Bước sóng âm thanh, bước sóng dài và bước sóng ngắn

Hiểu bản chất của bước sóng có thể hỗ trợ việc thiết lập và vận hành hệ thống âm thanh một cách tối ưu. Hầu hết những người thực hành âm thanh đều biết rằng bước sóng tần số thấp dài hơn nhiều so với bước sóng tần số cao. Nhưng vì chúng ta không thể nhìn thấy chúng nên chúng ta thực sự hiểu chúng đến mức độ nào?

Đây là một chủ đề quan trọng vì hiểu được bản chất của bước sóng có thể hỗ trợ thiết lập và vận hành tối ưu các loại hệ thống âm thanh khác nhau mà hầu hết chúng ta tiếp xúc. Chúng ta hãy xem sự khác biệt vật lý giữa tần số thấp và tần số cao. Chúng khá cấp tiến, theo nghĩa là chúng ta không thường xuyên gặp phải mức độ khác biệt như vậy trong các lĩnh vực khác.

Bước sóng 20 Hz dài khoảng 60 feet, hoặc 720 inch. Bước sóng 20 kHz dài 0,055 feet hoặc 0,66 inch. Đó là một sự khác biệt rất lớn, tỷ lệ 1091: 1, hoặc ba bậc độ lớn. Độ dài của sóng thực sự có ý nghĩa gì? Trong hai từ, rất nhiều. Âm thanh di chuyển với tốc độ tương đối thấp trong không khí, khoảng 760 dặm một giờ, so với ánh sáng, di chuyển với tốc độ khoảng 671 triệu dặm một giờ.

Bước sóng dài, tần số thấp cần một thời gian để lan truyền, điều đó có nghĩa là trước tiên nó phải phát triển trong khí quyển trước khi năng lượng âm thanh có thể được cảm nhận dưới dạng một nốt nhạc hoặc âm sắc. Bước sóng 20 Hz mất 1/20 giây để truyền, tương đương với 50 mili giây.

Ngược lại, bước sóng ngắn, tần số cao mất rất ít thời gian để truyền và có thể nghe được và có thể làm như vậy trong không gian nhỏ, trong khi bước sóng tần số thấp cần có đủ không gian để phát triển. Đây là lý do tại sao các phòng điều khiển phòng thu và các môi trường nghe quan trọng khác, đặc biệt là những môi trường có quy mô nhỏ hơn, thường sử dụng bẫy âm trầm để cân bằng phản hồi âm trầm. Bẫy âm trầm là bộ hấp thụ năng lượng âm thanh được thiết kế để làm giảm năng lượng tần số thấp nhằm mang lại phản hồi phòng tần số thấp phẳng hơn, đồng đều hơn bằng cách giảm cộng hưởng LF.

Khi tần số thấp truyền vào phòng có tiếng vang, nơi mô tả tất cả các phòng có bề mặt phản chiếu, chúng sẽ tạo ra sóng dừng. Sóng dừng là các nút áp suất được tạo ra khi sóng âm phản xạ từ tường va chạm với âm thanh trực tiếp từ loa. Ở một số tần số, sự phản xạ sẽ củng cố âm thanh trực tiếp, tạo ra sự gia tăng mức độ, trong khi ở các tần số khác, sự phản xạ sẽ loại bỏ âm thanh trực tiếp, do đó làm giảm mức độ.

Một hoặc nhiều bẫy âm trầm, thường được đặt ở các góc phòng để đạt hiệu quả tối đa, sẽ hấp thụ năng lượng LF thay vì để nó phản xạ ra bên ngoài. Những bức tường không song song và trần nhà góc cạnh cũng có thể giúp giảm sóng đứng. Ngẫu nhiên thay, một lý do khiến thùng loa hình thang ban đầu được phát triển là để giảm hiện tượng khử nhiễu bên trong. Trong giới hạn nhất định, hình thang có những ưu điểm nhất định.

Sự khác biệt trong phản hồi âm trầm từ phòng này sang phòng khác là một trong những tác động rõ ràng và có ý nghĩa nhất mà căn phòng sẽ góp phần tạo nên chất lượng âm thanh.

Trong một số trường hợp, tôi đã phân tích và cân bằng hệ thống âm thanh trong các lều lớn – một lần cho Cirque du Soleil, một lần khác tại một hội nghị kinh doanh lớn và nhiều lần cho giải trí thông thường. Vì vách lều rất linh hoạt nên hầu như không thể hiện rõ sự phản xạ tần số thấp. Năng lượng LF làm di chuyển các bức tường lều theo đúng nghĩa đen (bạn có thể cảm nhận được), do đó bị giảm đi thay vì bị phản xạ.

Đây chắc chắn là một điều ngạc nhiên đối với tôi sau nhiều năm điều chỉnh hệ thống trong các kết cấu bê tông, thép, kính và gỗ. Trong phạm vi LF, kết quả này tương tự như phản hồi mà bạn mong đợi khi đo ngoài trời. Nhưng không giống như ngoài trời, tần số trung và cao cho thấy độ phản xạ và cộng hưởng mạnh, gần như hoàn toàn trái ngược với những căn phòng có tường cứng.

Sóng & Gợn Sóng

Các mặt sóng tần số thấp dài có thể được hình dung bằng cách tưởng tượng những đợt sóng đại dương lớn kiểu sóng thần ập vào các tòa nhà trên bờ; họ không “coi” tòa nhà là một chướng ngại vật và chỉ đơn giản là đi vòng qua nó (giả sử tòa nhà có đủ sức mạnh để không bị phá hủy). Đây là lý do tại sao việc treo các loa siêu trầm phía sau một dàn dây có tác dụng; họ cũng không “xem” mảng đường như một rào cản.

Ngược lại, các bước sóng ngắn có thể được hình dung bằng cách tưởng tượng những gợn sóng nhỏ trong nước sẽ vỡ ra hoặc phản xạ khi gặp chướng ngại vật. Ví dụ: ngay cả lưới loa kim loại đục lỗ thông thường cũng có tác dụng phản xạ và khuếch tán ở tần số cao, mặc dù trong hầu hết các trường hợp, hiệu ứng này khá nhỏ.

Làm thế nào để hiểu được bước sóng giúp quản lý hệ thống âm thanh tốt hơn? Bằng cách biết các bước sóng gần đúng cho các tần số khác nhau và thậm chí trực quan hóa chúng, bạn có thể đưa ra những lựa chọn tốt hơn khi nói đến vị trí đặt loa.

Các yếu tố thiết kế hệ thống, chẳng hạn như kiểm soát khoảng cách giữa loa siêu trầm và loa toàn dải, hay quy hoạch khoảng cách giữa loa siêu trầm này với loa siêu trầm khác, trở nên rõ ràng hơn khi bạn nghĩ về tần số và bước sóng. Một chủ đề quan trọng là phạm vi bước sóng sẽ bị ảnh hưởng như thế nào trong toàn bộ khu vực phân tần từ loa toàn dải (thường được bay) đến loa siêu trầm (thường được xếp chồng lên nhau). Khi hai nguồn cách nhau một phần tư bước sóng trở lên, giao thoa tăng cường và triệt tiêu sẽ xảy ra, tùy thuộc vào vị trí của người nghe hoặc mic đo.

Đối với phân tần, điều quan trọng là phải hiểu rằng phân tần 120 Hz tới loa siêu trầm (chẳng hạn) không chỉ ảnh hưởng đến tần số 120 Hz. Nếu độ dốc chéo là 12 dB trên mỗi quãng tám, là điều phổ biến, thì ở các khoảng nửa quãng tám ở tần số 90 Hz và 180 Hz, vẫn sẽ có khả năng bị hủy – hoặc tính tổng có lợi – mặc dù nó sẽ không rõ ràng như vậy vì nó ở tần số trung tâm của bộ phân tần. Một trong các loa sẽ có biên độ thấp hơn 6 dB trong khi loa kia sẽ có biên độ cao hơn 6 dB, giả sử rằng độ dốc phân tần là đối xứng.

Tuy nhiên, mặc dù hiệu ứng triệt tiêu hoặc tổng hợp của các nguồn kết hợp sẽ vẫn bị giảm biên độ nhưng nó sẽ vẫn tồn tại. Điều này tạo nên một trường hợp tốt cho các độ dốc chéo dốc hơn, với 24 dB trên mỗi quãng tám hoặc 48 dB trên mỗi quãng tám thường là giải pháp giải quyết vấn đề nhanh chóng. Nhưng dốc hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn, một cuộc thảo luận liên quan đến nó nằm ngoài phạm vi của chúng tôi ở đây.

Giảm tiếng ồn

Đôi khi bạn có thể được yêu cầu kiểm soát “ô nhiễm” tiếng ồn đối với các công trình lân cận hoặc các sự kiện lân cận. Đây có thể là những “bức tường không khí” cho các phòng họp liền kề trong môi trường khách sạn. Hoặc có lẽ cụ thể hơn, những người cư trú trong khu nhà dành cho nhân viên nằm phía sau Nhà hát Hy Lạp ngoài trời tại Đại học California ở Berkeley, những người không hào hứng với những buổi hòa nhạc đêm khuya, có âm lượng lớn. Để giúp kiểm soát những vấn đề như vậy, bạn sẽ có lợi khi biết về bước sóng và ảnh hưởng của chúng đến tính định hướng bức xạ.

Đây không chỉ là phỏng đoán; vào năm 1982, tôi được Bill Graham yêu cầu giúp Nhà hát Hy Lạp tiếp tục hoạt động. Không có câu trả lời dễ dàng vào thời điểm đó – trước sự ra đời của dãy dãy hiện đại – nhưng tất nhiên chúng tôi đã cố gắng hết sức có thể với các công cụ sẵn có lúc bấy giờ. Kết quả về cơ bản là giảm sản lượng LF trên diện rộng và mạnh mẽ hơn là giảm mức độ vận hành tổng thể.

Vấn đề này đã khai sinh ra cảnh sát SPL ở Khu vực Vịnh San Francisco, và cuối cùng thì không ai hài lòng cả. May mắn thay, ngày nay có nhiều cách tốt hơn để giải quyết loại vấn đề đó. Dàn loa và loa siêu trầm cardioid có thể hỗ trợ rất nhiều trong việc duy trì âm thanh ở những nơi cần thiết và giảm thiểu âm thanh ở những nơi không cần thiết.

Chỉ thị mảng

Khi lập kế hoạch về số lượng mô-đun – và do đó, kích thước của mảng dòng hoặc mảng thông thường – sẽ dễ dàng xác định kích thước yêu cầu của mảng hơn khi bạn nghĩ đến độ dài của mặt sóng. Mảng âm thanh phải khá lớn nếu muốn kiểm soát và định hướng năng lượng tần số thấp ở đoạn dưới của phổ âm thanh nghe được. Một mảng nhỏ gồm bốn hoặc năm phần tử có thể kiểm soát đầy đủ âm trung và âm cao, nhưng nếu nó chỉ cao vài feet thì chắc chắn nó sẽ không mang lại khả năng kiểm soát mẫu LF hiệu quả.

Nhiều ấn phẩm khác nhau giải thích về độ dài mảng dòng so với tần số mà một dòng trình điều khiển có thể kiểm soát. Có nhiều ý kiến ​​khác nhau được đưa ra, đôi khi có sự khác nhau đáng kể. Ngay cả bản chất của mặt sóng mảng dòng, dù có bản chất là hình trụ – hay không – cũng là chủ đề tranh luận giữa các nhà sản xuất loa cũng như các tác giả phi đảng phái. Rất khó để xác định quan điểm hoặc tập hợp ý kiến ​​có thẩm quyền nào sẽ chi phối các lựa chọn thiết kế hệ thống của bạn.

Để hỗ trợ các ứng dụng thực tế, một nguyên tắc nhỏ là kích thước mảng phải bằng ít nhất một nửa bước sóng của tần số thấp nhất mà bạn đang tìm kiếm khả năng kiểm soát mẫu, nhưng đó chỉ là bề nổi. Một nửa bước sóng sẽ bắt đầu phát triển một số khả năng kiểm soát. Nếu bạn muốn giữ cho năng lượng LF không bật ra khỏi các bức tường phía sau, thì nên tăng chiều dài mảng lên ít nhất là một bước sóng đầy đủ ở mức tối thiểu tuyệt đối và tốt nhất là lớn hơn vài lần.

Tuy nhiên, chẳng bao lâu nữa, điều này sẽ trở nên không thực tế trong thế giới thực. Một dãy đường cao 100 feet, sẽ là bội số của năm tần số 60 Hz, có lẽ sẽ cung cấp khả năng kiểm soát theo chiều dọc rất hiệu quả, nhưng khó có thể đạt được trong tất cả các điều kiện ngoại trừ những điều kiện bí truyền nhất.
Hỗ trợ DSP

Có những điều mà việc kiểm soát mức độ của mô-đun mảng dòng, độ trễ thời gian và tính năng tạo bóng tần số DSP phức tạp có thể thực hiện để có khả năng cải thiện hiệu suất mảng quy mô lớn ngoài khía cạnh hiển nhiên là chỉ làm phẳng phản hồi tổng hợp.

Điều khiển chùm tia là một phương pháp có thể là giải pháp để duy trì kích thước mảng có thể quản lý được, đồng thời tạo ra khả năng điều khiển hướng dường như thách thức các định luật vật lý. Điều khiển chùm tia dựa trên việc trì hoãn một số mô-đun so với các mô-đun khác, do đó làm tăng hoặc thay đổi hiệu ứng hủy, vốn là bản chất của cách hoạt động của hiệu trưởng mảng đường để điều khiển chỉ thị. Điều khiển DSP phức tạp là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng và có khả năng mang lại những cải tiến liên tục về hiệu suất trong tương lai gần.

Việc lắp ráp và đo lường các mảng đường quy mô lớn không phải là một đề xuất dễ dàng, chưa nói đến việc thử hàng nghìn biến thể, trong môi trường âm thanh trơ, cần thiết để xác định chính xác tác động của sự can thiệp DSP phức tạp có thể – hoặc không thể – đạt được trong lợi thế về hiệu suất. May mắn thay, mô hình hóa máy tính giúp việc khám phá các kịch bản khác nhau trở nên dễ dàng hơn và ít tốn kém hơn, và đó chính xác là điều thúc đẩy phần lớn hoạt động nghiên cứu và phát triển ngày nay.
Nhận kết quả

Mảng thuộc nhiều loại khác nhau đã ở với chúng tôi trong nhiều thập kỷ. Một số đã được chứng minh là rất hiệu quả, cung cấp chất lượng âm thanh gắn kết và nhất quán cho số lượng lớn người, trong khi một số khác lại là nỗ lực kém trong việc lắp ráp các loa có ít hoạt động kinh doanh được sử dụng cùng nhau trong bất kỳ hình thức triển khai nào, thậm chí không phải trong một cụm rời rạc. Nhưng sự tiến bộ vẫn tiếp tục.

Bằng cách hiểu các nguyên tắc cơ bản của năng lượng âm thanh, mà phần lớn là có thể nắm bắt được bản chất của bước sóng, bạn có thể đánh giá xác thực các tuyên bố tiếp thị, đưa ra quyết định sáng suốt khi lập kế hoạch và triển khai hệ thống loa cũng như mang lại kết quả tối ưu cho khán giả của mình.

Phần giới thiệu ngắn gọn về bước sóng âm thanh này chỉ có nghĩa là: phần giới thiệu. Để hiểu đầy đủ bản chất của năng lượng âm thanh ảnh hưởng như thế nào đến nhiều tình huống mà kỹ sư âm thanh thực hành có thể gặp phải, tôi khuyến khích bạn nên nghiêm túc học và hiểu các nguyên tắc âm học cũng như cách chúng liên quan đến các ứng dụng trong thế giới thực.

Ken DeLoria – Prosoundweb