chương 1 ---------- Sound & Lighting CHƯƠNG 2 Bản chất của âm thanh The Nature of Sound Chương này là những thông tin cơ bản tiếp theo về 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 thật 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 nội dung tường tận. Sóng âm thanh (Sound Waves) Hình 2.2 hiển thị chuyển động của một cái loa đang tái tạo lại âm thanh cơ bản nhất, chẳng hạn như của âm thoa hay trong những thiết bị đơn giản của organ điện tử và 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.
Sau đó dòng khí nén di chuyển ra ngoài và tăng thêm áp lực lên những hạt không khí ở mặt trước, lần lượt di chuyển ra phía ngoài và nén với những hạt sau, và lập lại. Như thế, làn sóng nén tạo ra trong áp lực này bị biến thiên nhanh thành tập hợp nhiều hạt không khí và tiếp theo là sóng bị dịch 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). Những hạt không khí ở phía trước cone loa sẽ quay trở lại để lấp đầy chỗ giãn nở, những hạt này cũng bắt đầu di chuyển trở lại, vì vậy sau đó, những hạt phía sau sẽ vòng ra phía ngoài.
Theo cách này, sóng bị giãn nở cũng được biến thiên từ một tập hợp 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 hàng hà việc nén và giãn nở liên tục ra phía ngoài, biến thành hiệu ứng gợn sóng. Những gợn sóng giống như sự biến thiên của áp suất không khí như thế này là những cái mà tai chúng ta nghe được và phát hiện ngay lập tức, sau đó được phiên dịch 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 nó bị hút trở lại bằng cách giãn nở, kế tiếp, lập đi lập lại tiến trình suốt thời điểm có âm thanh. Trong khu vực mở, trống trải, sóng âm thanh đi xa khỏi nguồn của nó theo cách chúng ta có thể tạm ví như sóng bề mặt trong ao nước, khi ném vào đó một viên sỏi. Khi sóng di chuyển ra phía ngoài, nó lan tỏa năng lượng của mình trên diện tích ngày càng lớn hơn, 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.
Sound & Lighting Hình 2.1 Một chu kỳ chuyển động của cone loa. (E, cone loa trở về A.) Những cái đã minh họa ở đây không gợn sóng, nhưng là sự nén và giãn nở không khí, đưa ra phía ngoài. Dưới đây là một phần nhỏ của tần số một sóng tiến ra phía ngoài. Thật tế, mức độ của việc bung ra sang một bên dĩ nhiên sẽ là ba chiều (thí dụ, trái, phải, hướng lên trên, và đi xuống từ nhiều hướng của cone loa), và mức độ phân tán của nó có thể thay đổi tùy thuộc tần số của sóng.
Sound & Lighting Trong khu vực kín, chẳng hạn như trong phòng hay thính phòng, âm thanh có khuynh hướng hoạt động khá giống như những sóng tạo ra bởi một viên sỏi rơi vào bể cá (hình 2. Nếu những bức tường, sàn và trần nhà trống trải, âm thanh trải qua sự phản dội rất nhiều trước khi nó biến ra ngoài. Kết quả này gọi là reverbration (vang dội), nhiều tiếng lập lại (echo) rất gần nhau không thể phân biệt, có thể nghe 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 những sóng này sẽ bị mất dần bởi bề mặt phản dội, cho đến khi nó được hấp thu hoàn toàn.
Người trong phòng, đầu tiên sẽ nghe những âm thanh trực tiếp từ nguồn, sau đó là những âm thanh phản dội từ những bề mặt trong phòng. Cách xảy ra điều này là phần lớn nguyên nhân cho những cái thường gọi là âm cách (acoustic – tính âm) 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 có thực vật và vật liệu xốp nhô lên mặt nước hay không (hình 2. Ở phòng như vậy, sóng tiếp tục khuếch tán và bị hấp thụ bởi những vật thể bổ sung và bề mặt xốp, đã làm âm thanh phân rã nhanh hơn.
Mức độ và loại reverberation trong phòng rất quan trọng với âm thanh. Tùy thuộc vào tình huống, nó sẽ đem đến cả hai điều: hạnh phúc lẫn tai họa. Nếu thêm reverberation đủ lượng, việc biểu diễn sẽ hoàn hảo hơn. Nhưng, có số lượng quá mức thì có thể là ác mộng cho cả người biểu diễn và khán giả.
Số lượng reverb tối ưu 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.2 Đây là thời gian tiếp xúc thực của một phần sóng âm thanh 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 ra giai đoạn sóng nén dần dần khi đi qua camera. Giả sử loa 15”, tần số phát ra liên tục sẽ có trình tự khá cao, thí dụ là 5. Lưu ý, đây là mô hình phần sóng rất hẹp lớn nhất (những điểm ở vùng phía trên và dưới, độ dB sẽ thấp hơn nhiều, và hầu như không nghe được).
Điểm đặc trưng này là lý do chính, tại sao âm thanh phải dùng loa horn tần số cao, dùng để phát tán tần số cao cho khán giả thích hợp, đồng đều hơn. Tuy nhiên, không phải mọi hệ thống thực hiện việc này đạt được cùng một mức độ hiệu quả, chủ đề này sẽ thảo luận trong chương 9. Sound & Lighting Hình 2.3 (A) Sóng âm trong bể cá có thể dùng làm tiêu biểu cho hoạt động của âm thanh trong phòng có nhiều bức tường dội âm. Ngoài tiếng dội này, cũng xảy ra cộng hưởng trong căn phòng chuẩn.
Nó có thể làm thay đổi đặc tính âm thanh trong bất kỳ phòng nào rất đáng kể. (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 những vật cản hơn so với tần số 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 xuất phát.
Tốc độ nhanh ra sao tùy thuộc vào vật chất đó. Thí dụ trong nước, âm thanh di chuyển nhanh hơn bốn lần khi nó ở trong không khí. Trong thép hay sắt, tốc độ của âm thanh nhanh khoảng mười lăm lần trong không khí. Sự khác biệt này có thể chứng minh khá dễ bằng hai người, nói với nhau cách khoảng 50 mét dọc theo lan can bằng sắt hay đường rầy xe lửa.
Nếu một người đọc “rap” trên đường sắt bằng 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 bằng tốc độ khác nhau khi qua nhiều loại khí gas. Giọng nói the thé giống như đứa trẻ của người đã hít hơi heli từ quả bóng là kết quả của sóng âm thanh sẽ có vận tốc cao hơn trong hơi gas heli khi nó đi qua 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.
Sóng âm truyền qua không khí ở tốc độ này dù có âm lượng nhỏ hay lớn, tần số thấp hay cao, tính chất đơn giản hay phức tạp, vì tốc độ này là bình thường, đều không bị ảnh hưởng khi áp suất thay đổi. Tốc độ của âm thanh thay đổi rất ít theo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển, trừ khi những yếu tố này ảnh hưởng đến tính chất vật lý (độ đàn hồi và mật độ) của không khí. Đây là 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). Cho dù nhiều sự tính toán thật tế đều có liên quan đến pro-sound, tất cả sóng âm thanh có thể giả định đã di chuyển với tốc độ nêu trên.4, biên độ được thể hiện là khoảng cách sóng theo chiều dọc (chiều cao và chiều sâu) ở trên và dưới mức giữa.
Đây là miêu tả sự thay đổi áp suất nén (phía trên mức giữa) và mở rộng (bên dưới mức giữa)) sinh ra sóng âm thanh trong không khí, và cũng có thể Sound & Lighting miêu tả cho những tín hiệu điện trong mạch nội bộ của hệ thống âm thanh. Thuật ngữ biên độ có nghĩa tương tự như âm lượng (volume), độ lớn (loudness), và mức độ áp lực âm thanh (sound pressure level), và vài tên khác. Có sự khác biệt quan trọng, nhưng tinh tế giữa nó, sẽ thảo luận trong chương 3 và 4.4 Sóng tương đương có biên độ khác nhau, hiển thị trên trình tự (time line) hay màn hình máy hiện sóng (oscilloscope). Lưu ý, ở bên trái, chỉ khác độ cao, không khác chiều dài.
Điều này sẽ còn dùng cho những bộ khuếch đại, tăng sức mạnh cho tín hiệu nhưng không thay đổi tần số hay dạng sóng thiết yếu của nó. Loại thay đổi biên độ này cũng có thể được dùng cách hiển thị nó trên đồ thị thay đổi theo chiều dọc, như bạn thấy ở bên phải. Hình đồ thị tập hợp nhiều sóng âm có thể kéo dài hay thu ngắn đi, theo chiều dọc hay ngang, tùy theo cách xử dụng thời gian và biên độ nào.