كل ما تحتاج معرفته عن سماعات الرأس وتاريخ الاختراع

ما هي سماعات الرأس كل ما تحتاج معرفته

سماعات الرأس عبارة عن زوج من محركات السماعات الصغيرة التي تُرتدى على أو حول الرأس فوق أذني المستخدم. إنها محولات كهرواكاسية، تحول الإشارة الكهربائية إلى صوت مطابق. تتيح سماعات الرأس لمستخدم واحد الاستماع إلى مصدر صوتي بشكل خاص، على عكس السماعات الصاخبة، التي تصدر الصوت في الهواء الطلق ليتمكن أي شخص قريب من سماعه. تُعرف سماعات الرأس أيضًا باسم سماعات الأذن أو، بشكل دارج، 'كانز'. تستخدم سماعات الرأس حول الأذن (Circumaural) وفوق الأذن (Supra-aural) شريطًا فوق رأس المستخدم لتثبيت المحركات في مكانها. نوع آخر يُعرف باسم سماعات الأذن الداخلية أو وحدات الأذن، يتكون من وحدات فردية تُدخل في قناة أذن المستخدم؛ وقد تم تطوير سماعات لاسلكية داخلية ضمن هذه الفئة باستخدام تكنولوجيا الاتصال اللاسلكي. النوع الثالث هو سماعات توصيل الصوت عبر العظام، والتي عادةً ما تُلف حول الجزء الخلفي من الرأس وتستقر أمام قناة الأذن، تاركة قناة الأذن مفتوحة. في سياق الاتصالات، السماعة مع الميكروفون هي مزيج من سماعة رأس والميكروفون.

تتصل سماعات الرأس بمصدر إشارة مثل مضخم الصوت، الراديو، مشغل الأقراص المضغوطة، مشغل الوسائط المحمولة، الهاتف المحمول، جهاز ألعاب الفيديو، أو آلة موسيقية إلكترونية، سواء مباشرة باستخدام سلك، أو باستخدام تقنية لاسلكية مثل البلوتوث، DECT أو راديو FM. تم تطوير أولى سماعات الرأس في أواخر القرن التاسع عشر لاستخدام مشغلي المحطات، للحفاظ على أيديهم حرة. في البداية، كانت جودة الصوت متوسطة، وكانت خطوة للأمام هي اختراع سماعات الرأس عالية الجودة.

تُظهر سماعات الرأس مجموعة من قدرات جودة إعادة إنتاج الصوت المختلفة. عادةً لا تستطيع سماعات الرأس المصممة للاستخدام الهاتفي إعادة إنتاج الصوت بنفس الدقة العالية للوحدات المكلفة المصممة للاستماع إلى الموسيقى من قبل عشاق الصوت. عادةً ما تحتوي سماعات الرأس التي تستخدم الكابلات على مقبس هاتف بقطر 1⁄4 بوصة (6.4 مم) أو 1⁄8 بوصة (3.2 مم) لتوصيل السماعات بمصدر الصوت. بعض سماعات الرأس تكون لاسلكية، تستخدم اتصال البلوتوث لاستقبال الإشارة الصوتية عبر موجات الراديو من أجهزة المصدر مثل الهواتف المحمولة ومشغلات الموسيقى الرقمية.

نتيجة لتأثير ووكمان، بدأت سماعات الرأس في الثمانينيات بالاستعمال في الأماكن العامة مثل الأرصفة والمتاجر ووسائل المواصلات العامة. كما يستخدم الأشخاص سماعات الرأس في سياقات مهنية مختلفة، مثل مهندسي الصوت الذين يمزجون الصوت للحفلات الموسيقية الحية أو تسجيلات الصوت ومنسقي الأغاني (الدي جي)، الذين يستخدمون السماعات لتشغيل الأغنية التالية دون أن يسمعها الجمهور، بالإضافة إلى طياري الطائرات وموظفي مراكز الاتصال. النوعان الأخيران من الموظفين يستخدمون سماعات رأس مزودة بميكروفون مدمج.

تاريخ اختراع سماعات الرأس

نشأت سماعات الرأس من الحاجة إلى تحرير يد الشخص عند استخدام الهاتف. بحلول ثمانينيات القرن التاسع عشر، بعد وقت قصير من اختراع الهاتف، بدأ مشغلو لوحات التبديل الهاتفية باستخدام أجهزة على الرأس لتركيب سماعة الهاتف. تم تثبيت السماعة على الرأس بواسطة مشبك يثبتها بجانب الأذن. حررت التركيبة الرأسية يدَي مشغل لوحة التبديل، بحيث يمكنه بسهولة توصيل أسلاك المتصلين والمستلمين. كانت سماعة الهاتف المثبتة على الرأس تُسمى في صيغة المفرد سماعة رأس. هذه السماعات الرأسية، على عكس سماعات الرأس الحديثة، كانت تحتوي فقط على قطعة أذن واحدة.

بحلول تسعينيات القرن التاسع عشر، قامت الشركة البريطانية إلكتروفون بتطوير جهاز استماع مزود بقطعتين للأذن. وخلق الجهاز نظام استماع عبر خطوط الهاتف سمح للعميل بالاتصال بالبث المباشر للعروض في المسارح ودور الأوبرا في جميع أنحاء لندن. كان المشتركون في الخدمة يستطيعون الاستماع إلى العروض من خلال زوج من سماعات الأذن الضخمة التي ترتكز تحت الذقن ويتم تثبيتها بواسطة قضيب طويل.

المهندس الفرنسي إرنست ميرسادير في عام 1891 حصل على براءة اختراع لمجموعة من سماعات الأذن الداخلية. كانت الشركة الألمانية سيمينز براذرز في ذلك الوقت تبيع أيضًا سماعات للرأس لموظفي الهاتف تحتوي على جزأين للأذن، رغم أنها وُضعت خارج الأذن. بدت سماعات الرأس من سيمينز براذرز مشابهة للسماعات الحديثة. استمرت أغلبية معدات الرأس المستخدمة من قبل موظفي الهاتف في وجود جزء واحد فقط للأذن.

ظهرت سماعات الرأس في مجال التلغراف اللاسلكي الناشئ، الذي كان المرحلة الأولى من البث الإذاعي. اختار بعض مطوري التلغراف اللاسلكي الأوائل استخدام مكبر صوت المستقبل الهاتفي ككاشف للإشارة الكهربائية لدائرة الاستقبال اللاسلكية. بحلول عام 1902، كان مبتكرو التلغراف اللاسلكي مثل لي دي فورست يستخدمون مستقبلين هاتفيين مثبتين على الرأس معًا للاستماع إلى إشارة دائرة الاستقبال. وقد أطلق على المستقبلين الهاتفيين المثبتين على الرأس اسم سماعات الرأس بصيغة المفرد. وبحلول عام 1908 بدأ كتابة المصطلح ببساطة كـ "head phones"، وبعد عام بدأت كلمة "headphones" المركبة تُستخدم.

كانت واحدة من أوائل الشركات التي صنعت سماعات للرؤوس لمشغلي اللاسلكي هي شركة هولتزر-كابوت في عام 1909. كانوا أيضًا صانعي مستقبلات للرؤوس لمشغلي الهاتف ومستقبلات الهاتف العادية للمنازل. وكان من بين المصنعين الأوائل للسماعات ناثانييل بالدوين. كان هو أول مورد رئيسي لسماعات الرأس للبحرية الأمريكية.

في عام 1910، مدفوعًا بعجزه عن سماع الخطب خلال خدمة الأحد، اخترع نموذجًا أوليًا لسماعة هاتف. وقدّمها للاختبار للبحرية، التي طلبت على الفور 100 منها. قامت شركة الأجهزة اللاسلكية المتخصصة، بالشراكة مع شركة بالراديو بالدوين، بإنشاء منشأة تصنيع في يوتا لتلبية الطلبات

استخدمت سماعات الرأس المبكرة هذه محركات حديدية متحركة، سواء كانت أحادية النهاية أو متوازنة. النوع الأحادي الشائع استخدم ملفات صوتية ملفوفة حول أقطاب مغناطيس دائم، تم وضعها بالقرب من غشاء فولاذي مرن. التيار الصوتي المار عبر الملفات كان يغير المجال المغناطيسي للمغناطيس، مما يفرض قوة متغيرة على الغشاء، مما يجعله يهتز، محدثًا موجات صوتية. وكان الطلب على حساسية عالية يعني أنه لم يتم استخدام أي كبت للصوت، لذا فإن استجابة التردد للغشاء كانت تحتوي على ذروات كبيرة بسبب الرنين، مما أدى إلى جودة صوت ضعيفة.

كانت هذه النماذج المبكرة تفتقر إلى التبطين، وكان من غير المريح ارتداؤها لفترات طويلة. وتفاوتت مقاومتها الكهربائية؛ حيث أن السماعات المستخدمة في العمل بالبرق والهاتف كانت مقاومتها 75 أوم. أما تلك المستخدمة مع الراديو اللاسلكي المبكر، فكان لديها عدد أكبر من لفات الأسلاك الرفيعة لزيادة الحساسية. وكانت المقاومة الكهربائية الشائعة تتراوح بين 1000 و2000 أوم، وهو ما كان مناسبًا لكل من مجموعات الكريستال والمستقبلات الثلاثية. بعض السماعات الحساسة جدًا، مثل تلك التي صنعتها شركة برانديس حوالي عام 1919، كانت تستخدم عادة في أعمال الراديو المبكرة.

في عام 1958، قام جون سي. كوس، عاشق الصوت والموسيقي الجاز من ميلووكي، بإنتاج أول سماعات رأس ستيريو.

تم تطوير قطع الأذن الصغيرة التي تشبه سماعات الأذن، والتي تُوصل إلى قناة الأذن للمستخدم، لأول مرة لأجهزة المساعدة على السمع. وأصبحت مستخدمة على نطاق واسع مع أجهزة الراديو التي تعمل بالترانزستور، والتي ظهرت تجارياً في عام 1954 مع إدخال ريجنسي TR-1. كان جهاز الراديو بالترانزستور هو أكثر جهاز صوتي شعبية في التاريخ، حيث غيّر عادات الاستماع، مما سمح للناس بالاستماع إلى الراديو في أي مكان. تستخدم سماعة الأذن إما محرك حديدي متحرك أو بلورة بيزوالكترية لإنتاج الصوت. كما تم استخدام موصل الراديو والهاتف بحجم 3.5 ملم، والذي يُعد الأكثر استخداماً في التطبيقات المحمولة اليوم، على الأقل منذ راديو الترانزستور Sony EFM-117J الذي تم إصداره في عام 1964. وتعززت شعبيته باستخدامه على مشغل الشرائط المحمول ووكمان في عام 1979.

استخدام سماعات الرأس 

يمكن استخدام سماعات الرأس السلكية مع مشغلات الأقراص المضغوطة والرقمية الثابتة، والمسرح المنزلي، وأجهزة الكمبيوتر الشخصية، أو الأجهزة المحمولة (مثل مشغل الصوت الرقمي/مشغل MP3، الهاتف المحمول)، طالما أن هذه الأجهزة مجهزة بمنفذ سماعة الرأس. السماعات اللاسلكية لا تتصل بمصدرها عبر كابل. بدلاً من ذلك، تستقبل إشارة راديوية أو بالأشعة تحت الحمراء مشفرة باستخدام وصلة نقل راديوية أو بالأشعة تحت الحمراء، مثل FM، بلوتوث أو الواي فاي. هذه عبارة عن أنظمة استقبال تعمل بالبطاريات، حيث أن سماعة الرأس هي مجرد مكون من هذه الأنظمة. تُستخدم السماعات اللاسلكية في فعاليات مثل دي جي صامت.

في قطاع الصوتيات المهنية، تُستخدم السماعات في المواقف الحية من قبل المنسقين الموسيقيين (DJs) مع خلاط DJ ومن قبل مهندسي الصوت لمراقبة مصادر الإشارة. في استوديوهات الإذاعة، يستخدم DJs زوجًا من السماعات عند التحدث إلى الميكروفون مع إيقاف تشغيل مكبرات الصوت لتجنب الصدى الصوتي أثناء مراقبة صوتهم الخاص. في التسجيلات الاستوديو، يستخدم الموسيقيون والمغنون السماعات للعزف أو الغناء مع مسار دعم أو فرقة موسيقية. في التطبيقات العسكرية، تُراقب إشارات الصوت من أنواع متعددة باستخدام السماعات.

تتصل السماعات السلكية بمصدر الصوت بواسطة كابل. أكثر الموصلات شيوعًا هي موصلات 6.35 مم (1/4 بوصة) و3.5 مم (1/8 بوصة). الموصل الأكبر 6.35 مم أكثر شيوعًا على المعدات المنزلية الثابتة أو المعدات الاحترافية. بينما يظل الموصل 3.5 مم هو الأكثر استخدامًا للتطبيقات المحمولة. تتوفر محولات للتحويل بين موصلات 6.35 مم و3.5 مم.

كعنصر نشط، تميل سماعات الرأس اللاسلكية إلى أن تكون أكثر تكلفة بسبب الحاجة إلى مكونات داخلية مثل البطارية، ووحدة التحكم في الشحن، ومضخم الصوت، وجهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي، في حين أن سماعات الرأس السلكية هي عنصر غير نشط، حيث يتم تشغيل المحولات الصوتية بواسطة مصدر الصوت المتصل بها.

كدخل فعال، تميل سماعات الرأس اللاسلكية إلى أن تكون أكثر تكلفة بسبب الحاجة إلى مكونات داخلية مثل البطارية، ووحدة التحكم في الشحن، ومضخم الصوت، وجهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي، بينما سماعات الرأس السلكية تعتبر عنصراً غير فعال، حيث يتم تشغيل محولات الصوت بواسطة مصدر الصوت المتصل بها.

تطبيقات الاختبارات السمعية

تُستخدم أنواع مختلفة من السماعات أو السماعات المصممة خصيصًا في مجال السمعيات لتحديد مستويات السمع، وتشخيص فقدان السمع طبيًا، والتعرف على الأمراض الأخرى المتعلقة بالسمع، ومراقبة حالة السمع في برامج الحفاظ على السمع في مكان العمل. وقد تم اعتماد نماذج محددة من السماعات كمعيار بسبب سهولة معايرتها وإمكانية مقارنة النتائج بين مرافق الاختبار.

تُعد سماعات الرأس من نمط فوق الأذن (Supra-aural) الأكثر استخدامًا تاريخيًا في علوم السمع، نظرًا لأنها الأسهل في المعايرة وكانت تُعتبر المعيار لسنوات عديدة. من النماذج الشائعة الاستخدام سماعة الرأس التفاعلية Telephonics Dynamic Headphone (TDH) 39، وTDH-49، وTDH-50. أما السماعات من نمط داخل الأذن أو القابلة للإدخال (insert) فهي أكثر شيوعًا اليوم لأنها توفر مستويات أعلى من التخميد بين الأذنين، وتقلل من التغيرات عند اختبار ترددات 6000 و8000 هرتز، وتجنب مشاكل الاختبار الناتجة عن انسداد قنوات الأذن. من النماذج الشائعة للسماعات القابلة للإدخال سماعة Etymotic Research ER-3A. كما تُستخدم سماعات الرأس المحيطة بالأذن (circumaural) لتحديد عتبات السمع في نطاق الترددات العالية الممتدة (من 8000 هرتز إلى 20000 كيلوهرتز). إلى جانب سماعات Etymotic Research ER-2A القابلة للإدخال، تعد سماعات Sennheiser HDA300 وKoss HV/1A المحيطية بالأذن النماذج الوحيدة التي تمتلك قيم مستوى ضغط الصوت المرجعية المكافئة لعتبة السمع في نطاق التردد العالي الممتد كما هو موصوف في معايير ANSI.

يجب معايرة أجهزة قياس السمع وسماعات الرأس معًا. خلال عملية المعايرة، يتم قياس إشارة الخرج من جهاز قياس السمع إلى سماعات الرأس باستخدام مقياس مستوى الصوت للتأكد من أن الإشارة دقيقة وفقًا للقراءة على جهاز قياس السمع لمستوى ضغط الصوت والتردد. يتم إجراء المعايرة باستخدام سماعات الأذن داخل موصل صوتي يهدف إلى محاكاة وظيفة الأذن الخارجية. نظرًا لأن سماعات محددة تُستخدم في عملية معايرة جهاز قياس السمع الأولية، لا يمكن استبدالها بأي مجموعة سماعات أخرى، حتى وإن كانت بنفس النوع والطراز.

ممانعة سماعات الرأس 

تتوفر  بممانعة عالية أو منخفضة. تتراوح السماعات منخفضة الممانعة بين 16 إلى 32 أوم، أما السماعات عالية الممانعة فتتراوح بين 100 إلى 600 أوم. عادةً ما يتم قياس الممانعة عند تردد 1 كيلو هرتز. تتطلب السماعات عالية الممانعة فولتية أعلى، وتقل شدة الصوت للسماعات عند فولتية معينة. في السنوات الأخيرة، انخفضت ممانعة السماعات الحديثة بشكل عام لتتناسب مع الفولتية المنخفضة المتوفرة في الأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطاريات. ونتيجة لذلك، تتميز المضخمات الحديثة بممانعة خرج منخفضة نسبيًا.

تثير مقاومة سماعات الرأس القلق بسبب محدودية إخراج المضخمات. تقدم سماعات الرأس ذات المقاومة المنخفضة حملًا أكبر. المضخمات ليست مثالية؛ فهي أيضًا لها مقاومة إخراج تحد من كمية الطاقة التي يمكن أن توفرها. لضمان استجابة ترددية متساوية، وعامل تخميد كافٍ، وصوت غير مشوه، يجب أن يكون لمضخم الصوت مقاومة إخراج أقل من ثُمن مقاومة السماعات التي يقودها. إذا كانت مقاومة الإخراج كبيرة مقارنة بمقاومة السماعات، فمن الممكن حدوث تشويه أعلى بشكل كبير. لذلك، تميل السماعات ذات المقاومة المنخفضة إلى أن تكون أعلى صوتًا وأكثر كفاءة، لكنها تتطلب مضخمًا أكثر قدرة. السماعات ذات المقاومة العالية أكثر تسامحًا مع محدودية المضخم، لكنها تنتج صوتًا أقل لمستوى إخراج محدد من المضخم.

تاريخياً، كانت العديد من سماعات الرأس تتمتع بمقاومة عالية نسبياً، غالباً أكثر من 500 أوم، بحيث يمكنها العمل بشكل جيد مع مضخمات الصوت ذات الصمامات عالية المقاومة. بالمقابل، يمكن لمضخمات الترانزستور الحديثة أن تمتلك مقاومة خرج منخفضة جداً، مما يتيح استخدام سماعات رأس منخفضة المقاومة. هذا يعني أن الأجهزة الصوتية القديمة قد تنتج جودة صوت ضعيفة على بعض سماعات الرأس الحديثة منخفضة المقاومة. في هذه الحالة، قد يكون استخدام مضخم سماعات خارجي مفيداً.

حساسية سماعات الرأس 

الحساسية هي مقياس لمدى فعالية سماعة الأذن في تحويل الإشارة الكهربائية الواردة إلى صوت مسموع. وبالتالي، فهي تشير إلى مدى ارتفاع صوت سماعات الرأس لمستوى الطاقة الكهربائية المعطى. يمكن قياسها بوحدات الديسيبل لمستوى ضغط الصوت لكل ميلي واط (dB (SPL)/mW) أو الديسيبل لمستوى ضغط الصوت لكل فولت (dB (SPL)/V).[35] تُستخدم كلا التعريفين على نطاق واسع، غالبًا بشكل متبادل. وبما أن جهد الخرج (وليس الطاقة) لمضخم سماعة الرأس يكون ثابتًا أساسًا لمعظم السماعات الشائعة، فإن dB/mW يكون غالبًا أكثر فائدة إذا تم تحويله إلى dB/V باستخدام قانون أوم.

بمجرد معرفة الحساسية لكل فولت، يمكن بسهولة حساب الحد الأقصى للصوت لزوج من سماعات الرأس من جهد الخرج الأقصى للمضخم. على سبيل المثال، بالنسبة لسماعة رأس لديها حساسية تبلغ 100 ديسيبل (SPL)/V، فإن مضخم صوت بجهد خرج قدره 1 فولت متوسط الجذر التربيعي (RMS) ينتج صوتًا أقصى يبلغ 100 ديسيبل (SPL).

مزج سماعات الرأس عالية الحساسية مع مضخمات الطاقة يمكن أن يُنتج مستويات صوتية عالية بشكل خطير ويضر بالسماعات. الحد الأقصى لمستوى ضغط الصوت يعتمد على التفضيل الشخصي، حيث توصي بعض المصادر بعدم تجاوز 110 إلى 120 ديسيبل (SPL). في المقابل، توصي إدارة السلامة والصحة المهنية الأمريكية بمتوسط مستوى ضغط الصوت لا يتجاوز 85 ديسيبل(A) لتجنب فقدان السمع طويل الأمد، بينما يوصي المعيار الأوروبي EN 50332-1:2013 بأن تتضمن المستويات الصوتية أعلاه 85 ديسيبل(A) تحذيرًا، مع حد أقصى مطلق للصوت (يُعرف باستخدام ضوضاء 40–4,000 هرتز) لا يتجاوز 100 ديسيبل لتجنب الضرر العرضي للسمع. باستخدام هذا المعيار، يجب أن يتم تشغيل السماعات التي تصل حساسيتها إلى 90 و100 و110 ديسيبل (SPL)/V بواسطة مضخم قادر على توفير ما لا يزيد عن 3.162 و1.0 و0.3162 فولت RMS عند أقصى إعداد للصوت، على التوالي، لتقليل خطر تلف السمع.

عادةً ما يتم قياس حساسية سماعات الرأس عند تردد 1 كيلو هرتز، والقيم بين 80 و125 ديسيبل/ميلي واط شائعة.

تعديل المقال