالباً باعث می‌شود تا یکی از میکروفن‌ها را برای صدای فرکانس پایین و دیگری را برای صدای برد متوسط بالایی استفاده کنیم.

ما کنسول‌های دیجیتال با قابلیت تأخیر کانال‌های ورودی به صورت جداگانه را داریم، پس اگر میکروفن‌ها تقریباً 13.5 اینچ از هم فاصله داشته باشند، تأخیر 1 میلی ثانیه‌ای میکروفن بیرونی در واقع دو میکروفن را از نظر زمانی هم‌تراز می‌کند و نیاز به تصحیح اختلاف فاز از طریق معکوس کردن قطبیت یکی از آنها را از بین می‌برد.

ضبط دو میکروفنی آمپلی‌فایرهای گیتار یکی دیگر از تکنیک‌های محبوب است که می‌تواند مشکلات فاز را به همراه داشته باشد. یک ترفند خوب این است که از یک نفر بخواهید میکروفن‌ها را جابجا کند و بررسی کنید که کجا دامنه‌ی سیگنال ترکیبی بیشترین افت را دارد، سپس قطبیت معکوس یکی از میکروفن‌ها را فعال کنید تا یک صدای کامل و عالی داشته باشید.

اگر پشت آمپلی باز باشد، بهتر است یک میکروفن را پشت آن قرار دهیم، چون صدای کامل‌تری را می‌گیرد و می‌توان آن را با میکروفن جلویی ترکیب کرد تا یک طیف از صداها تولید شود. باز هم این دو میکروفن سیگنال‌های فاز مخالف را دریافت خواهند کرد، چون مخروط بلندگو به یکی نزدیک و از دیگری دور می‌شود، بنابراین باید از کلید قطبیت معکوس برای میکروفن پشتی استفاده کرد.

در نهایت، تعدد میکروفن‌هایی که روی صحنه استفاده می‌کنیم به این معناست که نمی‌توانیم مشکلات قطبیت و فاز را به طور کامل از بین ببریم، اما داشتن اطلاعات کافی در مورد قطبیت و فاز – در کنار جایگذاری هوشمندانه‌ی میکروفن‌ها – کمک زیادی به گرفتن صدای مطلوب خواهد کرد. مثل بسیاری از جنبه‌های دیگر صدای زنده، همه چیز بستگی به این دارد که گوش‌هایتان را به کار بیندازید و با دقت گوش کنید.

توجه: تمام محاسبات بر مبنای سرعت صدا در سطح دریا در دمای 65 درجه‌ی فارنهایت و برابر با 1.122 فوت بر ثانیه هستند.