Thiết kế thùng loa
Việc thiết kế, lắp ráp [dân gian gọi là dóng loa], căn chỉnh, và thưởng thức những bộ loa [thùng loa] do chính mình làm ra là những trải nghiệm hết sức sang tạo và thú vị. Trong quá trình trải nghiệm đó chúng ta sẽ gặp phải những khó khan như chọn nhầm thiết kế, sử dụng các kỹ thuật thiết kế loa không phù hợp, hay không biết đo đạc hệ thống loa mà chúng ta vừa mới làm xong.
ĐỊNH NGHĨA VỀ THÙNG LOA
Một trong những sai lầm hay mắc phải nhất trong việc làm loa đó là việc coi thùng loa là nơi cộng hưởng [anh em loa đài rất hay nghĩ như vậy] vì như vậy thùng loa sẽ biến thành một loại nhạc cụ, mà chỉ có nhạc cụ mới làm bằng gỗ thịt [đàn guitar, violon]. Gỗ thịt chỉ thích hợp làm để làm nhạc cụ mà thôi.
Chúng ta phải lưu ý rằng, loa không phải là một nhạc cụ và nó không phát ra âm nhạc của riêng nó. Nó được định nghĩa một cách chính xác hơn là một bộ tái tạo lại âm thanh của các nhạc cụ. Tức là về lý tưởng nó sẽ không thêm những âm nhạc của riêng nó vào phần âm thanh mà nó tái tạo lại mà tây nó gọi là màu [color tones] mà nó sẽ đơn giản là thể hiện y nguyên theo những tín hiệu đầu vào của nó, tức là vào thế nào ra như thế như một chiếc gương phản ảnh đối tượng soi gương.
HAI YẾU TỐ ĐỂ CÂN NHẮC
Để dóng một chiếc thùng loa cần cân nhắc 2 yếu tố: 1 là củ loa ,2 là thùng loa hay nơi sẽ đặt loa. Có thể đi theo 1 trong 2 hướng này khi bắt tay vào thiết kế loa. Củ loa cũng giống như một loài cây, mỗi loài sẽ cần một loại chậu cây khác nhau cho bộ rễ của chúng. Có loài cần chậu sâu, có loài cần chậu rộng Việc chọn ra củ loa sẽ quyết định xem mình sẽ dùng loại châu cây nào hay thùng loa kiểu gì cho phù hợp với củ loa đó hoặc việc chọn một loại thùng loa nào cũng sẽ quyết định loại củ loa [driver] phù hợp với thùng loa đó. Nơi đặt loa sẽ quyết định về kích thước của thùng loa như thế nào, loại thùng loa nào được lựa chọn Nếu ưu tiên về chất lượng âm thanh, việc chọn củ loa sẽ được ưu tiên hàng đầu sau rồi mới tới thùng loa để có thể khai thác tối đa tính chất của củ loa đó. Nếu loa dùng để décor như dòng loa của chúng tôi, việc lựa chọn kích thước của thùng loa, loại củ loa [toàn dải], sẽ là những yếu tố cần quan tâm. Tôi thấy rất nhiều an hem loa đài đi mua thùng loa về trước rồi mới đi mua củ loa với tiêu chí chỉ đơn giản là đường kính của củ loa vừa với thùng loa mới mua. Việc này về kỹ thuật là hết sức sai lầm. Ngày nay chúng ta có rất nhiều sự lựa chọn về củ loa khác nhau từ củ loa tần số thấp tới củ loa tần số cao với kích thước từ 2 cho tới thậm chí cả 31 [loa Fostex], hoặc có thể mua những củ loa toàn dải cũ được bán rất nhiều trên thị trường. Gía cả cũng hết sức đa dạng, chất liệu và hình thức cũng vậy. Thông số của củ loa khi mua mới thì cũng được nhà sản xuất công bố cụ thể theo sản phẩm, không phải đo đạc lại như các loại củ loa cũ đã ngừng sản xuất nên chúng ta có thể dựa vào đó để tính toán dễ dàng hơn.
5 LOẠI THÙNG LOA CƠ BẢN
Củ loa hay bề mặt của củ loa về bản chất chính là thiết bị tạo ra chuyển động của không khí và chính chuyển động của không khí tạo ra âm thanh. Màng loa dao động theo các tín hiệu +/- được đưa tới 2 cực của loa và dao động theo cả 2 hướng, ra đằng trước màng loa và cả ra phía sau của màng loa [trong thùng loa]. Việc dao động theo cả 2 hướng này chính là lý do khiến cho 2 tín hiệu tần số thấp của loa triệt tiêu lẫn nhau vì ngược pha chính vì vậy mà khi lấy củ loa ra khỏi thùng loa thì chúng ta sẽ chỉ còn nghe thấy âm thanh ở tần số cao thôi vì âm thanh ở tần số thấp tức là bước song dài hơn [tần số bằng tốc độ âm thanh chia cho bước song, tần số càng thấp thì bước song càng dài] đã bị triệt tiêu mất rồi. Đó là lý do chính cho sự tồn tại của nhiều loại thùng loa khác nhau, nó ngăn không cho tần số thấp phát ra ở màng sau của loa tấn công lên tần số thấp ở mặt trước của loa. Đó là các loại thùng như OB [Open baffle] loa ván hở [củ loa sẽ được gắn trên một tấm ván, không có thùng], loa thùng kín [củ loa được gắn trên một chiếc thùng kín], loa thùng hở hay còn gọi là bass reflex [củ loa sẽ được gắn trên một chiecs thùng có những lỗ thông hơi ở trên một một trong các cạnh của thùng, có thể là lỗ tròn, lỗ vuông, hình chữ nhật hay lỗ tam giác], loa kèn [củ loa được lắp lên đáy của mọt chiếc ống hình chiếc kèn trumpet], hoặc là một loại thùng kết hợp của các loại thùng trên đây.
1.Loa ván hở [Open baffle].
Với loại loa này thì củ loa sẽ được treo vào một tấm ván với kích thước khác nhau tùy theo vị trí đặt loa và thông số của củ loa. Với một tấm ván ngăn cách giữa mặt trước và mặt sau của củ loa, song âm sẽ phải đi một quãng đường xa hơn [vượt qua độ rộng của tấm ván] thì mới có thể gặp nhau để triệt tiêu được. Tấm ván càng lớn thì tần số cắt [tần số mà tại đó xảy ra hiện tượng triệt tiêu lẫn nhau] càng thấp hơn. Bước song tại tần số cắt được tính như sau:
Lamda = tốc độ âm thanh trong không khí [khoảng 343m/ giây]/ tần số âm thanh tính bằng Hertz. Đơn vị là mét.
Nhìn vào công thức có thể thấy rằng để hạn chế việc triệt tiêu hay nói nôm na là việc thiếu bass ở loại loa này ở tần số 30Hz chẳng hạn thì sẽ cần một tấm ván rộng khoảng 11.4m2 hay 5.7m mỗi bên, rất là lớn.
2. Loa thùng kín.
Nếu loa được treo trên một tấm ván có độ rộng vô hạn, âm thanh tần số thấp ở mặt sau sẽ không bao giờ gặp được âm thanh tàn số thấp ở mặt trước và việc triệt tiêu lẫn nhau không bao giờ xảy ra. Khi đó yếu tố quyết định duy nhất sẽ là khả năng của loa làm sao để có thể di chuyển đủ không khí tại các tần số rất thấp để có thể tái tạo được âm thanh trung thực nhất. Loa thùng kín chính là một trường hợp riêng của kiểu thùng loa này, trong đó tấm ván thay vì rộng vô hạn sẽ được quay lại thành hộp để bọc kín phần màng loa phía sau ngăn không cho các tín hiệu tần số thấp triệt tiêu lẫn nhau.
3. Loa thùng hở [Bass reflex].
Dạng loa này không những ngăn cả sự triệt tiêu lẫn nhau giữa các âm thanh tần số thấp phát ra từ 2 phía của màng loa mà còn bổ sung thêm âm thanh tần số thấp khiến cho tiếng bass được sâu hơn. Thể tích không khí trong thùng loa sẽ phối hợp [đồng pha] với thể tích không khí trong lỗ thông hơi của thùng loa để tạo ra âm bass sâu hơn. Tất nhiên đẻ làm được điều này thì chúng ta cần phải tính toán diện tích của lỗ thông hơi, độ dài của lỗ thông hơi và kiểu dáng của lỗ thông hơi sao cho phù hợp với thiết kế của củ loa và thùng loa và từ đó mới có thể phát huy đúng tác dụng của lỗ thông hơi. Việc này có thể sử dụng công thức [sẽ cập nhật sau] hoặc làm theo kinh nghiệm từ thực nghiệm [lỗ càng to thì độ dài càng lớn và ngược lại và khi làm lỗ phải tính tới áp suất không khí trong thùng loa đối với từng củ loa, nếu lỗ to quá, loa sẽ bị yếu, bé quá loa sẽ bị bí vì lúc đó củ loa sẽ hoạt động như một piston.
4. Loa kèn [horn].
Tiếng bass có thể cải thiện hơn rất nhiều nếu củ loa được lắp vào họng của một chiếc kèn có khẩu độ dài và to. Chiếc kèn khi đó sẽ hoạt động giống như một bộ chuyển đổi âm thanh và khuếch đại âm thanh theo nguyên lý âm học một cách tự nhiên. Hình dạng kèn có thể có nhiều dạng khác nhau như hình nón, hyperbol, parabol, hàm e mũ tất nhiên là phải tính toán và đường kèn bên trong phải đảm bảo đúng phương trình của từng hàm trên thì âm thanh mới thể hiện được trung thực. Nghe có vẻ dễ nhưng không hề, đó là lý do vì sao ở Tây họ án kèn rất đắt mặc dù chỉ làm bằng nhựa.
Trong tất cả các loại loa kèn, đường kèn chuẩn là làm sao phải duy trì một trở kháng âm thanh rất cao không đổi ở họng kèn [củ loa với màng loa được lắp bên trong họng kèn] trong khi chuyển đổi dạng song vận tốc thấp, áp suất cao từ bề mặt của màng loa sang dạng sóng ở vận tốc cao áp suất thấp với trở kháng thấp hơn, bằng với với không khí ở trong phòng khi dạng sóng di chuyển ra tới miệng ra của kèn.
Trở kháng cao không đổi ở họng kèn có thể duy trì chừng nào 2x căn bậc 2 của pi x MA [diện tích miệng kèn] lớn hơn bước sóng, nếu lớn hơn bước sóng thì đó là một chiếc kèn chuẩn, còn nếu bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng lam-đa, chứng tỏ rằng đường kèn không chuẩn.
Chính vì lý do này mà để có một chiếc kèn tần số thấp thì kích thước của kèn phải lớn, ví dụ như muốn có một chiếc kèn có thể tái tạo được tần số thấp cỡ 30Hz chẳng hạn, sẽ cần phải có một chiếc kèn mà miệng kèn phải có diện tích cỡ 4,2m2. Rất lớn, cũng chính vì thế mà loa hèn được dùng trong các dải trung và cao tần là phổ biến. Còn nếu muốn giảm diện tích miệng kèn thì có thể gập đường kèn trong chiều dài của nó trước khi sử dụng góc phòng hay bất kỳ vị trí nào có thể đóng vài trò làm miệng kèn được.
Ở các tần số bên trên tần số cắt của kèn, tứ là ở các tần số cao hơn tần số cắt, sẽ có thể dẽ dàng iều chỉnh hướng tính cũng như búp sóng của kèn một cách hiệu quả hơn.
Nói chung loa kèn cho hiệu suất rất là cao, nghĩa là nó sẽ cho ra công suất âm thanh đầu ra lớn hơn/watt của công suất đầu vào.
5. Sự kết hợp.
Sự kết hợp của các loại loa thung trên đây tạo ra 3 loại loa phổ biến mà anh em vẫn đang làm hàng ngày.
-Loa ma trận âm thanh: Loại này an hem rất hay gọi là chung là ma trận với loai Back loaded horn sau đây, và nó có một cai tên phổ biến hơn là transmission line, tuy nhiên chúng có chút khác biệt.
Ưu điểm: Tăng được bass khá tốt
Nhược điểm: Kích thước lớn và ngược pha ở tần số cắt, cái này còn gọi là midrange leakage, có thể hạn chế bằng cách dùng các loại vật liệu damping chuẩn ở bên trong hoặc vị trí của họng [trước hay sau]. Cái này sẽ được nói đến ở chủ đề sau.
-Back loaded horn: Thuật ngữ này tôi xin phép giữ nguyên cho nó thân thiện với anh em loa đài, nói chung là loa ma trận BLH, rất phổ biến với các dòng driver của Fostex hoặc Markaudio, họ thậm chí còn sản xuất sẵn các loại thùng với kích thước chi tiết để bán cho an hem loa đài với từng loại driver của họ. Đây thực chất là một loa bass-reflex với kết hợp với loa kèn ở đường hồi tiếp [đường bass ra].
Ưu điểm: Đáp tuyến bass sâu và hay
Khuyết điểm: Đáp tuyến chung gồ ghề và khó triệt pha ở tần số cắt.
Loại thứ 3 là loại kèn được bố trí trước mặt của woofer, che khuất một phần hoặc gần hết bề mặt của woofer, với loại loa này, thì phần tần số cao của woofer sẽ được đưa ra mặt trước theo đương kèn còn tần số thấp thì đi ra đằng sau của woofer.
Ưu điểm: có thể phối hợp pha tốt hơn, hiệu suất cao, đáp tuyến tương đối bằng phẳng và mượt, hiệu suất phân cực rất tốt.
Nhược điểm: kích thước tương đối lớn, đáp tuyến tần số thấp dưới 40Hz giảm nhanh, và so với woofer kèn thì đáp tuyến nhấp nhô hơn.
Thực tế, chúng ta có thể thử kết hợp bất kỳ loại loa nào trên đây theo ý thích của mình nhưng cần phải hiểu rõ củ loa mà chúng ta sử dụng được đóng thùng có những tính chất như thế nào để lựa chọn loại thùng cho đúng.
CÁC YẾU TỐ CẦN CÂN NHẮC KHI THIẾT KẾ
1.Decor và kích thước vật lý của loa.
2.Hiệu suất [Efficiency]: Có cần loa có độ nhạy cao không? Cao thế nào?
3.Độ mềm mại của đáp tuyến tần số [tonal response]
4. Độ rộng phổ tần [range of tonal response].
5. Méo ở các dạng khác nhau
-Hài
-Intermodulation hoặc hiệu ứng Doppler
-Transient
-Pha
6. Các đặc tính phân cực [Polar characteristics].
TÓM LẠI
Décor và kích thước thưc tế của loa sẽ được xác định theo từng mục đích sử dụng. Nếu chúng ta có một căn hộ nhỏ và chúng ta chỉ thích nghe tứ tấu thôi chẳng hạn [chỉ cần một đôi loa open baffle, ván hở với một cặp woofer có cuộn voice coil dài và có khe từ dài hơn là ok]. Còn nếu có một phòng khách rộng tầm 20m2 có thể muốn thưởng thức một buổi hòa nhạc với vị trí ở hàng trung tâm của hàng ghế đầu nơi mà mọi khoảng cách từ các loa là như nhau [khi đó có thể sử dụng một cặp loa kèn lớn tần số thấp kết hợp với một bộ kèn nhiều cell [multicellular] tần số cao và chọn tần số cắt hợp lý sẽ có thể cho ra hiệu ứng đó]. Nói chung, những người thích nghe nhạc jazz, tứ tấu, acapella, có thể chấp nhận loa hiệu suất thấp [power ineffeciencies] còn những người nghe nhạc giao hưởng thính phòng, dàn đồng ca, organ thì càn loa có hiệu suất cao hơn. Đối với một đôi loa nhỏ, việc tăng dải tần [về 2 phía của dải tần, cả về dải tần thấp và dải tần cao] thường sẽ dẫn tới méo tiếng vì củ loa nhỏ thì màng loa thường chuyển động phi tuyến ở tần số thấp, muốn có chất lượng âm tốt thì cần phải cắt tần ở tần số mà bắt đầu xuất hiện méo bằng cách sử dụng những bộ lọc thông cao [dùng tụ] trong ampli hoặc thậm chí trong bộ phân tần của loa.