Thiết kế âm thanh cho phòng biều diễn ca nhạc 1500 ghế ngồi”

Thiết kế âm thanh cho phòng biều diễn ca nhạc 1500 ghế ngồi”

LỜI NÓI ĐẦU

Âm thanh là thứ ra đời tồn tại và phát triển từ khi thế giới xuất hiện sựsống Con người và cả các loài động vật khác nhau đều cần có ngôn ngữ đểgiao tiếp được với nhau sao cho có hiệu quả nhất và một thứ ngôn ngữ giaotiếp tốt nhất đó là nhứng tín hiệu âm thanh Âm thanh hàng ngày tồn tại xungquanh chúng ta với nhiều mức tần số, tác động nên não bộ mỗi con người tạocho ta có được cảm giác với thế giới xung quanh Cuộc sống con người ngàycàng được cải thiện ngoài những nhu cầu sử dụng âm thanh như một thứ ngônngữ người ta còn sử dụng chúng đề giải trí và còn nhiều mục đích sử dụngkhác nữa Trong cuộc sống hiện đại của chúng ta hiện nay nhu cầu sử dụng

âm nhạc như một công cụ để giải trí đề xua đi những mệt mỏi của cuộc sốngđời thường, sự hiểu biết và cảm thụ âm nhạc ngày càng cao đòi hỏi các cácphòng ca nhạc cần được bố trí âm thanh một cách hợp lý và đem lại cho khanthính giả sự cảm thu âm nhạc một cách hoàn hảo nhất là vấn đề cần đặt ra đốivới chúng ta hiện nay Thiết kế, bố cục sao cho vừa gây được thiện cảm chongười nghe về thẩm mỹ lại vừa đảm bảo tính khoa học và gửi đến được chothính giả những âm thanh trung thực nhất

Qua thời gian thực tập tại Nhà Hát Quân Đội Hà Nội cùng với nhữngkiến thực đã được giảng dạy tại Trường Sân Khấu Điện Ảnh em xin mạnh dạnchọn đề tài: “Thiết kế âm thanh cho phòng biều diễn ca nhạc 1500 ghế ngồi”cho đồ án tốt nghiệp của mình

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ÂM THANH

1.1 Khái niệm về âm thanh và tham số đặc trưng

1.1.1.Âm thanh và các đặc tính vật lý của âm thanh:

Lấy tay bật vào dây đàn, dây đàn rung lên và phát ra tiếng, tiếng đàn ngândài cho đến khi dây đàn hết rung thì âm thanh cũng tắt Nếu ta gõ trông, mặttrống rung lên và cũng phát ra tiếng Lấy tay sờ vào màng một cái loa đang kêuthì ta cũng có thể cảm thấy màng loa đang dao động

Do vậy, ta có thể kết luận âm thanh là sự lan truyền cácdao động cơ họctrong vật chất, ở khoảng cách gần âm thanh là sóng cầu, ở khoảng cách xa nguồn

âm, âm thanh có thể coi là sóng dọc hay sóng phẳng

Trong môi trường không khí, tốc độ truyền lan phụ thuộc vào nhiệt

độ và được tính theo công thức:

Nếu sóng âm là các dao động điều hòa thì trong một chu kì T, sóng

âm sẽ lan truyền được một khoảng chính bằng bước sóng ánh sáng λ

λ=c.T hay c= λ.f (f : tần số sóng âm)Nếu coi dải tần tai người có thể nghe được là từ 20Hz đến 20.000Hzthì bước sóng tương ứng sẽ là:

λmax=340/20=17mλmin=340/20.000=1.7cmKhi có nguồn âm tác động, áp suất không khí sẽ biến thiên, tăng hoặcgiảm trên đường truyền âm so với áp suất tĩnh của không khí Hiệu giữa ápsuất khi có nguồn âm và áp suất tĩnh của không khí tại một điểm trong trường

âm gọi là áp suất âm thanh hay thanh áp và ký hiệu là P

P=P~-P0Trong đó: P : Thanh áp N/m2(Pa)

P~ : Áp suất không khí tức thời tại một điểmP0: Áp suất tĩnh của không khí

Hình 1.2 Biểu diễn thanh áp

Độ lớn của thanh áp thường được biểu diễn theo đơn vị tương đối, tính bằngdB:

N(dB) = p(dB) = 20lg

0

P P

Trong đó p0là thanh áp tại ngưỡng nghe được, bằng 2.10-5N/m2

Khi sóng âm tác động, các phần tử không khí sẽ dao động quanh vịtrí cân bằng của nó với một vận tốc nhất định được gọi là tốc độ dịch chuyểnhay tốc độ dao động v Tốc độ dịch chuyển là một đại lượng véctơ được đobằng m/s và nhỏ hơn tốc độ âm thanh Tốc độ dịch chuyển của phần tử khôngkhí tại điểm x:

Trong đó ρ0là khối lượng riêng của không khí (0.00128 mg/cm3)

Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua một diện tích Strong thời gian một giây Công suất âm thanh Pacó thể tính bằng công thức:

Pa=pSvTrong đó: p : Thanh áp

S : Diện tích âm thanh đi qua

v : Tốc độ dao động của một phần tử không khí tại đóCường độ âm thanh hay thanh lực I là công suất âm thanh trên mộtđơn vị diện tích S:

I=ε.C hay ε=I/CMật độ năng lượng âm thanh là đại lượng vô hướng và được đo bằngJun/m3

1.1.2.Mức tín hiệu âm thanh

Khi xét những dao động âm thanh ta chỉ cần quan tâm đến giá trị hiệudụng mà không cần quan tâm đến giá trị tức thời của nó Điều này là do thínhgiác chỉ có thể ghi nhận được năng lượng trung bình của âm thanh trong mộtkhoảng thời gian nhất định

Trong đó: E(t1) : Năng lượng âm thanh trung bình

T : Khoảng thời gian tính giá trị trung bìnht1 : Thời điểm đang xét

φ(t) : Giá trị biến thiên tức thời của tín hiệu

t t1T

e



: Hàm trọng lượng

Hình 1.3 Dạng của mức tín hiệuMức tín hiệu được đo bằng một thiết bị riêng, nhằm thực hiện thuậttoán (1-1), gồm một bộ chỉnh lưu, một bộ tích phân và thường gọi là bộ chỉthị mức tín hiệu Từ biểu thức (1-1) thấy rằng giá trị E(t1) phụ thuộc vào thờiđiểm chọn t1, nên mức động cũng phụ thuộc vào t1.Mức tìn hiệu âm thanhđược biểu diễn bằng dB so với ngưỡng nghe và được đo bằng máy tự ghi

Một trong những phương pháp nghiên cứu những tính chất thống kêcủa tín hiệu là xác định quy luật phân bố của nó Máy phân tích tín hiệu có thể

đo được thời gian mà tín hiệu không vượt qua một giá trị cho trước nào đó.Tổng thời gian tín hiệu vượt quá Un nào đó được xác định bằng tổng cáckhoảng thời gian

dB

t 5dB

τ∑= τ1+τ2+τ3+…

Hình 1.4 Xác suất phân bố mức tín hiệuNếu ứng với mỗi tín hiệu Un tìm được thời gian là τ∑ thì có thể dễ dàng xácđịnh được dồ thị phân bố mức tín hiệu Nếu thời gian khảo sát là T thì τ∑/T làtần suất mức tín hiệu vượt quá giá trị Un

Hiệu của mức tín hiệu gần cực đại và mức tín hiệu gần cực tiểu gọi làdải động của tín hiệu D và biểu diễn bằng dB Đây là một thông số rất quantrọng của tín hiệu Mỗi thiết bị điện thanh đều được tính toán với một dảiđộng nhất định

Dưới đây là dải động của một số nguồn tín hiệu:

Tín hiệu điện thanh (tín hiệu điện) 40

Dải động của tín hiệu truyền nhờ hệ thống điện thanh thường nhỏhơn dải động của âm thanh rất nhiều, vì những hạn chế của hệ thống điệnthanh Việc thu hẹp dải động sẽ làm giảm chất lượng âm thanh

1.1.3.Phổ tín hiệu âm thanh

Trong khoảng thời gian hết sức ngắn, có thể coi phổ tín hiệu âmthanh là rời rạc Nếu tăng thời gian T lên vô cùng thì những tín hiệu điều hòa

sẽ mang tính chất lien tục Nếu tín hiệu không điều hòa là hàm φ(t) thì phổcủa nó đặc trưng bởi hàm phức S(ω) Giữa hàm φ(t) và S(ω) liên quan vớinhau bởi biến đổi Furie:

j t1

0

S ( )    (t)e dtKhái niệm về phổ bao gồm phổ biên độ và phổ pha, nhưng pha củatín hiệu âm thanh gần như không ảnh hưởng đến sự thụ cảm của thính giác

nên có thể bỏ qua Trong thực tế thường xét đến phổ công suất tín hiệu vì nókhông liên quan đến pha của các dao động điều hòa Mật độ phổ công suất làcông suất của tín hiệu trong một đoạn tần số rất hẹp:

Những tín

hiệu cần khảo

sát

Các bộ lọc thông dải

ω 1 - ω 2 ;ω 1 - ω 2

Khối tích phân

Khối

thị

Hình 1.5 Mật độ phổ của tín hiệu âm thanhHình 1.5 cho thấy mật độ phổ của tín hiệu âm thanh tập trung chủ yếu trongdải tần từ 100 đến 3000Hz.

Trong các tính chất ngẫu nhiên của tín hiệu âm thanh, hàm tươngquan có ý nghĩa đặc biệt Nếu hai đại lượng ngẫu nhiên x và y liên quan vớinhau theo một quan hệ nhất định, nghĩa là y=f(x) và khi biết giá trị của x thì tacũng có thể tính được giá trị của y.Nếu x và y chịu ảnh hưởng của nhiều yếu

tố liên quan khác thì x có thể hoàn toàn không phụ thuộc vào y, ta gọi là hàmkhông phụ thuộc, hoặc x ảnh hưởng đến những khả năng có thể của y ta gọi làhàm tương quan Nếu có hai hàm tương quan x và y, khi tăng giá trị của x, giátrị của y cũng tăng thì gọi là hàm đồng biến, giạ trị của y giảm thì gọi là hàmnghịch biến

Trong trường hợp khuếch âm ngoài trời hay trong phòng kín, thínhgiả có thể nghe được cùng lúc cả tín hiệu bức xạ lẫn tín hiệu phản xạ củanguồn âm, có nghĩa là tín hiệu f(x) từ nguồn âm bức xạ cộng với tín hiệu f(t-x) phản xạ trở lại sau một khoảng thời gian trễ t

Công suất trung bình của tín hiệu :

t

1 2 tb

R gọi là hàm tương quan nếu R=0 thì pτ=p1+p2

Khi khảo sát tín hiệu âm thanh bằng thực nghiệm ta thường gặp 2trường hợp sau:

+Nếu tăng khoảng thời gian T, công suất trung bình P1,P2 và hàmtương quan R(τ) đều tiến tới một giá trị tới hạn nào đó không phụ thuộc vàothời điểm t mà chỉ phụ thuộc vào τ, những tín hiệu đó gọi là những tín hiệuđồng nhất.Thời gian lấy trung bình nhỏ nhất T=T0cần thiết để đạt được giá trịtới hạn được gọi là thời gian đồng nhất Thực nghiệm cho thấy thời gian đồngnhất của tiếng nói khoảng 3 phút còn thời gian đồng nhất của nhạc giaohưởng là 10 phút

+Nếu tăng thời gian T, các đại lượng P1,P2 và R(τ)không tiến tới mộtgiá trị nào thì những tín hiệu đó gọi là tín hiệu không đồng nhất

Khi cộng 2 tín hiệu đồng nhất ta có thể viết:

Hình 1.6 Sơ đồ khảo sát và đồ thị của hàm tương quanKhoảng thời gian τ0 phụ thuộc vào từng loại tín hiệu Hình 1.7 là đồthị biểu diễn hàm đồng nhất của tiếng nói Vì cơ quan thính giác không thểghi nhận tín hiệu trong thời gian dài như vậy khái niệm tín hiệu đồng nhấtkhông có ý nghĩa thực tế Tất cả các nguồn âm thực trong tự nhiên như tiếngnói, âm nhạc … đều có thể coi là tín hiệu không đồng nhất Trong nhữngtrường hợp đó hàm tương quan sẽ liên tục thay đổi theo thời gian kết quả làcông suất luôn biến thiên khi tăng lên lúc giảm xuống.

Hình 1.7 Đồ thị diễn tả sự đồng nhất của tiếng nói

-Hiện tượng lấn át

Trong thực tế khi nghe một tín hiệu nào đó thì luôn luôn bị tạp âmhay các tín hiệu khác cản trở làm cho độ rõ của tín hiệu giảm đi nhiều Ta bảotín hiệu bị lấn át Nếu tín hiệu có phổ rất hẹp thì hiện tượng lấn át được đánhgiá bằng lượng gia tăng ngưỡng nghe được lên bao nhiêu dB so với trườnghợp hoàng toàn không có tạp âm

Hình 1.8 Đồ thị diễn tả hiện tượng tín hiệu bị lấn átQuan hệ giữa tín hiệu hữu ích có tần số f2 bị tín hiệu tần số f1 lấn átđược mô tả trong hình 1.8 Từ đồ thị thấy rằng hiện tượng lấn át mạnh nhấtkhi hai tín hiệu có tần số gần nhau

Nếu tất cả tín hiệu đều có dạng hình sin thì một tín hiệu có tần số bất

kì sẽ bị những tín hiệu có tần số thấp lấn áp nhanh hơn là những tín hiệu tần

Cường độ tạp âm Itâ = g.∆f ; trong đó g là mật độ phổ

Thực nghiệm cho thấy rằng độ lấn át chỉ tăng khi ∆f tăng đến một giátrị tới hạn nào đó và phụ thuộc rất nhiều vào tần số Tạp âm có tần số nằmngoài phạm vi ∆f cũng lấn át tín hiệu nhưng mức độ không đáng kể Đối vớinhững tín hiệu phức tạp mang tính ngẫu nhiên thì không thể đánh giá độ lấn átbằng đại lượng tăng ngưỡng nghe lên bao nhiêu dB mà phải đánh giá bằngmức suy giảm độ rõ

Hệ số độ rõ của tín hiệu được xác định theo biểu thức:

1n

a.Mức to : F Đơn vị đo : Foon

Cảm giác to nhỏ khi nghe âm thanh của tai người được đánh giá mức

to và xác định theo phương pháp so sánh giữa âm cần đo với âm tiêu chuẩn

Đối với âm tiêu chuẩn , mức to có trị số bằng mức áp xuất âm ( đodB) Muốn biết mức to của 1 âm bất kỳ phải so sánh với âm tiêu chuẩn

- Với âm tiêu chuẩn : Mức to ở ngưỡng nghe là 0 Foon ngưỡng chốitai là 120 Fon

-Cùng 1 giá trị áp xuất âm ,âm tần càng cao dẫn đến mức to càng lớn.Bằng phương pháp thực nghiệm người ta vẽ được bản đồ đồng mức to

b Độ to: S : Đơn vị Sôn

Khi so sánh âm này to hơn âm kia bao nhiêu lần ta dùng khái niệm:

Khi mức to tăng 10F thì độ to tăng gấp 2 lần

1.2 Khái niệm về hệ thống âm thanh và tham số đặc trưng của thiết bị.

1.2.1.Cơ sở kỹ thuật audio

1.2.1.1.Khái niệm về audio:

Audio là sự biểu diễn âm thanh bằng tín hiệu điện hưacj bằng cácphương pháp khác trên các vật liệu mang âm thanh(media) Thuật ngữ âmthanh (sound) dung cho năng lượng âm học còn audio dùng cho các tín hiệuđiện và việc ghi âm từ tính hay quang học

Hình 1.2.1.1

Âm thanh là đầu vào của các quá trình audio,qua đường mic là các

bộ chuyển ,biến năng lượng âm thanh thành năng lượng điện,gọi chung là tínhiệu Ghi âm là quá trình chuyển tín hiện điện thành một dạng có thể lưu trữđược trên một vật liệu(medium) và từ dạng đó có thể đọc lại để chuyển thànhtín hiệu điện Hòa âm bao gồm nhiều quá trình sử lý âm thanh , và cuối cùngcác bộ lọc được sử dụng để chuyển các tín hiệu điện trở lại thành âm thanh

Các đường tiếng và các kênh – track and chanel

Đường tiếng chỉ phần vị trí mà một âm thanh được ghi trên một vậtliệu Ví dụ :khi nói máy ghi âm 8 đường tiếng , nghĩa là máy có thể ghi được

8 đường tiếng âm thanh riêng biệt trên cùng một băng từ

Kênh là một thuật ngữ trừu tượng hơn,mô tả một đường dẫn tín hiệubên trong một thiết bị âm thanh

1.2.1.2.Những tín hiệu: tương tự và kỹ thuật số(analog and digital).

Có hai phương pháp để biểu diễn âm thanh ,đó là phương pháptương tự (analog) và kỹ thuật số (digital) Cả hai phương pháp này đều quantrọng và mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và yếu riêng của nó Nhưmột trào lưu người ta nói rằng kỹ thuật số đang phát triển nhanh hơn nhiều sovới kỹ thuật tương tự Nhưng cho dù vậy vẫn có một thị trường khổng lồ cho

cả hai phương pháp Hơn nữa ,một số một số bộ phận nhất định trong dâytruyền từ micro đến loa có thể do kỹ thuật tương tự chiếm ưu thế trong nhiềunăm nữa ,bởi vì để làm cùng một chức năng như vậy kỹ thuật số sẽ đắt tiềnhơn nhiều

Nói tóm lại, ở những mức độ khác nhau cả hai phương pháp tương

tự và kỹ thuật số đều được sử dụng, cho dù có sự khác nhau rất lớn và nhiềuvấn đề tiềm ẩn trong đó,cái chính là nó làm ra âm thanh tốt hay xấu Có thể cómột quan niệm phổ biến là âm thanh số thì tốt còn âm thanh tương tự thì lỗithời, do sự thành công lớn của đĩa compact,một phương tiện phổ biến âmnhạc có nhiều ưu việt so với những phương tiện trước đây Nhưng không nênngây thơ nói chung chung như vậy vì trong kỹ thuật audio chuyên nghiệp ,mỗi loại công nghệ có lĩnh vực riêng để ứng dụng

1.2.1.3.Micro

Khái niệm về mức micro:

Để đặc trưng cho đầu ra của micro thì mức chuẩn 0 dB SPL không thíchhợp vì rất khó có không gian nào đủ yên tĩnh để tạo ra một âm thanh ở 0 dBSPL mà không che bởi tạp âm môi trường Cho nên đối với các phép đo microngười ta thường chọn mức áp suất âm thanh chuẩn khác, chẳng hạn như 94

dB SPL Micro được đánh giá theo độ nhạy ,đưa ra một điện áp đặc trưng ở

94 dB SPL.Dưới điều kiện này, micro có thể đưa ra một điện áp từ 2 đếnkhoảng 60 mV, tùy thuộc vào loại micro Giữa các loại micro, mức ra có thểchênh lệch nhau trong phạm vi 30 dB

Mặc dù 94 dB SPL là mức áp suất âm thanh tương đối cao nhưng điện ápđưa ra vẫn rất nhỏ ,vì vậy các micro thường được nối với các bộ khuếch đạimicro,chúng sẽ khuếch đại mức ra của micro đến mức điện áp có tác dụnghơn,hệ số khuếch đại phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống Mức ra của nhữngmicro khác nhau nằm trong một dãi rộng ,có nghĩa là các bộ khuếch đại phảiphù hợp với từng loại micro.Mức ra có trị số thấp của micro gọi là mức microcòn mức ra của bộ khuếch đại micro là mức đường dây (mức line) Đối vớitiếng nói mức ra của một micro điển hình có thể bằng 2mV và bộ khuếch đạimicro sẽ khuếch đại lên mức đường dây bằng 1,2V

1.2.1.4.Mức đường dây

Những tín hiệu có mức đường dây là những tín hiệu dùng để trao đổi trongnội bộ studio để kết nối các thiết bị khác nhau trong một hệ thống xử lý tínhiệu Để chuyển mức tín hiệu đường dây như vậy có thể dùng các bộ nối đầuvào – đầu ra trên các thiết bị hoặc bằng các bảng cắm chuyển (patch bay),hoặc là các bộ chuyển mạch điện tử.Điện áp của mức đường dây thay đổi tùytheo studio và tùy thuộc là chuyên ngiệp hay dân dụng

Nhóm 3 +8 dBu 1,948 V

Bảng 1.2.1.4

* Chuẩn dBV tính theo đêxiben tương ứng với 1 volt

Chuẩn dBu tính theo đêxiben tương ứng với 0,775 volt

Loa Mức micro Mức line Mức loa

2 mV 1,228 V 4 V

94 dB 94 dB

SPL SPL

Hình 1.2.1.4 Sơ đồ khối một hệ thống audio cho thấy các mức điện áp

đặc trưng ở các điểm khác nhau trong hệ thống

1.2.1.5.Mức của loa.

Mức chuẩn thứ ba được dùng trong dây chuyền ghi âm là mức của loa.Mức của loa cao hơn mức đường dây và được các bộ khuếch đại công suất cókhả năng đưa ra loa hang trăm watt Mức điện áp của loa thường là 4 Volt dểtạo ra 85 dB SPL trong rạp chiếu phim,bằng mức âm thanh chuẩn trong sảnxuất hậu kỳ

1.2.1.6.So sánh các mức

Có 3 mức cơ bản thường được dùng trong hệ thống bao gồm micro,dâytruyền và thiết bị loa Hệ thống này tương ứng với những mức từ vài milivoltđến một vài volt

1.2.1.7.Dây nối giữa các thiết bị.

Các tín hiệu được dẫn từ micro đến các bộ tiền khuếch đại ,từ bàn điềukhiển đến các máy ghi âm và từ bộ khuếch đại công suất đến loa qua cácđường dây dẫn Có hai loại dây dẫn chính là dây cân bằng ,sử dụng trong hầuhết các thiết bị chuyên dụng và dây không cân bằng ,người ta dùng những đầunối khác nhau ,được phân biệt theo các kiểu loại Có một loại dây dẫn thaycho dây dẫn thông thường đôi khi được sử dụng là sợi cáp quang để nối cácthiết bị của một hệ thống kỹ thuật số

1.2.1.8.Các đầu nối

Có rất nhiều đầu nối sử dụng trong kỹ thuật audio.Biết tên và phạm vi sửdụng các đầu nối là rất cần thiết ,bởi vì thường xuyên phải sử dụng đến chúng,ngay cả với một công việc đơn giản nhất như xác định một đầu nối tiếp nhậncác tín hiệu là ổ cái ,có thể căn cứ vào đó mà biết được hướng của tín hiệu,mặc dù có những ngoại lệ đối với nguyên tắc này Các đầu nối dương cóchân chốt và gọi là zắc cắm(jack),như vậy “giới tính” của đầu nối được xácđịnh bởi cực dẫn tín hiệu chứ không phải do cái võ ở bên ngoài

Phono

Pin

RCA

Cinch (châu âu) 2

Các đầu nối trong hệ thống Hi-Fi không cânbằng các thiết bị dân dụng ,cho cả tín hiệutương tự và số

¼” Phone 2 Các tai nghe mono

¼” Stereo

Phone 3 Các tai nghe stereo, cực đầu nhọn là kênh trái,cực hình ống là kênh phải ,cực còn lại tiếp đất

,đường vào cân bằng của một số thiết bị

¼” Patch Bay 3 Dùng cho đường dây cân bằng ở bảng cắm

chuyển (đường kính nhỏ hơn loại phích cắmthông thường ¼” : hai loại này không thể thayđổi cho nhau được)

Tiny – T 3 Một dạng nhỏ hơn của đầu nối patch bay cân

bằng 1/8” Mini 2 Các tai nghe mono dân dụng

1/8” Mini 3 Các tai nghe stereo dân dụng

XLR

Canon 3 Typ Đầu nối được sử dụng rộng dãi nhất trongaudio chuyên nghiệp,dùng cho micro,bàn điều

khiển ,máy chạy băng và các mạch nốikhác,cho cả kỹ thuật tương tự và số

BNC 2 Thiết bị kiểm tra chuyên dụng Video.Một số

dùng cho audio số chuyên dụng

Banana 1 Đầu ra của máy ghi âm Nagra,thiết bị kiểm traDIN,Tuchel 2-8 Thiết bị của châu âu,bao gồm cả máy ghi âm

Nagra lưu động

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở lý thuyết về trường âm

2.1.1.Âm thanh kiến trúc,những khái niệm cơ bản

Trong một không gian khép kín – một phòng ,song âm từ nguồn âm mộtmặt 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 song âm không chỉ xẩy ra một lần mà cứ lặp đi lặplại ,mỗi lần gặp chướng ngại vật thì một phần năng lượng âm bị tiêu hao vàovật liệu cấu tạo của vật đó – ta gọi là hiện tượng hấp thụ âm thanh, một phầnbức xạ trở lại không khí – ta gọi là hiện tượng phản xạ âm thanh Những âmphản xạ lần thứ nhất gọi là phản âm bậc 1, chúng thường có năng lượng lớn(chỉ nhỏ hơn trực âm ) và tách biệt thành những phản xạ rời rạc, nghĩa là cókhoảng cách thời gian giữa phản âm bậc 1 của tia này với phản âm bậc 1 củatia khác ,tùy thuộc hình dạng và kích thước của phòng Phản âm bậc 1 có ýnghĩa vô cùng quan trọng đối với đối với sự cảm nhận không gian , cho dùtrong thực tế ta khó có thể nghe tách biệt chúng ra khỏi tín hiệu chung, cácphản âm bậc 2, bậc 3,… ngày càng dầy và đan xen từ nhiều hướng, nhưng saumỗi lần phản xạ , năng lượng âm lại suy giảm và dần dần bị suy hao cho đếnhết , ta gọi đó là hiện tượng kết vang Số đo biểu thị tốc độ suy giảm nănglượng âm như trên gọi là thời gian vang , hay chính xác là thời gian kết vang.Đối với một tín hiệu âm thanh kéo dài sẽ xảy ra một hiện tượng cân bằnggiữa năng lượng âm phát ra từ nguồn và năng lượng được hấp thụ Trạng tháicân bằng này không phải xuất hiện ngay từ đầu khi âm thanh mới phát ra từnguồn mà phải sau một khoảng thời gian đủ để phản âm phân bố đều đặntrong phòng – ta gọi đó là giai đoạn khởi vang , tức là dao động khởi đầu kíchthích phòng tạo nên tiếng vang

Vì song âm phản xạ từ tất cả các hướng tới người nghe nên nó tạo thànhmột trường âm tán xạ, tạo cảm giác âm thanh không gian , hoặc âm thanhquang cảnh Trực âm thì suy giảm dần khi càng ra xa nguồn âm ,còn phản xạ

âm (âm thanh quang cảnh) thì phân bố khá đều đặn trong toàn bộ không giancủa phòng Điều đó có nghĩa là tỷ số năng lượng giữa trực âm (Direct sound,D) và phản âm ( Reflect sound, R) sẽ biến đổi theo khoảng cách đến nguồn

âm Tỷ lệ năng lượng này là một tiêu chí cực kỳ quan trọng đối với việc lựachọn khoảng cách đặt microphone thu phát thanh

Để có thể mô tả theo cách chủ quan về đặc điểm âm thanh của mộtphòng ta thường sử dụng những khái niệm sau đây:

Độ rõ lời (hay độ rõ tiếng ) là khả năng thích hợp về âm thanh của mộtphòng đối với biểu diễn các loại hình tiếng nói ( thí dụ kịch nói ,diễn thuyết,hội họp,…).

Độ nét :là mức độ trong sang , rõ nét của âm nhạc nhờ khả năng phânbiệt được các sự kiện âm thanh (thí dụ các tuyến giai điệu của một đoạn nhạc)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 một phòng Cảm giác không gian được tạo nên bởi nhữngkhái niệm cơ bản như: mức độ cuốn hút người nghe và khung cảnh âm thanh,

độ lớn hay kích thước của phòng , độ vang và quang cảnh âm thanh củaphòng

Độ nét hay độ trong sang khi biểu diễn âm nhạc biểu thị khả năng phânbiệt được các nhạc khí ,các nhóm nhạc khí hoặc quãng âm của chúng , cho dùchúng bị pha trộn với phản âm của phòng ; nó tạo điều kiện cho sự cảm thụ vềmột cấu trúc âm nhạc tổng thể Độ nét thể hiện sự trong sang của âm nhạc khibiểu diễn trong một phòng hòa nhạc cũng tương tự như độ rõ của tiếng nói (nhất là độ rõ của từ ) khi tiếng nói được trình diễn ( thí dụ kịch nói ) trong mộtnhà hát Trong biểu diễn âm nhạc , các phản âm nằm trong khoảng 80 ms tính

từ thời điểm bắt đầu của sự kiện âm thanh ( thí dụ một tiếng đàn piano) có tácdụng nâng cao độ nét và khả năng cảm nhận không gian ; các phản âm đếnmuộn hơn lại làm giảm độ nét của âm nhạc và làm tăng độ vang Với tiếngnói , giới hạn này nằm trong khoảng thời gian là 50 ms

2.1.2.Các đặc tính vật lý của trường âm

2.1.2.1.Trường trực âm

Trường trực âm thuần khiết ( nghĩa là không có phản âm ) chỉ tồn tạitrong không gian không có vật cản trên đường truyền lan của song âm, hoặctrong một phòng câm mà năng lượng từ nguồn âm bị hấp thụ hết bởi các mặtbao Trong thực tế , ở khoảng cách rất gần nguồn âm và tỷ lệ năng lượnggiữa phản âm và trực âm rất nhỏ:

R/D << 1

Ta cũng có thể coi như trường trực âm , vì năng lượng trực âm chiếm ưuthế Trên đường lan truyền trực tiếp từ nguồn âm tới điểm thu ( người nghehoặc microphone ) các đại lượng vật lý của trực âm bị biến đổi rất nhiều :

- mức âm bị suy giảm theo khoảng cách

- Năng lượng âm bị hấp thụ bởi không khí , tùy thuộc vào nhiệt độ

và độ ẩm

- Năng lượng âm bị hấp thụ bởi các vật hút âm( khan giả, ghế,…)

2.1.2.1.a.Sự suy giảm năng lượng trên đường truyền lan

Trong thực tế khi các nguồn âm có kích thước nhỏ hơn bước songđều có thể coi là những nguồn âm điểm Nguồn âm điểm phát ra song códạng hình cầu – song cầu , nghĩa là song âm bức xạ đều ra các hướng ; nóicách khác năng lượng âm được phân bố đều đặn trên mặt cầu

Diện tích mặt cầu tăng theo tỷ lệ bình phương với bán kính F ~ r2, điều đó cónghĩa là năng lượng âm sẽ giảm theo tỷ lệ với bình phương của khoảng cáchtới nguồn âm , tức là suy giảm rất nhanh : mỗi khi khoản cách tăng lên gấpđôi ( thí dụ từ 2m lên 4m ) thì thanh áp giảm đi một nữa hoặc mức thanh ápgiảm đi 6 dB Như vậy là ở trường gần năng lượng (hay mức âm) suy giảm rấtnhanh , ở trường xa độ suy giảm chậm hơn.

Khi có nhiều nguồn âm điểm nối tiếp nhau thành một tuyến (mộtđường ) sẽ tạo thành nguồn âm tuyến kéo dài , thí dụ một tuyến đường oto có

xe chạy lien tục, một tuyến đường sắt với một đoàn tầu hỏa , và song âm củanhững nguồn âm dạng tuyến như thế sẽ tạo thành những hình ống (“viên trụ”)bức xạ vào không trung Sự suy giảm năng lượng của dạng nguồn âm nàynhỏ hơn : khi khoảng cách tăng gấp đôi thì nó chỉ giảm 3 dB Chính vì thếtiếng ồn của các dòng xe thường lan truyền đi khá xa

Các nguồn âm có dạng như một mặt phẳng ta gọi là nguồn âmdiện Trong trường gần của các nguồn âm diện có mặt bức xạ lớn mức âm hầunhư không suy giảm theo khoảng cách , vì ở đây song âm gần như có dạngsong phẳng Ở khá xa nguồn âm diện ( Với khoảng cách R >> kích thướcnguồn âm d) thì mức âm mới suy giảm dần Hiện tương này cũng tương tựnhư dạng bức xạ âm thanh của các nhạc khí bộ kèn đồng Trong thực tế độsuy giảm trong trường gần khoảng 4 dB mỗi khi khoảng cách tăng gấp đôi Các nguồn âm trong thiên nhiên thường có kích thước nhất định và do đó độsuy giảm năng lượng lại phụ thuộc tần số Thí dụ : các nhạc khí ở dãi tần cao

có thể coi là nguồn âm diện , trong khi ở dải tần thấp lại được coi như nguồn

âm điểm Điều đó có nghĩa là tần số thấp suy giảm theo khoảng cách với tốc

độ nhanh hơn , tần số cao suy giảm với tốc độ chậm hơn Hiện tượng nàycàng có hiệu quả rõ rệt đối với người nghe , vì độ thính ( nhạy ) của tai người

ở tần số thấp kém hơn ở dải trung và cao

Trong các phòng bình thường , trực âm và phản âm của một nguồn

âm thường pha trộn với nhau Chỉ trong vùng bán kính giới hạn ( bán kínhvang ) thì trực âm mới chiếm ưu thế Bán kính vang không chỉ phụ thuộc vàothể tích và cách xử lý âm thanh các mặt bao của phòng , mà còn bị chi phốibởi tính định hướng của nguồn âm và búp hướng của microphone Nhữngđặc điểm này có liên quan mật thiết tới việc lựa chọn vị trí đặt microphonetrong kỹ thuật thu thanh

2.1.2.1.b.Ảnh hưởng của thời tiết, vi khí hậu

Ảnh hưởng của khí hậu tới sự lan truyền của song âm khá phức tạp, nhất là khi song âm lan truyền xa và đặc biệt ảnh hưởng tới các đặc điểm âmthanh của trường phản âm Trên đường truyền lan, ngoài sự suy giảm nănglượng do phải phân bố năng lượng theo không gian mở rộng , song âm còn bịhấp thụ mất năng lượng bởi môi trường không khí , tần số càng cao độ suygiảm càng lớn Nhiệt độ và độ ẩm cũng ảnh hưởng tới sự chuyển tải nănglượng âm : độ ẩm và nhiệt độ tăng thì sự suy giảm năng lượng âm lại bớt đi

trong thực tế , những ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ coi như không đáng kể, vì quá nhỏ

Ngoài trời sóng âm còn bị ảnh hưởng của gió khá rõ rệt Tốc độgió ở gần mắt đất nhỏ hơn trên cao ; vì vậy khi xuôi chiều gió thì song âm bịuốn xuống đất , nghĩa là âm thanh mạnh lên ; khi ngược chiều gió thì song âm

bị uốn lên trời , nghĩa là âm thanh giảm khá nhiều , tọa nên một vùng giới hạn

mà ở đó mức âm bị “ hẫng hụt” tới 30 dB ngoài độ suy giảm thông thườngtheo khoảng cách Trong những trường hợp bố trí microphone thu thanh hoặctrang âm ngoài trời cần đặc biệt quan tâm đến hiện tượng này !

2.1.2.1.c.Hiện tượng nhiễu xạ

Trên đường lan truyền trực tiếp từ nguồn âm đến người nghe hoặcmicrophone , song âm thường gặp các vật cản , thí dụ : cột , tường , bàn ghếhay người che khuất Như vậy tương tự như ánh sáng , sẽ tạo nên nhữngbóng âm , nhưng không phân định rõ ràng , sắc nét thành tia thẳng như tia ánhsáng tạo nên bóng tối Hiện tượng khác biệt đó là do tỷ lệ kích thước của cácvật chắn so với song âm khác sóng ánh sáng Ánh sáng có bước song cực nhỏ, trong khi âm thanh có nhiều bước song với kích thước khác nhau từ dải tần

số thấp lên dải tần số cao , khác nhau hang trăm – thậm chí hàng nghìn lần Bóng âm chỉ hình thành khi các thành phần âm thanh với tần số có bước sóngnhỏ hơn kích thước của vật chắn , λ < d Các thành phần âm thanh với tần sốbước sóng lớn hơn kích thước vật chắn , λ > d có thể uốn vòng qua vật chắn ,

ta gọi là hiện tượng nhiễu xạ của sóng âm Như vậy là phía sau một vật cản ,

âm sắc bị biến đổi , vì chỉ nghe được thành phần tần số thấp ; vật cản càng lớnthì âm sắc bị biến đổi càng nhiều , âm thanh nghe càng tối Trong kỹ thuậtthu thanh nếu dùng các tấm cách âm thì chỉ có thể cách được các tần số cóbước sóng nhỏ hơn kích thước của tấm ; thí dụ nếu dùng một tấm pano cókích thước 2m x 2m thì không thể nào cách được các âm có tần số dưới 170

Hz , tức là âm ở khu trầm của hầu hết các nhạc khí , chỉ trừ vài loại nhưpiccolo, phluyt ,violong , hay giọng nữ cao ,…

Trong các phòng hòa nhạc hay nhà hát , âm thanh từ sân khấu đếnngười nghe ở cuối phòng còn bị suy giảm năng lượng do sự hấp thụ của khangiả ngồi trước Những tần số cao bị hấp thụ nhiều hơn , nên ở các dãy cuốiphòng âm thanh có thể tối hơn phía trước Bằng giải pháp xử lý trần để láicác phản âm tới các hang ghế cuối phòng sẽ làm cho âm sắc ít biến đổi

2.1.2.2.Trường phản âm

2.1.2.2.a Sự hình thành trường phản âm

Trên đường truyền lan của sóng âm , khi gặp các vật cản , mộtphần năng lượng bị hấp thụ vào vật cản – gọi là hiện tượng hấp thụ âm haytiêu âm , một phần phản xạ trở lại môi trường truyền âm Trong một khônggian khép kín sóng âm sẽ phản xạ nhiều lần và tạo thành trường âm phản xạ.Trường phản âm có ý nghĩa đặc biệt đối với sự cảm thụ âm thanh khi nghe

trong trường âm tự nhiên cũng như trong trường âm nhân tạo ; nó tạo thànhquang cảnh âm thanh ,làm cho âm thanh trở nên sống động

Kích thước và hình dạng của các mặt phản xạ sẽ tạo nên các kiểuphản xạ khác nhau : nếu kích thước của mặt phản xạ lớn hơn bước sóng nhiềulần sẽ tạo nên phản xạ gương phẳng ; sóng phản xạ sẽ đi theo một hướng , vàtuân theo định luật phản xạ , góc tói bằng góc phản xạ

Nếu kích thước của mặt phản xạ nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng thì

âm thanh sẽ phản xạ ra nhiều hướng , gọi là tán xạ Trong một phòng nếu cókích thước của các bề mặt phản xạ lớn nhỏ khác nhau , soa cho âm thanh tán

xạ với mọi dải tần số , ta sẽ có một trường âm tán xạ , và như vậy tại mọiđiểm trong không gian sẽ có âm lượng và âm sắc như nhau

Trong các phòng hòa nhạc ta cần tạo nên những phản âm địnhhướng với mục tiêu rõ ràng : ở vùng sân khấu cần cho các nhạc công nghe rõtín hiệu của mọi nhạc khí để dễ diễn tấu được đồng đều và hài hòa với sắc thái, phong cách , âm lượng ; còn phản âm của trần khan giả lại cần để trang âmcho các khu vực ngồi xa sân khấu đủ âm lượng và cân bằng âm sắc

Các mặt phản xạ cong ( gương cầu lõm ) sẽ tạo nên những dạngphản xạ đặc biệt cho sóng âm , tùy theo nguồn âm đặt ở vị trí nào

Trong thực tế các vòm trần thường tọa nên các tụ điểm của nănglượng âm gây khó khăn cho việc thu thanh ; các tường hậu phòng khan giả cómặt phẳng cũng tạo nên những phản xạ nguy hiểm Các phản xạ bậc 1 ( phản

xạ lần thứ nhất ) có nhiều tác dụng trong việc tạo những cảm giác không gian

và kích thước của phòng

2.1.2.2.b.Trường phản âm tác động lên sự cảm thụ âm thanh

Mặc dù trong sự cảm thụ âm thanh chỉ khi nào âm phản xạ đến sautrực âm khoảng 50 ms trở lên thì tai ta mới nghe tách biệt được chúng; songcác phản âm bậc 1 nằm trong khoảng thời gian nhỏ hơn 50 ms vẫn có nhữngtác động rất lớn đến ảnh âm của cảm quan ( xét cả về 2 mặt lợi/hại , tùy thuộcvào cấu trúc của chúng)

Cùng với “ giai đoạn kết vang “ – hay ta còn gọi la vang ( decay ) ,các phản âm bậc một tạo cho ta một khả năng hình tượng được không gianbên trong của một phòng về kích thước , hình dạng và cách xử lý bề mặt ;hoặc là một không gian ngoài trời với quang cảnh âm thanh của nó

Có thể tổng hợp những ảnh hưởng quan trọng nhất của các phản

âm bậc một như sau :

- Định hướng sai vị trí nguồn âm:

Mặc dù hầu hết hướng tới của các phản âm không trùng vớihướng tới của trực âm , nghĩa là trong một không gian khép kín tai ta thu nhận

âm thanh từ nhiều hướng , nhưng vẫn định vị nguồn âm theo hướng của trực

âm , nghĩa là theo hướng mà âm thanh đến trước tiên – ta gọi là định luật củamặt sóng thứ nhất hay còn gọi là hiệu ứng HAAS; nhưng nếu trên đườngtruyền lan của trường âm nó bị một vật cản làm cho mức âm cuẩ nó suy giảm

đi rất nhiều , thấp hơn mức âm của một song phản xạ bậc 1 nào đó trên 10 dB

, thì có thể dẫn tới hậu quả làm cho ta định hướng sai vị trí của nguồn âm ,nghĩa là nguồn âm được định hướng theo tia phản xạ bậc 1 ( chứ không phảitheo hướng thực của nó ) Trướng hợp này thường xảy ra đối với một nhạckhí nào đó trong dàn nhạc nhà hát nhạc – vũ kịch , có khi chỉ thường xảy đốivới một vài nốt nhạc của nhạc khí đó ; vì dàn nhạc phải ngồi dưới hố nhạctrước sân khấu , trực âm dễ bị che khuất và suy giảm năng lượng nhiều

- Tăng cường năng lượng cho nguồn âm

Những phản xạ với độ trễ nhỏ hơn 50 ms có thể làm tăng mức

âm lên một vài dB và nâng cao độ rõ cho tiếng nói hoặc âm nhạc Vượt rangoài giới hạn này mọi phản âm đều làm suy giảm độ rõ của tiếng nói và độnét của âm nhạc , nhất la khi kết hợp them cả tác động của vang Sự tăngcường âm lượng chỉ có ý nghĩa đặc biệt khi nghe trực tiếp trong trường âm tựnhiên , không có ý nghĩa với kỹ thuật thu thanh , thậm chí còn tác dụng xấu ,làm thay đổi âm sắc

Trong kỹ thuật thu thanh , những tia phản xạ từ mặt đất có độ trễ

từ 1 đến 15 ms tạo nên sự biến đổi âm sắc rất khó chịu Do giao thoa với trực

âm , chúng tạo thành đặc tuyến tần số như một bộ lọc hình răng lược, vùngđược khuếch đại ,vùng lại bị triệt tiêu

Hình dạng của chúng như một dãy hài , bố trí thành hình rất đềuđặn , cực tiểu và cực đại xen kẽ nhau với độ lệch mức khoảng dăm ba dB; tạonên một âm sắc đanh có chất kim loại Đặc biệt hiện tượng này dễ xảy ra khithu nhạc dùng phương pháp thu nhạc dùng microphone phụ trợ và khi thu lờiđặt microphone đúng vị trí phản xạ từ mặt bàn

- Cảm giác về kích thước của phòng và quang cảnh âm thanh

Một ấn tượng không gian được hình thành từ cảm giác về kíchthước của phòng , độ vang và quang cảnh âm thanh của nguồn âm

Cảm giác về kích thước (độ lớn ) của phòng được quyết định chủyếu bởi các tia phản xạ bậc 1 Độ trễ của chúng so với song trực âm là một số

đo cho ta hình dung kích thước không gian :

+ Độ trễ τ < 10 ms tương ứng với quảng đi của song âm khoảng3m, và tạo một cảm giác không gian rất nhỏ bé ( cỡ phòng ở ) và làm biến đổi

âm sắc rât rõ khi thu thanh , nhất là trong trường hợp hướng tới của trực âm

và phản âm trùng nhau

+ Độ trễ τ ≈ 10 đén 15 ms cho ta cảm giác một phòng nhỏ+ Độ trễ τ ≈ 25 đến 50 ms cho ta cảm giác một phòng trung bình.+ Độ trễ τ ≈ 50 đến 100 ms cho ta cảm giác một phòng cở lớn.Khi mức âm của phản xạ bậc 1 tăng thì khả năng cảm thụ về kíchcủa phòng càng rõ , đến một giới hạn nào đó – tùy thuộc độ trễ - thì nhữngphản xạ bậc 1 này sẽ gây cản trở cho sự cảm thụ về kích thước phòng Với

âm nhạc giới hạn này cao hơn là tiếng nói

TIẾNG DỘI:

Những phản âm riêng rẽ với độ trễ τ > 50 ms , tương ứng vớiquảng đường đi của song âm trên 17 m , và có cường độ đủ mạnh thì tai ta cóthể nghe tách rời khỏi trực âm thành một tiếng dội (Echo)

Khi có một xung âm thanh ( thí dụ một tiếng vỗ tay , tiếng pháo, ) phát ra giữa hai bức tường song song thì song âm sẽ phản xạ nhiều lần ,tạo thành một tiếng dội liên tục ( hay một dãy tiếng dội – flatterecho) Khikhoảng cách hai bức tường thu hẹp lại ( khoảng vài ba mét ) thì dãy tiếng dội

đó sẽ tăng tốc độ và năng lượng suy giảm dần , giống như hiện tượng tiếngvang Đây là hiện tượng đặc biệt của phản xạ âm thanh , và trong kỹ thuật thuthanh đôi khi cũng được sử dụng để tạo hiệu ứng ( mà ta quen goi là “echonhái” ,có dùng trong nhạc nhẹ , nhạc hiệu ứng ( effectmusic), đương nhiênbằng các thiết bị điện tử và theo phương pháp nhân tạo )

Nếu tín hiệu không phải là dạng xung mà là âm nhạc hay tiếngnói thì sẽ tạo ra giữa hai mặt tường song song một hiện tượng đặc biệt gọi làsóng đứng , gây phức tạp cho thu thanh và ngay cả lúc nghe trực tiếp Sóngđứng tạo nên những vùng cố định có thanh áp cực đại hoặc cực tiểu , vàthường khuếch đại các tần số thấp ( tiếng bass ) Trong các phòng nhỏ , sóngđứng tạo ra hiện tượng cộng hưởng phòng , làm cho âm thanh của phòng rấtxấu

2.1.2.3.Hiện tượng hấp thụ âm thanh

Đặc điểm âm học của một phòng phụ thuộc vào hai yếu tố : hìnhdạng , kích thước và cách xử lý âm thanh các bề nmawtj trong phòng cùngvới thể tích của phòng , đặc tính hấp thụ âm thanh ( hay đặc tính hút âm ) củavật liệu được sử dụng trong phòng sẽ giải quyết về độ vang của phòng và âmsắc của của tiếng vang Khán giả cũng là một thành phần quan trọng tham giavào việc hấp thụ năng lượng âm

Khi một song âm gặp một vật liệu hút âm thì một phần năng lượngcủa nó bị hấp thụ vào vật liệu ,một phần phản xạ trở lại không gian Tỷ lệgiữa năng lượng bị hấp thụ trên tổng năng lượng của sóng âm ban đầu gọi là

hệ số hút âm ký hiệu là α Hệ số hút âm bắng 1 có nghĩa là toàn bộ nănglượng âm bị tiêu hao , không có chút nào phản xạ trở lại – đó là loại vật liệuhút âm rất tốt , lý tưởng Hệ số hút âm bằng 0 có nghĩa là toàn bộ năng lượng

bị phản xạ trở lại

Bất kể một diện tích hút âm nào cũng có thể quy đổi thành diện tíchhút âm tương đương với hệ số hút âm bằng 1 Một cửa sổ mở được coi là mộtdiện tích hút âm với hệ số α = 1 Như vậy ,nếu ta có một diện tích S1có hệ số

α1 , S2 có hệ số α2 , S3 có hệ số α3 , … và Sn có hệ số αn thì tổng diện tíchhút âm tương đương sẽ là :

A [m2] = α1 S1 + α2 S2 + α3 S3 + … + αn Sn = α Stong

Trong đó α là hệ số hút âm trung bình Tổng diện tích hút âm tương đương

A được gọi là tổng lượng hút âm

Năng lượng âm được hấp thụ , một phần chuyển thành nhiệt năng trongvật liệu ,một phần được truyền qua tường rồi bức xạ sang phòng bên cạch Không có một loại vật liệu nào hấp thụ mọi tần số âm thanh như nhau ;nói cách khác : hiệu quả hút âm của vật liệu rất phụ thuộc vào tần số Nguyênnhân là do bước song của âm thanh rất khác nhau , tùy theo độ dài bước song Ta có thể chia ra 3 chủng loại vật liệu hút âm như sau :

- vật liệu hút âm trầm ( khoảng dưới 250 Hz)

- vật liệu hút âm trung ( khoảng 250 đến 1000 Hz )

- vật liệu hút âm cao ( khoảng trên 1000 Hz )

2.1.2.3.1 Một số vật liệu và khoảng cách hút âm

1 Vật liệu xốp hút âm

a Cấu tạo : Gồm vật liệu xốp rỗng , các lỗ thông nhau và thong

ra mặt ngoài nơi song âm đập vào Các khe rỗng đan vào nhau trong vật liệu ,vách của các khe rỗng bằng chất liệu cứng hoặc đàn hồi

b Nguyên tắc làm việc : Khi song âm với năng lượng Et đập vào ,không khí trong các khe rỗng dao động , năng lượng âm mất đi để chống lạitác dụng của ma sát và tính nhớt cuả không khí dao động giữa các lỗ rỗng.Một phấn năng lượng âm xuyên qua vật liệu , khả năng hút âm của vật liệuxốp phụ thuộc vào độ xốp, chiều dày và sức cản của không khí

* Độ xốp của vật liệu là đại lượng không thứ nguyên

 Sức cản thổi khí ( sức cản khi thổi 1 dòng khí qua mẫu vật liệu)

Trong đó : P : Hiệu số áp suất trên hai bề mặt của mẫu vật liệu( N/cm2)

V: Vận tốc dòng khí thổi qua khe rỗng (cm/s)

 : Chiều dày của vật liệu ( cm)Nếu r càng lớn , khả năng hút âm của vật liệu càng nhỏ

*Chiều dày của lớp vật liệu xốp : δ

Để tránh chi phí thừa khi bố trí cấu tạo lớp vật liệu xốp hút âm ta phải xácđịnh chiều dày δ kinh tế Khi r < 10 Ns/cm4 thì δ = 260 / r

2 Các tấm dao động ( cộng hưởng ) hút âm:

+ Cấu tạo : gồm 1 tấm mỏng có thể bằng ghỗ dán bìa cattoong đặt cố địnhtrên hệ sàn ghỗ Phía sau tấm mỏng là khe không khí

Khi song âm đập vào bề mặt của kết cấu Dưới tác dụng biến thiên của

áp xuất âm , tấm mỏng bị dao động cưỡng bức , do đó gây ra tỗn thất ma sáttrong nội bộ bản , năng lượng âm biến thành cơ năng và nhiệt năng để thắngnội ma sát khi tấm mỏng dao động

Khi tần số song âm tới bằng tần số dao động của tấm thì xảy ra hiệntượng cộng hưởng và lúc đó khả năng hút âm của vật liệu lớn nhất

Ưu điểm : Cấu tạo đơn giản , ghọn nhẹ bền lâu, hợp vệ sinh Chống ẩm

và chống các tác động cơ học tốt Hỏng hóc dễ sữa chữa

Nhược điểm : Chỉ hút âm ở tần số thấp

3 Kết cấu hút âm bằng vật liệu xốp đặt sau tấm đục lỗ

Cấu tạo : Phức tạp hơn tấm dao động hút âm gồm 1 tấm mỏng , trên có xẻrảnh hay đục lỗ Sau tấm đục lỗ có dán một lớp vật liệu ma sát để làm tăng sựmất mát năng lượng âm ( lớp ma sát có thể là lớp vải mỏng , vải thủy tinh ) Giữa tấm mỏng và lớp vật liệu xốp là lớp không khí

*Nếu diện tích lỗ đục lớn và số lỗ đục trên tấm nhiều thì kết cấulàm việc như tấm vật liệu xốp hút âm (T.e: Tấm đục lỗ không có ảnhhưởng đến khả năng hút âm của kết cấu.)

*Nếu diện tích đụch lỗ nhỏ và số lỗ đục ít thì kết cấu làm việcnhư tấm dao động hút âm Nếu thay đổi diện tích lỗ đục ,chiều dày vậtliệu , khe hở không khí thì khả năng hút âm của kết cấu sẽ thay đổi ,Như vậy muốn kết cấu hút âm ở tần số cao thì diện tích lỗ đục chiếm <15% thì kết cấu hút âm ở tần số thấp

Ưu điểm : Dễ điều chỉnh khả năng hút âm

Nhược điểm : Cấu tạo phức tạp

5 Lỗ cộng hưởng hút âm

Cấu tạo : Nó là thể tích không khí kín bởi các mựt tường cứng vàthông với bên ngoài qua một cái cỗ dài Cấu tạo có hai phần :

+Lỗ : Đóng vai trò như đệm không khí để cho phần không khí ở

cổ dao động dễ dàng có thể hình tròn , vuông ,đa giác

+Cỗ lỗ : Có chiều dài nhất định ,không khí trong bụng lỗ thôngvới không khí trong phòng qua miệng lỗ

Khi λ của sóng âm tới lớn hơn 3 lần kích thước của lỗ thì khôngkhí trong lỗ có tác dụng như 1 lò xo đàn hồi Cột không khí trong cỗnhư 1 pit tong khối lượng m Dưới tác dụng của song âm tới , cộtkhông khí trong cỗ dao động lui tới như 1 pittong , không khí trong lỗ

vì không thoát ra được và thể tích lỗ lớn hơn cổ nhiều nên nó có tácdụng như một đệm đàn hồi làm cho năng lượng âm mất đi để biếnthành cơ năng và nhiệt năng thắng nổi ma sát khi không khí trong cổdao động Khi tần số âm tới bằng tần số dao động riêng của lỗ thì hiệntượng cộng hưởng xảy ra dẫn đến khả năng hút âm của lỗ lớn nhất.Các

lỗ cộng hưởng thế này được dùng từ lâu trong kiến trúc để tăng cường

âm vang trong các nhà thờ cổ

Áp dụng nguyên tắc hút âm này người ta chế tạo các nanen cộnghưởng Mỗi một lổ và thể tích không khí phía sau được coi như một lỗcộng hưởng Kết cấu này hút âm mạnh nhất ở những tần số nhất định

1 Tấm đục lổ

2 Lớp vải

3 Khe không khí

Ưu điểm : kết cấu này có hệ số hút âm cao rẻ tiền dể chế tạo

Nhược điểm : Đặc tính tần số hút âm không đều

Để nhận được hệ số hút âm cao và đều trong dải rộng tần số người talàm kết cấu cộng hưởng bằng nhiều lớp đục lỗ đặt song song với nhau( kết cấu hút âm kiểu này được thi công ở cung văn hóa và khoa họcVacsava (Ba lan).

5.Kết cấu hút âm đơn :

Là những kết cấu đặc biệt được chế tạo dưới dạng tấm rời , có dạnghình cầu …Hiệu quả hút âm của kết cấu này được tăng lên khi kích thước củachúng nhỏ hoặc gần bằng bước song λ của song âm tới nên gọi là kết cấu hút

âm nhiễu xạ.Khi ngiên cứu cấu tạo của chỏm hút âm ta thấy : Vỏ làm bằngtấm kim loại , trong đặt vật liệu xốp với δ = 12,5 đến 25mm và thường đượctreo ở những độ cao khác nhau trên những nguồn ồn

2.3 Lý thuyết xử lý trường âm.(Âm học phòng khán giả)

2.3.1 Yêu cầu chất lượng âm học đối với phòng khán giả.

1.Định nghĩa:

Phòng khan giả là một phòng kín, có thể tích tương đối lớn, bị giới hạnbởi các bề mặt tường có tính chất đã biết Có thể dùng làm hội trường , giảng

đường, biểu diễn ca nhạc , kịch nói và có thể hòa nhạc… Với hai chức năngnghe và xem Về mặt vật lý có thể coi phòng khan giả là hệ thống khôngnhững chịu những kích thích của nguồn âm mà còn thực hiện những giaođộng riêng ngay cả sau khi nguồn âm đã tắt.

b.Theo đặc điểm của nguồn âm:

+Nghe tiếng nói : Rõ hay không rõ

+Nghe âm nhạc: Hay hoặc không hay

+Nghe tiếng nói+ âm nhạc : Rõ + hay

3.Đánh giá chất lượng âm học của phòng khán giả

a.Đánh giá chất lượng âm học theo chủ quan:

Rất phức tạp nên chia phòng khan giả theo chức năng của phòng theo hai loại:

*Loại nghe tiếng nói: Là chủ yếu hội trường , giảng đường ở đây chất lượng

âm học của phòng được đánh giá qua độ rõ Phòng được coi là độ rõ tốt khitiếng nói hiểu được dễ dàng: Người nói không bị giãn sức ,người nghe không

bị căng thẳng Đọ rõ phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

+Dặc điểm của phòng+Đặc điểm của âm phát ra+Sự chú ý của người nghe

Để xác định độ rõ người ta dùng phương pháp thực nghiệm: chọn 100

âm tiết vô nghĩa , rời rạc , đọc lên ở sân khấu , người nghe ngồi ở tất cả các vịtrí trong phòng , ghi lại các âm mình nghe được ( gọi là độ rõ âm tiết)

Độ rõ âm tiết A= Số âm tiết nghe được x100%

Số âm tiết đọcA≥ 85% : Phòng có độ rõ rất tốt  độ rõ câu là 97 %

+Tính phong phú của âm thanh trong phòng+Âm thanh phát ra rõ rang và âm sắc không đổi+Sự cân bằng âm vang của các nhóm nhạc cụ tại mọi chỗngồi trong phòng

Việc đánh giá chủ quan cho phép kết luận được chất lượng âmhọc của phòng nhưng không tìm ra phương pháp thiết kế 1 phòng cóchất lượng âm học tốt

a Đánh giá chất lượng âm học của phòng khan giả theo khách quan:

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng âm học cuẩ phòngkhan giả như kích thước , hình dạng vủa phòng , các giải pháp kết cấu ,cách gia công các bề mặt trong phòng v.v… Một phòng có chất lượng

âm học tốt nếu thỏa mản các yêu cầu sau:

+Có đủ năng lượng âm trên mọi chỗ ngồi của khan giả(mọi chỗngồi có độ rõ tốt)

+Âm vang của phòng phải phù hợp với mọi kích thước củaphòng và chức năng của phòng

+Tạo được trường âm thanh hoàn toàn khuếch tan, tránh đượccác hoạt động sấu (tiếng dội, hội tụ âm…)

+Có một cấu trúc thích hợp về thời gian cũng như mức âm giữa

âm trực tiếp và âm phản xạ

Tóm lại : Chất lượng âm học của phòng khan giả được đánh giá:

a Độ rõ

b Độ khuếch tán của trường âm: phụ thuộc vào khả năng phản

xạ khuếch tán âm thanh các bề mặt trong phòng

Một phòng được coi là có độ khuếch tán lý tưởng khi tại các điểm trongphòng đo âm thanh đến từ mọi hướng với tần suất và cường độ như nhau.Thời gian vang thích hợp

Có 3 cơ sở lý thuyết để nghiên cứu trường âm

- Lý thuyết song : Cho phép giải quyết chính xác bản chất vật lý củacác quá trình âm thanh xảy ra trong phòng Tuy nhiên quá trình nàyphức tạp và cồng kềnh

- Lý thuyết thống kê : Cho phép lý tưởng hóa các quá trình vật lý xảy

ra trong phòng và coi năng lượng âm ở một điểm trong phòng bằngtổng năng lượng của các âm phản xạ tới các điểm đó và bỏ qua tínhchất song của âm thanh

- Lý thuyết âm hình học : Theo lý thuyết này trường âm được xétdưới dạng tổng cộng của các tia âm ( song âm thay bằng các tia âm) Các tia âm dựng theo quy luật quang hình học cho phép xác địnhđiểm tới của âm trên các bề mặt của phòng

2.3.2 Thiết kế âm học theo nguyên lý âm hình học.

+Khi a ≈ λ  xảy ra hiện tượng phản xạ khuếch tán Đây cũng

là hiện tượng tốt trong trường âm

+Khi a<< λ  Xảy ra hiện tượng nhiễu xạ âm thanh Đây là hiệntượng xấu trong trường âm  loại bỏ

Nguyên lý âm hình học chỉ được áp dụng khi a>> λ

Xa sân khấu có thể nhỏ hơn 2  3m Bề mặt phản xạ nên lấy dư ra 0,5m vềmỗi phía

b.Áp dụng nguyên lý âm hình học để thiết kế hình dạng phòng +Hình dạng phòng:

+Hình dạng phòng tốt nếu phòng tạo được sự phân bố đều đặnnăng lượng âm có đủ năng lượng để nghe rõ

+Đối với mặt bằng hình chữ nhật : Âm thanh phân bố tương đốiđều đặn Tỷ lệ mặt bằng Rộng / Dài = 3 5

*Khu vực trắng không phản xạ ở phía trước nhỏ nhất

*Khi chiều rộng phòng lớn cấu trúc âm trực tiếp và âm phản xạ ở chỗngồi phía trước không tốt ,dễ tạo thành tiếng dội

+Mặt bằng hình thang:

 Khu vực ngồi nằm ngoài goc nhìn ở phía sân khấu tương đối nhiều, ở đây tần số âm cao yếu , phòng khan giả lớn khu vực náy càngrộng.

 Kết cấu và thi công hình chưc nhật đơn giản Nên mặt hình chữnhật áp dụng cho quy mô phòng vừa và nhỏ

Để khắc phục góc nhìn ngoài góc 450 trước sân khấu , rút ngắn cự lyphản xạ, thường cải tiến mặt bằng hình chữ nhật thành mặt bằng hìnhquả chuông

+Mặt bằng hình quạt:

Hiệu quả âm thanh của loại mặt bằng này phụ thuộc vào góc φ tạo thành giữatường bên với trục dọc của phòng Góc φ càng lớn vùng trắng không có phản

xạ phía trước càng lớn, góc φ ≤ 22O ;tốt nhất φ = 10O

*Loại mặt bằng này tường sau tương đối rộng

Để tránh đơn điệu ,kiến trúc thường xử lý cong, khi khi đó chú ý tâm congnằm xa sau sân khấu để tránh tiêu điểm âm hoặc tiếng dội rơi trên sấn khấu,cóthể xưr lý khuếch tán âm trên mặt tường này,

*Đặc điểm nổi bật của loại mặt bằng này là đảm bảo góc nhìn nằmngang tốt.Loại mặt bằng này chứa nhiều khan giả những chỗ ngồi lệch tươngđối nhiều

- Do có góc lệch φ nên thi công phức tạp

- Từ ưu điểm về nhìn và nghe, mặt bằng này thường áp dụng cho nhà hát lớn

và vừa Góc φ càng lớn càng chứa nhiều khan giả nhưng chất lượng về âmkém Để khắc phục thiếu sót này thường xử lý khuếch tán trên 2 mặt tườngbên ( Hình 3)

+Mặt bằng hình lục giác:( Hình 5)

Là mặt bằng cải tiến từ mặt bằng hình quạt bỏ góc lệch sau

Trường âm tương đối đều, tăng cường được mức âm cho khu vực ngồigiữa

(Hình 5) Nữa tường bên phía sau ngắn

(Hình 6)Nữa tường bên phía sau dài

*So với mặt bằng hình quạt cùng thể tích, mặt bằng này bỏ được nhiềuchỗ ngồi lệch , kết cấu thi công phức tạp

*La loại mặt bằng có trường âm tương đối đều Thích hợp với phònghòa nhạc Đối với nhà hát thích hợp cho loại vừa và nhỏ

+Mặt bằng hình bầu dục :( hình 7)

*Do tường cong nên âm phản xạ mem theo tường , tạo thành tiêu điểm

âm, âm không đều

*Loại hình này phổ biến cho nhà hát cổ điển Để khắc phục thiếu sótnày người ta tạo thành nhũng lỗ xung quanh tường , tường ngăn và lan cancủa các lỗ thiết kế những phù điêu lớn hoặc xử lý thành những mặt cong lồikhuếch tán âm

*Do ưu điểm để nhìn và phong cách kiến trúc độc đáo nên nhiều ngườithích dùng

*Có thể xử lý nữa tường bên và thiết kế cột đường kính lớn (50 cm) tạothành lối đi dọc tường sau để tăng độ khuếch tan âm

2 Tránh hiện tượng xấu về âm học:

a.Hiện tượng tiếng dội:Âm trực tiếp và âm phản xạ đến tai người

có những khoảng chênh lệch về thời gian nhất định

Nếu khoản chênh lệch thời gian này nhỏ hơn khoảng giới hạn thì tiếng nóiđược tăng cường thêm Nếu khoảng chênh lệch đó lớn hơn khoảng giới hạnthì sẽ tạo thành những tiếng độiaanx đến chất lượng âm học của phòng xấuđi.Khoảng giới hạn phụ thuộc vào mục đích sử dụng phòng và dạng của sóng

âm Ví dụ: đối với tiếng nói là 50 ms,đối với âm nhạc là 100  200 ms

*Có thể nhận biết những yếu tố gây ra hiện tượng tiếng dội:

+ Những vùng đánh dấu trên mặt cắt và mặt bằng có thể sinh ra hiệntượng tiếng dội

+ Tiếng dội do hai mặt tường song song có khả năng phản xạ cao, sóng âm sẽ phản xạ trùng lặp Vì thế nên thiết kế hai mặt tường bên lệchnhau một ít ( chỉ cần góc nghiêng là 5O nên xử lý âm khuếch tán trên hai mặttường này)

+ Tường sau dễ gây tiếng dội

+ Mặt tường sau thẳng lớn  để khỏi đơn điệu ta xử lý cong đểtạo tiêu điểm âm

Để tránh tiêu điểm âm,tâm cong phải ở sau sân khấu và nên xử lýkhuếch tán ( Hình 9)

Để tránh hiện tượng tiếng dội phải thiết kế phản xạ âm thanh thõa mãnđiều kiện:

- NA + 17 ≥ NO + OA

- Đặt vật liệu hút âm

- Hạ trần

- Chia nhỏ bề mặt

b Hiện tượng hội tụ âm thanh:

Hiện tượng âm thanh sau khi thực hiện phản xạ trên những bề mặt conglõm có bán kính lớn hướng về phía nguồn âm Tại tiêu điểm âm có cường độrất lớn làm cho trường âm phân bố không đều , âm nghe gián đoạn , mơ hồ.Mặt cong lõm trên trần nguy hiểm nhất khi bán kính cong bằng chiều cao củaphòng , lúc đó tiêu điểm âm rơi đúng vào vùng chỗ ngồi của khán giả Nếu r >2h thì tiêu điểm âm ít nguy hiểm

Để tránh tiêu điểm âm ta cần chú ý :

- Không thiết kế bề mặt cong lõm có r lớn hướng về phía nguồn âm.

- Chia nhỏ bề mặt cong lõm thành bờ cong lồi

- Tăng bán kính cong r > 2h hoặc r <

2

h

c.Âm đi men phòng:

Do tường cong lõm nên âm phản xạ thường đi men tường , làm trường

âm không đều

2.3.3 Thiết kế tạo trường âm khuếch tán:

1 Ảnh hưởng của trường âm khuếch tán đến chất lượng âm thanh

Trường âm khuếch tán có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng âm thanhtrong phòng Độ khuếch tán cáng cao thì âm thanh nghe càng sinh động vàhấp dẫn Trường âm khuếch tán có ý nghĩa:

- Tạo ra độ đồng đều lớn về mức âm ở các chỗ ngồi

- Trường âm khuếch tán tạo sự tăng giảm mức âm tại các chỗ ngồitương đối đều đặn , không có tăng và giảm mạnh

- Làm cho âm thanh trong phòng trở thành du dương , ấm cúng

2 Yêu cầu về trường âm khuếch tán :

Phòng được coi là có độ khuếch tán cao , nếu tại mọi vị trí của phòng ápsuất âm gần như nhau : LA= LB = LC đồng đều mức âm

 Tại 1 vị trí âm phản xạ đến từ nhiều hướng với xác suất như nhau

và âm nọ tiếp nhanh sau âm kia

 Yêu cầu khác nhau đối với phòng khan giả có chức năng khác nhau

 Yêu cầu cao nhất về khả năng khuếch tán là phòng hòa nhạc

 Ở phòng nghe tiếng nói yêu cầu thấp hơn

 Để xác định tính khuếch tán của nguồn âm Đo mức âm ở các vịtrí khác nhau