×
ไดอะแฟรมทำหน้าที่เป็นตัวแปลงพลังงาน โดยเปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานเสียง เมื่อคอยล์เสียงที่ต่ออยู่กับไดอะแฟรมมีปฏิสัมพันธ์กับแม่เหล็กถาวรผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า จะเกิดการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและถอยหลังอย่างรวดเร็ว การสั่นสะเทือนนี้จะดันโมเลกุลของอากาศ สร้างโซนความดันสูง (การอัดตัว) และความดันต่ำ (การขยายตัว) แบบสลับกัน
วัสดุที่เบามือ เช่น กระดาษเคลือบหรือโพลิเมอร์คอมโพสิต ช่วยให้ถ่ายโอนพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ส่วนขอบที่แข็งแรง มักเป็นยางหรือโฟม จะจำกัดการเคลื่อนที่ให้อยู่ในแนวเส้นตรง พื้นที่ผิวของไดอะแฟรมกำหนดปริมาตรการเคลื่อนที่: ไดอะแฟรมขนาดใหญ่จะเคลื่อนอากาศได้มากกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการสร้างความถี่ต่ำ
เสียงทุกชนิดเกิดจากการสั่นสะเทือนภายในช่วงการได้ยินของมนุษย์ (20 Hz - 20 kHz) วัสดุของไดอะแฟรมมีผลโดยตรงต่อคุณภาพของโทนเสียง:
แรงคืนตัวของไดอะแฟรม ซึ่งมาจากสปริงเกอร์และองค์ประกอบแขวน ทำให้มั่นใจว่าการสั่นสะเทือนตรงตามสัญญาณขาเข้าอย่างแม่นยำ โดยไม่มีการสั่นสะเทือนควบคุมไม่ได้ รักษาความบริสุทธิ์ของสัญญาณตลอดช่วงไดนามิก
เมื่อไดอะแฟรมสั่น พวกมันจะสร้างคลื่นเชิงยาวที่แพร่กระจายผ่านอากาศโดยการชนกันของโมเลกุลเป็นลำดับ ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลัก ได้แก่:
| พารามิเตอร์ | ผลกระทบต่อคุณภาพเสียง | ปัจจัยพิจารณาในการออกแบบไดอะแฟรม |
|---|---|---|
| การย้ายที่ | กำหนดระดับแรงดันเสียง (SPL) | เส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น + การเคลื่อนที่มากขึ้น |
| ความถี่ธรรมชาติ | ส่งผลต่อการบิดเบือนในช่วงความถี่เฉพาะ | การปรับอัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนักให้เหมาะสม |
| การลดแรงสั่นสะเทือน | ควบคุมระยะเวลาการลดลงของแรงสั่นสะเทือน | การรักษาริมขอบแบบวิสโคเอลาสติก |
การสร้างคลื่นนี้เป็นไปตามกฎของฮุก (Hooke's Law) โดยแรงคืนตัวของไดอะแฟรมทำให้เกิดรอบการเคลื่อนไหวที่สามารถทำซ้ำได้และตอบสนองต่อสัญญาณขาเข้า ซึ่งจำเป็นต่อการถ่ายทอดเสียงอย่างแม่นยำ
คลื่นเสียงทำงานเป็นการรบกวนเชิงกลแบบตามยาว โดยเคลื่อนที่ผ่านวัสดุต่าง ๆ ด้วยการสร้างบริเวณที่โมเลกุลถูกอัดเข้าหากันแล้วจึงแยกออกจากกันอีกครั้ง ไดอะแฟรมที่สั่นสะเทือนจะผลักโมเลกุลของอากาศใกล้เคียง ทำให้เกิดคลื่นกระเพื่อมต่อเนื่องซึ่งถ่ายทอดจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่งด้วยความเร็วประมาณ 343 เมตรต่อวินาที เมื่อพิจารณาอากาศที่อุณหภูมิห้อง คลื่นเสียงเหล่านี้แตกต่างจากคลื่นขวางที่พบในวัตถุแข็ง เพราะพวกมันเคลื่อนที่ไปในแนวเดียวกับทิศทางการถ่ายโอนพลังงาน ซึ่งทำให้มันสามารถส่งเสียงผ่านสื่ออย่างอากาศและน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงทำให้เราสามารถได้ยินเสียงคนพูดได้ แม้จะอยู่ฝั่งตรงข้ามของห้องที่เต็มไปด้วยโมเลกุลก๊าซที่เคลื่อนที่ชนกันไปมา
การสั่นของไดอะแฟรมสร้างความผันผวนของแรงดันที่วัดได้ในสองระยะ:
ความแตกต่างของความดันนี้จะแผ่ขยายออกไปด้วยความเร็วที่ขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของตัวกลาง ไดอะแฟรมที่สั่นสะเทือนที่ความถี่ 1 กิโลเฮิรตซ์ จะสร้างพีคความดัน 1,000 ครั้งต่อวินาที ซึ่งกำหนดระดับเสียงที่รับรู้ได้โดยตรง
เมื่อไดอะแฟรมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. เคลื่อนที่เพียง 0.1 มม. ต่อการสั่นแต่ละครั้ง จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอากาศประมาณ 0.2 ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเพียงพอที่จะสร้างเสียงที่เราสามารถได้ยินได้ ความเร็วในการเคลื่อนที่ของไดอะแฟรมมีผลโดยตรงต่อระดับความดังของเสียง จนถึงประมาณ 110 เดซิเบล หลังจากถึงระดับนี้ สิ่งที่น่าสนใจจะเกิดขึ้น คือ อากาศเองเริ่มแสดงพฤติกรรมที่ไม่แน่นอน ทำให้คลื่นเสียงที่เคยชัดเจนกลายเป็นบิดเบือน สำหรับการทำงานของลำโพงให้มีประสิทธิภาพสูงสุด จำเป็นต้องมีการจับคู่ระหว่างความต้านทานที่ไดอะแฟรมเผชิญกับสิ่งที่อากาศรอบข้างเสนอ (ประมาณ 415 ปาสกาล·วินาที/เมตร) จุดการจับคู่นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับนักออกแบบ เพราะการตั้งค่าให้ถูกต้องจะหมายถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้นจากลำโพง และยังช่วยลดการสะท้อนที่ไม่ต้องการ ซึ่งทำให้สูญเสียพลังงาน
แผ่นพีโซอิเล็กทริกทำงานโดยการเปลี่ยนไฟฟ้าเป็นเสียงผ่านสิ่งที่เรียกว่าเอฟเฟกต์พีโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ อุปกรณ์เหล่านี้ทำจากชั้นเซรามิกพีโซอิเล็กทริกที่ติดอยู่กับแผ่นโลหะด้านหลัง โดยปกติจะเป็นทองเหลือง หรือบางครั้งเป็นนิกเกิล ขึ้นอยู่กับความชอบของผู้ผลิต เมื่อประยุกต์แรงดันไฟฟ้าเข้าไป ก็จะเกิดปรากฏการณ์อันน่าอัศจรรย์ขึ้น เซรามิกจะยืดออกหรือหดตัว ส่งผลให้ส่วนโลหะโค้งงอไปมา จนเกิดเป็นเสียงที่เราได้ยินได้ สิ่งใดที่ทำให้มันพิเศษ? อุปกรณ์เหล่านี้ไม่จำเป็นต้องใช้คอยล์หรือแม่เหล็ก ซึ่งทำให้ออกแบบให้มีความบางเฉียบได้อย่างน่าทึ่ง นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเราถึงเห็นมันปรากฏอยู่ทุกที่ ตั้งแต่ระบบเตือนภัยในโรงพยาบาล สมาร์ตวอทช์ ไปจนถึงคุณสมบัติการสั่นของโทรศัพท์มือถือ ซึ่งพื้นที่มีความสำคัญมากที่สุด
แผ่นพีโซอิเล็กทริกใช้โครงสร้างแบบแซนด์วิชสามชั้น:
| ชั้น | ตัวเลือกวัสดุ | คุณสมบัติหลัก |
|---|---|---|
| องค์ประกอบที่ใช้งาน | ตะกั่วไซโรวิเคตไททาเนต (PZT), เบอรีเยียมไททาเนต | สัมประสิทธิ์พีโซอิเล็กทริกสูง |
| ฐาน | ทองเหลือง, โลหะผสมนิกเกิล | ความยืดหยุ่นทางกล |
| อิเล็กโทรด | เงิน ทอง | การนำไฟฟ้าที่เหมาะสม |
ซับสเตรตทองเหลืองมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (83% ของอุปกรณ์ทั้งหมด) เนื่องจากมีความสมดุลระหว่างความยืดหยุ่นและต้นทุน ขณะที่โลหะผสมนิกเกิลเป็นที่นิยมในงานอุตสาหกรรมที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อน การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าเซรามิก PZT-5H มีช่วงการตอบสนองความถี่กว้างกว่าไทเทเนตบารีเอียมแบบดั้งเดิมถึง 15%
เมื่อประยุกต์ใช้แรงดันไฟฟ้าสลับ จะทำให้ชั้นเซรามิกงอตัวในลักษณะที่ควบคุมได้ผ่านการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึก อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานได้ค่อนข้างดีในช่วงความถี่ที่หูของเรารับได้ เมื่อเราประยุกต์แรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ประมาณ 1 ถึง 20 โวลต์ ความถี่เสียงที่ได้ยินจะครอบคลุมตั้งแต่เสียงเบสต่ำที่ 20 เฮิรตซ์ ไปจนถึงเสียงแหลมสูงที่ 20 กิโลเฮิรตซ์ มีการทดสอบบางอย่างแสดงผลลัพธ์ที่น่าสนใจด้วย – แผ่นทองเหลืองบางเพียง 0.1 มิลลิเมตร สามารถผลิตเสียงที่ดังกว่าประมาณ 6 เดซิเบล เมื่อเทียบกับแผ่นนิกเกิลที่มีลักษณะคล้ายกัน เมื่อทำการทดสอบที่ความถี่ 10 กิโลเฮิรตซ์ สิ่งที่โดดเด่นที่สุดคือประสิทธิภาพของไดอะแฟรมแบบพีโซ (piezo diaphragms) ซึ่งแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนไหวได้ดีกว่าลำโพงแม่เหล็กไฟฟ้าแบบดั้งเดิมมาก โดยประหยัดพลังงานได้ประมาณ 40% ในระยะเวลานาน ตามการวัดจากอุตสาหกรรม
องค์ประกอบของเซรามิกมีอิทธิพลอย่างสำคัญต่อสมรรถนะ:
การเปรียบเทียบตามมาตรฐานอุตสาหกรรมระบุว่า ไดอะแฟรมที่มีฐานทองเหลืองสามารถให้ระดับแรงดันเสียง (SPL) ได้ 92 dB ที่กำลังไฟขาเข้า 1 วัตต์ ซึ่งดังกว่าตัวแปรอลูมิเนียม 8 dB อย่างไรก็ตาม ไฮบริดนิกเกิลมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าถึงสามเท่าในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง แสดงให้เห็นถึงการแลกเปลี่ยนระหว่างคุณภาพเสียงและอายุการใช้งานในการเลือกวัสดุ
เสียงในลำโพงแม่เหล็กไฟฟ้าเริ่มต้นขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสามส่วนหลัก ได้แก่ ไดอะแฟรม คอยล์เสียง และแม่เหล็กถาวร เมื่อสัญญาณไฟฟ้าผ่านคอยล์เสียง จะเกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงขึ้น ซึ่งจะมีปฏิกิริยากับแม่เหล็กตัวถาวรภายในลำโพง ทำให้ทั้งคอยล์และไดอะแฟรมที่เชื่อมต่อกันสั่นไปมา การพิจารณาการทำงานของไดนามิกไดรเวอร์ช่วยให้เราเข้าใจว่าทำไมความแข็งแรงของไดอะแฟรมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตคลื่นเสียงที่ชัดเจน ที่ความถี่สูงกว่า 5 กิโลเฮิรตซ์ การโก่งหรือการยืดหยุ่นของวัสดุจะก่อให้เกิดการบิดเบือนที่ไม่ต้องการ ผู้ผลิตลำโพงใช้เวลานานในการทดสอบวัสดุต่างๆ เพื่อหาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความยืดหยุ่นและความแข็งแรงของโครงสร้าง เพื่อประสิทธิภาพเสียงที่ดีที่สุดในช่วงความถี่ทั้งหมด
คอยล์เสียงมักจะถูกจัดวางไว้ที่จุดด้านบนสุด หรือรอบขอบของไดอะแฟรม ซึ่งทำให้เกิดการเชื่อมต่อโดยตรงสำหรับการเคลื่อนไหว เมื่อคอยล์เหล่านี้เคลื่อนที่ไปมาในช่วงความถี่กว้างตั้งแต่ 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ พลังงานจลน์จะกระจายออกไปอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นที่ของไดอะแฟรม วัสดุใหม่ที่มีน้ำหนักเบาจึงมีความสำคัญมากในจุดนี้ เช่น อลูมิเนียม หรือสารเคลือบพอลิเมอร์พิเศษที่ผสมไทเทเนียม สามารถตอบสนองได้เร็วกว่าการออกแบบแบบเดิมที่ใช้กระดาษประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ ส่งผลอย่างมากต่อการสร้างเสียงที่เกิดขึ้นทันที และช่วยเน้นรายละเอียดคมชัดในย่านความถี่สูง ซึ่งเป็นสิ่งที่นักฟังเพลงคุณภาพให้ความนิยมอย่างมาก
คลื่นเสียงถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าผ่านการเปลี่ยนแปลงทั้งแอมพลิจูดและความถี่ เมื่อพูดถึงอุปกรณ์เสียง สัญญาณระดับ 12 โวลต์จากยอดหนึ่งไปยังอีกยอดหนึ่ง (peak-to-peak) ก็เพียงพอแล้วที่จะทำให้ลำโพงซับวูฟเฟอร์ขนาดใหญ่เคลื่อนที่ไป-มา มากกว่า 2 มิลลิเมตร การเคลื่อนที่นี้สร้างความถี่ต่ำที่ทรงพลัง ซึ่งเราไม่เพียงแต่ได้ยิน แต่ยังรู้สึกได้ถึงแรงสั่นสะเทือนในช่วงอก อุปกรณ์ขยายเสียงรุ่นใหม่ล่าสุดก็พัฒนาไปไกลมากเช่นกัน ในปัจจุบันสามารถควบคุมค่าความเพี้ยนรวมของฮาร์โมนิก (total harmonic distortion) ให้ต่ำกว่า 0.05% ซึ่งหมายถึงเสียงที่สะอาดและบริสุทธิ์ยิ่งขึ้น การพิจารณาข้อมูลจากการวิจัยของสมาคมวิศวกรรมเสียง (Audio Engineering Society) ในปี 2023 แสดงให้เห็นว่า นี่คือความก้าวหน้าที่ดีขึ้นประมาณสิบห้าเท่า เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีที่มีอยู่ในช่วงทศวรรษที่ 90
ไดรเวอร์ลำโพงในปัจจุบันสามารถถ่ายทอดเสียงได้อย่างแม่นยำอย่างน่าทึ่ง เนื่องจากทำงานร่วมกับส่วนของไดอะแฟรมอย่างมีประสิทธิภาพ การศึกษาเมื่อปี 2024 จากสาขาวิศวกรรมเสียงพบข้อมูลที่น่าสนใจเกี่ยวกับไดรเวอร์แบบฮอร์นด้วย อุปกรณ์ออกแบบใหม่เหล่านี้สามารถเพิ่มการควบคุมทิศทางของเสียงได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนๆ เมื่อผู้ผลิตจับคู่การเคลื่อนไหวของไดอะแฟรมเข้ากับรูปร่างของตัวสะท้อนเสียงโค้ง คลื่นเสียงที่เกิดขึ้นจะมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ส่งผลให้ลดปัญหาการหักล้างกันของคลื่นเสียง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อส่วนต่างๆ ของคลื่นเสียงขัดแย้งกันเอง สำหรับผู้ที่ใส่ใจคุณภาพเสียงไม่ว่าจะใช้งานที่บ้านหรือในสตูดิโออัดเสียง การพัฒนาเช่นนี้ถือเป็นความแตกต่างที่สำคัญ
ความแข็ง น้ำหนัก และคุณสมบัติการดูดซับแรงสั่นสะเทือนของไดอะแฟรม ล้วนเป็นปัจจัยที่กำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของมันอย่างแท้จริง เมื่อผู้ผลิตใช้วัสดุที่มีความแข็งมากขึ้น เช่น โลหะผสมอลูมิเนียม ก็สามารถลดโหมดการแยกตัวของความถี่สูงที่รบกวนคุณภาพเสียงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ช่วงเสียงแหล่มีความชัดเจนขึ้นจนถึงประมาณ 20 กิโลเฮิรตซ์ สำหรับช่วงความถี่กลาง วัสดุคอมโพสิตพอลิเมอร์บางพิเศษนั้นมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในการรักษาระดับการตอบสนองเชิงเส้นในระดับเสียงต่างๆ แต่ควรระวังหากมวลของไดอะแฟรมบางมากเหล่านี้ (หนาน้อยกว่า 0.1 มิลลิเมตร) ถูกกระจายไม่เหมาะสม เพราะอาจทำให้ระดับการบิดเบือนฮาร์โมนิกเพิ่มขึ้นระหว่าง 12% ถึง 18% ตามงานวิจัยล่าสุดจากสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุ ในปัจจุบัน บริษัทหลายแห่งเริ่มหันไปใช้เทคนิคเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรเมตรี เพื่อกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนของการสั่นสะเทือนบนพื้นผิวของไดอะแฟรม ซึ่งช่วยให้สามารถเสริมความแข็งแรงในบริเวณเฉพาะได้ โดยไม่ทำให้ความสามารถในการตอบสนองอย่างรวดเร็วของลำโพงต่อสัญญาณเสียงที่เปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันลดลง
การผสมผสานวัสดุชั้นนำกำลังเปลี่ยนนิยามของศักยภาพด้านเสียง:
นวัตกรรมเหล่านี้ ซึ่งได้รับการตรวจสอบแล้วในการทดสอบวัสดุอิสระ แสดงให้เห็นว่าการวิศวกรรมในระดับอะตอมสามารถแปลงเป็นการปรับปรุงที่จับต้องได้ ตั้งแต่ความลึกของเสียงออร์เคสตราที่เข้มข้นขึ้น ไปจนถึงความชัดเจนของเสียงพูดที่ดีขึ้นในอุปกรณ์อัจฉริยะ
ไดอะแฟรมทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณในอุปกรณ์เสียง โดยเปลี่ยนการสั่นสะเทือนเชิงกลให้เป็นคลื่นเสียง
ไดอะแฟรมพีโซอิเล็กทริกผลิตเสียงโดยอาศัยปรากฏการณ์พีโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ ซึ่งชั้นเซรามิกจะโค้งงอตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้า
วัสดุต่างๆ เช่น คอมโพสิตยืดหยุ่น ไฮบริดไทเทเนียม/ไฟเบอร์กลาส และพอลิเมอร์ มีผลโดยตรงต่อความชัดเจนและประสิทธิภาพของเสียงในเทคโนโลยีไดอะแฟรม
EN
