Bản chất của âm thanh – Sóng âm thanh Sound Waves

1. Sóng âm thanh do loa tái tạo lại như thế nào?

Hình 1 sau đây mô tả chuyển động của một cái loa đang tái tạo lại một 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 loa (vành loa hình nón) loa di chuyển ra phía ngoài (Hình 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.

Xem thêm Bài 6. Tìm hiểu về Loa karaoke và loa nghe nhạc

Khi cone loa di chuyển vào bên trong (Hình 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), 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.

2. Cách lan truyền sóng 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.

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 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 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.

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 sử 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.