Microphone — ما هو، أنواعه وكيف يعمل في الأجهزة المحمولة

ما هو الميكروفون؟

الميكروفون هو جهاز كهرصوتي يحول اهتزازات الضغط الصوتي إلى إشارة كهربائية. حسب مبدأ العمل، تُقسم إلى ديناميكية (ملف في مجال مغناطيسي)، وسعوية (تغير السعة) وكهروضغطية. في الأجهزة المحمولة، الغالبية العظمى هي ميكروفونات MEMS سعوية بسبب حجمها المصغر (2.5 × 1.5 مم) وتوافقها مع تقنية التركيب السطحي (SMD).

يتكون الميكروفون من غشاء يهتز تحت تأثير الضغط الصوتي وإلكترود ثابت، يشكلان مكثفًا. تغير المسافة بين اللوحين يغير السعة، مما يعدل جهد الخرج. في ميكروفونات MEMS، يُصنع الغشاء من البولي سيليكون باستخدام التصوير الضوئي — وهذا يضمن خصائص متطابقة لجميع الميكروفونات في الدفعة.

إشارة الخرج لميكروفون MEMS هي PDM (تعديل كثافة النبض) — تيار أحادي البت بمعدل عينة 1–4 ميغاهرتز. تقوم ترميزات الهاتف الذكي بفك تشفير PDM إلى PCM (تعديل نبضي مرمز) عبر مرشح تناقص رقمي، للحصول على تنسيق صوت قياسي 16–24 بت بتردد 44.1–96 كيلوهرتز لمعالجة التطبيق.

MEMS مقابل الميكروفونات الكهربائية

قبل ظهور MEMS، كانت الأجهزة المحمولة تستخدم ميكروفونات مكثفة كهربائية (ECM). فيها، كان للغشاء شحنة كهربائية دائمة (إلكتريت)، واهتزازات الغشاء تخلق جهدًا متناوبًا. ميكروفونات ECM أكبر حجمًا (4–6 مم) وتتطلب مضخمًا أوليًا منفصلًا، مما يزيد المساحة على اللوحة.

تسيطر ميكروفونات MEMS بسبب الحجم الأصغر والخصائص المستقرة وقابلية اللحام على خطوط SMD القياسية. ومع ذلك، لا تزال ECM تُستخدم في الأجهزة الاقتصادية بسبب انخفاض تكلفة المكون (0.15–0.30 دولار مقابل 0.25–0.60 دولار لـ MEMS).

تكوين متعدد الميكروفونات: رئيسي، أمامي، خلفي

تحتوي الهواتف الذكية الحديثة على 3 إلى 4 ميكروفونات، يحدد موقعها جودة التسجيل وإلغاء الضوضاء. الميكروفون الرئيسي (سفلي) موجود على الحافة السفلية بجانب منفذ USB-C — يسجل صوت المستخدم أثناء المكالمات وتسجيل الفيديو. الميكروفون الأمامي (علوي) على الحافة العلوية للأوامر الصوتية وقناة ثانية في التسجيل الاستريو.

الميكروفون الخلفي يوضع عادة بالقرب من الكاميرا على اللوحة الخلفية ويُستخدم حصريًا لإلغاء الضوضاء. لا يتم تسجيل إشارته في ملف الصوت — بل تُطرح فقط بواسطة المعالج الرقمي من إشارة الميكروفون الرئيسي. في بعض الهواتف الرائدة (iPhone 16 Pro، Samsung Galaxy S25)، يُثبت ميكروفون رابع — في ثلمة الكاميرا الأمامية لتحسين التسجيل أثناء مكالمات الفيديو.

يتم تسجيل الفيديو الاستريو من خلال مجموعة من الميكروفونات السفلية والعلوية. يختار iOS تلقائيًا زوج الميكروفونات حسب اتجاه الجهاز — في الوضع الأفقي، تأتي القناة اليسرى من الحافة اليسرى، واليمنى من الحافة اليمنى. على Android، يعتمد هذا المنطق على تنفيذ الشركة المصنعة وقد يختلف بين الموديلات.

مثال لاختيار مصدر الصوت في Kotlin (Android)

val recorder = AudioRecord(
    MediaRecorder.AudioSource.CAMCORDER,
    44100,
    AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO,
    AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,
    bufferSize
)
recorder.startRecording()

val buffer = ShortArray(bufferSize)
while (recorder.recordingState == AudioRecord.RECORDSTATE_RECORDING) {
    recorder.read(buffer, 0, buffer.size)
    // معالجة المخزن PCM
}

يختار AudioSource.CAMCORDER الميكروفون الأمثل لتسجيل الفيديو — عادة الميكروفون الرئيسي السفلي مع تحكم تلقائي في الكسب. للتسجيل الصوتي، يُستخدم VOICE_RECOGNITION — هذا المصدر يعطل جميع المرشحات وإلغاء الضوضاء للحصول على إشارة نظيفة للتعرف على الكلام.

كيف يعمل إلغاء الضوضاء في الهواتف الذكية

إلغاء الضوضاء النشط (ANC) في الهواتف الذكية يعتمد على الطريقة التفاضلية: ميكروفون ثان (مرجعي) يسجل بشكل أساسي ضوضاء الخلفية، بينما الميكروفون الرئيسي يلتقط مزيجًا من الصوت والضوضاء. يقوم معالج الإشارات الرقمية (DSP) بطرح الإشارة المرجعية من الرئيسية، تاركًا فقط الصوت النقي.

تعتمد جودة إلغاء الضوضاء على المسافة بين الميكروفونات واتجاهيتها. الكبح النموذجي للضوضاء المنتظمة (طائرة، مروحة) هو 20–35 ديسيبل. للضوضاء النبضية (إغلاق باب، اصطدام أطباق)، يُستخدم كتلة إضافية لقمع العابرين تستبدل المقطع المشوه بإشارة مقربة من العينات المجاورة.

يمكن للمطور التأثير على خوارزميات إلغاء الضوضاء فقط من خلال معلمات جلسة الصوت: على Android — AudioManager.setParameters("noise_suppression=on/off")، على iOS — فئة AVAudioSession .playAndRecord مع خيار .allowBluetoothA2DP. عند التسجيل للتعرف، عادة ما يُعطل إلغاء الضوضاء — خوارزميات STT تعمل بدقة أكبر مع الإشارة الأصلية.

التقاط الصوت: Android AudioRecord و iOS AVAudioEngine

AudioRecord (Android) — واجهة برمجة تطبيقات منخفضة المستوى للتسجيل المباشر لبيانات PCM من الميكروفون. يتلقى التطبيق مخازن مؤقتة ببيانات صوت خام يمكن معالجتها في الوقت الفعلي: تحليل الصوت، تحليل التردد (FFT)، كشف نشاط الصوت (VAD). يُحسب الحد الأدنى للمخزن المؤقت عبر AudioRecord.getMinBufferSize() — استخدام حجم أصغر يسبب تأخيرًا أو فشلًا في التسجيل.

AVAudioEngine (iOS) — رسم بياني وحداتي لمعالجة الصوت حيث تتصل عقدة الإدخال (AVAudioInputNode) بالموزع الرئيسي أو مباشرة بمعالج tap. يتيح المحرك تحليل RMS (جذر متوسط المربعات) في الوقت الفعلي — مؤشر حجم الإشارة — والطيف الترددي عبر AVAudioUnitEQ.

الاختلافات الرئيسية بين المنصات: على iOS، يتطلب التسجيل تنشيطًا إلزاميًا لـ AVAudioSession بفئة .playAndRecord أو .record؛ على Android، مطلوب إذن RECORD_AUDIO (إذن وقت التشغيل) ومصدر صوت ميكروفون. يستخدم Flutter المكون الإضافي record لتجريد هذه الاختلافات.

مثال لالتقاط الصوت في Swift (iOS)

import AVFoundation

let engine = AVAudioEngine()
let inputNode = engine.inputNode
let format = inputNode.outputFormat(forBus: 0)

inputNode.installTap(onBus: 0, bufferSize: 1024,
    format: format) { buffer, time in
    guard let channelData = buffer.floatChannelData else { return }
    let frameLength = Int(buffer.frameLength)
    var sumSquares: Float = 0

    for i in 0..<frameLength {
        sumSquares += channelData[0][i] * channelData[0][i]
    }
    let rms = sqrt(sumSquares / Float(frameLength))
    print("مستوى الصوت RMS: \(rms)")
}

try engine.start()

يحدد الكود tap على عقدة الإدخال لمحرك AVAudioEngine. يحتوي كل مخزن صوتي مؤقت على بيانات float للإشارة أحادية الصوت من الميكروفون. يُحسب RMS كجذر متوسط مربع السعة — مؤشر قياسي لحجم الصوت في نطاق من 0.0 (صمت) إلى ~0.5–1.0 (صوت عالٍ).

خصائص الميكروفون: SNR، AOP، نطاق التردد

تُستخدم معاملات رئيسية لتقييم جودة الميكروفون. SNR (نسبة الإشارة إلى الضوضاء) — نسبة مستوى الإشارة إلى ضوضاء الميكروفون الذاتية، تُقاس بـ ديسيبل A. كلما زاد SNR، كانت ضوضاء الخلفية في التسجيل أقل. للمكالمات الصوتية، 62–64 ديسيبل A كافٍ، لتسجيل الموسيقى — 68+ ديسيبل A مطلوب.

AOP (نقطة التحميل الصوتي الزائد) — أقصى مستوى ضغط صوتي (SPL) يمكن للميكروفون تحويله بدون قص. لميكروفون MEMS نموذجي، AOP = 125 ديسيبل. في الحفلات الموسيقية (110–120 ديسيبل)، سيكون التسجيل نظيفًا، ولكن عند 130+ ديسيبل (ألعاب نارية قريبة)، سيظهر تشوه غير خطي (THD > 10%).

يحدد نطاق التردد أي الترددات يسجلها الميكروفون بدون توهين. للصوت، 300–3400 هرتز (معيار الهاتف، POTS) كافٍ. للموسيقى والفيديو — 20–20000 هرتز. توفر ميكروفونات MEMS في أحدث جيل من الهواتف الذكية (Knowles SPH9855) نطاقًا من 30–18000 هرتز مع استواء ±3 ديسيبل.