CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ ÂM THANH 1.1 ÂM THANH KIẾN TRÚC - NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÂM THANH KIẾN TRÚC Trong một không gian khép kín - một phòng, sóng âm từ nguồn âm một mặt lan truyền trực tiếp tới người nghe hoặc microphone đó là trực âm. Mặt khác nó đập vào các bề mặt giới hạn của phòng (tường, trần, nền ) và các đồ vật đặt trong phòng rồi phản xạ trở lại đó là phản âm. Hiện tượng này của sóng âm cứ lặp đi lặp lại, mỗi lần gặp chướng ngại thì một phần năng lượng của sóng âm sẽ bị tiêu vào vật liệu cấu tạo vật đó ta gọi là hiện tượng hấp thụ âm thanh, một phần phản xạ trở lại không khí thì ta gọi là phản xạ âm thanh. SVTH: Bùi Kiều Trang CNKTĐT - K26 3 Thiết kế âm thanh cho hội trường đa năng 1500 ghế GVHD: Trần Công Chí Hình 1 – 1: Hiện tượng sóng âm đập vào các bề mặt giới hạn của phòng.
Phản xạ lần thứ nhất gọi là phản xạ bậc 1, chúng thường có năng lượng lớn(nhỏ hơn trực âm) và tách biệt thành những phản xạ rời rạc, nghĩa là có khoảng cách thời gian giữa phần âm bậc 1 của tia này với phần âm bậc 1 của tia khác, tùy thuộc hình dạng kích thước của phòng. Phản âm bậc một có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự cảm nhận không gian của phòng thu, cho dù trong thực tế chúng ta khó có thể nghe tách biệt chúng ra khỏi tín hiệu chung. Kích thước mặt phản xạ: Kích thước và hình dạng của bề mặt phản xạ sẽ tạo nên các kiểu phản xạ khác nhau: Nếu kích thước của mặt phản xạ lớn hơn bước sóng nhiều lần sẽ tạo nên phản xạ gương phẳng (hình 1 – 2): sóng phản xạ đi theo một hướng, và tuân theo định luật phản xạ (như phản xạ của ánh sáng): góc tới bằng góc phản xạ. Hình 1 – 2 : Kích thước cần thiết của mặt phản xạ để tạo nên dạng phản xạ gương phẳng.
Các phản âm bậc 2, bậc 3…ngày càng dầy và đan xen từ nhiều hướng, nhưng sau mỗi lần phản xạ năng lượng âm lại suy giảm và dần dần bị tiêu hao cho đến hết, ta gọi là hiện tượng kết vang. Số đo biểu thị tốc độ suy giảm năng lượng âm như trên gọi là thời gian vang, hay chính xác là thời gian kết vang. SVTH: Bùi Kiều Trang CNKTĐT - K26 4 Thiết kế âm thanh cho hội trường đa năng 1500 ghế GVHD: Trần Công Chí Hình 1 – 3: Phản xạ âm thanh trên một mặt phẳng và tại một góc Đối với một tín hiệu âm thanh kéo dài sẽ xảy ra một hiện tượng cân bằng giữa năng lượng âm phát ra từ nguồn âm và năng lượng được hấp thụ. Trạng thái cân bằng này không phải xuất hiện ngay từ đầu khi âm thanh mới phát ra từ nguồn mà phải sau một khoảng thời gian đủ để phản âm phân bố đều đặn trong phòng ta gọi đó là giai đoạn khởi vang, tức là giai đoạn khởi đầu kích thích phòng tạo nên tiếng vang.
Vì sóng âm phản xạ từ tất cả các hướng tới người nghe nên nó tạo thành một trường âm tán xạ, tạo cảm giác âm thanh không gian hoặc âm thanh quang cảnh. Trực âm chỉ suy giảm dần khi càng ra xa nguồn âm, còn phản âm thì phân bố khá đều đặn trong toàn bộ không gian của phòng. Điều đó có nghĩa là tỷ số năng lượng giữa trực âm và phản âm sẽ biến đổi theo khoảng cách tới nguồn âm. Tại các điểm nằm trên bán kính vang (hay bán kính giới hạn) thì năng lượng trực âm và phản âm là bằng nhau.
2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÂM THANH CHỦ QUAN - THÍNH ÂM Độ rõ lời là khả năng thích hợp về âm thanh của một phòng đối với biểu diễn các loại hình tiếng nói ( kịch nói, diễn thuyết, hội họp,…). Độ nét là mức độ trong sáng, rõ nét của âm nhạc nhờ khả năng phân biệt được các sự kiện âm thanh xảy ra đồng thời hoặc kế tiếp nhau. Cảm giác không gian là khả năng hình dung được độ lớn và cách xử lý âm thanh trong 1 phòng. Chú ý: Cần phân biệt rõ tiếng vang (reverberation) và tiếng dội (echo), tuy cùng là một hiện tượng vật lý do phản xạ của sóng âm tạo nên.
Tiếng vang cho ta một cảm giác như một sự kiện kéo dài và suy giảm dần âm lượng. Tiếng dội cho ta cảm giác như một cách nhắc lại sự kiện âm thanh, nghĩa là nghe như tách rời khỏi tín hiệu gốc. Với tiếng nói, các phản âm đến sau 50ms và có mức đủ lớn sẽ tạo thành tiếng dội, làm giảm độ rõ. Âm nhạc cho phép độ trễ lớn hơn, có thể đến 80ms hoặc hơn nữa.2 TIÊU CHÍ KỸ THUẬT CƠ BẢN VỀ ÂM THANH SVTH: Bùi Kiều Trang CNKTĐT - K26 5 Thiết kế âm thanh cho hội trường đa năng 1500 ghế GVHD: Trần Công Chí 1.1 HÌNH DÁNG VÀ KÍCH THƯỚC Khi thiết kế, bước đầu tiên là ta phải chọn đúng tỷ lệ các kích thước giữa 3 chiều dài(D), rộng(R) và cao(C) của phòng và sau đó xử lý đúng hình dáng các bề mặt trong phòng thì trên cơ bản ta có thể tránh được những thiếu sót về chất lượng âm thanh.
Ta chọn tỷ lệ kích thước phòng không thích hợp sẽ tạo ra những thiếu sót về chất lượng âm thanh thì có thể phòng sẽ không sử dụng được hoặc phải chi phí trang âm khắc phục gây lãng phí rất lớn. Nếu nghĩ rằng có thể sửa chữa bằng cách xử lý bằng vật liệu hút âm thì hoàn toàn sai lầm vì nó không đạt được mục đích và không phải là biện pháp tốt. Hình dạng phòng và tỷ lệ kích thước có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng âm thanh. Các phòng có dạng hình hộp chữ nhật tiện lợi trong việc xây dựng và sử dụng nhưng các bề mặt song song dễ tạo nên sóng đứng và cộng hưởng phòng, đặc biệt là ở tần số thấp.
Giải pháp tối ưu để tránh cộng hưởng phòng là phân bố các dao động riêng trong toàn bộ giải tần bằng cách bố trí vật liệu trang âm đều trong phòng đặc biệt là lựa chọn kích thước hợp lý giữa 3 chiều D : R : C. Phương pháp phổ biến để xác định tỷ lệ kích thước của phòng có dạng hộp chữ nhật là căn cứ vào biểu thức : D R = R C Trong đó: • Thể tích phòng V = D. C • Chiều dài phòng D = R + C Nên suy ra: R = 3 V ; D = 0, 62 3 V ; C = 1,5 3 V Tỷ lệ này có thể điều chỉnh trong phạm vi 10% -15%. Thực nghiệm cho thấy các phòng studio có thể tích nhở hơn 150 m3 thì tỷ lệ tối ưu nhất giữa 3 chiều là D : R : C = 1,9 : 1,4 : 1.
Các phòng có tỷ lệ D : R : C = 1 : 1 : 1 gây cộng hưởng rất lớn làm chất lượng âm thanh suy giảm nhiều nên là điều tối kỵ trong thiết kế âm học studio. Yêu cầu về hình dáng và kích thước của phòng: Hình dáng và kích thước phòng phải đáp ứng được các yêu cầu về tầm nhìn, chất lượng âm thanh và thẩm mỹ. Tận dụng âm trực tiếp phân bố đều trên mọi chỗ ngồi, tăng cường âm phản xạ cho phía sau để bổ xung cho âm trực tiếp bị suy yếu do suy giảm dần trên đường lan truyền. Trường âm phải khuếch tán thích hợp, bảo đảm tỷ lệ thích hợp giữa âm trực tiếp và âm phản xạ có ích.
Tránh tiếng dội trên toàn vùng chỗ ngồi. SVTH: Bùi Kiều Trang CNKTĐT - K26 6 Thiết kế âm thanh cho hội trường đa năng 1500 ghế GVHD: Trần Công Chí Tần số dao động riêng của phòng, trong thời gian hẹp có thời gian âm vang xấp xỉ bằng nhau. Không nên thiết kế D : R : C của phòng bằng nhau hoặc một kích thước lớn hơn rất nhiều so với hai kích thước kia hoặc bằng một số nguyên của nhau. Nếu phòng có hai kích thước bằng nhau thì sẽ tồn tại những cặp tần số dao động riêng bằng nhau, làm giảm khả năng phân bố đều của trường âm trong phòng.
Qua nhiều thực nghiệm thấy rằng phòng có ba kích thước D : R : C = 1 : 1 : 1, đây là một trong những nguyên nhân gây nên các hiện tượng cộng hưởng phòng rất mạnh và do đó tối kỵ đối với âm thanh. Tận dụng được năng lượng âm có ích trong phòng: • Đối với âm trực tiếp: Âm trực tiếp tắt rất nhanh, không để âm trực tiếp vượt qua chướng ngại, vượt qua đầu khán giả, gây tổn thất vô ích trên đường truyền nên hình dáng phòng phải phù hợp với tính định hướng của nguồn âm. • Đối với âm phản xạ: Tận dụng triệt để năng lượng âm phản xạ trong vòng 50ms sau âm trực tiếp để tăng độ rõ và độ to. Chất lượng âm ở mỗi chỗ ngồi trong phòng đến như nhau, tạo được chất lượng âm đồng đều trong phòng, là kết quả tổng hợp của nhiều giải pháp kiến trúc: thời gian âm vang, bố trí hệ thống tăng âm… Hai yếu tố liên quan đến hình dáng phòng: • Trường âm phải phân bố đều: Trước hết mức âm tại mọi thời điểm trong phòng phải xấp xỉ bằng nhau.
Những vùng chỗ ngồi xa nguồn âm, mức âm trực tiếp không đủ, phải áp dụng những giải pháp hợp lý đa âm phản xạ sau tăng cường cho âm trực tiếp, tránh hiện tượng có những vùng chết, không có phản xạ âm, cố gắng tránh sử dụng những mặt tường, trần lõm, dễ tạo tiêu điểm âm và âm phản xạ men tường. • Số lượng và cấu trúc của âm phản xạ tại mọi chỗ ngồi phải xấp xỉ bằng nhau, thường là chỗ ngồi phía trước nghe âm rất khô do thiếu âm phản xạ.2 THỂ TÍCH VÀ SỨC CHỨA Việc lựa chọn kích thước tối ưu cho từng loại nguồn âm có một ý nghĩa quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng âm thanh. Kích thước (thể tích) của phòng được lựa chọn chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính phòng. Việc xác định kích thước của phòng có thể tiến hành theo một số phương pháp như chọn theo bảng tiêu chuẩn, chọn theo đồ thị hay tính toán theo công thức.