Phase và sự giao thoa cộng hưởng sóng âm (Phase and Interference)

1. Pha phase của sóng âm thanh

Một đặc điểm thú vị và quan trọng về chuyển động của sóng sine là mối quan hệ chặt chẽ với chuyển động tròn. Đây là cơ sở cho việc đo lường pha 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 là 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 có 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 là điểm X2 trên sóng sine. Nếu cả hai bắt đầu chuyển động của nó cùng lúc ở không độ, vị trí thẳng đứng của nó (biên độ) sẽ giống hệt nhau ở mọi thời điểm trong chu kỳ tương ứng.

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

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

2. Sự giao thoa và cộng hưởng sóng âm

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.

Giao thoa là một khái niệm trong vật lý chỉ sự chồng chập của hai hoặc nhiều sóng mà tạo ra một hình ảnh sóng mới^[1]. Giao thoa là đặc tính tiêu biểu của tính chất sóng. Giao thoa thông thường liên quan đến sự tương tác giữa các sóng mà có sự tương quan hoặc kết hợp với nhau có thể là do chúng cùng được tạo ra từ một nguồn hoặc do chúng có cùng tần số hoặc tần số rất gần nhau.

Sự giao thoa của các sóng trên thực chất tuân theo nguyên lý chồng chập sóng mà ở đây chính là sự cộng gộp của các dao động. Tại mỗi điểm trong không gian nơi có sự gặp nhau của các sóng, dao động của môi trường sẽ chính là dao động tổng hợp của các dao động thành phần từ các sóng tới riêng biệt, mà nói theo ngôn ngữ của vật lý sóng sẽ là tổng của các véctơ sóng. Nhờ sự tổng cộng dao động này mà trong không gian có thể tạo ra các điểm có dao động được tăng cường (khi các sóng thành phần đồng pha) hoặc bị dập tắt (khi các sóng thành phần có pha ngược nhau) tùy thuộc vào tương quan pha giữa các sóng. Điều này tạo ra một hình ảnh giao thoa (interference pattern) khác với hình ảnh của từng sóng thành phần, được tạo ra bởi chính tập hợp các điểm có sự giao thoa tăng cường hoặc dập tắt. Hình ảnh này sẽ là một hình ảnh ổn định khi các sóng thành phần là các sóng kết hợp. Trong trường hợp các sóng kết hợp, hình ảnh giao thoa là ổn định và phụ thuộc vào độ lệch pha giữa các sóng (phụ thuộc vào sự khác biệt về đường truyền cũng như tính chất môi trường truyền sóng) – được mô tả bởi nguyên lý Huyghens

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 2.12). Lưu ý rằng các loại kết hợp sóng có khả năng tăng cường hoặc triệt tiêu lẫn nhau. 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.