Cơ chế hoạt động của loa

Trong dàn âm thanh của chúng ta, loa là thiết bị cuối cùng nhận tín hiệu và xuất ra âm thanh. Nói thì đơn giản như vậy nhưng để làm được như vậy thì đó là cả một quá trình gồm nhiều bước khác nhau. Bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu thêm về Cơ chế hoạt động của loa - cơ bản về âm thanh.

Trước tiên chúng ta phải dựa trên sự hoạt động của âm thanh, rồi mới có thể hiểu được cơ chế hoạt động của loa. Con người có thể nghe được đó là nhờ vào việc âm thanh tác động vào màng nhĩ, Màng nhĩ là một lớp da mỏng nằm bên trong tai người, áp suất biến đổi liên tục trong không khí sẽ tác động đến màng nhĩ làm nó rung lên. Khi màng nhĩ rung lên, não bộ sẽ tự động dịch những rung động này thành âm thanh, đó là cách con người nghe.
Và con người chúng ta dựa trên công thức này để chế tạo ra vật phát âm, tiêu biểu đó là loa. một vật thể phát ra âm thanh khi nó rung động trong không khí. Khi vật thể rung động, nó kéo theo những hạt khí xung quanh chuyển động theo. Các hạt khí này lại tiếp tục tác động đến những hạt khí xung quanh nó chuyển động cùng, từ đó tạo thành những đợt xung rung động truyền qua không khí đến tai người.
Với quá trình hoạt động như ở trên thì vật thể rung động đã gửi một sóng dao động thông qua không khí, và khi dao động này tới tai người, nó sẽ tác động làm màng nhĩ rung lên. Não bộ lúc này sẽ có nhiệm vụ dịch các rung động đó thành âm thanh của vật thể này.

Phân biệt âm thanh

Hình ảnh về cấu tạo cơ bản của loa

Những rung động khác nhau tạo ra những âm thanh khác nhau, và con người nghe được những âm thanh này dựa vào những yếu tố sau:

Tần số sóng âm: Sóng âm có tần số càng cao đơn giản là áp lực không khí dao động với tốc độ nhanh trong một khoảng thời gian nhất định. Não bộ sẽ biên dịch các dao động này dưới dạng âm cao. Nếu cũng một khoảng thời gian như vậy nhưng số dao động ít hơn, âm thanh sẽ thấp hơn.

Mức áp suất không khí: Đây là biên độ (độ lớn) của sóng âm, quyết định độ lớn của âm thanh. Sóng âm với biên độ càng lớn thì sẽ làm màng nhĩ rung động mạnh hơn, lúc này não bộ sẽ diễn dịch âm thanh này to hơn.
Một thiết bị khác trong hệ thống âm thanh cũng có cơ chế hoạt động tương tư như tai người, đó là microphone dùng để thu âm. Nó cũng được thiết kế một màng rung động theo sóng âm trong những môi trường nhất định. Tín hiệu sóng âm được thu từ micro này sẽ được mã hóa và được lưu trong băng từ, CD... dưới dạng một tín hiệu điện tử. Khi các tín hiệu này được chuyển tới loa, loa sẽ được biên dịch lại thành rung động vật lý của màng loa. Các loại loa có chất lượng tốt thường được thiết kế sao cho rung động vật lý của màng loa phải được tái tạo gần như nguyên vẹn tín hiệu âm thanh thu được từ micro.
Tạo âm thanh
- Loa, về cơ bản được xem là một bộ máy biện dịch đầu cuối hoạt động ngược với microphone. Loa sẽ chuyển các tín hiệu điện tử trong các thiết bị lưu trữ thành rung động cơ học để tái tạo lại sóng âm một cách gần giống nhất với sóng âm thu được từ microphone.
- Các loại loa hiện nay thường được thiết kế gồm một hay nhiều loa con gộp lại (hay còn gọi là củ loa - driver)

Màng loa (Diaphragm)

Hình ảnh tiêu biểu của một chiếc loa: khung sắt, nam châm vĩnh cửu, màng giấy

- Để tạo ra sóng âm, các loa con sẽ tạo ra sóng âm bằng cách rung màng loa (cone hoặc diaphragm) với tốc độ cao.

- Chất liệu được sử dụng để cấu tạo nên màng loa thường là giấy, kim loại hoặc có thể là nhựa. Trong đó phần vành rộng được gắn liền với viền treo (suspension) của loa.

- Viền treo, hay vành loa được làm bằng chất liệu có thể có giãn, là một vành tròn cho phép màng nón chuyển động vào ra. Viền treo này được gắn với khung kim loại của loa (basket)

- Vành hẹp của màng nón loa sẽ được nối với cuộn âm (voice coil)

- Cuộn âm gắn với khung kim loại bằng mạng nhện (spider) vốn cũng là một vành tròn bằng vật liệu co giãn với nhiệm vụ giữ cho cuộn âm luôn ở đúng vị trí chính giữa nhưng vẫn cho phép cuộn này chuyển động vào ra.

- Màng loa có thể được thiết kế dạng vòm (dome) thay vì dạng nón (cone) tùy theo loại loa.

Cuộn âm

- Bản chất của cuộn âm thực ra như la một nam châm điện từ

- Nam châm điện từ cấu tạo gồm một cuộn dây quấn quanh một lõi kim loại (thường là sắt). Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ sinh ra một từ trường xung quanh làm cho sắt có từ tính. Từ trường này tương tự như từ trường xung quanh nam châm vĩnh cửu, cũng gồm có cực Bắc và cực Nam và cũng hút kim loại. Nhưng khác với nam châm vĩnh cửu, ở nam châm điện từ người ta có thể đảo cực Bắc Nam bằng cách đảo chiều dòng điện.

Dòng điện chạy qua cuộn âm đổi chiều sẽ làm hướng cực của cuộn âm đổi chiều theo

-Đây là cơ chế hoạt động gần giống như cách thức của tín hiệu Stereo, dòng điện được đổi chiều liên tục thông qua hai đầu nối mà những ai hay nối loa sẽ thấy rất quen thuộc.

-Bộ khuếch đại (amplifier) có nhiệm vụ thay đổi liên tục tín hiệu điện, dao động giữa những vòng dương và vòng âm của dây đỏ. Do điện tử luôn chạy theo một chiều giữa cực dương và cực âm, dòng điện chạy qua loa cũng đảo chiều liên tục tạo thành dòng xoay chiều. Dòng xoay chiều này đến lượt nó sẽ làm đảo cực nam châm điện từ liên tục nhiều lần trong một giây.

Đầu kết nối giữa dây loa với các loa con trong hệ thống âm thanh

Nam châm

Cách thức mà dao động điện có thể khiến cho cuộn âm chuyển động vào ra như sau: Nam châm điện từ được đặt trong từ trường cố định của nam châm vĩnh củu. Hai nam châm này (điện từ và vĩnh cửu) tương tác với nhau như hai nam châm bình thường, trái dấu hút nhau, cùng dấu đẩy nhau. Khi cực của nam châm điện thay đổi, chẳng hạn từ cực dương sang cực âm sẽ tạo nên lực từ hút sang đẩy đối với cực âm của nam châm vĩnh cửu. Lực tác động này khiến cho cuộn âm chuyển động vào ra liên tục theo dao động điện tương tự như một chiếc piston.

Khi dòng điện chạy qua cuộn âm đổi hướng, cực của cuộn âm cũng đảo chiều. Hoạt động này làm thay đổi lực từ trường tác động giữa cuộn âm và nam châm vĩnh cửu, theo đó làm cho cuộn âm cùng màng loa gắn với nó chuyển động theo

Cuộn dây được gắn vào màng loa nên khi cuộn dây chuyển động sẽ kéo theo màng loa chuyển động. Khi màng loa chuyển động tác động vào không khí làm cho không khí phía trước loa rung động, tạo ra tín hiệu sóng âm. Các tín hiệu điện tử cũng có thể được biên dịch thành dạng sóng, làm cho tần số và biên độ sóng điện tử này sẽ tác động và điều khiển cuộn âm chuyển động theo tỷ lệ và khoảng cách nhất định. Do sóng điện tử này là dạng mã hóa của sóng âm gốc nên chuyển động màng loa theo tỷ lệ và khoảng cách nhất định đến lượt nó sẽ tạo nên sóng âm đúng với tần số và biên độ mà nó đã được mã hóa.

Người thiết kế sẽ thường thiết kế các loa con có những kích cỡ khác nhau để chuyên về một dải tần nhất định. Dải tần của loa sẽ được chia nhỏ và được những loa con chuyên dụng thể hiện theo đúng dải tần của nó.

Và đó là tất cả những gì về cơ chế hoạt động của loa - những kiến thức cơ bản về âm thanh. Đây được xem là nền tảng để có thể hiểu cũng như làm việc với âm thanh. Chúc các bạn sẽ có những kiến thức hữu ích nhất phục vụ cho công việc của mình cũng như điều khiển hệ thống âm thanh cá nhân một cách tốt nhất