مكبر الصوت — ما هو، أنواعه وكيف يعمل في الأجهزة المحمولة

ما هو مكبر الصوت؟

مكبر الصوت هو محول كهرصوتي يحول الإشارة الكهربائية ذات التردد الصوتي إلى اهتزازات ميكانيكية للحجاب الحاجز، مما يخلق موجات صوتية في الهواء. المكونات الرئيسية هي: مغناطيس دائم، ملف صوتي، حجاب حاجز (غشاء)، وتعليق. التيار في الملف يخلق مجالاً مغناطيسياً يتفاعل مع مجال المغناطيس الدائم، مما يحرك الملف مع الحجاب الحاجز.

في الأجهزة المحمولة، يشكل الحد من حجم مكبر الصوت تحدياً رئيسياً للتشغيل. قطر الحجاب الحاجز في الهواتف الذكية الرائدة (iPhone, Galaxy) هو 12–16 مم لمكبر الصوت الرئيسي. وفقاً لقوانين الصوتيات، تتطلب الترددات المنخفضة حجماً كبيراً من الهواء المزاح — لا يمكن للحجاب الحاجز الصغير إنتاج الجهير تحت 200–300 هرتز. لذلك، تنتج مكبرات الصوت المدمجة في الهواتف الذكية الترددات المتوسطة والعالية بشكل أساسي.

لتحسين نطاق الترددات المنخفضة، يستخدم المصنعون غرف الرنين الصوتي في جسم الهاتف الذكي. يدفع الحجاب الحاجز لمكبر الصوت الهواء إلى غرفة بلاستيكية بحجم 0.5–1.5 مل، والتي تعمل كعاكس طور — تحول حد التردد المنخفض إلى 150–200 هرتز. بدون الغرفة، سيكون الحد الأدنى 400–500 هرتز.

مكبر الصوت الكهروديناميكي مقابل البيزوكهراميكي

معظم مكبرات الصوت في الهواتف الذكية من النوع الكهروديناميكي. ومع ذلك، في بعض السيناريوهات (سماعة الأذن، فتح القفل بالموجات فوق الصوتية) تُستخدم محولات بيزوكهراميكية. تستخدم هذه المحولات تأثير الكهرضغطية العكسي: تغيير الجهد يغير حجم البلورة، التي تهتز وتخلق الصوت.

مكبرات الصوت البيزوكهراميكية أرق وتوفر مساحة للبطارية، لكنها أدنى في مستوى الصوت وجودته. على سبيل المثال، Crystal Speaker في هواتف سلسلة Xperia يستخدم الشاشة الزجاجية كحجاب حاجز — يتم إنشاء الصوت باهتزاز الزجاج نفسه من خلال عنصر كهرضغطي، بدون ملف ومغناطيس تقليديين.

تكوين مكبرات الصوت: سماعة الأذن، مكبر الصوت الرئيسي، مكبر الترددات العالية

يتضمن تكوين النظام الصوتي للهاتف الذكي من 2 إلى 4 محولات. سماعة الأذن تقع في الأعلى فوق الشاشة — مهمتها نقل صوت المتحدث. سماعة الأذن محسنة للترددات المتوسطة (200–3400 هرتز) ولها عادة طاقة 0.1–0.3 واط لحجم مريح يبلغ 60–70 ديسيبل عند الأذن.

مكبر الصوت الرئيسي يقع في الحافة السفلية أو تحت الشاشة (إذا كانت الشاشة منحنية). إنه أقوى مكبر صوت في الهاتف الذكي بقدرة RMS تصل إلى 2 واط ونطاق تردد 150–18000 هرتز. في التكوين المجسم، يتولى مكبر الصوت الرئيسي القناة اليمنى، بينما تتولى سماعة الأذن القناة اليسرى. تضيف بعض الطرازات الرائدة محولاً ثالثاً — مكبر الترددات العالية للترددات العالية (5–20 كيلوهرتز) بتضخيم منفصل.

يقوم برنامج الترميز ومكبر الصوت من الفئة D بضبط الاستريو. يقوم المصنع (Apple, Samsung, Xiaomi) بتكوين التقاطع والمعادل وفقاً للخصائص المحددة لمكبرات الصوت. لا يمكن للمطور تغيير هذا الإعداد برمجياً — فقط تمكين أو تعطيل معالجة الصوت النظامية من خلال معلمات النظام.

مثال على التشغيل عبر AudioTrack على أندرويد

fun playTone(frequency: Int) {
    val sampleRate = 44100
    val duration = 1.0
    val numSamples = (sampleRate * duration).toInt()
    val samples = ShortArray(numSamples)

    for (i in 0 until numSamples) {
        val t = i.toDouble() / sampleRate
        samples[i] = (Short.MAX_VALUE * sin(
            2.0 * Math.PI * frequency * t
        )).toShort()
    }

    val track = AudioTrack(
        AudioManager.STREAM_MUSIC,
        sampleRate,
        AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO,
        AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,
        numSamples * 2,
        AudioTrack.MODE_STATIC
    )
    track.write(samples, 0, numSamples)
    track.play()
}

يقوم الكود بتوليد إشارة جيبية بتردد معين (PCM 16 بت، أحادي) وتشغيلها عبر AudioTrack في تيار STREAM_MUSIC. AudioTrack هي واجهة برمجة تطبيقات منخفضة المستوى لتوليد الصوت في الوقت الفعلي: يحصل التطبيق على وصول مباشر إلى المخزن المؤقت للصوت ويتحكم في التشغيل بزمن وصول أقل من 50 مللي ثانية.

المعلمات الرئيسية: المقاومة، الحساسية، نطاق الترددات

المقاومة لمكبر الصوت هي المقاومة الكهربائية الكلية للملف، مقاسة بالأوم عند 1 كيلوهرتز. القيمة النموذجية لمكبرات الصوت المحمولة هي 4 و8 أوم. يحدد قانون أوم التيار: عند جهد ثابت 3.7 فولت، يستهلك مكبر الصوت 4 أوم تياراً أكبر مرتين من مكبر الصوت 8 أوم، مما ينتج صوتاً أعلى. ومع ذلك، تزيد المقاومة المنخفضة من تسخين مكبر الصوت من الفئة D.

الحساسية (SPL, مستوى ضغط الصوت) هي ضغط الصوت على مسافة 1 متر عند تطبيق 1 واط من الطاقة. تقاس بـ dB/W/m. القيمة النموذجية لمكبر الصوت الرئيسي في الهاتف الذكي هي 78–85 dB/W/m. فرق 3 ديسيبل يقابل مضاعفة الطاقة الكهربائية. يتم تحديد الحساسية من خلال تصميم الحجاب الحاجز والمواد وحجم الغرفة الصوتية.

نطاق الترددات هو الفاصل الزمني للترددات التي يعيد فيها مكبر الصوت إنتاج الإشارة بعدم انتظام لا يزيد عن ±10 ديسيبل. لمكبر الصوت المدمج في الهاتف الذكي — 200–18000 هرتز. يحدد حجم الحجاب الحاجز وحجم الغرفة الحد الأدنى، بينما يحدد قصور الملف وكتلة النظام المتحرك الحد الأعلى.

وفقاً DXOMARK Audio (2025)، تحقق الهواتف الذكية الرائدة SPL يتراوح بين 75–82 ديسيبل في اختبارات جهارة الصوت مع THD أقل من 1% عند 70% من مستوى الصوت. لا يزال الرواد في جودة صوت مكبرات الصوت هم iPhone 16 Pro Max وSamsung Galaxy S25 Ultra وXiaomi 15 Pro.

تشغيل الصوت: Android AudioTrack وiOS AVAudioPlayer

AudioTrack (أندرويد) هي واجهة برمجة تطبيقات لإرسال مخازن PCM المؤقتة مباشرة إلى تيار الصوت. يدير التطبيق محتوى المخزن المؤقت، مما يسمح بتوليد النغمات وبث الصوت عبر الشبكة أو خلط مصادر متعددة. يعمل AudioTrack في وضعين: MODE_STATIC (مخزن مؤقت واحد يتم تشغيله مرة واحدة) وMODE_STREAM (يتم إرسال المخازن المؤقتة باستمرار عبر write()).

AVAudioPlayer (آي أو إس) هي واجهة برمجة تطبيقات عالية المستوى لتشغيل الملفات بتنسيقات MP3 وAAC وWAV وغيرها. للوصول منخفض المستوى إلى المخزن المؤقت للصوت، يُستخدم AVAudioEngine مع عقدة المشغل. لا يتطلب AVAudioPlayer تحليل برنامج الترميز — يقوم النظام تلقائياً بفك تشفير تنسيق الملف إلى PCM عبر AudioToolbox.

للتطبيقات الحساسة لزمن الوصول (الألعاب، المُركِّبات)، يستخدم iOS AVAudioSession مع فئة .playback وخيار .withAudioWithOthers للخلط مع الموسيقى الخلفية. على أندرويد — AudioTrack مع PERFORMANCE_MODE_LOW_LATENCY (أندرويد 8+) لتقليل زمن الوصول إلى 10–20 مللي ثانية.

مثال على التشغيل بلغة Swift (آي أو إس)

import AVFoundation

func playSound(name: String) {
    guard let url = Bundle.main.url(
        forResource: name, withExtension: "mp3"
    ) else { return }

    let session = AVAudioSession.sharedInstance()
    try? session.setCategory(.playback)

    let player = try? AVAudioPlayer(contentsOf: url)
    player?.volume = 0.8
    player?.play()
}

يبحث الكود عن الملف في الحزمة، وينشط جلسة الصوت مع فئة .playback (التشغيل حتى في الوضع الصامت)، ويبدأ المشغل. يتولى AVAudioPlayer فك التشفير والتشغيل تلقائياً — يحتاج المطور فقط إلى تحديد URL وضبط مستوى الصوت.

تحسين الصوت: المعادل، الصوت المحيطي الافتراضي، DAC

تتضمن الهواتف الذكية الحديثة خوارزميات برمجية لتحسين الصوت على مستوى برنامج الترميز أو DSP. المعادل يضبط سعة نطاقات التردد. يوفر أندرويد فئة Equalizer من واجهة AudioEffect مع إعدادات مسبقة (روك، كلاسيكي، تعزيز الجهير) ونطاقات مخصصة. آي أو إس — MPVolumeView مع معادل نظام فقط لتطبيق الموسيقى.

الصوت المحيطي الافتراضي يعالج الإشارة المجسمة عبر مرشحات HRTF (وظيفة نقل متعلقة بالرأس)، محاكياً وضع مصادر الصوت حول المستمع. يُطبق عبر IAudioProcessingObject (أندرويد) أو AVAudioUnitReverb / AVAudioUnitEQ (آي أو إس). للألعاب والفيديو، يحسن الصوت المحيطي الافتراضي الإدراك المكاني لكنه يقلل دقة تحديد موقع المصدر.

DAC (محول رقمي إلى تناظري) يحول تيار PCM الرقمي إلى إشارة تماثلية لمكبر الصوت. تحتوي معظم معالجات SoC (Snapdragon, A17) على DAC مدمج بتردد يصل إلى 384 كيلوهرتز وعمق بت يصل إلى 32 بت. تستخدم الطرازات الرائدة (LG G8 مع ESS Sabre, Xiaomi 15 مع AKM) DAC منفصلاً من فئة Hi-Fi بنسبة إشارة إلى ضوضاء تصل إلى 132 ديسيبل ودعم DSD — للسماعات السلكية، وليس لمكبرات الصوت المدمجة.