Bài giảng Kỹ thuật audio & video - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP. HCM

Bài giảng Kỹ thuật audio & video gồm có 9 chương như sau: Chương I: Đại cương về âm thanh và tín hiệu âm; Chương II: Ghi âm từ tính; Chương III: Hệ thống âm thanh; Chương IV: Tăng chất lượng âm thanh; Chương V: Nguyên lý chung của vô tuyến truyền hình; Chương VI: Một số hệ màu chính; Chương VII: Số hóa tín hiệu audio & video; Chương VIII: Truyền dẫn audio & video số; Chương IX: Ghi phát tín hiệu audio & video số.

TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ – KỸ THUẬT VINATEX TPHCM

KHOA CƠ ĐIỆN



ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT AUDIO & VIDEO

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2012

LƯU HÀNH NỘI BỘ

Chương I : ĐẠI CƯƠNG VỀ ÂM THANH VÀ TÍN HIỆU ÂM

Chương II: GHI ÂM TỪ TÍNH

Chương III: HỆ THỐNG ÂM THANH

Chương IV: TĂNG CHẤT LƯỢNG ÂM THANH

I Mạch tự động điều chỉnh mức ghi - ALC (Automatic Level Control) 58

Chương V: NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH

Chương VI: MỘT SỐ HỆ MÀU CHÍNH

Chương VII: SỐ HÓA TÍN HIỆU AUDIO & VIDEO

Chương VIII: TRUYỀN DẪN AUDIO & VIDEO SỐ

Chương I :ĐẠI CƯƠNG VỀ ÂM THANH VÀ TÍN HIỆU ÂM

I CÁC KHÁI NIỆM VỀ ÂM THANH

1 Bản chất và nguồn gốc của âm thanh

Âm thanh có bản chất là sống cơ học lan truyền trong các môi trường, sóng âm

là sóng dọc, có phương dao động cùng phương với phương truyền

Âm thanh được phát ra từ vật thể rung động, gọi là nguồn âm, như: dây đàn, mặt trống, màng loa,…Khi sóng âm truyền trong môi trường (không khí, nước,…) đến tai người làm rung màng nhĩ theo đúng nhịp điệu rung động của nguồn âm, nhờ đó ta nghe được âm thanh

Âm thanh truyền trong các môi trường: khí, lỏng, rắn,…Không truyền được trong chân không Một số môi trường truyền âm rất kém, các môi trường này thường mềm xốp, như: bông, dạ, cỏ khô,… chất liệu cấu tạo thành các môi trường này gọi là chất liệu hút âm, được dùng để làm giảm tiếng vang Thường được sử dụng trong nhà hát, phòng cách âm,…

Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào môi trường truyền.Thí dụ: trong không khí 340m/s, trong nước 1480m/s, trong sắt 5000m/s Trong không khí vận tốc truyền âm còn phụ thuộc vào nhiệt độ và được tình theo công thức:

( / )

273

331 T m s C

o

 T 0 là nhiệt độ tuyệt đối của không khí

Vậy ở nhiệt độ càng cao âm thanh truyền càng nhanh Người ta thường chọn C=340m/s, tốc độ tương ứng với nhiệt độ T0 = 2900K (tức 170C)

Trong quá trình lan truyền, khi gặp vật cản, phần lớn bị phản xạ, phần nhỏ tiếp tục lan truyền về phía trước và phần nhỏ biến thành nhiệt

2 Các đặc tính vật lý của âm thanh:

Âm thanh là một sóng cơ nên nó có các tính chất của sóng

2.1 Tần số: Tần số của một đơn âm là số lần dao động của các phần tử môi trường

truyền dẫn âm trong 1 giây

Tần số biểu thị độ cao của âm thanh: âm trầm có tần số thấp, âm bổng có tần số cao Tai người có thể nghe được các dao động có tần số từ 16 Hz dến 20 KHz Dải tần

từ 16 Hz đến 20 KHz gọi là dải tần số âm thanh, gọi tắt là âm tần Những âm có tấn số dưới 16 Hz gọi là hạ âm, những âm có tần số trên 20 KHZ gọi là siêu âm

Tín hiệu có tần số từ 16 Hz đến 20 KHz gọi là tín hiệu âm tần

Tương ứng với tần số f ta có chu kỳ T và bước sóng λ, liên hệ nhau các công thức:

f

T 1 (s) ;  C T (m)

C : vận tốc lan truyền của âm thanh trong không khí

Bước sóng của âm thanh từ 0,017 m đến 21,25 m Trong dải âm tần người ta thường chia thành:

Do:262Hz; Re:294Hz; Mi: 300Hz; Fa: 349Hz;

Sol: 392 Hz; La: 440 Hz; Si: 494 Hz; Do: 524 Hz

2.2 Áp suất âm ( thanh áp):

Âm thanh lan truyền đến đâu thì làm thay đổi áp suất không khí ở đó, hiệu của

áp suất khi có sóng âm với áp suất tĩnh của không khí tại một điểm được gọi là thanh

áp ở điểm đó Đơn vị của thanh áp là bar Một bar là thanh áp tác dụng lên một diện tích 1 cm2 một lực 1 dyn, đơn vị này còn được gọi là Pascal (Pa)

Ta có: 1 bar = 1 dyn/cm2 = 1 Pa

Như ta biết 1 Newton/m2 = 1 dyn/cm2

Thanh áp có giá trị rất nhỏ Một người nói bình thường tạo ra tại nơi cách người

đó 1 m một thanh áp bằng khoảng một phần triệu áp suất khí quyển Vì vậy, trong thực

tế người ta thường dùng đơn vị microbar (1 µbar = 10-6bar)

2 3 Công suất âm thanh:

Công suất âm thanh là năng lượng sóng âm đi qua một diện tích S vuông góc với phương truyền trong 1 đơn vị thời gian Ta có công thức:

pSv dt

pSdx dt

Fdx

Với : F: lực tác dụng, dx: khoảng dịch chuyển của lực F trong thời gian dt,

p: thanh áp, S: diện tích ta xét, v: tốc độ dao động của một phần tử khí tại đó

Nói chuyện bình thường công suất âm khoảng 0,0004 W

2.4 Cường độ âm thanh:

Cường độ âm thanh là công suất âm thanh đi qua một đơn vị diện tích, ta có công thức tính cường độ âm thanh I:

p v

S

P

I có đơn vị là watt/m 2 Tuy nhiên, trong thực tế thường dùng đơn vị watt/cm 2

Tóm lại p, P, I đều biểu thị độ lớn nhỏ của âm thanh và f, T, λ đều biểu thị cao

độ của âm thanh

3 Sự cảm thụ của tai người đối vói âm thanh:

3.1 Đơn âm: là âm thanh có tần số xác định, có biên độ sóng biến đổi theo quy luật

hình sin

Hình 1.1

3.2 Âm kết hợp: Các nguồn âm thông thường không tạo ra được đơn âm mà tạo ra các

âm thanh kết hợp Âm thanh kết hợp là tổng hợp của nhiều đơn âm, trong đó âm thanh

có tần số thấp nhất là âm cơ bản, các âm thanh còn lại có tần số là bội chẵn của âm cơ bản gọi là các âm bồi hay hoạ âm

Hình 1.2

3.3 Cao độ (hay độ trầm bổng): Cao độ được qui định bởi tần số âm cơ bản Trong

âm nhạc, âm phổ nghe được chia ra làm các bát độ

Đó là khoảng cách giữa hai âm mà âm bổng có tần số gấp 2 lần âm trầm

Ví dụ 1: Ở bát độ thứ 5 gồm các nốt

Ta thấy Do âm bổng có tần số gấp 2 lần Do âm trầm

Ví dụ 2: Nếu ta chọn âm trầm nhất là 16 Hz thì:

- Bát độ 1: gồm các âm nằm trong dải tần từ 16 Hz đến 32 Hz

- Bát độ 2: gồm các âm nằm trong dải tần từ 32 Hz đến 64 Hz

- Bát độ 3: gồm các âm nằm trong dải tần từ 64 Hz đến 128 Hz

- Bát độ 4: gồm các âm nằm trong dải tần từ 128 Hz đến 256 Hz

- Bát độ 5: gồm các âm nằm trong dải tần từ 256 Hz đến 512 Hz

- Bát độ 6: gồm các âm nằm trong dải tần từ 512 Hz đến 1024 Hz

- Bát độ 7: gồm các âm nằm trong dải tần từ 1024 Hz đến 2048 Hz

- Bát độ 8: gồm các âm nằm trong dải tần từ 2048 Hz đến 4096 Hz

- Bát độ 9: gồm các âm nằm trong dải tần từ 4096 Hz đến 8192 Hz

3.4 Âm sắc: là sắc thái riêng của âm thanh, giúp phân biệt âm phát ra từ các nguồn âm

khác nhau

Ví dụ: Nốt La phát ra từ đàn Guitar khác với nốt La phát ra từ đàn Piano và

cũng khác nốt La do người nói… ( dĩ nhiên, để so sánh phải phát nốt La trong cùng một bát độ)

Âm sắc quy định bởi các hoạ âm Hai âm kết hợp có cùng tần số cơ bản nhưng

có số họa tần khác nhau ( biên độ của các hoạ tần cũng có thể khác nhau ) thì sẽ có âm sắc khác nhau

3.5 Sự cảm thụ về mặt cường độ âm:

Hình 1.3 Độ nhạy của tai người

(1): Giới hạn tối đa của thanh áp ( ngưỡng đau đớn)

(2): Giới hạn nhỏ nhất của thanh áp nghe được

- Người bình thường nghe được âm thanh trong phổ tần từ 20Hz đến 15KHz Có người nghe được âm có tần số thấp đến 16Hz hoặc cao đến 20KHz Càng lớn tuổi độ rộng phổ tần số nghe được càng giảm

- Một số động vật có thể nghe được âm có tần số rất cao như : mèo có thể nghe được đến 40KHz, chó 80KHz, dơi 120KHz

- Độ nhạy của tai người không đồng đều trong phổ âm tần nghe được Thực nghiệm cho thấy, tai người cảm giác ngạy với các âm nằm trong dải tần từ 500Hz đến 5KHz;

và nhạy nhất ở tần số 1 KHz Khi thanh áp quá lớn, tai người có thể bị tổn thương Từ giản đồ nhạy của tai ta thấy ở tần số 1 KHz chỉ cần thanh áp bằng 0,0002 dyn/cm2 là tai nghe được Trong khi ở tần số 20 KHz cần phải có thanh áp 10 dyn/cm2 mới nghe được

- Thực nghiệm cho thấy, thính giác cảm nhận cường độ âm thanh tỉ lệ với Logarith của thanh áp Như vậy các định nghĩa về thanh áp, cường độ thanh không cho ta đánh giá một cách rõ ràng về sự cảm nhận của tai người Do đó, người ta dùng đơn vị mới để đo cường độ âm thanh, đơn vị Decibel ( ký hiệu dB ), được định nghĩa bằng công thức:

4 10 10 2 log

120 dB tai có thể bị tổn thương

Sau đây là đồ thị Fletcher-Munson biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ thanh (tính theo dB ) và tần số âm thanh, nói lên sự cảm nhận âm thanh của tai người không đồng đều theo tần số

Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ thanh và tần số âm thanh

II CÁC HỆ BIẾN ĐỔI ĐIỆN THANH CƠ BẢN:

1 Phương trình của các hệ biến đổi cơ bản:

Thiết bị biến đổi điện thanh là thiết bị biến đổi sóng âm thành tín hiệu điện (Bộ biến đổi dạng máy phát) hoặc biến đổi tín hiệu điện thành dao động âm thanh (Bộ biến đổi dạng động cơ)

Hình 1.5: Sơ đồ bộ biến đổi điện thanh

Giả sử không có méo phi tuyến (Tín hiệu điện và dao động âm thanh có quan hệ tuyến tính), ở chế độ xác lập:

E = Zi + M1v

F = M2i + zv (1.4) Với: E là điện áp, i là dòng điện, F là lực tác động, v là tốc độ dao động

Zi và M2i : đặc trưng cho sức điện động

M1v và zv : đặc trưng cho động lượng

2 Biến đổi thuận nghịch âm thanh - Tín hiệu điện và nguyên lý biến đổi điện cơ:

Micro là thiết bị biến đổi cơ điện, loa là thiết bị biến đổi điện cơ, chúng là thiết

bị đầu cuối của nhiều hệ thống thông tin Điện - cơ tuy khác nhau về vật lý, nhưng chúng có thể mô tả bằng hững biểu thức tóan học tương tự nhau Cho nên người ta có

thể đưa việc tính toán âm học (cơ học) thành tính toán điện học Hình 1.6 biểu diễn sự

tương ứng giữa cơ và điện

Để đặc trưng khả năng biến đổi năng lượng điện, ta định nghĩa hệ số ghép điện cơ:

v

E i

F

Với loa: lực F là đáp ứng đầu ra, dòng điện i là tác động đầu vào

Với micro: sức điện động E là đáp ứng đầu ra, vận tốc v là đáp ứng đầu vào

3 Hệ biến đổi điện động:

Dòng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn m đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cữu sẽ tạo ra một lực từ tác dụng lên dây dẫn theo phương vuông góc với vectơ cảm ứng từ B và chiều dài l của vòng dây:

F

4 Hệ biến đổi tĩnh điện

Xem một mô hình hệ biến đổi tĩnh điện đơn giản như hình 1.7 Một bảng của tụ

điện có thể chuyển động theo sự tác động của sóng âm

Hình 1.7

Nếu đặt vào tụ điện 1 điện áp xoay chiều u, thì bảng di động của tụ điện sẽ chịu một lực tác dụng giữa 2 bảng của tụ điện là Fxc (là thành phần lực tác dụng do u) làm bảng di động rung lên theo sự biến đổi của u hay i

5 Hệ biến đổi áp điện

Một số chất rắn tinh thể như thạch, Litisulphat, gốm Natrititanat, barisegnec có tính chất đặc biệt gọi là " hiệu ứng áp điện"

Tinh thể áp điện được cắt thành miếng theo các trục xác định Nếu tác dụng một lực làm nén hoặc dãn miếng tinh thể thì sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu ở 2 mặt của

nó (hiệu ứng điện áp thuận) Ngược lại, nếu đặt vào 2 mặt của miếng tinh thể một điện

áp thì nó sẽ bị nén hoặc dãn tùy theo chiều của điện áp đặt vào (hiệu ứng điện áp ngược)

Mỗi chất có một trục sinh ra hiệu ứng điện áp gọi là trục áp điện (hình 1.8)

Hình 1.8

- Hiệu ứng điện áp thuận được ứng dụng làm microphone

- Hiệu ứng điện áp nghịch được ứng dụng làm loa

III BIẾN ĐỔI ÂM THANH THÀNH TÍN HIỆU ĐIỆN - MICRO

Để xử lý ( khuếch đại và lưu trữ ) âm thanh ta phải biến đổi âm thanh thành tín hiệu điện, gọi là tín hiệu âm tần Tín hiệu âm tần là một điện thế hay dòng điện có biên độ và tần số biến đổi theo cường độ và tần số của âm thanh tương ứng Một thiết

bị biến âm thanh thành tín hiệu âm tần được sử dụng phổ biến là micro

1 Các đặc tính của micro:

1.1 Độ nhạy: được định nghĩa là mức điện áp đo ra ở tần số 1 KHz khi micro được

đấu đúng tải và áp suất âm ở trước micro là 1µbar Đơn vị tính độ nhạy là mW/ pbar Ngoài ra, độ nhạy của micro còn được tính bằng mức công suất ra ở tải chuẩn khi áp suất âm thanh trước micro là 1µbar Công suất nầy được tính bằng mW

1.2 Đáp tuyến tần số: là đường cong biểu diễn mức điện áp ra của micro theo tần số

âm thanh Nó phản ánh, độ trung thực của micro Đáp tuyến tần số càng rộng và càng

đồng đều thì chất lượng micro càng cao (hình 1.9)

Hình 1.9

1.3 Trở kháng danh định của micro: Micro thường được chế tạo với 2 loại trở

kháng

- Micro trở kháng thấp: vài trăm Ohm

- Micro trở kháng cao: cao vài chục KΩ

Khi sử dụng, trở kháng của micro và tổng trở ngõ vào của ampli phải thích hợp

1.4 Búp hướng của micro: Búp sóng biểu diễn sự biến đổi về độ nhạy của micro tuỳ

theo hướng của nguồn âm thanh dội vào micro

Hình 1.10 Búp hướng của các loại micro

2 Các loại Micro:

2.1 Micro điện động: Đây là loại micro thông dụng nhất, hoạt động theo nguyên lý

của hệ biến đổi điện động, cuộn dây dịch chuyển trong từ trường do nam châm vĩnh

cửu sinh ra

Hình 1.11 Cấu tạo micro điện động

Thanh áp tác động vào màng loa, làm màng loa rung động theo tần số và biên

độ của âm thanh kéo theo sự rung động của cuộn dây bên trong từ trường Kết quả tạo

ra trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng Nếu có tải bên ngoài, thì có dòng điện cảm ứng biến đổi giống như sự biến đổi của âm thanh Như vậy, đã biến âm thanh thành tín hiệu âm tần

Micro loại nầy thường là micro 1 hướng, có đáp tuyến tần số tốt, chịu được nhiệt độ,

độ ẩm và chịu sự va chạm

2.2 Micro băng: Vì nguyên tắc cũng giống như micro điện động, nhưng cuộn dây

được thay bằng 1 băng nhôm rất mỏng , cỡ 0,01 mm đặt trong khe từ Khi nói trước micro thì băng nhôm rung động trong từ trường đều, sức điện động âm tần được sinh

ra giữa 2 đầu băng nhôm (hình 1.12)

Micro loại nầy có trở kháng rất nhỏ, nên trong micro có kèm một biến áp để nâng trở kháng Đây là loại micro 2 hướng, có đáp tuyến tần số tốt hơn micro cuộn dây, không chịu được va chạm

Hình 1.12 Cấu tạo micro băng

2.3 Micro tinh thể: Còn gọi là micro áp điện, hoạt động theo nguyên lý của hệ biến

đổi áp điện Được cấu tạo bởi các chất có tính áp điện như thạch anh, phosphat kali, ta-rê ,bari,… Khi âm thanh tác động vào tinh thể áp điện làm cho nó biến dạng theo

ti-nhịp điệu và cường độ âm thanh và ở 2 đầu tinh thể xuất hiện sức điện động âm tần

Loại micro nầy có đặc tuyến tần số rộng và phẳng, trở kháng ra lớn ( cỡ MΩ) kích thước nhỏ nhẹ, chịu được va chạm

2.4 Micro tụ điện: Còn gọi là micro tĩnh điện, hoạt động theo nguyên lý của hệ biến

đổi tĩnh điện Nguyên lý cấu tạo của micro tụ điện được mô tả bằng hình vẽ sau (Hình

Hình 1.13 Cấu tạo micro tụ điện

2.5 Micro than: Có nguyên tắc cấu tạo được mô tả như hình 1.15

Hình 1.14 Cấu tạo micro than

Khi thanh áp tác động lên màng micro, thì độ nén lên các hạt than thay đổi, điện trở lớp than thay đổi, dòng diện do nguồn tạo ra chạy qua lớp than thay đổi, ở cuộn thứ cấp thu được điện áp âm tần

Micro loại nầy có độ nhạy cao, nhưng tạp âm lớn, có đáp tuyến tần số hẹp và không bằng phẳng, chỉ được dùng trong điện thoại

IV BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU ÂM TẦN THÀNH ÂM THANH - LOA :

Loa là dụng cụ biến đổi năng lượng điện âm tần thành năng lượng âm thanh, và

là bộ phận cuối của một hệ thống âm thanh

1 Nguyên tắc cấu tạo của các loại loa:

1.1 Loa điện động: Đây là loại loa phổ biến nhất, , hoạt động theo nguyên lý của hệ

biến đổi điện động, có nguyên tắc cấu tạo được mô tả như hình 1.15

Nam châm vĩnh cửu mạnh hình xuyến hoặc hình trụ (a) Cuộn dây động (b) quấn trên một lỏi giấy cứng ( hay nhôm mỏng ) có thể chuyển động trong khe từ (d)

Từ trường đều mạnh do nam châm tạo ra có đường sức từ tập trung trong lõi sắt từ làm bằng sắt non (c) hướng vuông góc đến khe từ Ba phần (a), (b), (c) tạo thành động cơ loa

(e) - Màng loa thường làm bằng bột celluloz hoặc chất dẻo gắn bền với cuộn dây động

Hình 1.15 Cấu tạo loa điện động

(f) - Màng treo trong, giữ cho cuộn dây nằm giữa khe từ

(g) - Dây vào ( gồm hai dây để đưa dòng điện âm tần vào cuộn dây động), phải mềm mại để không ảnh hưởng đến sự di chuyển của màng loa và không bị đứt (h) - Chụp ngăn bụi cứng hơn màng loa góp phần phát âm tần số cao

Sườn loa, có nhiều lổ thông hơi ( các loa làm việc với tín hiệu âm tần có tần số cao thì không cần lổ thông hơi)

(j) - Màng nhún ( màng che ngoài )

Khi cho dòng điện âm tần chạy qua cuộn dây động, dưới tác dụng từ trường, lực

từ làm cuộn dây rung động dọc theo trục loa Năng lượng điện chuyển thành năng lượng cơ và rồi chuyển thành năng lượng âm thanh nhờ có sự rung động của màng loa,

sự rung động này có cùng tần số và tỉ lệ với biên độ của dòng điện âm tần, nhờ vậy đã tái tạo lại âm thanh

1.2 Loa nén: Loa nén là một loại loa điện động đặc biệt, nó gồm có hai phần (hình

1.16), động cơ loa và vành loa Động cơ loa điện động có cấu tạo đặc biệt và nhỏ gọn

Màng loa bằng nhựa cứng tròn và lồi Vành loa thường có ba ống: ống trong, ống giữa

và ống ngoài loe rộng ra Thanh áp được phát mạnh ra từ màng loa lần lượt qua ống

nhỏ, ống giữa, ống ngoài, làm cho thanh áp tăng dần lên nên tiếng loa phát ra rất khoẻ

Hình 1.16 Cấu tạo loa nén

1.3 Loa gốm áp điện: Còn gọi là loa sứ áp điện hay loa tinh thể, hoạt động theo

nguyên lý của hệ biến đổi áp điện (hình 1.17)

Hình 1.17: Cấu tạo loa gốm áp điện

- Có cấu tạo gồm: Một miếng gốm có tính điện áp hai mặt có tráng hai lớp kim loại mỏng làm hai bản cực và cũng có thể dùng làm màng loa Khi cho một điện áp âm tần vào hai bản cực gốm áp điện rung lên theo nhịp điệu của tín hiệu âm tần, sự rung động này truyền qua màng loa và phát ra âm thanh

- Loại loa này gọn nhẹ cấu tạo đơn giản, hiệu suất cao phát ra âm thanh tần số cao, được sử dụng làm loa thanh

2 Các đặc tính của loa:

2.1.Công suất danh định của loa: Là công suất lớn nhất ampli cung cấp cho loa mà

loa có thể hoạt động được Ngoài ra, bộ phận di động của loa ( màng loa, cuộn dây) có một khối lượng nào đó, cộng thêm lực căng của màng làm cho loa có một quán tính, muốn tạo ra một lực từ đủ thắng quán tính này dòng điện qua phải lớn hơn một giá trị tối thiểu nào đó Nói cách khác, có một giới hạn công suất nhỏ nhất của ampli mà loa

có thể hoạt động được

Công suất tối đa Pmax và công suất tối thiểu Pmin được nhà sản suất cho biết

2.2 Trở kháng danh định của loa:

- Trở kháng của loa thay đổi theo tần số

- Trở kháng danh định của loa là trở kháng đo được khi đưa vào loa một dòng điện âm tần hình sin có tần số qui định ( thường là 1 KHz hay 400 Hz)

- Loa điện động thường có trở kháng thấp từ 4 Ω đến 16 Ω, loa áp điện có trở kháng cao hơn ( vài KΩ )

Hình 1.18 Sự thay đổi trở kháng loa theo tần số

- Do hoạt động của loa có tính cộng hưởng, nên ở tần số cộng hưởng trở kháng của loa

sẽ lớn nhất

- Loa sử dụng phải có sự phối hợp tổng trở với ampli Nếu trở kháng loa nhỏ hơn trở kháng ra của ampli sẽ dễ làm cho ampli hư hỏng Ngược lại nếu trở kháng của loa quá lớn thì hiệu suất sẽ kém đi

2.3 Đáp tuyến tần số của loa:

- Là đường cong biểu diễn thanh áp của loa theo tấn số khi dòng điện âm tần có công suất qui ước được đưa vào loa

- Đáp tuyến tần số biểu diễn tính trung thực của loa Đáp tuyến tần số càng rộng

và càng bằng phẳng thì loa có chất lượng càng cao

- Loa điện động có thể hoạt động trong dải tần từ 10 Hz →10 KHz với độ chênh lệch 10 dB

Hình 1.19 Đáp tuyến tần số của loa

2.4 Độ méo phi tuyến của loa:

- Nếu đưa vào loa một dòng điện hình sin thì lao phát ra phải là một đơn âm Nhưng thông thường âm thanh phát ra bị méo, có kèm theo một số họa âm

- Tỉ lệ giữa biên độ các họa âm và âm cơ bản là độ méo phi tuyến, sự méo dạng làm âm thanh không trung thực Vì vậy, độ méo phải nhỏ hơn một mức quy định nào

đó

2.5 Búp hướng của loa:

- Loa cũng có hướng tính như micro Các điểm xung quanh loa có cùng thanh áp tạo nên đường đặc tính phương hướng của loa Nói chung, âm trầm có búp hướng hình cầu, âm bổng có búp hướng nhọn và hướng theo trục loa ở phía trước màng

(a) Loa có hướng tính tốt góc tỏa hẹp (b) Loa có hướng tính không tốt- góc tỏa rộng

Hình 1.21 Búp hướng của loa

- Muốn mở rộng góc tỏa âm thanh, màng loa phải càng dẹp, trong một số trường hợp, để tăng góc toả của âm thanh người ta sản xuất loại loa với màng có dạng hàm mũ

Hình 1.22 Vành loa có dạng hàm mũ

2.6 Hiệu suất của loa:

- Là tỉ số giữa công suất âm thanh phát ra với công suất điện âm tần đưa vào loa Hiệu suất của loa điện động thường rất nhỏ, khoảng từ 1% đến 10%

- Ví dụ: Một loa có công suất 30 W, có hiệu suất 4% khi nhận một công suất điện là 30W, thì loa chỉ phát ra 1.2 W năng lượng âm thanh ( phần còn lại biến thành nhiệt)

3 Hoạt động của loa trên các tần số khác nhau:

- Có nhiều yếu tố làm ảnh hưởng đến hoạt động của loa như: Khối lượng của bộ phận di động tạo ra quán tính, lực căng của các màng treo trong và treo ngoài, lực tạo

ra do dòng điện tự cảm, lực tác động của khối lượng không khí xung quanh loa

- Ở một tần số nào đó xảy ra hiện tượng các lực bù trừ hết cho nhau, tạo ra một

sự cộng hưởng cơ học Lúc này trở kháng cơ học quán tính coi như bằng không, nhưng trở kháng điện thì ngược lại, ở tần số cộng hưởng trở kháng loa tăng bất thường

- Muốn cho sự cộng hưởng cơ không là nguyên nhân gây khó chịu, người ta làm cho tần số đó ở mức thấp nhất, ngoài dải thông của loa Với loa được chế tạo dùng

ở tấn số thấp, tần số cộng hưởng cơ khoảng 3 Hz, với các loa hoạt động ở tần số cao tần số cộng hưởng có thể cao hơn

- Vì không thể chế tạo một loa hoạt động tốt trong suốt dải âm tần Nên muốn

âm thanh có độ trung thực cao ( HIFI ), người ta phải dùng hệ thống nhiều loa, mỗi loa

có băng tần khác nhau, rồi dùng bộ lọc tần số để phân chia dải tần hoạt động của loa

3.1 Loa Woofer ( hay Boomer ):

Đây là loại loa chuyên dùng với tần số thấp, nên gọi là loa trầm Băng tần từ 16Hz đến khoảng 500Hz Loa Woofer thường là loa điện động Muốn phát ra các tần

số thấp ( f < 500 Hz ) thì bộ phận di động phải di chuyển theo một khối với biên độ

lớn, và vì vậy công suất của loa phải lớn Màng loa phải được lắp ghép một cách mềm dẻo và khối lượng của màng sẽ rất quan trọng Màng loa cần đường kính lớn để có thể phát ra được các âm thanh trầm nhất

Hình 1.23 Loa Woofer

3.2 Loa Mid-Range ( hay Medium ): còn gọi là loa trung

Loa này chuyên dùng cho dải tần số trung bình ( từ 500 hz đến 3000 Hz) Quan sát thực nghiệm thấy được, khi phát ra các tần số trung bình, toàn bộ màng loa rung động Khi phát ra các tần số cao ( f > 3000 Hz ) chỉ riêng có bề mặt trên đỉnh hình nón

là rung động, màng chắn bụi cũng tham gia phát ra các âm có tần số cao Qua nhận xét trên, loa trung có màng loa với đường kính trung bình từ 10cm đến 15cm Trên một số loa trung, vành loa có lổ thông hơi Trong các thùng loa, muốn cho màng loa trung không chịu ảnh hưởng của các sóng âm thanh phát ra từ phía sau của loa trầm, loa trung thường có nắp đậy kín ở phía sau hoặc vành loa bịt kín

Hình 1.24 Loa Mid-Range trong thùng loa

3.3 Loa Tweeter:

Loa này chuyên dùng phát lại các tần số cao Vì ở tần số cao ( từ 3 KHz đến 20 KHz ) màng loa chỉ rung động ở phần mặt đỉnh và màng chắn bụi nên kích thước loạ loa này thường nhỏ ( từ 5 → 10 cm ) Màng loa cứng có hình chóp nón hoặc vòm cầu, loại vòm bán cầu có góc toả âm thanh mở rộng Vành loa Tweeter được bịt kín

Hình 1.25 Cấu tạo và hình dạng loa Tweeter

Loa Tweeter loại nén: phát ra âm tần số cao (có bước sóng rất nhỏ), nên cần

phải có thanh áp đủ mạnh mới có thể truyền đi xa Về mặt nguyên tắc cấu tạo như loa nén thông thường, nhưng màng loa có cấu tạo thích hợp để hoạt động ở tần số cao

Hình 1.26 Cấu tạo một loa Tweeter loại nén

3.4 Loa thụ động:

Loa thụ động là loại loa không có động cơ loa, cấu tạo chỉ gồm một màng và vành loa Tất nhiên, loa này không thể hoạt động riêng lẻ Nó được dùng trong các thùng loa và kết hợp với loa Woofer

Người ta phải thiết tính sao cho màng của loa thụ động dịch chuyển cùng pha với màng loa Woofer trong dải tần số từ 20 Hz đến 120 Hz Sự phân bố của phụ tải âm học làm tăng gấp 2 lần công suất toả âm thanh của loa chính Loa thụ động chỉ được dùng trong các thùng loa

4 Vận chuyển âm học:

Xét một loa có dải tần rộng, các phần không khí bị nén khi màng loa di chuyển

về phía trước Khi đó, phần không khí ở phía sau bị giãn ra Hiện tượng sẽ ngược lại

khi màng loa di chuyển về phía sau (hình 1.27) Như vậy, âm thanh được phát ra cả

mặt trước và mặt sau

Hai sóng trước và sau gặp nhau, ở những vị trí chúng ngược pha sẽ triệt tiêu nhau, gọi là sự chập mạch âm học

Hình 1.27 (a) Màn loa dịch chuyển về phía trước (b) Sóng trước và sóng sau gặp

nhau, xảy ra hiện tượng chập mạch âm học

Muốn loa hoạt động tốt với các âm có tần số thấp, người ta có các biện pháp sau:

- Làm vành loa rất rộng, như trong trường hợp loa nén

- Đặt loa trong một cái hộp

để tăng âm trầm, trong đó loa Woofer là loa chính

Có hai loại thùng loa:

âm thanh phát ra ở phía sau bị giam giữ lại trong thùng loa, nên hiệu suất kém vì một nửa năng lượng âm thanh không được sử dụng

Muốn cho các sóng âm phản xạ không ảnh hưởng đến màng loa, thì tất cả các

bề mặt trừ bề mặt ván phía trước đều được phủ kín bằng chất hút âm như: dạ, chất dẻo,

và thường là len, thuỷ tinh

Ngoài ra, khối lượng khí trong thùng cũng ảnh hưởng đến hoạt động của loa, với các âm trầm màng loa dịch chuyển với biên độ lớn, làm không khí trong thùng co giãn và tác động ngược lại sự dịch chuyển của màng loa, có thể làm giảm hiệu suất hoặc gây ra sự méo dạng Vì vậy, cần phải tình toán kích thước của thùng loa cho thích hợp sau cho sự phát âm trầm được mạnh nhất

Hình 1.28 (a) Thùng loa kín (b) Thùng loa kín có loa thụ động

5.2 Thùng loa Bass-Reflex: Còn gọi là loa có lổ thông hoặc thùng loa chống cộng

hưởng

Ngoài vấn đề tránh chập mạch âm học, thùng loa loại này còn làm giảm sự cộng hưởng của loa, tăng đáp tuyến tần số trầm mà vẫn nâng cao hiệu suất âm thanh đó, bằng cách sử dụng sóng âm phía sau của màng

Lổ thông thường nằm ở mặt trước, có thể kéo dài thành một đường hầm

(Hình 1.29).Các loa dùng cho loại này thường có màng treo cứng hơn loa dùng cho

thùng kín Nguyên lý của thùng loa loại này dựa trên nguyên lý của bộ cộng hưởng Helmholtz Bộ cộng hưởng này cấu tạo bởi một bình chứa có bờ thành rất chắc Trên một bờ có lổ thông , lổ thông này được kéo dài thành hình cổ chai

Hình 1.29 (a) Thùng loa Bass-Reflex (b) Bộ cộng hưởng Helmholtz

Không khí ở trong bình đóng vai trò như lò xo, khi ở cổ lọ có một quả nén Quả nén dao động trong cổ lọ, không khí trong bình sẽ co dãn, ở một tần số náo đó có sự cộng hưởng Có thể so sánh hệ thống này với thùng loa phản xạ tần số thấp, quả nén được thay thế bằng màng loa, hoặc ta hình dung 1 lò xo đầu dưới có một quả cân Tay cầm đầu trên và dịch chuyển lên xuống theo chiều đứng cùng tần số với tần số cộng hưởng cơ của lò xo Ta sẽ thấy, khi tay đi xuống thì quả cân đi lên và ngược lại, có sự

ngược pha giữa chuyển động của bàn tay và quả cân (hình 1.29b)

Áp dụng hiệu ứng này vào thùng loa phản xạ tần số thấp, điều kiện cần thiết là tần số cộng hưởng của không khí ở trong thùng phải ở tần số thấp tương ứng với hoạt động của loa chính Lổ thông phải xác định chính xác Khi đó, ta có chuyển động âm học như sau: Khi màng loa chuyển động về phía sau, không khí qua lổ thông đi vào thùng và khi màng loa chuyển động về phía trước, không khí qua lổ thông đi từ trong thùng ra ngoài Ta thấy, chuyển động của không khí ở lổ thông và màng loa cùng chiều và đồng pha nhau Vậy có hai phần năng lượng âm tỏa ra, một từ màng loa, một

từ lổ thông

Hiệu ứng này chỉ xảy ra ở tần số thấp, trên tấn số 1000Hz hiệu ứng này không còn nữa và sự vận chuyển của không khí qua lổ thông trở lại bình thường Màng loa chuyển động vào không khí đi ra, màng loa chuyển động ra không khí đi vào

Ngoài ra, ở tần số thấp khi màng lao dịch chuyển vào ( về phái sau ) thì không khí đi vào thùng sẽ gây ra sự tăng áp ở trong thùng loa và sẽ tự động hãm màng loa, triệt tiêu sự cộng hưởng của loa

Ta thấy, nếu loa để bên ngoài không thể hoạt động dưới tần số cộng hưởng là 50Hz, nhưng khi đặt trong thùng loa phản xạ tần số thấp, khả năng hoạt động của nó

có thể xuống thấp đến 30 Hz

Ở tần số cộng hưởng, hiệu ứng bình Helmholz kiềm hãm sự cộng hưởng của loa, lệch khỏi tấn số cộng hưởng, tác dụng này yếu đi nên tồn tại hai đỉnh A, B của đáp tuyến

Ở tấn số trung bình và cao, thùng loa không có tác dụng gì cả

Hình 1.30 Đặc tuyến trở kháng của loa

5.3 Các đặc tính của thùng loa:

Thùng loa được xác định bởi các đặc tính như một loa: công suất, dải thông, trở kháng…Ngoài ra còn những đặc tính riêng của thùng loa như: kín hay có lổ thông, số loa mắc thành hệ thống trong thùng loa, kích thước

- Dải thông: thùng loa có chất lượng khi dải thông của nó phủ kín dải tần nghe được và có đặc tuyến bằng phẳng

- Trở kháng: 4 Ω → 16 Ω

- Công suất: trong thùng loa, công suất loa chính (loa woofer) là lớn nhất và là chủ yếu, loa chính phải chịu đựng được công suất lớn nhất mà ampli cung cấp Các loa trung và loa cao công suất nhỏ hơn vì nhờ có bộ lọc chia tần số Theo qui định công suất loa chính bằng 1,5 lần công suất ra của một kênh

Ta phân biệt các cách ghi công suất trong thực tế:

- Công suất âm nhạc = 1,5 x công suất thực tế

- Công suất đỉnh = 2 x công suất thực tế

- Công suất đỉnh đối đỉnh = 4 x công suất thực tế

5.4 Hệ thống loa trong thùng loa:

Có 3 hệ thống chính: Hệ thống một loa, hệ thống hai đường tiếng và hệ thống 3 đường tiếng Trong kỹ thuật âm thanh HiFi, thùng loa thường lắp hai đường tiếng và chất lượng hơn khi được lắp 3 hoặc 4 đường tiếng

5.4.1 Hệ thống hai đường tiếng: Dòng điện âm tần được chia làm hai: một đường đi

vào loa chính ( loa Woofer ) với các thành phần tấn số f ≤ fc, một loa thanh ứng với các âm trung và bổng, với tần số f ≥ fc

Tần số giới hạn hoạt động giữa các loa Khi vượt khỏi tấn số này một loa ngừng hoạt động để chọn loa khác thay thế, fc được chọn tùy vào dải tần hoạt động của các loa và không được nằm dưới tần số cộng hưởng của loa thanh Từ điểm A công suất loa chính bắt dầu suy giảm thì loa thanh bắt dầu hoạt động mạnh dần

Hình 1.31 Đặc tuyến tần số của bộ lọc 2 đường tiếng có tần số cắt là 1KHz

Độ suy giảm: là số dB suy giảm trên một bát độ ( dB/ bát độ ) thường có trị số

là 6, 12 hoặc 18 dB/ bát độ Độ dốc suy giảm càng lớn bộ lọc càng tiến tới lý tưởng Nếu dải tần hoạt động của 2 loa chồng lên nhau, ta có thể chọn tấn số cắt một cách thoải mái hơn Khi đó ta có thể xác định tần số cắt sau cho mỗi đường tiếng có số bát

độ bằng nhau (Hình 1.31) ta chọn tần số cắt 1000Hz thì

- Loa trầm có 5 bát độ: 1000←500, 500 ← 250, 250 ←125, 125 ← 62, 62 ←

31

- Loa thanh cũng có bát độ: 1000 → 2000 → 4000 → 8000 →1600 →3200

Hình 1.32 Các cách mắc loa 2 đường tiếng

5.4.2 Hệ thống 3 đường tiếng: Dãy âm tần được chia làm 3 phần Mỗi đường tiếng có

thể cung cấp cho 1 hay nhiều loa với bộ lọc 3 đường tiếng việc tính toán trở nên khá phức tạp và thực nghiệm lại đóng vai trò quan trọng Thông thường các nhà sản xuất

loa đề nghị bộ lọc tương ứng

Hình 1.33 Đặc tuyến tần số của bộ lọc 3 đường tiếng có tần số cắt f c1 =200Hz và f c2 =6000Hz

Hình 1.34 Một số bộ lọc 3 đường tiếng

Ghi chú: Đối với các cuộn dây, ngoài hệ số tự cảm L điện trở thuần R của cuộn dây

cũng có tác dụng quan trọng Do đó, cở dây và kích thước cuộn dây cần phải thiết tính

kỹ

6 Độ lệch âm học:

Trong 1 hệ thống loa, 2 loa đồng pha khi màng loa chúng di chuyển đồng thời

về phía trước cũng như về phía sau Khi các loa cùng pha thì thanh áp sẽ tăng, khi 2 loa lệch pha thì thanh áp sẽ trừ nhau trong khu vực tần số cắt

Trong âm thanh lập thể ( stereo ), cách đấu dây ở trong và ngoài các thùng loa phải giống nhau, để các thùng loa cùng pha Nếu các thùng loa lệch pha sẽ mất tác dụng lập thể

Hình a Hình b

Hình 1.35 (a) 2 thùng lệch pha (b) 2 thùng cùng pha

Bộ lọc tần số cũng có tác dụng làm lệch pha và có sự hiện diện của tụ điện và cuộn dây Sự lệch pha điện học sẽ dẫn đến sự lệch pha âm học

- Trong hệ thống 2 đường tiếng đơn giản tụ lệch pha 900

- Trong hệ thống 2 đường tiếng có cuộn dây và tụ điện 2 loa sẽ lệch nhau 1800

Để khắc phục 2 trường hợp lệch pha trên:

- Trường hợp lệch pha 900 ta đặt loa tweeter lùi về sau loa chính ¼ bước sóng

âm ở tần số cắt

- Trường hợp lệch pha 1800 ta khắc phục bằng cách đấu ngược chiều + và -của loa tweeter ( không nên áp dụng phương pháp này đối với loa chính )

Chương II: GHI ÂM TỪ TÍNH

I NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA GHI ÂM VÀ TÁI TẠO TÍN HIỆU ÂM THANH

Tín hiệu âm thanh là một hàm của thời gian, khi lưu trên vật lưu trữ (băng từ, dĩa CD, phim điện ảnh,…) nó làm theo đổi trạng thái của vật lưu trữ (ghi) theo tọa độ Khi tạo lại âm thanh, quá trình biến đổi ngược lại, sự thay đổi trạng thái vật lý theo tọa độ được chuyển đổi thành điện áp hay dòng điện thay đổi theo thời gian

- Tín hiệu âm thanh: u(t)=f(t) (2.1)

Nếu phần tử ghi dịch chuyển với tốc độ ghi không đổi vg , thì chiều dài vệt ghi ở thời điểm t là:

x = vgt hay: vg = x/t (2.2)

Trạng thái vật lý của vật ghi được đặc trưng bằng đại lượng M, ta có:

M = K1f(x/vg) (2.3)

Với K 1 là hệ số truyền đạt của kênh ghi

Ví dụ: Vật ghi là băng từ thì M là độ từ dư phân bố dọc theo chiều dài x của băng Vật

ghi là dĩa CD thì M là độ biến dạng lõm (pit) phẳng (land) phân bố dọc theo chiều dài

x trên các cung (sector)

- Bước sóng ghi:

f

v T

v g  g



 (2.4)

T là chu kỳ và f là tần số của tín hiệu

- Mật độ ghi: số chu kỳ của tín hiệu ghi được trên 1 đơn vị chiều dài



1 1







T v v

f N

g g

- Sự khôi phục tín hiệu âm thanh:

Sức điện động do đầu đọc tạo ra:

g

v

x K K M K

E  2  2 1 (2.6)

Với K 2 là hệ số truyền đạt của đầu phát

x = v p t + x 0 và v p là vận tốc dịch chuyển vật ghi lúc phát (để đơn giản ta cho x 0 =0)

Suy ra sức điện động tín hiệu được khôi phục: t

v

v f K K E

g

p

1 2

 (2.7)

So sánh (2.1) và (2.7) ta thấy nếu tốc độ ghi và tốc độ phát bằng nhau, K2 và K1

là các hệ số hằng thì tín hiệu ghi và tín hiệu tái tạo có dạng hoàn toàn giống nhau chỉ khácnhau về biên độ

- Mật độ ghi là số bước sóng ghi trên một đơn vị độ dài của vệt (track) ghi, với bước sóng ghi λ = Vg/f, f là tần số của tín hiệu âm tần Trong tất cả các hệ thống ghi âm mật

độ ghi đều bị hạn chế, vì vậy trong quá trình ghi và phát lại tín hiệu sẽ bị méo khi tín hiệu có bước sóng ngắn (tần số cao) Muốn ghi được những tín hiệu có tần số cao thì tốc độ ghi phải lớn, để cho bước sóng ghi dài ra và mật độ ghi giảm xuống Tuy nhiên, khi đó chiều dài của vệt ghi tăng lên, nếu kích thước của vật liệu ghi (băng từ, dĩa CD,…) không đổi, thì dung lượng ghi sẽ giảm

II NGUYÊN LÝ GHI ÂM TỪ TÍNH

Nguyên lý ghi âm từ tính dựa vào tính từ dư của chất sắt từ Khi từ hóa chất sắt từ bằng từ trường ngoài, sau đó lấy chất sắt từ ra khỏi từ trường ngoài, sự từ hóa chất sắt

từ được lưu lại và nó trở thành nam châm

1 Hiện tượng từ hóa:

Người ta khảo sát quá trình từ hóa chất sắt từ diễn ra theo chu trình bằng thực nghiệm, như sau:

Hình 2.1

(3) Muốn khử từ dư ta phải đổi chiều từ trường ngoài và cho B0

r

tăng dần đến giá trị

Bok (phía âm) Bok được gọi là từ trường khử từ hay lực khử từ

(4) Nếu tiếp tục tăng B0

r

thì chất sắt từ bị khử từ theo chiều ngược lại và đạt đến giá trị bão hòa khi B0

r

tăng đến Bob (phía âm)

(1) Đặt một miếng sắt từ chưa bị từ hóa vào trong từ trường ngoài B0

r

Trong chất sắt từ cùng hướng với B0

r

có độ lớn tăng theo B0

r

(2) Cho B0

(5) Nếu ta cho B0 giảm (phía âm) đến 0, B sẽ giảm đến Bd (phía âm) Chất sắt từ có 1

từ dư theo chiều ngược với từ dư thu được ở bước (2)

(6) Để khử từ dư ta cũng đổi chiều từ trường ngoài và cho B0

r

tăng đến Bok (phía dương)

(7) Nếu tiếp tục tăng B0

r

quá trình từ hóa sẽ tiến đến bão hòa

Các đoạn cong (1), (2), (3), …, (7) tạo thành một đường cong kín, được gọi là chu trình từ trễ Các đại lượng Bd, Bok và Bob tuỳ thuộc vào chất sắt từ

- Vật liệu từ cứng có độ từ thẩm µ nhỏ, từ trường bão hòa Bbh thấp, nhưng lực khử từ

B0k lớn Chất sắt từ cứng cần phải được từ hóa với từ trường ngoài lớn và khó khử từ,

có từ dư lớn Chất sắt từ cứng được dùng làm nam châm vĩnh cữu, vật liệu ghi (băng

từ, dĩa từ,…)

Hình 2.2 biểu diễn đặc tuyến từ dư của chất

sắt từ (sự biến đổi của từ dư theo giá trị của

từ trường ngoài).Ta thấy có một khoảng giá trị

B0 của từ trường ngoài, từ dư Bd biến đổi tuyến tính theo Bo (tương ứng với đoạn thẳng trên đặc tuyến), và khi Bo nhỏ hoặc lớn (gần giá trị Bob) thì từ trường trong chất sắt từkhông biến đổi tuyến tính theo từ trường ngoài (các đoạn cong của đặc tuyến)

Hình 2.3

Khi đặt chất sắt từ vào một từ trường ngoài, các nam châm nguyên tố có xu hướng xoay chiều theo từ trường ngoài nên từ trường trong chất sắt từ tăng lên rất mạnh (hàng ngàn lần) Khi lấy chất sắt từ ra khỏi từ trường ngoài, đa số nam châm

nguyên tố giữa nguyên hướng (chất sắt từ cứng) tạo nên từ dư Hình 2.4 minh họa các

mômen từ nguyên tố (một mũi tên nhỏ) trong một thỏi sắt từ trong 3 trường hợp: chưa

bị từ hóa, bị từ hóa chưa đến mức bão hòa và bị từ hóa đến mức bão hòa

(a) Chưa bị từ hóa (b) Bị từ hóa chưa đến mức bão hòa (c) Bị từ hóa đến mức bão hòa

Hình 2.4

3 Băng từ (Magnetic tape):

Cấu tạo băng từ gồm một màng chất dẻo polymer được gọi là đế băng, trên đế được phủ một lớp bột sắt từ cứng Các đặc tính kỹ thuật của băng như: độ mềm dẻo, lực căng lớn nhất không làm dãn, nhiệt độ và độ ẩm chịu đựng,… được qui định bởi đế băng

Các tính năng biến đổi điện từ được qui định bởi bản chất và công nghệ chế tạo bột sắt từ

Loại băng hộp cassette được thực hiện theo tiêu chuẩn quốc tế IOS (International Organization of Standardization) có 3 loại C-60, C-90 và C-120 với các tiêu chuẩn như sau:

- Theo "Thuyết miền từ hóa tự nhiên", các nguyên tử hay phân tử cấu tạo nên chất sắt từ có momen từ khác không sắp xếp theo cùng hướng trong các miền không gian vô cùng nhỏ được gọi là miền từ hóa tự nhiên Mỗi miền từ hóa tựnhiên tạo thành một nam châm vô cùng nhỏđược gọi là nam châm nguyên tố

- Bình thường các nam châm nguyên tố sắp xếp hỗn loạn theo mọi phương nên từ trường tổng hợp trong chất sắt từ bằng không

Bảng 2.1

Các tiêu chuẩn chung của băng hộp cassette:

- Độ rộng của băng từ: 3,81 mm

- Tốc độ băng từ khi thu hoặc phát lại: 4,76 cm/s

- Hình thức và kích thước hộp băng: như hiện nay

- Hộp băng có thể ghi / phát 2 mặt A và B

- Vị trí track ghi như hình 2.5

(a) Ghi mono (b) Ghi stereo

Hình 2.5

Dựa vào vật liệu làm bột từ, ta có các loại băng từ sau đây:

- Băng thường (Normal tape): Bột từ là Oxid sắt từ Fe2O3, đây là loại băng ra đời đầu tiên, có độ nhạy cao nên dòng điện ghi không cần lớn Tuy nhiên loại này có độ ổn định không cao, chỉ có thể ghi tín hiệu với tần số tối đa là 15KHz

- Băng Oxid Crôm (CrO2): Bột từ là Oxid Crôm, loại băng này có độ nhạy trung bình nên dòng điện ghi phải lớn Tuy nhiên loại băng này có độ ổn định cao, hệ số méo nhỏ,

có thể ghi tín hiệu có tần số cao hơn loại băng thường

- Băng Metal: Bột từ là ion sắt thuần, so với 2 loại băng trên, chất lượng băng Metal cao hơn, tạp âm thấp, hệ số méo thấp, độ nhạy cao, băng tần ghi rộng Tuy nhiên, loại băng này có giá thành cao và có độ nhám cao làm đầu từ mau mòn

Ngoài ra, còn các loạibăng khác như: Fe2O3 + Co; Fe2O3 + CrO2; Fe+Cr có chất lượng cao hơn băng thường Băng Normal còn gọi là băng loại I (Type I), các loại băng CrO2 và Metal còn gọi là băng loại II (Type II)

4 Đầu từ (Tape head)

Đầu từ là thiết bị biến đổi điện từ Khi mày thực hiện chức năng ghi (Record) thì đầu từ là một nam châm điện Khi máy thực hiện chức năng phát (Play back) thì nó

là một cuộn cảm

Cấu tạo của đầu từ (Hình 2.6) gồm: cuộn dây quấn trên lõi sắt từ được làm bằng

chất sắt từ mềm, lõi sắt từ gần như khép kín chỉ chừa một khe rất nhỏ, nơi tiếp xúc với băng từ, được gọi là khe từ Khe từ là cửa thoát từ khi ghi vào thu hút đường sức cảm ứng từ khi phát Khe từ phải thật hẹp để có thể ghi và phát tín hiệu có tần số cao Tất

cả được đặt trong vỏ bọc kim loại

(a) Cấu tạo (b) Hình dáng (c) Ký hiệu

- Để khe từ không bị đóng bụi và tăng cường tư trường tiêu tụ, khe từ được bịt kín bằng vật liệu nghịch từ như: Cu, Ag, Sb,Bi, Pb, Zn, thủy tinh,…

Dựa vào chức năng, người ta chia thành 3 loại đầu từ: đầu từ ghi (Recorded head); đầu từ đọc (Played head) và đầu từ xóa (Erased head) Trong cassette thông thường, đầu từ ghi và đọc là một Đầu ghi và đọc có khe từ rất hẹp (khoảng từ 1,2µm đến 1,6µm), đầu từ xóa có khe từ rộng hơn (khoảng từ 0,1mm đến 1mm)

Dựa vào số lõi sắt từ và cuộn dây trong cùng một vỏ bọc, mỗi lõi sắt từ cùng một cuộn dây tạo thành một đầu từ, người ta chia thành các loại đầu từ như sau:

- Đầu từ Mono: Trong võ một có một đầu từ, do đó có một khe từ và 2 dây ra (được gọi là đầu từ 2 dây)

Hình 2.9 Đầu từ stereo-Autoreverse 8 dây

III NGUYÊN LÝ GHI VÀ ĐỌC TỪ TÍNH

1 Nguyên lý ghi (Record):

Khi băng chưa ghi, các nam châm nguyên tố trên lớp bột từ xếp hỗn loạn theo

mọi phương, nên từ trường tổng hợp trên lớp từ tính bằng 0 (Hình 2.10)

Hình 2.10

Đầu từ được đặt cố định, cho băng chạy qua đầu từ với vận tốc v, sao cho mặt

từ tính áp sát vào đầu từ ngay vị trí khe từ Cho dòng điện âm tần chạy qua cuộn dây của đầu từ, từ trường do dòng điện âm tần tạo ra trong lõi sắt từ biến thiên theo qui luật biến đổi của tín hiệu âm tần Từ trường tiêu tụ thoát ra từ khe từ từ hóa lớp băng từ đi qua Thật ra , từ thông đi qua khe từ phân thành 3 nhánh: φ1, φ2 và φ3 (Hình 2.11)

Trong 3 thành phần này, φ3 chính là từ thông tiêu tụ (phần hữu ích) có giá trị lớn nhất nhờ lớp bột từ thu hút từ thông Từ thông tiêu tụ từ hóa lớp bột từ trên băng, tạo nên vết từ biến thiên theo qui luật của tín hiệu âm tần Như vậy, tín hiệu đã được lưu trên băng từ

Hình 2.11 Sự phân bố từ thông

Mỗi chu kỳ của tín hiệu ghi lên băng một vết từ có chiều dài bằng bước sóng λ

Độ dài vết từ tương ứng với một bán kỳ là λ/2 tương đương với một nam châm

Hình 2.12

Ta cũng biểu diễn các nam châm bán kỳ này bằng mũi tên (giống như biểu diễn các nam châm nguyên tố, nhưng nam châm bán kỳ bao gồm nhiều nam châm nguyên tố)

(Hình 2.10)

Quan hệ giữa độ rộng của khe từ và tần số cao nhất của tín hiệu ghi:

- Bước sóng của tín hiệu ghi trên băng từ là:

f

v T

Để bảo đảm tín hiệu ghi trung thực thì dr ≤ λ/2 Nếu đầu từ được chế tạo sao cho d ≈ dr

thì ta có điều kiện ghi trung thực là:

f

v d

Ví dụ 1: Để ghi được tín hiệu âm tần có tần số lên đến 20KHz, tốc độ kéo băng chuẩn

là 4,76Cm/s, thì độ rộng của khe từ lớn nhất phải là bao nhiêu ?

Ví dụ 2: Nếu chỉ chế tạo đầu từ với khe từ có độ rộng hẹp nhất là 1,6µm, thì đầu từ chỉ

có thể ghi được tín hiệu có tần số cao nhất là bao nhiêu ?

2 Nguyên lý đọc (Playback):

Khi đọc lại, băng chạy qua đầu từ đọc, từ thông trên băng gởi qua khe từ, móc vòng trong lõi sắt từ tạo thành từ thông φP biến thiên trong lòng cuộn dây Vì vậy ở 2 đầu của cuộn dây xuất hiện một sức điện động cảm ứng e Do từ trường trên băng biến thiên theo qui luật của tín hiệu âm tần, nên sức điện động e sinh ra trong cuộn dây lúc phát là tín hiệu âm tần được đọc lại

Theo định luật Faraday, sức điện động cảm ứng của tín hiệu âm tần là:

d N



 với N là số vòng dây của đầu từ

Trường hợp tín hiệu âm tần có dạng sin, i=Imsin2πft, thì:

t v v

f

g m m

) 2 2 sin(

2 2 cos

- Ở vùng tần số rất thấp /2>>d chỉ một phần nam châm cơ bản tiếp xúc với đầu từ, phần lớn từ thông không ngắn mạch qua lõi sắt từ và bị tổn hao, nên sức điện động cảm ứng bị suy giảm

-Ở vùng tần số rất cao, /2<<d một phần từ thông bị ngắn mạch và không hoàn toàn đi qua lõi sắt từ, nên sức điện động cảm ứng bị suy giảm Tần số càng cao sự suy giảm càng tăng Khi bước sóng nhỏ hơn hay bằng độ rộng của khe từ thì từ thông bị ngắn mạch hoàn toàn, không đi qua lõi sắt từ và sức điện động cảm ứng bằng 0

Hình 2.13

3 Phân cực AC cho đầu ghi (AC Bias)

Vì đặc tuyến từ dư có đoạn cong ở góc tọa độ (hình 2.2), nên khi tín hiệu ghi

nhỏ, tín hiệu ghi sẽ bị méo phi tuyền Để khắc phục, người ta dùng phương pháp ghi

có phân cực AC cho đầu ghi Phân cực AC cho đầu ghi là phương pháp xếp chồng tín hiệu với dòng điện siêu âm (khác với kỹ thuật điều chế) Nhờ dòng siêu âm phân cực,

dòng tín hiệu âm tần đã được dịch chuyển lên đoạn thẳng của đặc tuyến từ dư (Hình

Tuy nhiên, ở tần số cao sự tổn hao trong lõi sắt từ tăng, nếu kết hợp dùng dòng siêu âm này cho đầu từ xóa htì phải tăng công suất của bộ dao động Vì vậy, trong các máy chất lượng cao thường được thiết kế bộ dao động siêu âm riêng cho đầu xóa với tần số từ 50KHz đế 60KHz

4 Nguyên lý xóa băng từ

Xóa băng bằng từ trường sinh ra bởi dòng siêu âm Cho dòng siêu âm mạnh chạy qua đầu từ xóa (lớn gấp từ 2 đến 4 lần biên độ của tín hiệu ghi) Từ trường mạnh biến thiên theo tần số siêu âm xóa hết từ dư đã ghi trên băng từ, đưa lớp từ tính trên băng từ trở về trạng thái như khi chưa bị từ hóa

Cách xóa băng này rất hiệu quả nên được dùng phổ biến Trên hệ Switch thu phát (R/P) người ta dành một contact để cấp điện cho mạch dao động siêu âm khi ghi (Record) và ngắt điện mạch siêu âm khi phát lại (Playback)

Quá trình xóa băng diễn ra như sau: (Hình 2.15)

Hình 2.15

Từ dư trên băng được mô tả theo trục B, từ trường xóa biểu diễn theo trục H, băng di chuyển qua đầu từ xóa theo trục thời gian t Xét một đoạn băng đi từ mép của khe từ đến giữa khe, từ trường xóa băng tăng lên cực đại và sua đó giảm dần đến 0 khi tiến đến mép bên kia Trong khoảng thời gian đó, từ trường do dòng siêu âm tạo ra sẽ đưa mức từ dư từ điểm 1 tuần tự đến các điểm 2,3,…, 10 Tại điểm 10 tương ứng với cuối khe, băng từ vừa thoát ra khỏi khe từ của đầu từ xóa đã được đưa về 0, vết ghi lúc này đã được xóa sạch Thực tế cho thấy rằng, muốn xóa sạch đoạn vết ghi trên băng khi đi qua khe từ thì từ trường xóa phải đổi chiều ít nhất 10 lần trong thời gian đó

Xóa băng bằng nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện

Trong một số máy cassette loại nhỏ thường dùng cách xóa băng bằng từ trường của nam châm vĩnh cữu hay nam châm điện với dòng DC Từ trường không đổi của các nam châm này phải đủ mạnh để từ hóa băng từ đến bão hòa và các nam châm nguyên tố được sắp xếp theo một chiều nhất định

Do đó khi băng chạy qua đầu từ đọc, từ thông gởi qua cuộn dây không đổi, sức điện động cảm ứng sinh ra bằng 0, không có tín hiệu Ở chế độ phát, nam châm vĩnh cửu phải được xoay ra khỏi băng từ bởi hệ cơ hoặc phải ngắt điện cho nam châm điện

Hình 2.16

5 Nguyên lý ghi âm HIFI trong VCR (Video Cassette Recorder)

Như đã trình bày ở phần nguyên lý ghi, tần số lớn nhất của tín hiệu có thể ghi được phụ huộc vào độ rộng của khe từ theo công thức: