Sound&Lightingvn Documents

Hoàn thiện hơn nghệ thuật nghe nhìn...

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Giáo trình Âm thanh & Chương 02

Article Index
Giáo trình Âm thanh & Chương 02
Giáo trình Âm thanh & Chương 02 (2)
All Pages

 

CHƯƠNG 2

                  

Bản chất của âm thanh

                       The Nature of Sound


            Chương này là các thông tin cơ bản tiếp theo của âm thanh, một số trong đó là quan niệm sai lầm đã lây lan trong nhiều học viên thiếu kinh nghiệm được đào tạo tại lớp pro-sound thực sự, trong số những học viên học âm thanh nói chung. Các bạn nên đọc lại toàn bộ chương này ít nhất hai lần thật triệt để bảo đảm hiểu rõ tường tận nội dung.



          Sóng âm thanh (Sound Waves)


           
Hình 2.1 và 2.2 hiển thị chuyển động của một cái loa đang tái tạo lại âm thanh cơ bản nhất, chẳng hạn như của một âm thoa hay trong các thiết bị đơn giản của organ điện tử hay synthesizer.

            Khi cone (vành loa hình nón) loa di chuyển ra phía ngoài (Hình 2.1-B) không khí ngay trước mặt loa bị nén vượt quá áp suất không khí bình thường. Dòng khí nén sau đó di chuyển ra ngoài và gây thêm áp lực lên các hạt không khí ở mặt trước của nó, lần lượt di chuyển ra phía ngoài và nén với các hạt sau, và lập lại. Như thế, một làn sóng nén được tạo ra trong đó áp lực bị biến thiên nhanh chóng một tập hợp các hạt không khí và tiếp theo là sóng bị di chuyển ra phía ngoài.

            Khi cone loa di chuyển vào bên trong (Hình 2.1-D) nó tạo ra một phần chân không, hay giãn nở (còn gọi là loãng khí). Các hạt không khí ở phía trước cone loa sẽ quay trở lại để lấp đầy chỗ giãn nở, các hạt này cũng bắt đầu di chuyển trở lại, bởi vậy sau đó các hạt phía sau sẽ vòng ra phía ngoài. Theo cách này, một sóng bị giãn nở cũng được biến thiên từ một tập hợp các hạt không khí cho tới khi nó theo sau những lực nén cùng tốc độ. Mỗi lần cone loa tạo ra sự nén và giãn nở, sau đó trở lại điểm khởi đầu, là đã hoàn thành một chu kỳ (cycle) của sóng âm thanh.

            Cone loa tiếp tục di chuyển theo cách tương tự (hình 2.2), nó tạo ra một loạt việc nén và giãn nở liên tục ra phía ngoài, biến thành một hiệu ứng gợn sóng. Những gợn sóng giống như sự biến thiên của áp suất không khí như thế này là những gì tai chúng ta nghe và phát hiện ngay lập tức, sau đó được phiên dịch là đó là một loại âm thanh. Mặc dù những đợt sóng di chuyển ra ngoài từ nguồn của nó, hạt không khí tự chúng không di chuyển xa hơn mức cần thiết để tiến tới một sự nén bên ngoài, thay vào đó sau đó nó được hút trở lại bằng cách giãn nở, kế tiếp, lặp đi lặp lại tiến trình suốt thời điểm của âm thanh.

            Trong một khu vực mở, trống trải, sóng âm thanh đi xa khỏi nguồn của nó theo cách mà chúng ta có thể tạm ví như sóng bề mặt tạo ra trong ao nước, khi ném vào đó một viên sỏi. Khi sóng di chuyển ra phía ngoài, chúng lan tỏa năng lượng của mình trên một diện tích lớn hơn và lớn hơn nữa, giảm bớt chiều cao lại cho đến khi khoảng cách từ nguồn không còn phát hiện được nữa. Sóng âm, tỏa ra trong bất kỳ các mô hình ba chiều nào, hơn là trên mặt phẳng, thí dụ như bề mặt của nước.


Figure 2-1

Hình 2.1

Một chu kỳ chuyển động của một cone loa. (E, cone loa trở về A.)

Những gì được minh họa ở đây không gợn sóng, nhưng sự nén và giãn nở không khí, đưa ra phía ngoài. Dưới đây là một phần nhỏ của sự tiến ra phía ngoài của tần số của một làn sóng. Thực tế, mức độ của việc bung ra sang một bên tất nhiên sẽ là ba chiều (thí dụ, trái, phải, hướng lên trên, và đi xuống từ các hướng của cone loa), và mức độ phân tán của nó có thể thay đổi tùy thuộc tần số của sóng.



           























          Trong một khu vực kín, chẳng hạn như một căn phòng hay thính phòng, âm thanh có khuynh hướng hoạt động khá giống như những con sóng tạo ra bởi một viên sỏi rơi vào bể cá (hình 2.3). Nếu các bức tường, sàn và trần nhà là trần trống, âm thanh trải qua sự phản âm rất nhiều trước khi nó biến ra ngoài. (Điều này cũng tương tự như cách ánh sáng hoạt động trong một căn phòng được lót bằng gương, ngoại trừ một điều là với ánh sáng, nó xảy ra nhanh hơn nhiều). Kết quả được gọi là reverbration (vang dội), một loạt tiếng lập lại (echo) rất gần nhau không thể phân biệt, có thể nghe được giống như sự phân rã (decay) liên tục theo sau những âm thanh ban đầu.

            Với mỗi sự dội âm, một số năng lượng trong các sóng này sẽ bị mất dần bởi bề mặt phản xạ, cho đến khi cuối cùng nó được hấp thu hoàn toàn. Một người trong phòng đầu tiên sẽ nghe những âm thanh trực tiếp từ nguồn, sau đó là những âm thanh phản xạ từ các bề mặt trong phòng. Cách thức mà điều này xảy ra là một phần lớn nguyên nhân cho những gì thường được gọi là âm cách (acoustic) của phòng.

            Khi phòng có thêm nội thất, rèm, thảm, v.v , tác động này sẽ xảy ra tương tự như trong hồ cá khi thực vật và các vật liệu xốp có nhô lên mặt nước hay không (hình 2.3 ). Ở phòng như vậy, sóng tiếp tục khuếch tán và bị hấp thụ bởi các vật thể bổ sung và bề mặt xốp, đã làm cho âm thanh phân rã nhanh hơn. Mức độ và loại reverberation trong một căn phòng rất quan trọng đối với âm thanh. Tùy thuộc vào tình huống, nó sè đem đến cả hai điều: hạnh phúc lẫn tai họa.

            Nếu thêm vào đủ lượng reverberation, việc biểu diễn sẽ hoàn hảo hơn. Nhưng, có số lượng quá mức thì có thể là một cơn ác mộng cho cả người biểu diễn và khán giả . Số lượng tối ưu của reverb trong bất kỳ môi trường nào cũng có thể thay đổi tùy theo việc chúng ta đang khuếch đại tiếng nói hay âm nhạc, và còn liên quan tới loại âm nhạc nào nữa.

Figure 2-2

            Hình 2.2

            Đây là một thời gian tiếp xúc thực của một phần sóng âm thanh được phát ra từ loa.

                Được thực hiện rất sáng tạo bằng phương pháp quét một micro nhỏ gắn với một bóng đèn neon đồng bộ với ánh sáng để hiện lên ngay lập tức giai đoạn nén dần dần của sóng khi đi qua camera. Giả sử loa 15”, tần số liên tục phát ra sẽ khá cao về trình tự thí dụ là 5.000 Hz. Lưu ý đây là mô hình rất hẹp của phần lớn nhất của sóng (các điểm ở vùng phía trên và dưới, độ dB sẽ thấp hơn nhiều, và sẽ hầu như không nghe được). Điểm đặc trưng này là một lý do chính tại sao loa horn tần số cao được xử dụng trong âm thanh, dùng để phát tán các tần số cao một cách thích hợp, đồng đều hơn cho khán giả.. Tuy nhiên, không phải mọi hệ thống thực hiện việc này đạt được cùng một mức độ hiệu quả, một chủ đề sẽ thảo luận trong chương 9.


Figure 2-3

            Hình 2.3

 


                (A) Sóng âm trong một bể có thể được dùng để tiêu biểu cho hoạt động của âm thanh trong phòng với những bức tường dội âm. Ngoài tiếng dội này, cộng hưởng cũng xảy ra trong một căn phòng chuẩn. có thể làm thay đổi đáng kể đặc tính của âm thanh trong bất kỳ căn phòng nào.

 

 

 

 

 

 

 

                (B) Vật liệu xốp hay không, tác dụng để giảm tiếng dội. Phần màu đen trong hình sẽ thay đổi tùy theo tần số, tần số cao hơn sẽ có nhiều khả năng bị chặn bởi các vật cản hơn so với mức thấp. (Xem mục "Bước sóng" (wave lenghth) sẽ cho biết thêm thông tin.)

 

 

 

 

Tốc độ của âm thanh (The Speed of Sound)

             Trong bất kỳ vật chất nhất định nào, âm thanh không thay đổi tốc độ khi rời khỏi nơi nó xuất phát. Tốc độ nhanh như thế nào là tùy thuộc vào vật chất đó. Thí dụ trong nước, âm thanh di chuyển nhanh hơn bốn lần so với khi nó ở trong không khí. Trong thép hay sắt, tốc độ của âm thanh nhanh khoảng mười lăm lần so với trong không khí. Sự khác biệt này có thể khá dễ dàng chứng minh bởi hai người, nói với nhau cách khoảng 50 mét dọc theo một lan can bằng sắt hay đường rầy xe lửa. Nếu một người đọc “rap” trên đường sắt với một cái búa, người thứ hai sẽ nghe thấy âm thanh hai lần, một lần nghe những rung động đi qua các rào chắn và một lần nữa một sau khi nó với đi ở tốc độ thấp hơn trong không khí. Âm thanh cũng đi với tốc độ khác nhau thông qua các loại khí gas. Giọng nói the thé giống như đứa trẻ của một người đã hít hơi heli từ một quả bóng là kết quả của các sóng âm thanh vận tốc cao hơn trong hơi gas heli khi nó đi qua các hộp thoại (voice box) và miệng.

            Trong không khí, vật chất mà chúng ta đang chú trọng nhất, tốc độ của âm thanh là khoảng 344 mét / giây (1.130 feet / giây). Sóng âm truyền qua không khí đều ở tốc độ này dù nó là nhỏ nhẹ hay lớn, tần số thấp hay cao, có tính chất đơn giản hay phức tạp, bởi vì tốc độ này là bình thường, không bị ảnh hưởng với những thay đổi của áp suất.

            Tốc độ của âm thanh thay đổi rất ít theo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển, trừ khi các yếu tố này ảnh hưởng đến tính chất vật lý (độ đàn hồi và mật độ) của không khí. Đây là một vấn đề cho các nhạc công chơi nhạc cụ có cao độ hay bị tăng giảm do những thay đổi nói trên (chủ yếu là nhạc cụ hơi). Đối với nhiều sự tính toán thực tế đều có liên quan đến pro-sound, mặc dù, tất cả các sóng âm thanh có thể giả định là được di chuyển với tốc độ nêu trên.

 

          Biên độ (Amptitude)

            Sức mạnh, hay cường độ của sóng âm tại một thời điểm tức thời trong một thời gian được gọi là biên độ (amptitude) của nó. Trong hình 2.4, biên độ được thể hiện khoảng cách theo chiều dọc (chiều cao chiều sâu) của sóng ở trên dưới mức giữa. Đây miêu tả sự thay đổi áp suất nén (phía trên mức giữa) mở rộng (bên dưới mức giữa)) sinh ra trong không khí bởi sóng âm thanh, và cũng có thể miêu tả cho các tín hiệu điện trong các mạch nội bộ của hệ thống âm thanh. Thuật ngữ biên độ nghĩa tương tự như khối lượng (volume), độ lớn (loudness), mức độ áp lực âm thanh (sound pressure level), và vài tên khác. sự khác biệt quan trọng, nhưng tinh tế giữa chúng, sẽ được thảo luận trong chương 3 và 4.

 

 Figure 2-4

            Hình 2.4

                Sóng tương đương với biên độ khác nhau được hiển thị trên trình tự (time line) hay màn hình máy hiện sóng (oscilloscope).

                Lưu ý rằng bên trái, chỉ độ cao khác nhau, không phải chiều dài. Điều này sẽ còn dùng cho những bộ khuếch đại, tăng sức mạnh của tín hiệu mà không thay đổi tần số hay dạng sóng thiết yếu của nó. Loại thay đổi biên độ này cũng có thể được dùng bằng cách hiển thị nó trên một đồ thị thay đổi theo chiều dọc, như bạn thấy ở bên phải. Hình đồ thị của tập hợp các sóng âm có thể được kéo dài ra hay bị giảm đi, theo chiều dọc hay ngang, tùy theo thời gian biên độ được xử dụng.

          Tần số (Frequency)

            Tỷ lệ của bất kỳ loại chuyển động nào tự lặp lại chính nó được gọi là tần số. Đối với sóng âm thanh, tần số được đo bằng chu kỳ (cycle) trên mỗi giây, hay hertz. Thí dụ, trong một giây, nếu một cone loa đã hoàn tất việc chuyển động thứ hai được mô tả trong hình 2.1, tần số của nó sẽ là một chu kỳ / giây, hay một hertz (Hz). Nếu chuyển động này xảy ra một trăm lần mỗi giây, tần số (và hình thành các sóng âm thanh) sẽ là 100Hz. Nếu chuyển động xảy ra một nghìn lần mỗi giây, tần số của nó sẽ là 1000Hz hay kilohertz (1kHz). Khi tần số không kéo dài trọn một giây, tần số nói về số của chu kỳ (cycle) đó sẽ xảy ra nếu nó được để tiếp tục cho một tuần hoàn thứ hai với tỷ lệ tương tự.

Tai của con người có khả năng nghe suốt một giải tần số được gọi là phổ âm thanh, hay đơn giản là giải âm tần nghe được. Nói chung, phạm vi này được coi là từ 20Hz lên đến 20.000 Hz (20kHz). Trong các giới hạn xấp xỉ này, tần số phù hợp chặt chẽ với các cảm giác về cao độ âm thanh (pitch) tạo ra trong tai (tần số cao hơn, sẽ nghe được cao độ âm nhạc (pitch musical) cao hơn).

Phổ âm thanh là một giải tần kéo dài khoảng mười bát độ (octave), hay nhân đôi tần số. Các khái niệm về một bát độ là vấn đề cơ bản trong việc nghiên cứu âm nhạc, nhưng rất hữu ích và quan trọng trong việc nghiên cứu âm thanh nói chung nữa. Bát độ miêu tả một tỷ lệ (tỷ lệ 2:1), và nó là tỷ lệ giữa các tần số khác nhau mà tai chúng ta nghe chấp nhận, chứ không phải giá trị số thực tế giữa các tần số. Thí dụ, mức giữa của phổ âm thanh không phải là số Hz ở khoảng giữa 20 và 20.000 (mà sẽ là 10.010). Đúng hơn, nó là ở giữa số lượng các bát độ từ 20 đến 20.000 Hz, đó là khoảng 640Hz (xem hình 2.5).

            Mười bát độ (octave) của phổ âm thanh có thể tưởng tượng như là một keyboard organ, tạo ra tất cả các âm thanh mà đôi tai của con người có thể nghe được. Mỗi âm thanh có những đặc điểm của nó, chủ yếu là do: (1) các tần số có liên quan, (2) sự tương đối của cường độ, và (3) cách thức mà các tần số và cường độ thay đổi theo thời gian.

 

Figure 2-5

            Hình 2.5

                Các đường phân chia của phổ âm thanh thực ra là hơi độc đoán.

                Thông thường, điểm giữa của phổ dùng cho các mục đích kỹ thuật, khoảng 1kHz. Giải tần rất rộng của hệ thống âm thanh tiêu biểu chỉ cần nhân bản từ khoảng 4OHz đến 14kHz. Trong thực tế, thậm chí ngay cả những (tin hay không, tùy) tần số cực thấp cao này đều dùng với hầu hết các ứng dụng âm nhạc. Tuy nhiên, việc định rõ bên trên giải cần thiết đôi khi có thể là dấu hiệu đặc trưng mà thiết bị có thể đạt đến tần số cần có với hiệu quả hợp lý.

 

            Phổ âm thanh cũng có thể được chia thành nhiều nhóm thập phân (decades), là ngôn ngữ âm thanh dùng để chỉ các giải tần nằm trong phạm vi tỷ lệ mười-một (ten-to-one). (Điều này cũng được gọi là một thứ tự của cường độ, các nhịp đếm được thể hiện bằng việc bổ sung một số không vào cuối của bất kỳ số nào). Các giải tần âm thanh có nhịp đếm khoảng ba nhóm thập phân: từ 20Hz đến 200Hz, từ 200Hz đến 2000Hz, và từ 2000Hz đến 20.000 Hz. Điều này có ích để chia phổ âm thanh, bởi vì thiết bị loa riêng biệt trong các ứng dụng pro-sound vốn đã bị hạn chế với khoảng một nhóm thập phân của giải tần số hiệu quả (điều này sẽ được giải thích trong chương 9).

            Cần lưu ý rằng tai của chúng ta nhạy cảm với tần số biến đổi khác nhau trong phổ âm. Một số tần số nghe được dễ dàng hơn là những tần số khác, và các giới hạn trên dưới của đường phân chia không có nghĩa là bất di bất dịch. Thay vào đó khả năng nghe dần dần sẽ giảm đối với hai cực âm phổ (và cũng có thể rất khác nhau giữa mỗi người). Nó sẽ được giải thích trong chương 3 lý do tại sao điều này và đặc điểm đặc biệt khác của tiến trình cảm tính của con người có ý nghĩa quan trọng trong việc xử dụng hệ thống âm thanh.

          Bước sóng (Wavelength)

            Liên quan chặt chẽ đến tần số của sóng âm bước sóng (wavelength) của nó (xem hình 2.6). Thuật ngữ này mô tả độ dài một sóng tần số nhất định sẽ di chuyển trong không khí trong thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ. Đó cũng là khoảng cách giữa các điểm giống nhau ở hai chu kỳ liên tiếp khi di chuyển từ gốc của chúng. Âm thanh di chuyển trong không khí cùng một tốc độ, bước sóng sẽ khác nhau tỷ lệ nghịch với tần số (tần số cao hơn, bước sóng ngắn hơn).

            So sánh như sau có thể hữu ích. Hãy tưởng tượng chúng ta đang quan sát một hàng người diễu hành ra khỏi cửa, tất cả đều cùng một tốc độ. Nếu những người này ra khỏi ngưỡng cửa với một khoảng thời gian bình thường (tần số), và tất cả họ đi cách nhau cùng một khoảng cách (bước sóng). Nếu họ giữ cùng một tốc độ mà tăng gấp đôi tỷ lệ mà họ đã đi qua các ô cửa (nhân đôi tần số), sau đó họ sẽ đi cách nhau chỉ có một nửa khoảng cách (một nửa bước sóng). Được coi là cách khác nổi bật hơn, người ở trong hàng với khoảng cách ngắn có thể nói qua một người quan sát với tần số lớn hơn mà họ đã làm khi khoảng cách xa hơn.

 Figure 2-6

            Hình 2.6

                Bước sóng khác nhau tỷ lệ nghịch với tần số (nhân hai tần số bằng một nửa bước sóng.) Bước sóng dài hơn, sẽ uốn cong dễ dàng hơn chung quanh nguồn của cũng như chung quanh những chướng ngại trên đường đi của nó.

 
            Mối quan hệ này được thể hiện theo công thức:

            Bước sóng (λ) =   tốc độ của âm thanh (~ 1130ft / giây)
                                                         
Tần số (Hz)

            Một sóng âm thanh 20Hz dài khoảng 17 mét (~ 56 feet), trong khi một sóng 20kHz chỉ khoảng 17millimeters (~ hai phần ba của một inch). Bước sóng giữa hai cực tùy theo công thức trên (tỷ lệ nghịch với tần số). (Để tham khảo, ở chương 9 sẽ có một biểu đồ của các bước sóng tương đối đúng của phổ âm).

            Khái niệm về bước sóng đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế các speaker, horn và tweeter cho phù hợp, cũng như phải hiểu cách xử lý sóng âm trong các môi trường vật lý khác nhau. Nguồn âm thanh rất nhỏ hay nhẹ không thể phát ra âm thanh tốt hơn so với các bước sóng mà nó tạo ra. Đây là lý do chính để giải thích tại sao các thiết bị loa tần số thấp (low frequency speaker) sẽ lớn hơn nhiều so với các thiết bị loa tần số cao (high frequency speaker) khác. Thực ra, thiết bị tần số thấp sẽ quá lớn để có sự hữu dụng, do đó, thường dùng horn tần số thấp (low frequency horn) hay thùng loa với kích thước và thiết kế đã được thoả thuận..

Chiều dài của một sóng âm cũng ảnh hưởng đến khả năng vượt qua những chướng ngại khác nhau trong đường đi của nó, chẳng hạn như tường ngăn, cột trụ, cơ thể con người và đầu người. Bước sóng ngắn (tần số cao) có khuynh hướng phản xạ hay bị hấp thụ bởi những chướng ngại như vậy, trong khi các bước sóng dài nhất của phổ âm (tần số thấp) có khuynh hướng di chuyển chung quanh hay băng qua mọi thứ trên con đường phát tán của nó.

 

          Sóng Sin (Sine wave)

            Dạng cụ thể của áp lực sóng tạo nên một âm thanh, phải được rõ ràng, phải xác định rõ loại dao động nào tạo ra chúng. Đối với thí dụ cơ bản nhất về vật lý, có thể, những âm thanh của một âm thoa, được dùng trong nhiều thế kỷ trước đây trên các công cụ điều chỉnh cao độ của nhạc cụ cho thích hợp, được tạo ra bởi loại dao động cơ bản nhất, được gọi là chuyển động họa âm đơn giản (simple harmonic motion).

            Một con lắc đong đưa qua lại và một quả cân nhấp nhô lên xuống, khi ở cuối chu kỳ sẽ chậm lại, là thí dụ để quan sát loại chuyển động này dễ dàng hơn. Hãy nhớ rằng con lắc được xử dụng trong đồng hồ cổ hồi xưa khi gần hết năng lượng vẫn không đổi thời gian lắc. (Nói cách khác, nó vẫn duy trì tần số đặc trưng của mình bất kể biên độ của nó ra sao).

            Âm thoa, tất nhiên, di chuyển vào ra nhanh chóng đủ để tạo ra sóng âm thanh nghe rõ, nhưng có rất nhiều loại dao động tương tự. Khi vỗ nó, các nhánh của nó phản ứng bằng cách rung với dao động đơn giản, áp không khí chung quanh dao động y như nó. (Nốt nhạc La (A) 440Hz là tần số thông dụng nhất, mặc dù họ vẫn còn sản xuất một số loại tần số tương ứng với nốt nhạc khác nhau, không phải ai cũng chuyển sang dùng chuyển sang dùng bộ điều hưởng điện tử) (electronic tuners)

            Cách trình bày loại chuyển động bằng đồ thị từ những rung động của một âm thoa có thể hình dung bằng cách gắn cây bút vào một trong các ngạnh như minh họa trong hình 2.7.

            Một miếng giấy di chuyển ở tốc độ bình thường với cây bút chạm vào giấy nhẹ nhàng, dao động của âm thoa sẽ hiện ra.


 

Figure 2-7

Hình 2.7

 

(A) Âm thoa tạo ra các dạng sóng cơ bản được gọi là sóng sin, tất cả các sóng âm thanh đều được tạo thành như vậy, không có ngoại lệ. (Tỷ lệ hình này đã được phóng đại để minh họa.) Khi dùng thuật ngữ tần số và bước sóng, họ đã tham khảo sóng sin tạo thành âm thanh như thế nào.

 


(B) Chế độ rung của một dây đàn đơn giản. Nhiều nhạc sĩ và soundman không kỹ thuật cao , đã rất khó khăn để hiểu rằng những việc này xảy ra đồng thời, mỗi rung động có dạng thức chuyển động sóng sin tại tần số riêng của nó. (Thuật ngữ họa âm (harmonic), về bản chất, có nghĩa là tần số của nó là bội số nguyên của tần số gốc).

 

(Thuật ngữ harmonic. theo âm nhạc gọi là hài âm, nhưng trong âm thanh phải gọi là họa âm mới chính xác, cũng như harmonic frequency là họa tần – ND)


            Căn nguyên của dạng sóng, thể hiện chuyển động của họa âm đơn giản theo cùng một lịch trình, sẽ là một dạng sóng sine. Đây là loại sóng cơ bản nhất để tạo thành tất cả các sóng âm thanh, không có ngoại lệ. Thực ra, do định luật chuyển động cơ bản của vật lý và phân tử, mỗi loại dạng sóng, có thể bị toán học, âm học và điện tử chia nhỏ chính nó thành các thành phần sóng sine. Khi dùng các thuật ngữ tần số (frequency) và bước sóng (wavelength), người ta thường giả định để chỉ một thành phần sóng sine trong âm thanh. Như sẽ thấy, khả năng trích xuất các thành phần sóng sine liên quan đến một âm thanh cũng có tầm quan trọng đến thính giác của chính con người. Trước khi đi vào các dạng sóng phức tạp, chương này sẽ giới thiệu thêm một số khái niệm cơ bản.



 

          Âm phổ (Sound Spectra)

 

            Sóng sine là viên gạch cơ bản của âm thanh, nó hiếm khi được tạo ra ở dạng tự nhiên bởi bất kỳ nguồn vật lý nào khác, ngoài âm thoa đã được đề cập ở trên. Những âm điệu (tone) ngắn gọn nghe được ở các điện thoại, những tone thử nghiệm liên tục được phát ra bởi sóng của các đài truyền hình, và một số âm thanh của máy chơi game là những thí dụ khác của âm thanh mặc dù chúng đã được tạo ra bằng điện tử. Do tình trạng của nó như là một viên gạch, sóng sine có ích cho việc thử nghiệm (chúng được dùng cho hầu hết các trắc nghiệm về thính giác cũng như trong thử nghiệm thiết bị âm thanh nói chung). Sóng sine nguyên bản không thay đổi tần số và biên độ thường được coi như là vô hồn, đơn điệu (nghĩa đen là monotones), buồn tẻ, hay đơn giản là tinh khiết, nguyên bản (pure). Theo ý nghĩa này, nghe một sóng sine mà tần số và biên độ không đổi giống như nhìn vào một viên gạch đơn thuần, không thuộc cái nhà nào cả.

            Các âm thanh chúng ta nghe được, thông thường tạo thành từ một hỗn hợp các thành phần của sóng sine với nhau có thể được gọi là sự phân bố âm phổ (spectrum) hay sự phân bố năng lượng (energy distribution) của bất kỳ vật thể nào phát ra âm thanh. (*) Trong trường hợp âm thanh của âm nhạc, các tần số ăn khớp với nhau theo một cách trật tự đủ để có một chất lượng đặc biệt làm hài lòng người nghe khi sắp xếp những đoạn nhạc. (Âm thanh đó có nhiều tiếng ồn như là không có sự sắp xếp ngăn nắp, chúng ta chỉ xem xét về khía cạnh âm nhạc, thay vì nghe để ý đến nhiều hỗn hợp ngẫu nhiên của tần số). Đàn dây, có lẽ là loại thông dụng nhất của phần tử dao động (vibrating element) được xử dụng trên toàn thế giới, là một minh họa tốt để hiểu âm nhạc được tạo ra bằng cách nào.

            Đầu tiên hãy xem xét chính sợi dây đàn, chỉ cần kéo dài giữa hai vật vững chắc. Khi gảy nó, như một lò xo nó nhanh chóng trở lại và lại bật ra, mỗi chuyển động kế tiếp trở nên hơi nhỏ hơn so với trước cho đến khi cuối cùng nó dừng lại. Sợi dây đàn đã chuyển động theo cách này, thực sự rung cùng lúc trong nhiều chế độ khác nhau, mỗi một trong những cái đó được nhận dạng là một chuyển động của sóng sin trong một tần số đặc biệt (xem hình 2.7).

            Chế độ rung bao trùm toàn bộ chiều dài của dây đàn, với sự chuyển động tối đa ở giữa sợi dây, là họa âm đầu tiên (first hamonic), gọi tắt là âm gốc (fundamental). Các âm gốc tạo ra cao độ chính, nghe được như một nốt nhạc của dây đàn.

            Những họa âm khác (2, 3, 4, 5, v.v. được gọi là bội âm của dây đàn (string’s overtones) là kết quả của chế độ rung có liên quan đến sự chia nhỏ tổng chiều dài của dây đàn. Định nghĩa, họa âm là một tần số là bội số nguyên (có nghĩa là, nhân với một số nguyên: 1, 2, 3, 4, 5, v.v.) của các âm gốc.

            Giống như răng, nhánh của một âm thoa, bản thân dây đàn cứa trong không khí mà không mất nhiều năng lượng của mình để tỏa ra không khí. Nếu dây đàn được gắn với một guitar thùng (hay các nhạc cụ thân rỗng), thùng đàn sẽ tạo ra sự cộng hưởng để đáp ứng với dao động của dây đàn. Không giống như hộp cộng hưởng của một âm thoa chỉ cần đáp ứng có một tần số, thùng guitar phải cộng hưởng cho rất nhiều các tần số. Hình dạng cong đặc biệt của nó là để thực hiện điều này.

            Tuy nhiên, thùng guitar vẫn đáp ứng dễ dàng với một số tần số hơn là những vật khác. Kết hợp của cộng hưởng bao gồm tất cả các rung động của tấm gỗ và khoang bên trong được vẽ dưới dạng một đường biểu diễn đáp ứng tần số (frequency reponse curve), hay đường biểu diễn cộng hưởng (resonance curve). Đồ thị dưới đây (hình 2.9) cho thấy mức độ mà thùng đàn sẽ đáp ứng với dao động của bất kỳ tần số nhất định nào.

 

            (*) Mỗi âm thanh (sound) đã đã có phổ tần số (spectrum of frequencies) riêng của mình, không nên nhầm lẫn với phổ âm (audio spectrum), tất cả các tần số nghe được của con người. Spectra dạng thức số nhiều của âm phổ (spectrum).

 

 Figure 2-9

 

 

 

Hình 2.9

Một đường cộng hưởng như thế này mô tả cho mức độ mỗi tần số tạo ra bởi dây đàn hay loại dao động khác, được khuếch đại bởi một nhạc cụ hay nguồn âm thanh khác. Đặc tính này một khía cạnh chính của những gì được sửa đổi bởi một EQ / hay microphone. (Các bảng là hiển thị tiêu biểu của một guitar thùng hay viola).

 

            Các yếu tố rung (dây đàn-string) và cộng hưởng (thùng guitar) kết hợp với nhau để tạo ra âm phổ của một nốt nhạc nhất định cho guitar. Chính sợi dây đàn tạo ra âm gốc của các cao độ âm nhạc và bổ sung thêm các họa âm, có tần số thay đổi tỷ lệ với nhau giống như những nốt nhạc khác nhau được chơi, do đó duy trì sự tương quan về họa âm của nó. Thùng guitar sau đó xác định mức độ tần số nào sẽ được tăng cường thêm cho tần số đó nằm trên các đỉnh của đường biểu diễn sự cộng hưởng. Kết quả là các âm phổ cho ra những âm thanh của nốt nhạc chất lượng âm sắc đặc thù của nó chơi trên một cây đàn guitar, theo truyền thống được gọi là âm sắc (timbre) của nó (phát âm là "tamber"). Những âm sắc của âm thanh một nhạc cụ đóng một vai trò quan trọng trong việc cho phép (plays a vital role in allowing), thí dụ, nốt Mi (E) chơi trên guitar nghe khác với cùng nốt đó chơi trên bất kỳ loại nhạc cụ nào (hay guitar khác mà chính đặc tính vật lý dẫn tới việc âm phổ bị khác đi).

            Trong một số nhạc cụ, chẳng hạn như nhạc cụ hơi bằng gỗ (woodwinds), không dùng sự cộng hưởng riêng biệt; lưỡi gà là một yếu tố để dao động và các nốt nhạc được xác định bằng cách các nhạc công điều chỉnh chiều dài của cột không khí trong nhạc cụ (gần tương đương với việc kiểm soát nốt nhạc cộng hưởng của một ống nghiệm, chai lọ hay ấn định nó bằng cách cho vào một số lượng nước nhất định). Trong các nhạc cụ khác, chẳng hạn như trumpet và trombones, cử động đôi môi của nhạc công là một phần tử dao động. Nhưng trong những loại khác, như sáo (flute) và ống tiêu (recorders), không có sự dao động vật lý nào, tất cả những rung động tạo ra là do một luồng không khí xoay chiều nhanh chóng qua ống. Trong mỗi trường hợp, đặc biệt là cấu trúc vật lý và cách chơi nhạc cụ đem lại những phổ âm riêng và do đó là chất lượng âm điệu riêng của nó. Sự khác biệt giữa các khái niệm của các phần tử rung và cộng hưởng này, mặc dù có một số hiểu biết quan trọng về những khía cạnh của âm thanh, có thể được kiểm soát bởi một hệ thống âm thanh, và lại có những khía cạnh khác lại có thể không (xem lại hình 2.9). Điều này sẽ được thảo luận thêm phần nào trong chương 6 và 17

 

          Phase sự can thiệp (Phase and Interference)

 

            Một đặc điểm thú vị quan trọng về chuyển động của sóng sine mối quan hệ chặt chẽ với chuyển động vòng quanh. Đây là cơ sở cho việc đo lường phase của sóng (wave’s phase). Nghiên cứu giữa mối quan hệ đặc biệt của phase với các sóng âm thanh có thể rất phức tạp, nhưng mục đích của giáo trình này sự cần thiết duy nhất để hiểu được nhưng ý tưởng cơ bản.

            Hình 2.10 cho thấy đồ thị của một sóng sine vẽ như là một chiếu quay của một vòng tròn bán kính bằng với biên độ đỉnh (peak) của sóng. Trong hình minh họa này, điểm X1 trên vòng tròn được cho là quay theo vòng tròn của nó tại tần số điểm X2 trên sóng sine. Nếu cả hai bắt đầu chuyển động của cùng lúc không độ, vị trí thẳng đứng của (biên độ) sẽ giống hệt nhau mọi thời điểm trong chu kỳ tương ứng.

            Khi chu kỳ đạt đến 90 độ, biên độ tích cực (nén) đỉnh giá trị của nó. Ở 180 độ, biên độ lại là không; biên độ 270 độ âm (mở rộng) đỉnh giá trị của nó. Tại 360 độ (giống như không độ), biên độ một lần nữa là không lại bắt đầu chu kỳ tiếp theo.

Figure 2-10

            Hình 2.10

            Sự liên quan giữa một hình tròn một sóng phase.

                Sóng sine (tần số) thực tế là một hình thức chuyển động vòng tròn mở rộng ra trên ngoài cùng một trục, như thời gian hay khoảng cách. Quan hệ gần gũi của để chuyển động vòng tròn (từ góc độ của vật lý học, dạng chuyển động tinh khiết nhất) giải thích tại sao có khuynh hướng độc lập với nhau, mặc dù thực tế là kết hợp với nhau theo vô số cách. Các khái niệm về phase rất quan trọng trong pro-sound. Phase được viết tắt Φ. Một chức năng phổ biến trên mixer chất lượng cao, một số thiết bị delay, crossover hiếm có cho phép đảo ngược pha (còn gọi là phân cực ngược reversed polarity) bằng 180 °. Cách đảo chiều này cũng có thể được thực hiện bằng cách đảo ngược các dây tín hiệu ở một đầu của cáp XLR loại balance, như thể hiện trong chương 16, Một vấn đề khác quan trọng đối với phase nối dây loa trong cùng một loại phân cực, nhất khi được gắn vào cùng một thùng loa hay cùng một array loa, nếu không, sẽ có khuynh hướng hủy bỏ tác động output của nhau (triệt tiêu), đặc biệt tần số thấp. (Trong trường hợp xấu nhất, thể dập tắt (blow out) toàn bộ, sẽ giải thích thêm trong chương 9 về phần acoustic loading).


            Khi hai hay nhiều sóng tương tác với nhau, biên độ của nó được bổ sung về mặt đại số. Trong một thí dụ đơn giản (hình 2.11), khi hai sóng sine cùng một tần số và biên độ được chồng lên với nhau bắt đầu cùng một lúc ở không độ (cùng phase - in phase), kết quả cho ra một sóng sine với biên độ gấp đôi biên độ của mỗi sóng. Các sóng này được gọi là sự can thiệp xây dựng lẫn nhau. Nếu cũng hai sóng đó, được chồng lên nhau với một sóng bắt đầu từ không độ và sóng khác ở 180 độ, biên độ của nó sau đó sẽ đối xứng nhau chính xác (lệch phase 180 độ, out of phase), và được gọi là sự can thiệp phá hoại lẫn nhau (destructively), trong trường hợp này nó hoàn toàn triệt tiêu lẫn nhau. Nếu hai sóng có tần số và biên độ đồng đều được chồng với bất kỳ mối quan hệ phase khác liên quan đến nhau (with respect to one another), nó sẽ có lúc là can thiệp xây dựng, và có lúc khác là can thiệp phá hoại. Nói cách khác, điều này như hoàn thiện một phần hay toàn phần (sự can thiệp xây dựng) hay triệt tiêu một phần hay toàn phần (sự can thiệp phá hoại). Trong môi trường âm thanh nghe được, sóng ít khi triệt tiêu nhau hoàn toàn, trải nghiệm của chúng tôi thường chỉ có triệt tiêu một phần. Các mối quan hệ đại số cùng loại cũng như vậy cho tất cả các loại tương tác của sóng âm thanh.

            Sóng âm từ hai nguồn khác nhau tương tác theo cách so sánh với các sóng tạo ra bởi hai rối loạn riêng biệt trên mặt nước (Hình 2.11) Lưu ý rằng các loại can thiệp xây dựng và phá hoại khác không làm thay đổi đường đi của một loạt các sóng. Sự can thiệp của nó tại bất kỳ điểm nào chỉ cần cộng thêm mức độ của biên độ tích cực hay tiêu cực cần thiết để vượt qua sóng dọc theo trên hành trình đi ra ngoài của nó. Tuy nhiên, thính giả ở bất kỳ vị trí nào, sẽ nghe thấy những tần số khác nhau đến mức độ mà họ nghe thấy tăng hay giảm ở các vị trí lắng nghe cụ thể. Điều này rất quan trọng, vì với hệ thống có nhiều vị trí đặt loa, chúng ta có thể mong đợi những âm thanh này thay đổi phần nào khắp khán giả, ngay cả khi âm thanh được phát tán hiệu quả bởi các loa.

 

          Các dạng sóng phức tạp (Complex Waveforms)

            Như đã giải thích, mỗi âm thanh có riêng phổ tần số của mình tiến trình nghe có khả năng xác định âm điệu đặc biệt của âm thanh đó. Mặc dù, các tần số tương ứng đến mỗi âm thanh truyền đồng lúc qua không khí như thế nào? Để trả lời điều này, lẽ nên nhìn các piston loa một lần nữa, trong trường hợp này sẽ nhân bản ra một dạng sóng phức tạp như một note nhạc chơi trên piano.

            Hình 2.12 cho thấy một phổ tần số tiêu biểu liên quan đến nốt nhạc La (A), 220Hz (dưới nốt nhạc A một bát độ) chơi trên đàn piano. (Ngẫu nhiên, họa âm thứ bảy tối thiểu ở đây điểm của búa đối với dây đàn piano trong trường hợp này loại bỏ có hiệu quả bội âm đặc biệt này). Khi âm gốc tất cả các bội âm được chồng lên như đã mô tả trong phần trước đây về phase sự can thiệp, kết hợp để cho ra một dạng sóng phức tạp có thể xuất hiện hơi giống như thể hiện trong hình 2.12. Dạng sóng này cũng gần như sẽ tiêu biểu cho các chuyển động của vành loa (cone) để nhân bản ra một âm thanh tương tự.

            Trên thực tế, các dạng sóng trong thí dụ minh họa dưới mang theo một lượng lớn dạng thức, người nghe đều thấy chúng có âm thanh tương tự như nhau, nếu không giống nhau. Điều này xảy ra khi các tần số liên quan đến âm thanh của nhạc cụ được nhân bản bằng loa trong các mối quan hệ lệch phase với nhau. Ngoài ra, mỗi tần số trong âm thanh thường bao gồm nhiều sóng sine chung một tần số kết hợp trong một loạt các mối quan hệ phase. Đây là kết quả của những âm thanh phát ra từ một khu vực rộng lớn, hơn là chỉ từ một điểm, và cho biết thêm một sự tinh tế và tính cách tự nhiên đầy đủ (fullness) nhất định về âm thanh. Trong thực tế, hình dạng đặc biệt của một dạng sóng phức tạp, tuy nhiên, gần như không quan trọng bằng phổ tần số chứa nó.

            Lưu ý rằng dạng sóng như sóng vuông, sóng tam giác và sóng răng cưa thực tế không đơn giản. Sóng vuông, rất thông dụng để thử nghiệm trong phòng thí nghiệm thiết bị âm thanh, và những dạng sóng đơn giản khác có thể dễ dàng tổng hợp bởi các nhạc cụ điện tử cơ bản nhất. và chúng cũng chứa âm phổ và các thành phần sóng sine của riêng mình.. Một sóng vuông, trên thực tế bao gồm một sóng cơ bản và kế tiếp là dãy số lẻ của họa âm (1, 3, 5, 7, 9, v.v. như trong hình 2.13). Thí dụ khác, sóng răng cưa, là một mô hình lý thuyết của một sợi dây cong và các hợp âm giọng hát của con người (mặc dù trong thực tế nó phức tạp hơn nhiều).

            Hình 2.14 cho thấy sóng răng cưa có thể được chia ra nhiều thành phần sóng sine cụ thể. Một khi chúng được tạo ra, dạng sóng như vậy thực sự hoạt động đơn giản theo âm phổ tần số (thành phần sóng sine) liên quan, như bất kỳ âm thanh nào khác.

 Figure 2-11

 

            Hình 2.11

                Những tương tác cơ bản của sóng với nhau.

                Trong sự di chuyển của mình xuyên qua không khí hay xuyên qua các tín hiệu điện, những phase sóng đồng nhất tăng gấp đôi cường độ (+3 dB về độ vang (acoustically), đôi khi 6 dB về điện tử, tùy thuộc vào loại mạch điện). Sóng ngược phase nhiên bị triệt tiêu hoàn toàn. Khi sóng đồng nhất phát ra từ hai nguồn riêng biệt, thường cắt nhau một vị trí của người nghe được trong một loạt các mối quan hệ phase giữa hai thái cực, một phần sẽ tăng lên hay một phần sẽ triệt tiêu lẫn nhau. (Đồng thời, thường sự chồng chéo đáng kể bởi sự phản xạ từ các bề mặt xung quanh). Chỉ khi một người đứng xa từ giữa hai nguồn (như hình dưới) nghe được tất cả các tần số được củng cố. Trong bất kỳ vị trí khác, một số tần số sẽ gia tăng trong khi những tần số khác bị triệt tiêu. Điều này rất có ý nghĩa cho người vận hành hệ thống, là các âm thanh có thể dự kiến sẽ thay đổi đáng kể tùy theo từng vị trí trong khán giả, dù là nó luôn luôn được phát tán bằng các loa.


 Figure 2-11-1

 

Figure 2-12

 

            Hình 2.12

                (A) Họa âm của dây đàn Piano hiển thị trên tỉ lệ tuyến tính. Đây là một note nhạc tương đối thấp, họa âm của nó cũng mở rộng ra thành các âm phổ, ngoài các tần số khác có thể tượng trưng cho ảnh hưởng giữa những sợidây đàn với nhau (không hiển thị).Chú ý rằng các bội âm sẽ ăn nhịp hơn với mỗi bát độ liên tiếp trên biểu đồ như thế nào.

                (B) Với một nốt nhạc cao hơn , những họa âm được đặt xa nhau hơn, có rất ít tần số liên quan. Nếu các nốt nhạc trở nên cao hơn, các dây đàn thường cũng được thiết kế không có cuộn dây xoắn bao quanh, được tính toán để cho âm thanh đặc tính tinh khiết hơn.

                (C) Rough mô tả một dạng sóng phức tạp, thu được từ sự kết hợp của các tần số liên quan. Điều này cũng sẽ tượng trưng cho các chuyển động của một vành loa đã tái tạo ra một âm thanh như thế.

 

 Figure 2-12-1

 

Figure 2-13

 

            Hình 2.13

                Lưu ý ở đây khi họa âm lẻ được thêm vào trong một phase thích hợp và cân đối, các cạnh bên sẽ dốc hơn bắt đầu trải phẳng ra. Khi các họa âm lẻ đủ số lượng đúng theo ti lệ, kết quả cho ra một sóng vuông.

                Một sóng vuông hoàn hảo sẽ các họa âm lẻ vượt ra ngoài phần cuối phía trên của phổ âm thanh (đến vô cực). Dưới đây hiển thị kết quả lên tới 29 họa âm.

 

 Figure 2-13-1

 

 

Figure 2-14

 

Hình 2.14

Các thành phần sóng sine của một sóng răng cưa.

Giản dị, chỉ có sáu họa âm đầu tiên được hiển thị ở đây. Khi thêm vào tần số cao hơn, các xung đột (wriggles) có thể dàn xếp để cho ra sóng răng cưa nhọn, được thể hiện bởi các đường chấm chấm. Tương tự như vậy, một sóng răng cưa nguyên bản cũng dễ dàng chia nhỏ thành các thành phần sóng sine của nó, về cả hai mặt, âm học và điện tử.

 

 

 

------------- Hết chương 2 -------------


Chương 3: Bản chất của thính giác.................

 

Add comment


GIÁO TRÌNH

CATALOG SCAN

Ai đang truy cập

We have 2 guests online
mod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_counter
mod_vvisit_counterHôm nay26
mod_vvisit_counterHôm qua628

Comment mới nhất

  • huonggiangcbe 24.08.2014 17:51
    e muon mua mot quyen GIAO TRINH AM THANH ...

    Read more...

     
  • tancong1987 11.08.2014 09:52
    em muốn mua 1 cuốn sách ạ. mail của em ...

    Read more...

     
  • tancong1987 11.08.2014 09:51
    em muốn mua 1 cuốn sách thì làm thế nào

    Read more...

     
  • admin 04.02.2014 16:13
    Trả lơi chung cho các bạn cần mua sách: Sách ...

    Read more...

     
  • binhdinhquetoi 04.02.2014 09:07
    CHÁU MUỐN MUA MỘT CUỐN ĐỂ ĐỌC. CHÚ BÁO ...

    Read more...