النطاق الديناميكي

النطاق الديناميكي (يُختصر بـ ^DR أو DNR أو DYR ) هو النسبة بين أكبر وأصغر قيمة قابلة للقياس لكمية محددة. يُستخدم غالبًا في سياق الإشارات ، مثل الصوت والضوء . يُقاس إما كنسبة أو كقيمة ^{لوغاريتمية} أساسها 10 ⁽ ديسيبل ⁾ أو أساسها 2 ^{( مضاعفات} أو بتات ^أو توقفات ) للنسبة بين أكبر وأصغر ^{قيم الإشارة} .

غالبًا ما تُعالج المواد الصوتية والمرئية المُعاد إنتاجها إلكترونيًا لتقليص نطاقها الديناميكي المُسجل، مما يُسهّل تخزينها وإعادة إنتاجها. تُعرف هذه العملية بضغط النطاق الديناميكي .

تتمتع حاسّتا البصر والسمع لدى الإنسان بنطاق ديناميكي واسع نسبيًا. مع ذلك، لا يستطيع الإنسان أداء هاتين الحاسّتين في أقصى درجات الإضاءة في آنٍ واحد. فالعين البشرية تحتاج وقتًا للتكيّف مع مستويات الإضاءة المختلفة، ونطاقها الديناميكي في مشهدٍ مُعيّن محدودٌ نسبيًا بسبب الوهج البصري . وبالمثل، فإن النطاق الديناميكي اللحظي لإدراك الصوت لدى الإنسان يتأثر بالتشويش ، بحيث لا يُمكن سماع الهمس، على سبيل المثال، في بيئة صاخبة.

يستطيع الإنسان سماع (وتمييز) أي شيء بدءًا من الهمس الخافت في غرفة عازلة للصوت وصولًا إلى أعلى صوت في حفلات موسيقى الميتال الصاخبة. قد يتجاوز هذا الفرق 100 ديسيبل، وهو ما يمثل زيادة قدرها 100,000 ضعف في السعة و10 مليارات ضعف في القدرة . ^{[ 4 ] [ 5 ]} يبلغ النطاق الديناميكي للسمع البشري حوالي 140 ديسيبل، ^{[ 6 ] [ 7 ]} ويتغير بتغير التردد، ^{[ 8 ]} بدءًا من عتبة السمع (حوالي -9 ديسيبل عند 3 كيلوهرتز) ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} وصولًا إلى عتبة الألم (من 120 إلى 140 ديسيبل) . ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} ومع ذلك، لا يمكن إدراك هذا النطاق الديناميكي الواسع دفعة واحدة. تعمل العضلة الموترة للطبلة ، وعضلة الركاب ، والخلايا الشعرية الخارجية كضواغط نطاق ديناميكي ميكانيكي لضبط حساسية الأذن لمستويات الصوت المحيطة المختلفة. ^{[ 14 ]}     

يستطيع الإنسان رؤية الأجسام في ضوء النجوم ^{[ أ ]} أو في ضوء الشمس الساطع ، على الرغم من أن الأجسام في ليلة بلا قمر تتلقى جزءًا من مليار (10⁻⁹ ⁾ من الإضاءة التي تتلقاها في يوم مشمس ساطع؛ وهو نطاق ديناميكي يبلغ 90  ديسيبل. ويتحقق تغيير الحساسية جزئيًا من خلال تعديلات القزحية وتغيرات كيميائية بطيئة، والتي تستغرق بعض الوقت.

عمليًا، يصعب على البشر تحقيق تجربة ديناميكية كاملة باستخدام الأجهزة الإلكترونية. على سبيل المثال، تتميز شاشة الكريستال السائل (LCD) عالية الجودة بنطاق ديناميكي محدود يصل إلى حوالي 1000:1، ^{[ ب ]} وبعض أحدث مستشعرات الصور CMOS اعتبارًا من مايو 2010تم قياس نطاقات ديناميكية تبلغ حوالي 23000:1. ^{[ 15 ] [ ج ]} يمكن أن ينتج عن انعكاس الورق نطاق ديناميكي يبلغ حوالي 100:1. ^{[ 16 ]} تحقق كاميرا فيديو احترافية مثل سوني ديجيتال بيتاكام نطاقًا ديناميكيًا يزيد عن 90  ديسيبل في تسجيل الصوت. ^{[ 17 ]}

يستخدم مهندسو الصوت النطاق الديناميكي لوصف نسبة سعة أعلى إشارة ممكنة غير مشوهة إلى مستوى الضوضاء ، كما هو الحال في الميكروفونات أو مكبرات الصوت . ^{[ 18 ]} وبالتالي، فإن النطاق الديناميكي هو نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في حالة كون الإشارة بأعلى مستوى ممكن للنظام. على سبيل المثال، إذا كان الحد الأقصى لجهاز ما 5  فولت (rms) ومستوى الضوضاء 10  ميكروفولت (rms)، فإن النطاق الديناميكي هو 500000:1، أو 114  ديسيبل.

$${\displaystyle 20\times \log _{10}\left({\frac {\rm {5\,V}}{10\,\mu \mathrm {V} }}\right)=20\times \log _{10}(500000)=20\times 5.7=114\,\mathrm {dB} }$$

في نظرية الصوت الرقمي، يكون النطاق الديناميكي محدودًا بخطأ التكميم . ويُحسب الحد الأقصى للنطاق الديناميكي الذي يمكن تحقيقه لنظام صوت رقمي ذي تكميم موحد من نوع Q بت كنسبة بين أكبر قيمة جذر متوسط ​​مربع للموجة الجيبية وقيمة جذر متوسط ​​مربع الضوضاء، وذلك على النحو التالي: ^{[ 19 ]}

$${\displaystyle \mathrm {DR_{ADC}} =20\times \log _{10}\left({\frac {2^{Q}}{1}}\right)=\left(6.02\cdot Q\right)\ \mathrm {dB} \,\!}$$

ومع ذلك، قد يكون النطاق الديناميكي القابل للاستخدام أكبر، حيث يمكن لجهاز التسجيل المزود بتقنية التمويه بشكل صحيح تسجيل الإشارات بشكل أقل بكثير من مستوى الضوضاء.

يبلغ النطاق الديناميكي النظري للقرص المضغوط ذي 16 بت حوالي 96  ديسيبل دون استخدام تقنية التمويه؛ ^{[ 20 ] [ د ]} ومع ذلك، يمكن أن يصل النطاق الديناميكي المُدرَك للصوت ذي 16 بت إلى 120  ديسيبل أو أكثر مع استخدام تقنية التمويه المُشكَّلة بالضوضاء ، وذلك بالاستفادة من استجابة التردد للأذن البشرية . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

يُمكن للصوت الرقمي ذي التكميم غير المُشوَّش ذي 20 بت نظريًا أن يصل إلى  نطاق ديناميكي يبلغ 120 ديسيبل، بينما يوفر الصوت الرقمي ذو 24 بت  نطاقًا ديناميكيًا يبلغ 144 ديسيبل. ^{[ 6 ]} تعالج معظم محطات عمل الصوت الرقمي الصوت بتمثيل ذي 32 بت بنظام الفاصلة العائمة، مما يوفر نطاقًا ديناميكيًا أعلى، وبالتالي لم يعد فقدان النطاق الديناميكي مصدر قلق في معالجة الصوت الرقمي . عادةً ما تنتج قيود النطاق الديناميكي عن ضبط غير صحيح لمراحل الكسب ، وتقنية التسجيل التي تتضمن الضوضاء المحيطة ، والتطبيق المتعمد لضغط النطاق الديناميكي .

النطاق الديناميكي في الصوت التناظري هو الفرق بين الضوضاء الحرارية المنخفضة في الدوائر الإلكترونية وتشبع الإشارة العالي، مما يؤدي إلى زيادة التشوه، وإذا تم رفعه إلى مستوى أعلى، يحدث قص الإشارة . ^{[ 23 ]} تحدد عدة عوامل ضوضاء مستوى الضوضاء الأساسي للنظام. يمكن التقاط الضوضاء من الضوضاء الذاتية للميكروفون، وضوضاء المضخم المسبق، وضوضاء الأسلاك والوصلات، وضوضاء الوسائط، وما إلى ذلك.

كانت أقراص الفونوغراف المبكرة ذات سرعة 78 دورة في الدقيقة تتمتع بنطاق ديناميكي يصل إلى 40  ديسيبل، ^{[ 24 ]} سرعان ما انخفض إلى 30  ديسيبل أو أقل بسبب التآكل الناتج عن التشغيل المتكرر. أما أسطوانات الفونوغراف المصنوعة من الفينيل ذات الأخاديد الدقيقة، فتُنتج عادةً نطاقًا ديناميكيًا يتراوح بين 55 و65  ديسيبل، على الرغم من أن التشغيل الأول للحلقات الخارجية ذات الدقة العالية يمكن أن يحقق نطاقًا ديناميكيًا يصل إلى 70  ديسيبل. ^{[ 25 ]}

أُفيد أن الشريط المغناطيسي الألماني في عام 1941 كان يتمتع بنطاق ديناميكي يبلغ 60  ديسيبل، ^{[ 26 ]} على الرغم من أن خبراء ترميم هذه الأشرطة في العصر الحديث يشيرون  إلى أن النطاق الديناميكي المُلاحظ يتراوح بين 45 و50 ديسيبل. ^{[ 27 ]} حققت مسجلات أشرطة أمبيكس  في خمسينيات القرن الماضي نطاقًا ديناميكيًا يبلغ 60 ديسيبل في الاستخدام العملي، ^{[ 26 ]} وفي ستينيات القرن الماضي، أدت التحسينات في عمليات تصنيع الأشرطة إلى  زيادة النطاق بمقدار 7 ديسيبل، ^{[ 28 ] : 158} وطوّر راي دولبي نظام دولبي A-Type للحد من الضوضاء ، والذي زاد النطاق الديناميكي للترددات المنخفضة والمتوسطة على الشريط المغناطيسي بمقدار 10  ديسيبل، والترددات العالية بمقدار 15  ديسيبل، باستخدام تقنية الضغط والتمديد لأربعة نطاقات تردد. ^{[ 28 ] : 169} بلغت ذروة تقنية أشرطة التسجيل المغناطيسية التناظرية الاحترافية  نطاقًا ديناميكيًا قدره 90 ديسيبل في نطاق الترددات المتوسطة عند تشويه 3%، أو حوالي 80  ديسيبل في تطبيقات النطاق العريض العملية. ^{[ 28 ] : 158} وقد وفر نظام دولبي إس آر للحد من الضوضاء  نطاقًا متزايدًا بمقدار 20 ديسيبل، مما أدى إلى 110  ديسيبل في نطاق الترددات المتوسطة عند تشويه 3%. ^{[ 28 ] : 172}

يتراوح أداء شريط الكاسيت المضغوط بين 50 و56  ديسيبل حسب تركيبة الشريط، حيث توفر أشرطة النوع الرابع أعلى نطاق ديناميكي، وتزيد أنظمة مثل XDR و dbx ونظام دولبي لتقليل الضوضاء من هذا النطاق. وقد أدت التحسينات المتخصصة في الانحياز ورأس التسجيل من قبل ناكاميتشي وتاندبيرغ، بالإضافة إلى نظام دولبي C لتقليل الضوضاء، إلى  نطاق ديناميكي يصل إلى 72 ديسيبل للكاسيت.

يتحمل الميكروفون الديناميكي شدة صوت عالية، ويصل نطاقه الديناميكي إلى 140 ديسيبل .  أما الميكروفونات المكثفة، فهي متينة أيضاً، لكن نطاقها الديناميكي قد يكون محدوداً بسبب التحميل الزائد على دوائرها الإلكترونية. ^{[ 29 ]} تؤدي الاعتبارات العملية لمستويات التشوه المقبولة في الميكروفونات، بالإضافة إلى الممارسات الشائعة في استوديوهات التسجيل، إلى نطاق ديناميكي مفيد يبلغ 125  ديسيبل. ^{[ 28 ] : 75}

في عام 1981، توصل باحثون في شركة أمبيكس إلى أن نطاقًا ديناميكيًا يبلغ 118  ديسيبل على دفق صوتي رقمي مُخفَّف ضروري لتشغيل الموسيقى بشكل خالٍ من الضوضاء في بيئات الاستماع الهادئة. ^{[ 30 ]}

منذ أوائل التسعينيات، أوصت العديد من الجهات المختصة، بما في ذلك جمعية هندسة الصوت ، بإجراء قياسات النطاق الديناميكي مع وجود إشارة صوتية، والتي يتم ترشيحها لاحقًا في قياس مستوى الضوضاء المستخدم لتحديد النطاق الديناميكي. ^{[ 31 ]} وهذا يتجنب القياسات المشكوك فيها التي تعتمد على استخدام وسائط فارغة أو دوائر كتم الصوت.

قد يكون مصطلح النطاق الديناميكي مُربكًا في مجال الإنتاج الصوتي نظرًا لوجود تعريفين متضاربين له، لا سيما في فهم ظاهرة " حرب الجهارة" . ^{[ 32 ] [ 33 ]} قد يُشير النطاق الديناميكي إلى الديناميكيات الدقيقة، ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} المرتبطة بعامل الذروة ، ^{[ 37 ] [ 38 ]} بينما يُعرّف اتحاد البث الأوروبي ، في معيار EBU3342 "نطاق الجهارة"، النطاق الديناميكي بأنه الفرق بين أدنى مستوى صوت وأعلى مستوى، وهو ما يُعرف بالديناميكيات الكلية. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

يُستخدم النطاق الديناميكي في الإلكترونيات في السياقات التالية:

• يحدد هذا المعيار نسبة أعلى مستوى لمعامل معين ، مثل القدرة أو التيار أو الجهد ^{[ 43 ]} أو التردد ، إلى أدنى قيمة يمكن اكتشافها لهذا المعامل. (انظر قياسات نظام الصوت ).
• في نظام الإرسال ، نسبة مستوى التحميل الزائد (أقصى طاقة إشارة يمكن للنظام تحملها دون تشويه الإشارة) إلى مستوى الضوضاء في النظام.
• في الأنظمة أو الأجهزة الرقمية ، نسبة مستويات الإشارة القصوى والدنيا المطلوبة للحفاظ على نسبة خطأ بت محددة .
• يُمكن لتحسين عرض البتات في مسار البيانات الرقمية (وفقًا للنطاقات الديناميكية للإشارة) تقليل مساحة الدوائر والأنظمة الرقمية وتكلفتها واستهلاكها للطاقة، مع تحسين أدائها. يُعرَّف عرض البتات الأمثل لمسار البيانات الرقمية بأنه أصغر عرض بتات يُلبي نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة ويتجنب في الوقت نفسه تجاوز سعة البتات. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}

في تطبيقات الصوت والإلكترونيات، تكون النسبة المعنية كبيرة بما يكفي بحيث يتم تحويلها إلى لوغاريتم وتحديدها بالديسيبل . ^{[ 43 ]}

في علم القياس ، كما هو الحال عند استخدامه لدعم الأهداف العلمية أو الهندسية أو التصنيعية، يشير النطاق الديناميكي إلى نطاق القيم التي يمكن قياسها بواسطة مستشعر أو جهاز قياس. غالبًا ما يكون هذا النطاق الديناميكي للقياس محدودًا من أحد طرفيه بتشبع إشارة المستشعر أو بالقيود الفيزيائية المفروضة على حركة أو استجابة المؤشر الميكانيكي. أما الطرف الآخر، فيكون محدودًا عادةً بمصدر أو أكثر من مصادر الضوضاء العشوائية أو عدم اليقين في مستويات الإشارة، والتي يمكن وصفها بأنها تحدد حساسية المستشعر أو جهاز القياس. عندما تكون المستشعرات الرقمية أو محولات إشارات المستشعرات جزءًا من المستشعر أو جهاز القياس، فإن النطاق الديناميكي للقياس يرتبط أيضًا بعدد الأرقام الثنائية (البتات) المستخدمة في التمثيل الرقمي، حيث تكون القيمة المقاسة مرتبطة خطيًا بالرقم الرقمي. ^{[ 43 ]} على سبيل المثال، يمكن لمستشعر أو محول رقمي ذي 12 بت أن يوفر نطاقًا ديناميكيًا تصل فيه نسبة القيمة المقاسة القصوى إلى القيمة المقاسة الدنيا إلى 2 ^{^12} = 4096.

قد تستخدم أنظمة وأجهزة القياس عدة طرق أساسية لزيادة نطاقها الديناميكي الأساسي. تشمل هذه الطرق المتوسطات وأنواعًا أخرى من الترشيح، وتصحيح خصائص أجهزة الاستقبال، ^{[ 43 ]} وتكرار القياسات، والتحويلات غير الخطية لتجنب التشبع، وما إلى ذلك. في أشكال القياس الأكثر تقدمًا، مثل التصوير المجسم الرقمي متعدد الأطوال الموجية ، يمكن دمج قياسات التداخل التي تُجرى على مقاييس مختلفة (أطوال موجية مختلفة) للحفاظ على نفس الدقة الدنيا مع توسيع النطاق الديناميكي الأعلى للقياس بمقدار عدة مراتب.

في الموسيقى ، يُشير النطاق الديناميكي إلى الفرق بين أدنى وأعلى مستوى صوت لآلة موسيقية أو جزء أو مقطوعة موسيقية. ^{[ 49 ]} في التسجيلات الحديثة، غالبًا ما يُحدَّد هذا النطاق من خلال ضغط النطاق الديناميكي ، مما يسمح بمستوى صوت أعلى، ولكنه قد يجعل التسجيل يبدو أقل حيوية أو واقعية. ^{[ 50 ]}

لا يتجاوز النطاق الديناميكي للموسيقى كما يُدرك عادةً في قاعة الحفلات الموسيقية 80  ديسيبل، بينما يُدرك الكلام البشري عادةً ضمن نطاق يبلغ حوالي 40  ديسيبل. ^{[ 28 ] : 4}

مشهد يتطلب نطاقًا ديناميكيًا عاليًا، تم التقاطه بكاميرا نيكون D7000 الرقمية، القادرة على توفير نطاق ديناميكي يصل إلى 13.9 وقفة وفقًا لمقياس DxOMark . ^{[ 51 ]} تظهر النسخة الأصلية غير المعدلة من الصورة الرقمية على اليسار، بينما تم تعزيز الظلال بشكل كبير في برنامج فوتوشوب لإنتاج الصورة النهائية على اليمين. كلما كان النطاق الديناميكي للكاميرا أفضل، كلما أمكن زيادة التعريض الضوئي دون زيادة ملحوظة في التشويش .

يستخدم المصورون النطاق الديناميكي لوصف نطاق الإضاءة لمشهد يتم تصويره، أو حدود نطاق الإضاءة التي يمكن لكاميرا رقمية أو فيلم معين التقاطها، ^{[ 52 ]} أو نطاق عتامة صور الأفلام المطورة، أو نطاق انعكاس الصور على أوراق التصوير الفوتوغرافي.

يُقارن النطاق الديناميكي للتصوير الرقمي بقدرات الفيلم الفوتوغرافي ^{[ 53 ]} وكلاهما يُقارن بقدرات العين البشرية. ^{[ 54 ]}

توجد تقنيات تصوير تدعم نطاقًا ديناميكيًا أعلى.

• تُستخدم مرشحات الكثافة المحايدة المتدرجة لتقليل النطاق الديناميكي لإضاءة المشهد التي يمكن التقاطها على الفيلم الفوتوغرافي (أو على مستشعر الصورة في الكاميرا الرقمية ): يُوضع المرشح أمام العدسة عند التقاط الصورة؛ يكون النصف العلوي داكنًا والنصف السفلي شفافًا. تُوضع المنطقة الداكنة فوق المنطقة ذات الكثافة العالية في المشهد، مثل السماء. والنتيجة هي تعريض أكثر تجانسًا في مستوى البؤرة، مع زيادة التفاصيل في الظلال والمناطق ذات الإضاءة المنخفضة. على الرغم من أن هذا لا يزيد من النطاق الديناميكي الثابت المتاح في الفيلم أو المستشعر، إلا أنه يُوسّع النطاق الديناميكي القابل للاستخدام عمليًا. ^{[ 55 ]}
• تتغلب تقنية التصوير عالي النطاق الديناميكي على محدودية النطاق الديناميكي للمستشعر من خلال دمج عدة لقطات لنفس المشهد بشكل انتقائي، وذلك للحفاظ على التفاصيل في المناطق المضيئة والمظلمة. وتقوم تقنية رسم خرائط النغمات بتوزيع الإضاءة بشكل مختلف في الظلال والإضاءة لتحسين توزيع نطاق الإضاءة في الصورة. وقد استُخدم هذا النهج نفسه في التصوير الكيميائي لالتقاط نطاق ديناميكي واسع للغاية: فعلى سبيل المثال، استُخدم فيلم ثلاثي الطبقات، حيث تبلغ حساسية كل طبقة 1/10⁻² من حساسية الطبقة التي ^تليها ، لتسجيل تجارب الأسلحة النووية. ^{[ 56 ]}

قد تُقيّد بعض تنسيقات ملفات الصور المُخصصة للمستهلكين النطاق الديناميكي. ^{[ 57 ]} قد لا يكمن أشدّ قيود النطاق الديناميكي في التصوير الفوتوغرافي في عملية التشفير، بل في عملية إعادة الإنتاج، على سبيل المثال، على ورق مطبوع أو شاشة كمبيوتر. في هذه الحالة، لا يُعدّ ضبط النطاق الديناميكي وحده فعالاً في إظهار التفاصيل في المناطق المضيئة والمظلمة، بل يُمكن أن يكون فعالاً أيضاً في تحديد النطاق الديناميكي محلياً. ويُشابه هذا المبدأ مبدأ التفتيح والتغميق (باستخدام فترات تعريض مختلفة في مناطق مختلفة عند طباعة صورة فوتوغرافية) في غرفة التحميض الكيميائية. كما يُشابه هذا المبدأ أيضاً التحكم التلقائي في مستوى الصوت في مجال الصوت، والذي يُساعد على إبقاء الإشارة مسموعة في بيئة استماع صاخبة، وتجنّب مستويات الذروة التي تُرهق جهاز التشغيل، أو التي تكون عالية بشكل غير طبيعي أو مزعج.

إذا كان مستشعر الكاميرا غير قادر على تسجيل النطاق الديناميكي الكامل للمشهد، فيمكن استخدام تقنيات النطاق الديناميكي العالي (HDR) في مرحلة ما بعد المعالجة، والتي تتضمن عمومًا دمج عدة تعريضات باستخدام البرامج.

• حرب الصوت
• نطاق ديناميكي عالي
  • التصوير عالي النطاق الديناميكي
  • عرض عالي النطاق الديناميكي
  • فيديو عالي النطاق الديناميكي
• أبرز المساحة الرأسية
• تجزئة المدى
• نطاق ديناميكي خالٍ من التشويش

• النطاق الديناميكي المسموع (اختبار عبر الإنترنت)
• ستيفن إي. شوينهر (2002). "النطاق الديناميكي" . تاريخ تكنولوجيا التسجيل . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2006-09-05.
• فوغان ويسون (أكتوبر 2004). "TN200410A - النطاق الديناميكي" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 21-12-2004.