Tổng quan về kỹ thuật âm thanh | Dải động | Trường âm
- Thanh ÂM
- Apr 26, 2018
- 24 min read
Chất lượng âm thanh được đánh giá trên cơ sở thụ cảm của thính giác. Bởi vậy, ngoài những đặc trưng vật lý mang tính khách quan của tín hiệu, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến cảm giác chủ quan của người nghe.
Các đại lượng đặc trưng cơ bản của âm thanh
Trường âm
Môi trường, trong đó có bức xạ và lan truyền sóng âm gọi là trường âm thanh (hay trường âm). Trường âm có thể là chất rắn, chất lỏng hay không khí nhưng thường dùng và có ý nghĩa hơn cả là môi trường không khí. Cấu trúc của trường âm có thể được xác định rõ ràng bởi sự phân bố về thời gian và không gian của một trong hai đại lượng của trường âm là áp suất âm thanh hay thanh áp (p) và tốc độ dao động âm (v).
Trường âm thanh
Áp suất
Khi có nguồn âm tác động vào môi trường không khí thì áp suất không khí sẽ biến thiên tăng lên hay giảm đi so với áp suất tĩnh của không khí. Hiệu của áp suất 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. Đơn vị thanh áp trước đây thường dùng là µbar hoặc Niutơn/m2 (N/m2). Hiện nay theo tiêu chuẩn ISO thanh áp đo bằng Pascal(Pa), 1Pa=1N/m2; p=pp0. Trong thực tế ta thường biểu thị thanh áp ở dạng mức (mức thanh áp) với đơn vị đo là đề xi ben: N=2 0lgp/p0(dB) trong đó: p thanh áp, p0 thanh áp lấy làm chuẩn, thanh áp chuẩn p0 là trị số thanh áp của ngưỡng nghe và bằng2.105N/ m2. Thanh áp là đại lượng vô hướng, nó tác động lên mọi hướng như nhau và có trị số nhỏ (ví dụ: ở khoảng cách 1m một người nói bình thường chỉ tạo ra thanh áp một phần triệu áp suất khí quyển).
Tốc độ
Khi có sóng âm tác động, các phần tử không khí sẽ dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó với một tốc độ nào đó gọi là tốc độ dao động v (tốc độ dịch chuyển). Về bản chất tốc độ dịch chuyển v hoàn toàn khác với tốc độ lan truyền của sóng âm. Tốc độ truyền lan của âm thanh phụ thuộc vào môi trường truyền âm, trong không khí chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ Kelvin (nhiệt độ tuyệt đối) và được xác định gần đúng theo biểu thức: C = 331√T0/27 3(m/s) Tº là nhiệt độ tuyệt đối của không khí, nếu xét ở nhiệt độ 200C tức Tº = 293ºK và áp suất khí quyển bình thường thì âm thanh truyền lan trong không khí với tốc độ C=340m/s (tính theo công thức trên). Còn tốc độ dao động có trị số rất nhỏ và phụ thuộc vào cường độ âm thanh. Tai người có thể nghe được các dao động âm thanh có tần số từ khoảng 20Hz -:- 20kHz. Khoảng tần số trên gọi là dải tần số âm tần. Nếu coi dải tần âm thanh có thể nghe được từ 20Hz -:- 20.000Hz thì bước sóng tương ứng sẽ là: Max =340/20=17m; Min=340/20.000=1,7cm
Công suất
Là năng lượng sóng âm thanh lan truyền trong một đơn vị thời gian qua một diện tích bề mặt vuông góc với hướng lan truyền của sóng âm. Nếu thanh áp p phân bố đồng đều thì lực do thanh áp gây ra có thể viết F=p.S, lực này thực hiện một công bằng F.dx và công suất âm thanh được xác định: 𝑃𝑎 = 𝐹𝑑𝑥/𝑑𝑡 = 𝑝. 𝑆 (𝑑𝑥/𝑑𝑡) = 𝑝. 𝑆. 𝑣 Trongđó:Pa công suất (w); p là thanh áp; S là diện tích tác động (m2 động của một phần tử không khí tại diện tích đó (m/s). Công suất âm thanh nói chung tỷ lệ với bình phương áp suất âm thanh. Tăng gấp đôi áp suất âm thanh sẽ làm tăng gấp 4 cường độ trường âm thanh, đòi hỏi gấp 4 lần công suất nguồn âm thanh.
Cường độ
Cường độ âm thanh hay thanh lực (I) là công suất âm thanh trên một đơn vị diện tích S: I=Pa/S=p.v.
Tín hiệu âm thanh và sự thụ cảm của thính giác
Những tín hiệu dao động điều hòa (âm đơn) đặc trưng bởi ba đại lượng: biên độ, tần số và pha. Nhưng qua nhiều thực nghiệm cho thấy, pha của các dao động điều hòa ít ảnh hưởng đến cảm giác của người nghe.
Độ cao
Tần số của tín hiệu âm thanh sẽ tạo cho người nghe cảm giác về độ trầm bổng của âm thanh. Cảm giác về độ trầm bổng của âm thanh gọi là độ cao của âm thanh, nếu ta tăng dần tần số của tín hiệu âm thanh từ 20Hz đến 20.000Hz thì tạo cảm giác tăng dần độ cao của âm từ trầm nhất đến bổng nhất. Trong âm thanh, khoảng thay đổi độ cao của âm được đặc trưng bởi đại lượng octave. Octave là đại lượng dùng để chỉ khoảng thay đổi độ cao của âm tương ứng với khi tần số thay đổi hai lần. Nếu mỗi tần số ban đầu là f0 thì mỗi octave ứng với khoảng thay đổi tần số là:
f1=2f0;f2=2f1=22f0 vàfn=2nf0
Số octave trong dải tần số âm thanh có thể xác định theo biểu thức sau:
n=log2(fn/f0)≈log2(3,14lgfn/f0).
Nếu lấy f0=20Hz, tần số cao nhất fn=20.000Hz thì số octave trong dải âm tần:
n=log2(fn/f0≈3,14lg20.000/20)=10octave.
Sự thay đổi tần số nhỏ nhất mà tai còn có thể phát hiện (sự thay đổi độ cao của âm) gọi là ngưỡng vi sai theo tần số. Ngưỡng vi sai phụ thuộc vào tần số ban đầu. Đối với những tần số f<500Hz ngưỡng vi sai lớn hơn 1%, ở tần số trung bình vào khoảng 0,2÷0,3%, còn ở những tần số cao f>4.000Hz vào khoảng 0,4÷0,5%. Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng cảm giác về sự thay đổi độ cao của âm còn phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu và tốc độ thay đổi tần số.
Biên độ
Biên độ của sóng âm thanh lan truyền trong môi trường thường được hiểu là mức thanh áp hay biên độ của tốc độ dịch chuyển. Biên độ đặc trưng cho cảm giác về độ lớn (âm lượng) của tín hiệu âm thanh. Nhưng âm lượng không chỉ phụ thuộc vào biên độ mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tần số, thời gian tác động của nguồn âm.
Ngưỡng nghe được và ngưỡng tới hạn
Mức thanh áp nhỏ nhất mà tai người còn cảm thấy được sự tồn tại của nguồn âm gọi là ngưỡng nghe được. Ngưỡng nghe được phụ thuộc vào tần số, vào bản thân người nghe và phụ thuộc vào vị trí của nguồn âm. Ngưỡng nghe được tiêu chuẩn ở tần số 1.000Hz có thanh áp p=2.105N/m2. Ở ngoài khoảng tần số 16Hz và 20.000Hz ngưỡng nghe được không tồn tại. Nếu tiếp tục tăng thanh áp lên nữa thì cảm giác về âm lượng cũng tăng lên và đến một mức nào đó thì sẽ gây cảm giác khó chịu. Giá trị thanh áp lớn nhất mà vượt qua giá trị đó sẽ gây ra cảm giác đau tai gọi là ngưỡng tới hạn hay ngưỡng chói tai. Ngưỡng tới hạn ít phụ thuộc vào tần số so với ngưỡng nghe được, ngưỡng tới hạn tiêu chuẩn ở tần số 1.000Hz có thanh áp hiệu dụng là p=20N/m2.
Giá trị các thông số âm thanh tại ngưỡng nghe được và ngưỡng tới hạn
Đối với một âm đơn nếu cứ tăng thanh lực (cường độ) lên 10 lần thì tạo ra cảm giác tăng âm lượng lên những khoảng bằng nhau.
Một đặc điểm đáng chú ý nữa là cảm giác về ngưỡng nghe được và ngưỡng tới hạn phụ thuộc rất nhiều vào tần số. Bằng thực nghiệm người ta đã xây dựng được mối quan hệ giữa chúng đồ thị cân bằng âm lượng.
Dải động và phổ của tín hiệu âm thanh
Mức tín hiệu âm thanh
Khi xét những dao động âm thanh, ta chỉ quan tâm đến giá trị hiệu dụng của nó. Bởi vì thính giác không thể ghi nhận được giá trị tức thời mà chỉ ghi nhận được năng lượng âm thanh trung bình trong khoảng thời gian nhất định. Cảm giác về âm lượng chỉ được xác lập khi thời gian tác động khoảng 200µs, thời gian này gọi là thời gian thí chứng của thính giác. Nếu hai tín hiệu âm thanh tác động cách nhau một khoảng thời gian dưới 50µs thì khi nghe hai tín hiệu đó sẽ lẫn làm một, nếu thời gian đó vượt quá 50µs thì hai tín hiệu đó hoàn toàn tách biệt. Như vậy đủ thấy rằng giá trị cực đại của thanh áp sẽ không được ghi nhận nếu tồn tại trong khoảng thời gian dưới 200µs. Nghĩa là khả năng ghi nhận của thính giác không chỉ do năng lượng âm thanh tại thời điểm đó quyết định mà cả năng lượng trước đó nữa.
Mức tín hiệu được đo là một thiết bị đặc trưng gồm một bộ chỉnh lưu, một bộ tích phân và thường gọi là bộ chỉ thị mức tín hiệu. Trong kỹ thuật âm thanh thường dùng khái niệm tín hiệu gần cực đại và tín hiệu gần cực tiểu. Tín hiệu gần cực đại Nmax là tín hiệu có xác xuất vượt quá một giá trị cho trước là rất nhỏ, ví dụ xác suất W=0,02. Mức tín hiệu gần cực đại thường được sử dụng là rất hãn hữu và thời gian tồn tại cũng rất ngắn, nên thực tế không đóng vai trò quan trọng. Còn tín hiệu gần cực tiểu có xác xuất vượt quá giá trị cho trước là rất lớn gần bằng 1, ví dụ xác suất W=0,98.
Dải động tín hiệu âm thanh
Trong kỹ thuật truyển tải âm thanh, khoảng biến động về mức tín hiệu từ giá trị cực tiểu đến cực đại được định nghĩa là dải động. Hay nói hiệu của mức tín hiệu gần cực đại và gần cực tiểu gọi là dải động của tín hiệu. Dải động là thông số rất quan trọng của tín hiệu, mỗi thiết bị đều được tính toán với một dải động nhất định. Trong âm nhạc cũng định nghĩa dải động của nhạc khí là độ chênh lệch giữa mức âm (hay mức thanh áp) cao nhất và thấp nhất của nhạc khí khi diễn tấu trong một phòng. Điều đáng lưu ý là khó định nghĩa mức âm thấp nhất của nhạc khí một cách chính xác, bởi nó còn phụ thuộc vào mức tạp âm nền của phòng biểu diễn – điều mà trong thực tế không thể tách khỏi âm thanh của nhạc khí. Dải động của microphone: đó là khoảng cách tính từ mức điện áp tạp âm của bản thân microphone đến mức cao nhất mà micro bắt đầu bị méo tiếng (bão hòa). Dải động của hệ thống: cho ta biết khoảng biến động về mức của toàn hệ thống kỹ thuật chuyển tải tín hiệu, trong đó cần phân biệt dải động cực đại và dải động hiệu dụng, tức là khoảng biến động thực tế cho phép sử dụng có lưu ý tới dự phòng bão hòa và cách ly với mức tạp âm. Cần lưu ý rằng, những con số quy định về dải động kỹ thuật phụ thuộc vào việc áp dụng các tiêu chuẩn khác nhau trong phương pháp xác định mức tạp âm của hệ thống thiết bị và có thể sai lệch nhau tới 10dB.
Một số dải động cơ bản
Khi chuyển tải tín hiệu analog ta thường dùng loại thiết bị phù hợp nhất là đồng hồ đo mức tín hiệu điều chế. Đó là loại đồng hồ chỉ thị mức “cận đỉnh”, tức là gần đỉnh. Khi chuyển tải tín hiệu digital ta nên sử dụng loại đồng hồ đo giá trị đỉnh thực sự, và nó có thể chỉ thị mức cao hơn tới 10dB. Trường hợp dùng các đồng hồ đo mức điều chế thông thường trong kỹ thuật analog cần có độ dự phòng điều chế để tránh bị bão hòa tín hiệu. Cuối cùng, dải động còn được thu hẹp lại thành dải động của tín hiệu hay dải động chương trình được xử lý bởi hệ thống điện thanh thường nhỏ hơn dải động của âm thanh rất nhiều. Vì những hạn chế của hệ thống điện thanh, việc thu hẹp dải động sẽ làm giảm chất lượng âm thanh. Sau đây là dải động của một số nguồn âm.
Dải động của các nguồn âm thanh
Phổ tín hiệu âm thanh
Phổ tần của tín hiệu âm thanh là sự mô tả biên độ của các thành phần tín hiệu theo tần số. Thông thường trục hoành là thang tần số loga hoặc thang dải bát độ (phần bát độ) với mỗi điểm được vẽ như trung bình nhân của các tần số giới hạn dải. Thông thường thang tung độ là mức áp suất âm thanh. Hiệu pha tín hiệu thường được bỏ qua (trừ khi chúng ảnh hưởng tới mức âm thanh) do chúng thay đổi thật lớn theo vị trí đo, nhất là trong môi trường phản xạ. Phổ tín hiệu âm thanh đa phần là phổ vạch. Phổ liên tục chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ. Phổ tổ hợp bao gồm các vạch mạnh chồng chập lên phông phổ liên tục. Ví dụ như phổ của tiếng nhạc violong, gióthổi, tiếng ồn của quạt có động cơ. Âm đơn là âm thanh có dao động hình sin vì vậy phổ tần số của âm đơn có một vạch như hình vẽ. Âm phức là âm thanh có dao động không phải là hình sin, nó là tổng hợp của các dao động hình sin có tần số và biên độ khác nhau. Vì vậy phổ tần số của âm phức bao gồm nhiều vạch, biểu thị cho các hài khác nhau. Hài âm có tần số thấp nhất là hài cơ bản, các hài khác có tần số dao động gấp 2, 3, 4… lần hài cơ bản gọi là hài bậc hai, bậcba, bậc bốn.
Dạng dao động và phổ tần của đơn âm
Dạng dao động và phổ tần số của âm phức
Phổ tần số âm thanh cho biết hài cơ bản của âm thanh, các hài bậc cao và tỷ lệ biên độ của các hài bậc cao so với hài cơ bản, tỷ lệ này quyết định sắc thái của âm thanh. Chính vì vậy, khi hai nhạc cụ phát ra cùng một nốt nhạc như nhau tai người vẫn phân biệt được là nhờ âm sắc của chúng khác nhau.
Trường âm
Trong một không gian khép kín các sóng âm lan truyền trực tiếp từ nguồn âm đến người nghe hay đến microphone đó là âm thanh bức xạ trực tiếp hay còn gọi là trực âm. Khi đập vào các bề mặt ngăn cách như (tường, trần, sàn… các đồ vật trong studio) một phần sóng sẽ phản xạ trở lại đó là âm phản xạ hay phản âm. Hiện tượng phản xạ không chỉ xảy ra một lần mà cứ lặp đi lặp lại, mỗi lần gặp chướng ngại thì một phần năng lượng âm bị tiêu hao vào vật liệu cấu tạo của vật đó ta gọi là hiện tượng hấp thụ âm thanh. Tuy nhiên hiện tượng phản xạ âm còn phụ thuộc vào năng lượng âm. Những âm thanh phản 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 có khoảng cách thời gian giữa phản âm bậc 1 của “tia âm” này với phản âm bậc một của “tia âm khác”, tùy thuộc hình dạng kích thước của phòng.
Các phản âm bậc 1 có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự cảm nhận về không gian của phòng thu, cho dù trong thực tế ta khó có thể nghe tách biệt chúng ra khỏi tín hiệu chung. Các phản âm bậc 2, bậc 3… ngày càng dầy và đan xen từ nhiều hướng, nhưng sau mỗi lần phản xạ năng lượng âm bị suy giảm và dần dần bị tiêu hao cho đến hết, ta gọi đó là hiện tượng kết vang.
Trực âm – phản âm- vang của một xung âm thanh, hiện tượng kết vang
Nếu nguồn bức xạ âm thanh kéo dài thì sau một khoảng thời gian sẽ dẫn đến trạng thái cân bằng giữa năng lượng bức xạ và năng lượng hấp thụ. Sóng âm phản xạ từ nhiều hướng trong studio và tạo thành trường âm tán xạ hay khuếch tán và tạo cảm giác về không gian. Trực âm thì suy giảm dần khi ra xa nguồn âm, còn phản âm thì phân bố khá đều trong toàn bộ không gian của studio. Điều đó có nghĩa là tỷ số giữa năng lượng của trực âm và phản âm sẽ biến đổi theo khoảng cách tới của nguồn âm. Ý nghĩa trực âm: Trong các studio âmthanh, microphone thu nhận đồng thời cả năng lượng trực âm lẫn phản âm, nhưng trực âm là chính (trừ trường hợp đặc biệt). Chỉ có trực âm mới truyền tải được các thông tin của nguồn tín hiệu âm thanh như: Các dao động khởi đầu đặc trưng cho mỗi loại nguồn âm, các thành phần tạp âm đi kèm không thể tách rời khỏi âm thanh, các thông tin trên tạo nên độ rõ, âm sắc, tính “hiện diện” của nguồn âm và đặc biệt là việc định vị nguồn âm. Phản âm có ý nghĩa đặc biệt trong việc tạo ra trường âm tự nhiên và làm cho âm thanh trở nên sống động hơn. 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. Nếu dùng các bề mặt phản xạ có kích thước khác nhau sao cho mức âm thanh ở mọi tần số như nhau, sẽ có một trường âm tán xạ. Tùy mục đích của studio mà phải tính toán và sử dụng các bề mặt phản xạ khác nhau.
Phản xạ âm thanh lên mặt phẳng và tại một góc
Phản xạ sóng âm lên các mặt cong lõm
Hấp thụ âm thanh (hay đặc tính hút âm) của vật liệu được sử dụng trong phòng sẽ quyết định mức độ suy giảm của năng lượng âm thanh trong studio (tức độ vang của phòng và âm sắc của tiếng vang). Năng lượng âm được hấp thụ một phần chuyển thành nhiệt năng trong vật liệu, một phần được truyền qua tường rồi bức xạ sang phòng bên cạnh. Không có một loại vật liệu nào có khả năng 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, nguyên nhân là do bước sóng của âm thanh rất khác nhau (từ vài chục mét ở tần số cực trầm đến vài cm ở tần số cực cao). Mỗi dải tần ứng với một mức hấp thụ năng lượng âm khác nhau, có thể chia ra 3 loại vật liệu hút âm như sau: Vật liệu hút âm trầm (khoảng dưới 250Hz), vật liệu hút âm trung (khoảng 250Hz÷1000Hz), vật liệu hút âm cao (khoảng trên 1000Hz)
Hấp thụ – phản xạ và xuyên âm
Quá trình kết vang: Trong một phòng nhất là những phòng lớn và tường cứng, khi âm thanh của một nguồn âm đã tắt nhưng nó vẫn còn ngân dài nhờ hiện tượng phản xạ của sóng âm ta gọi đó là hiện tượng âm vang. Tiếng vang có ảnh hưởng rất lớn đến đặc điểm âm thanh của phòng. Thời gian vang là khoảng thời gian mà mức thanh áp của một nguồn âm giảm đi 60dB, tức cường độ hoặc năng lượng âm giảm xuống đến một phần triệu, tính từ lúc nó dừng bức xạ âm thanh. Thời gian vang được xác định bằng cách khảo sát độ dốc của đường suy giảm mức âm, tính từ khởi điểm từ -5dB -:- -35dB so với điểm cực đại 0dB. Quá trình vang có thể bổ xung, làm “giầu” thêm và nâng cao chất lượng âm thanh của nguồn âm, nhưng cũng có thể làm giảm chất lượng nếu tần số dao động riêng của phòng khác hẳn tần số của tín hiệu và mức suy giảm không đủ nhanh. Trong biểu diễn âm nhạc nhờ có tiếng vang mà tại những chỗ dừng, dấu lặng âm thanh không bị cắt cụt một cách khô khan. Nó được bù đắp phần nào bởi năng lượng của trường phản âm, âm thanh quang cảnh. Chính phần tín hiệu quang cảnh này cho ta những thông tin về đặc điểm âm học của không gian biểu diễn (phòng hoà nhạc, studio, hay nhà thờ…). Các hiện tượng vang đều được hình thành ở ba giai đoạn: Khởi vang, đồng vang, kết vang. Khởi vang dài hơn làm cho độ rõ tiếng nói suy giảm, nhưng với âm nhạc sẽ tạo được khởi âm mềm. Đồng vang ảnh hưởng đến trực âm làm tăng âm lượng của nguồn âm, giúp ta cảm nhận được không gian âm thanh của phòng biểu diễn, quang cảnh hay không khí âm thanh của những nơi diễn ra các sự kiện âm thanh. Kết vang chuyển tải tới người nghe những thông tin về kích thước, độ lớn và xử lý nội thất của phòng, lôi kéo người nghe vào các sự kiện âm thanh. Tiếng dội: cho ta cảm giác như một cách nhắc lại sự kiện âm thanh, nghĩa là nghe tách rời khỏi tín hiệu gốc (trực âm). Với tiếng nói các phản âm đến sau 50ms và có mức đủ lớn sẽ tạo thành tiếng dội, làm giảm độ rõ. Âm nhạc cho phép độ trễ lớn hơn có thể đến 80ms hoặc lớn hơn nữa.
Xử lý tín hiệu âm thanh tương tự
Tín hiệu âm thanh tương tự là gì?
Tín hiệu âm thanh là dòng điện âm tần tương ứng với các dao động cơ học (biến đổi vị trí qua lại) của các phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng. Tín hiệu âm thanh giống như nhiều tín hiệu điện được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh).
Dạng tín hiệu âm thanh tương tự
Tần số: Tần số là số lần cùng một hiện tượng lặp lại trên một đơn vị thời gian. Trong hệ đo lường quốc tế đơn vị này là Hz đặt tên theo nhà vật lý Đức Heinrich Rudolf Hertz. 1Hz cho biết tần số lặp lại của hiện tượng bằng một lần trong mỗi giây. 1Hz=1/s. Tần số biểu thị cho độ cao thấp của âm thanh: Tiếng trầm ứng với tín hiệu có tần số thấp, tiếng bổng ứng với tín hiệu có tần số cao. Đặc điểm của tai người nghe được âm thanh trong khoảng tần số từ 16Hz-:-20.000Hz, dải tần số này được gọi là dải tần số âm tần. Những âm có tần số dưới 16Hz gọi là hạ âm, những âm có tần số trên 20.000Hz gọi là siêu âm. Phổ tín hiệu âm thanh: Phổ tần tín hiệu âm thanh là sự biểu diễn biên độ của tín hiệu âm thanh theo tần số.
Mô hình xử lý tín hiệu
Kỹ thuật ghi âm thanh tương tự lên băng từ Audio
Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu âm thanh
Âm thanh có thể là tiếng nói của con người hoặc tiếng hót của các loài chim hay tiếng động của các vật thể tồn tại trong không gian…được đưa qua một thiết bị biến đổi là micro trở thành tín hiệu điện âm tần. Tín hiệu điện âm tần có tần số và biên độ tương ứng với các dao động âm thanh đưa đến và được ghi lên băng từ bằng máy ghi âm theo phương pháp ghi âm từ tính. Ghi âm từ tính là phương pháp dùng dòng âm tần từhóa băng từ và để lại từ dư trên băng từ theo quy luật của dòng điện âm tần. Lúc phát lại những mức từ dư trên băng qua đầu từ đọc lại biến thiên thành dòng điện âm tần. Nguyên lý ghi âm từ dựa trên đặc tính của hạt sắt từ bị nhiễm từ khi đặt trong từ trường và còn giữ lại mức từ dư khi ra khỏi từ trường đ ó. Đặc tính từ hóa của băng từ có dạng đường cong từ trễ, bởi vậy khi ghi âm để giảm độ méo không đường thẳng cần phải chọn điểm làm việc ở trên đoạn thẳng của đặc tuyến. Tức là phải từ hóa băng từ bằng dòng điện một chiều hoặc dòng điện siêu âm gọi là phương pháp thiên từ, phương pháp này không cho phép ghi những tín hiệu có dải động lớn. Phương pháp thiên từ bằng dòng điện siêu âm cho phép ghi được những tín hiệu có dải động lớn đó là: Đưa tín hiệu có trị số điện áp không đổi và tần số không đổi là 1000Hz vào đầu từ ghi. Ứng với các mức thiên từ khác nhau ta ghi lại tín hiệu này trên băng. Sau đó tiến hành đọc lại và ghi các trị số điện áp ra ứng với các điện áp thiên từ khác nhau đó. Với điện áp ra nào lớn nhất thì ứng với nó chính là điện áp thiên từ tốt nhất. Trong thực tế, điện áp thiên từ thường được chọn từ 1,2 đến 1,5 lần điện áp thiên từ tốt nhất.
Kỹ thuật ghi âm thanh tương tự lên băng từ video
ghi âm thanh tương tự lên băng từ
Ghi âm lên băng từ video cũng giống như ghi lên băng từ audio là dùng phương pháp ghi âm từ tính. Trong kỹ thuật ghi tiếng lên băng từ video thường được phân thành hai loại: Ghi tiếng Normal và tiếng Hifistero. Đối với tiếng Hifistero trước khi ghi lên băng từ, được thực hiện bằng kỹ thuật điều chế FM. Đối với tiếng Normal chỉ cần khuếch đại là đủ và sau đó đưa thẳng tới đầu từ ghi (giống như ghi âm tiếng lên băng từ tiếng). Nguyên lý ghi âm từ tính là dựa trên đặc tính của các hạt sắt từ có thể nhiễm từ khi chịu tác động của từ trường và còn giữ lại mức từ dư khi ra khỏi từ trường đó. Băng từ chuyển động với tốc độ đều qua đầu từ ghi. Đầu từ ghi là một lõi sắt hở có quấn cuộn dây. Dòng điện tín hiệu từ bộ khuếch đại ghi chạy qua cuộn dây đầu từ ghi, sinh ra tín hiệu từ trường xoay chiều ở khe của đầu từ ghi. Băng từ chạy qua đó sẽ bị nhiễm từ, nhờ đó trên băng từ còn giữ lại mức từ dư, biến đổi theo chiều đọc của băng phù hợp quy luật biến đổi của tín hiệu cần ghi.
Xử lý tín hiệu âm thanh số
Một số thông số cơ bản đặc trưng cho tín hiệu và hệ thống truyền dẫn tín hiệu
Tỷ số tín hiệu / nhiễu và tín hiệu / tạp âm: Trong một hệ thống thiết bị hay một thiết bị cụ thể, thì bên cạnh tín hiệu hữu ích được truyền qua, khuếch đại… còn có nhiễu xâm nhập và tạp âm do bản thân thiết bị hay hệ thống tạo ra dẫn tới tạo thành tiếng có thể nghe thấy bị ảnh hưởng. Tỷ số mức tín hiệu (điện áp, công suất) hữu ích so với mức tạp âm (điện áp, công suất) nhiễu gọi là tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Giá trị tỷ số trên cho biết mức tín hiệu gấp bao nhiêu lần (hay bằng bao lần) mức tín hiệu nhiễu và là một thông số quan trọng đánh giá chất lượng tín hiệu.
Tỷ số tín hiệu/nhiễu
Theo tiêu chuẩn chất lượng thiết bị Hifi có tỷ số tín hiệu/nhiễu bằng 46dB. Tạp âm thường gặp nhất là tạp âm sinh ra ngay trong các linh kiện điện tử (cả linh kiện thụ động và tích cực). Những điện áp tạp âm này phân bố suốt dải âm tần, từ thấp lên cao. Khi nghe tiếng phát ra loa ta thường có cảm giác chúng chỉ xuất hiện ở vùng tần số cao. Sở dĩ như vậy là dải thông ở vùng tần số thấp hẹp hơn nhiều so với vùng tần số cao. Tỷ số mức tín hiệu (điện áp, công suất) hữu ích so với mức tín hiệu (điện áp, công suất) tạp âm gọi là tỷ số tín hiệu/ tạp âm. Tiêu chuẩn cho máy Hifi tỷ số tín hiệu/ tạp âm bằng 54dB. Dải động kênh truyền Dải động của một kênh truyền dẫn (bao gồm một hệ thống thiết bị truyền dẫn) là hiệu hai mức tín hiệu cao nhất và thấp nhất ở đầu vào kênh truyền mà tín hiệu đầu ra kênh truyền không bị méo. Khi truyền một tín hiệu âm thanh với dải động tự nhiên lớn (thí dụ một tác phẩm khí nhạc cho dàn nhạc hòa tấu: concerto, symphony…) qua một kênh truyền dẫn có dải động hẹp hơn thì tín hiệu ở đầu ra bị ép lại. Dải tần Dải tần của nguồn tín hiệu âm thanh: Là khoảng cách giữa tần số lớn nhất của tín hiệu và tần số nhỏ nhất của tín hiệu thực có. Dải tần đo bằng Hz. Ví dụ dải tần nghe thấy của nguồn tín hiệu âm thanh khoảng từ 20Hz đến 20KHz. Dải tần của thiết bị hay của hệ thống thiết bị: Là khoảng tần số mà thiết bị hay hệ thống thiết bị có thể đáp ứng được. Trong khoảng tần số này tín hiệu khi truyền dẫn qua thiết bị hay hệ thống thiết bị sẽ không bị méo. Để đặc trưng cho dải tần của thiết bị hay hệ thống thiết bị người ta thường dùng đáp tuyến tần số. Độ tuyến tính: Trên một kênh truyền dẫn lý tưởng thì tín hiệu đầu ra phải biến đổi tuyến tính với tín hiệu đầu vào. Nếu không được như vậy thường tạo ra méo tín hiệu. Kênh truyền dẫn thực tế thường tạo ra méo phi tuyến tính (méo không đường thẳng) và méo tần số. Nguyên nhân của hiện tượng méo phi tuyến là do các linh kiện của các thiết bị nói riêng và của cả hệ thống thiết bị nói chung bị méo phi tuyến. Ví dụ méo của các tranzitor, diot bán dẫn… Nguyên nhân của hiện tượng méo tần số là do các linh kiện thụ động gây ra như: tụ điện, tụ điện ký sinh.
Sự hình thành méo phi tuyến
Một vài kết luận: Căn cứ vào các thông số đặc trưng cho tín hiệu và hệ thống truyền dẫn tín hiệu ta thấy rằng nếu nguồn tín hiệu là nguồn tín hiệu tương tự thì:
Hệ thống khó lọc bỏ các can nhiễu và tạp âm nội bộ.
Tín hiệu sẽ bị tác động hay bị pha tạp bởi các nguồn tín hiệu nhiễu và tạp âm.
Khó tránh khỏi hiện tượng méo tần số đối với các hệ thống truyền dẫn tương tự.
Các thông số đặc trưng cho tín hiệu và hệ thống truyền dẫn khó đạt được mức cao. Dẫn đến chất lượng tín hiệu sau khi qua các hệ thống xử lý và truyền dẫn không cao.
Để giải quyết bài toán chất lượng tín hiệu thì phải chuyển đổi từ nguồn tín hiệu tương tự sang nguồn tín hiệu số và kèm theo phải có hệ thống xử lý và truyền dẫn số.
Tín hiệu âm thanh số
Ở dạng gốc, tín hiệu âm thanh (tín hiệu âm tần) là tín hiệu tương tự (analog) có biên độ biến đổi liên tục theo thời gian. Như vậy tín hiệu analog có thể được xác định tại một thời điểm bất kỳ và do đó có vô số các giá trị tức thời khác nhau. Vì vậy tín hiệu analog là tín hiệu liên tục về thời gian và trị số.
Tín hiệu âm thanh số (digital) là tín hiệu biến đổi rời rạc theo thời gian được số hóa từ tín hiệu gốc analog. Quá trình biến đổi tín hiệu âm thanh tương tự sang tín hiệu âm thanh số gọi là quá trình số hóa tín hiệu âm thanh và được thực hiện bằng các mạch xử lý tín hiệu số. Mạch xử lý tín hiệu số bao gồm chủ yếu các mạch lấy mẫu, lượng tử hóa và mạch mã hóa. Phương pháp xử lý tín hiệu bằng công nghệ số có rất nhiều ưu điểm so với phương pháp xử lý tín hiệu bằng công nghệ tương tự. Ưuđiểm: Cải thiện tỷ số tín hiệu/ tạp âm, mở rộng dải động, đặc tuyến tần số bằng phẳng. Có khả năng sao chép thông tin với số lần vô hạn định mà không giảm chất lượng. Không bị ảnh hưởng bởi sự giao động nhiệt độ và điện áp công tác. Không bị méo tín hiệu, không bị mếu do dao động tốc độ. Có khả năng tái lập thành phần điện áp một chiều của tín hiệu. Nhược điểm: Tín hiệu ở dạng dữ liệu số thường dễ bị tổn thất, chỉ mất một vài bit dữ liệu cũng dẫn tới lỗi trong tín hiệu âm thanh. Sửa các lỗi dữ liệu rất tốn kém về phần mềm cũng như phần cứng. Hệ thống thiết bị xử lý tín hiệu âm thanh số phức tạp và tốn kém hơn so với công nghệ tương tự. Bão hòa tín hiệu sẽ dẫn tới phá huỷ hoàn toàn tín hiệu âm thanh. Không thể cắt nối băng ghi âm số như băng ghi âm tương tự, ở đây phải sử dụng phương pháp cắt nối điện tử.
Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
Công nghệ xử lý số tín hiệu âm tần dựa trên nguyên lý kỹ thuật PCM viết tắt từ Puls-Code– Modulation (điều chế xung mã). Trong kỹ thuật PCM tín hiệu analog được chuyển thành dẫy xung. Những giá trị biên độ của các xung riêng lẻ được biểu diễn ở dạng mã nhị phân.
Sơ đồ khối mô tả quy trình số hóa tín hiệu âm thanh theo PCM
Bộ chuyển đổi A/D
Bộ chuyển đổi A/D có nhiệm vụ chuyển từ tín hiệu âm thanh tương tự sang tín hiệu âm thanh số. Trong kỹ thuật âm thanh số thường gặp các bộ chuyển đổi theo phương pháp sườn dốc (Slope) hoặc phương pháp tiệm cận kế tiếp (Successive Approximation). Bộ chuyển đổi theo phương pháp sườn dốc còn được gọi là bộ biến đổi tích phân (Integration). Bộ chuyển đổi tích phân chia làm 2 loại: Bộ chuyển đổi sườn dốc đơn (Single-Slope) và bộ chuyển đổi sườn dốc kép (Dual-Slope). Tất cả các bộ biến đổi có điểm giống nhau là điện áp đầu vào đều được so sánh với điện áp mẫu của một bộ tích phân.
Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi sườn đơn
Thành phần quan trọng nhất của bộ biến đổi sườn đơn là bộ tích phân, bộ so sánh và bộ đếm nhị phân. Bắt đầu quá trình biến đổi, xung xóa đưa bộ đếm về 0, đảo mạch S1 mở (tại thời điểm t1 Hb) lúc này tụ được nạp từ một nguồn điện áp chuẩn qua đảo mạch S2. Tại cửa vào đảo của bộ so sánh điện áp tăng tuyến tính với thời gian, tín hiệu cần chuyển đổi đặt ở cửa vào không đảo của bộ so sánh. Khi bắt đầu giai đoạn tích, cửa ra của bộ so sánh sẽ mở một khung, xung nhịp sẽ dẫn tới bộ đếm. Tại thời điểm t2 sườn dốc của bộ tích phân đã đạt tới giá trị điện áp cửa vào, bộ so sánh sẽ lật, nhịp đếm được khóa. Giá trị nhị phân trên bộ đếm tại thời điểm này đạt giá trị điện áp đặt ở cửa vào. Bộ chuyển đổi A/D sườn đơn đạt độ chính xác cao,nhưng tốc độ chuyển đổi chậm, nhất là xử lý tức thời (xử lý thời gian thực) một tín hiệu âm thanh 16bit thì quá chậm, ta có thể đạt được hệ số chuyển đổi nhanh hơn bằng phương pháp sườn dốc kép.
Bộ chuyển đổi D/A
Các bộ chuyển đổi D/A có nhiệm vụ chuyển từ tín hiệu âm thanh số sang tín hiệu âm thanh tương tự để từ đó kết nối với các thiết bị âm thanh dân dụng.
Quá trình chuyển đổi tín hiệu PCM sang tín hiệu Analog
Về cơ bản quá trình chuyển đổi này là một sự đảo ngược của quá trình chuyển đổi tươngtự/ số. Với bộ chuyển đổi D/A, tín hiệu PCM được chuyển thành dạng tín hiệu điều chế xung biên PAM. Mạch lấy và giữ mẫu, khuếch đại độ rộng của các xung PAM và lọc các nhiễu do bộ chuyển đổi D/A gây ra. Bộ lọc thông thấp tiếp theo sẽ tích phân các xung PAM và tạo thành dạng tín hiệu analog.
Khi chuyển đổi một tín hiệu âm thanh số sang tín hiệu tương tự với tần số lấy mẫu 44,1kHz thì cứ 22,7µs sẽ có một dữ liệu mới đưa vào bộ chuyển đổi D/A. Ở đây tốc độ dịch còn phải nhanh hơn, bởi nó cần thêm thời gian để đưa các tín hiệu đã dịch sang các phần mạch tiếp sau.
Commentaires