Loa hoạt động như thế nào

Mặc dù loa Hi-Fi đã tồn tại hơn 70 năm nhưng đối với nhiều người mới tham gia vào thế giới âm thanh, những chiếc hộp gỗ với nhiều bộ phận và lỗ mở khác nhau này có vẻ bí ẩn. Đó là lý do tại sao chúng tôi biên soạn bài viết này dành cho những người mới bắt đầu hành trình bước vào thế giới âm thanh chất lượng cao.

Điều quan trọng là phải hiểu rằng, bất chấp những tiến bộ công nghệ trong thiết kế và sản xuất trong nhiều thập kỷ, nguyên tắc cơ bản đằng sau cách thức hoạt động của loa—hoặc bộ chuyển đổi âm thanh—hầu như không thay đổi kể từ khi Edward Kellogg và Chester Rice lần đầu tiên giới thiệu nó vào năm 1925. Cho dù chúng ta đang nói về những chiếc loa nhỏ trong điện thoại thông minh của bạn, loa soundbar dưới TV hay những chiếc loa lớn tại buổi hòa nhạc, tất cả đều có chung một thiết kế cơ bản.

Sự phát triển của hệ thống Hi-Fi đã mang đến cho chúng ta chất lượng âm thanh đáng kinh ngạc nhưng việc hiểu rõ các nguyên tắc cơ bản đằng sau công nghệ loa sẽ giúp bạn đưa ra quyết định sáng suốt hơn khi xây dựng hệ thống âm thanh của riêng mình.

Loa hoạt động như thế nào?

Trước khi đi sâu vào chi tiết về cách hoạt động của các thành phần loa, chúng ta hãy dành chút thời gian để hiểu cách loa tạo ra âm thanh nói chung. Tín hiệu âm thanh khuếch đại được gửi đến một cuộn dây kim loại làm bằng dây. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó sẽ tương tác với một nam châm bên trong loa, khiến màng loa rung lên.

Những rung động này di chuyển không khí, tạo ra sóng âm thanh mô phỏng chính xác tín hiệu âm thanh gốc. Và cứ như thế, bạn nghe thấy âm thanh—cho dù đó là âm nhạc hay giọng nói của ai đó. Tất nhiên, đây là lời giải thích đơn giản, nhưng bây giờ chúng ta đã hiểu cơ bản, hãy chia nhỏ nó ra.

Loa hay bộ chuyển đổi âm thanh là thành phần chính của bất kỳ hệ thống loa nào, cho phép chúng ta nghe được âm thanh. Công việc của nó là chuyển đổi tín hiệu điện từ bộ khuếch đại thành sóng âm truyền qua không khí và đến tai chúng ta.

Để kết nối với bộ khuếch đại, loa có hai đầu nối được liên kết với một cuộn dây âm thanh ẩn bên trong loa. Cuộn dây này nằm trong một khe hẹp giữa các cực của nam châm vĩnh cửu nằm ở phía sau loa. Khi dòng điện xoay chiều (tín hiệu âm thanh điện) chạy qua cuộn dây, nó sẽ di chuyển tới lui—tuân theo các nguyên lý điện từ mà tất cả chúng ta đã học ở trường.

Vì cuộn dây được gắn vào màng loa, là bộ phận bạn có thể nhìn thấy ở mặt trước của loa nên màng loa (hoặc hình nón) cũng di chuyển qua lại. Những chuyển động này tạo ra sóng âm thanh mà chúng ta cảm nhận là âm thanh. Để cho phép màng loa di chuyển tự do, nó được gắn trên một khung bao quanh linh hoạt. Biên độ chuyển động của màng loa càng lớn thì âm thanh chúng ta nghe được càng to.

Bên trong loa có gì?

Chúng ta hãy nhìn vào bên trong loa và phân tích vai trò của từng bộ phận trong việc tạo ra âm thanh.

Loa

Công việc chính của loa là chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng âm. Về cơ bản, nó là “động cơ” thúc đẩy quá trình tạo ra âm thanh.

Các thành phần chính của loa bao gồm:

• Cực;
• Tấm ốp lưng;
• Nam châm;
• Tấm trên cùng;
• Cuộn dây bằng giọng nói;
• Rổ;
• nhện;
• hình nón và bao quanh;
• Mũ che bụi.

Cực, Tấm ốp lưng và Tấm trên cùng

Cực có tác dụng như một dây dẫn, điều phối toàn bộ hệ thống nam châm của loa. Nó nằm ở trung tâm và điều khiển từ trường. Tấm ốp lưng được đặt phía sau cột, trong khi tấm trên cùng được đặt ngay phía trên cột.

Nam châm

Nam châm cung cấp nguồn năng lượng từ trường liên tục trong loa, được bao quanh bởi cực và các tấm giúp tập trung từ trường. Nó được cố định vào giỏ loa và được gọi là nam châm vĩnh cửu vì nó giữ được đặc tính từ tính vô thời hạn. Mặt khác, cuộn dây âm thanh tương tác với nam châm chỉ trở nên có từ tính khi có dòng điện đi qua nó.

Cuộn dây giọng nói

Cuộn dây âm thanh là một sợi dây quấn chặt quanh một hình trụ nhỏ, đôi khi được gọi là suốt chỉ. Hãy nghĩ về nó giống như một yo-yo. Khi tín hiệu điện đi qua cuộn dây, nó sẽ trở thành nam châm điện, tương tác với nam châm vĩnh cửu trong loa. Nếu bạn nhớ các bài học vật lý, bạn sẽ biết rằng các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau và các điện tích trái dấu thì hút nhau. Sự tương tác từ tính này làm cho cuộn dây chuyển động tới lui, cuối cùng tạo ra sóng âm thanh.

Nhện và Vòm

Con nhện là một vật liệu lượn sóng hỗ trợ cuộn dây giọng nói, giữ nó ở đúng vị trí trong khi cho phép nó di chuyển tiến và lùi một cách nghiêm ngặt. Mặc dù có vẻ phản trực giác nhưng con nhện đảm bảo rằng cuộn dây không dịch chuyển sang một bên, duy trì chuyển động ổn định.

Phần bao quanh phục vụ mục đích tương tự cho hình nón. Nó giữ hình nón ở vị trí trên cùng của giỏ loa, cho phép nó di chuyển trơn tru trong khi tạo ra âm thanh.

hình nón

Hình nón hay còn gọi là màng loa là một trong số ít bộ phận có thể nhìn thấy được của loa. Nó di chuyển tới lui để đáp ứng với các xung từ từ cuộn dây âm thanh. Chuyển động này tạo ra các sóng áp suất trong không khí xung quanh, tạo ra âm thanh mà chúng ta nghe được.

Mũ che bụi

Nắp chống bụi là một bộ phận nhỏ có tác dụng bảo vệ các bộ phận bên trong của loa khỏi bụi và mảnh vụn, ngăn ngừa những hư hỏng có thể xảy ra.

Rổ

Giỏ là khung giữ tất cả các thành phần loa lại với nhau. Đúng như tên gọi, nó hoạt động giống như một cái giỏ, tập hợp tất cả các bộ phận lại thành một cấu trúc thống nhất.

Đó là cách một chiếc loa hoạt động. Tuy nhiên, khi nói về “loa”, chúng ta thường đề cập đến toàn bộ hệ thống chứ không chỉ các bộ phận bên trong. Nhưng còn cần những gì nữa để đảm bảo loa hoạt động hiệu quả?

Linh kiện điện

Để cuộn dây âm thanh phát ra âm thanh, nó cần có tín hiệu điện. Đây là nơi các đầu cuối loa và dây bện phát huy tác dụng. Thiết bị đầu cuối là các điểm hoặc cổng kết nối kim loại nơi cáp âm thanh kết nối với loa.

Các thiết bị đầu cuối này liên kết với dây bện cung cấp năng lượng cho cuộn dây âm thanh, cung cấp “nhiên liệu” cần thiết để cung cấp năng lượng cho nó. Dây này có nhiệm vụ truyền tín hiệu điện được chuyển thành âm thanh.

Bao vây

Vỏ loa, hay “tủ” loa, đóng một vai trò quan trọng trong cách thức hoạt động của loa. Đầu tiên, nó cung cấp một lớp vỏ kín để bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi bụi bẩn và các yếu tố bên ngoài như lông thú cưng.

Thứ hai, vỏ bọc giúp giảm hiện tượng méo pha. Khi màng loa di chuyển, nó sẽ tạo ra sóng âm theo cả hai hướng. Nếu không có vỏ bọc, các sóng này có thể triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến chất lượng âm thanh kém.

Cuối cùng, lớp vỏ ảnh hưởng đến hướng âm thanh và điều chỉnh âm trầm. Một chiếc thùng loa được thiết kế tốt có thể giúp định hướng âm thanh đến nơi cần thiết và nâng cao cảm nhận về tần số thấp.

Vỏ bọc thường được làm từ vật liệu dày đặc, cứng nhắc để ngăn chặn sự cộng hưởng và rung động không mong muốn. Các vật liệu phổ biến nhất là gỗ hoặc MDF (ván sợi có mật độ trung bình), mặc dù đôi khi nhựa cũng được sử dụng.

Loa tái tạo các tần số khác nhau như thế nào?

Chúng ta đã đề cập đến cách loa chuyển đổi năng lượng điện thành sóng âm thanh. Tuy nhiên, không phải tất cả các tần số âm thanh đều giống nhau và nếu một loa duy nhất cố gắng xử lý toàn bộ phổ âm thanh thì chất lượng sẽ bị ảnh hưởng.

Đó là lý do tại sao tại các buổi hòa nhạc, bạn sẽ thường thấy rất nhiều hệ thống âm thanh. Mỗi loa được thiết kế để xử lý một dải tần số cụ thể: loa siêu trầm và loa trầm quản lý tần số thấp, trình điều khiển tầm trung đảm nhiệm dải tần trung và loa tweeter nhỏ đảm nhiệm tần số cao. Những loa này được chế tạo khác nhau để xử lý các phạm vi riêng biệt này.

Tất nhiên, hầu hết mọi người đều không muốn lấp đầy phòng thu hoặc phòng khách của mình bằng một đống loa lớn và các trình điều khiển riêng biệt cho từng tần số. Đây là lúc loa đa trình điều khiển phát huy tác dụng.

Loa đa trình điều khiển

Loa nhiều trình điều khiển sử dụng hai, ba hoặc thậm chí bốn trình điều khiển có kích thước khác nhau để xử lý các tần số khác nhau. Loại phổ biến nhất là loa hai trình điều khiển, thường được gọi là hệ thống hai chiều.

Bên trong loa hai chiều, có một bộ phân tần—một thành phần đặc biệt giúp phân chia tín hiệu âm thanh thành các dải tần số khác nhau. Các tần số cao được gửi đến loa tweeter, trong khi tần số trung và thấp được dẫn đến loa trầm, sử dụng các bộ lọc để phân chia tần số một cách hợp lý.

Bằng cách sử dụng bộ phân tần, loa có thể tái tạo toàn bộ dải âm thanh với mức chất lượng không thể thực hiện được chỉ với một trình điều khiển duy nhất.

Loa tweeter và loa trầm

Nếu bạn để ý, hầu hết các loa Hi-Fi đều có nhiều trình điều khiển có kích cỡ khác nhau ở mặt trước. Nhưng tại sao vậy? Mặc dù về mặt lý thuyết, một trình điều khiển duy nhất có thể tái tạo toàn bộ dải tần số âm thanh nhưng phương pháp này có những hạn chế thực tế.

Loa tweeter và loa trầm

Một củ loa nhỏ không thể di chuyển đủ không khí để tạo ra tần số thấp ở mức âm lượng vừa đủ. Mặt khác, các trình điều khiển lớn hơn, xử lý âm trầm tốt, lại có những hạn chế về mặt cơ học khiến chúng không thể tái tạo tần số cao một cách hiệu quả. Một đặc điểm quan trọng khác của trình điều khiển là tính định hướng, đề cập đến góc mà âm thanh được cân bằng hợp lý. Khả năng định hướng của trình điều khiển phụ thuộc vào kích thước của nó: trình điều khiển lớn hơn có khả năng định hướng hẹp hơn ở tần số cao, trong khi trình điều khiển nhỏ hơn gặp khó khăn ở tần số thấp.

Loa tần số cao

Để đạt được âm thanh cân bằng, chất lượng cao trên tất cả các tần số, loa sử dụng nhiều trình điều khiển có kích cỡ khác nhau. Mỗi trình điều khiển được thiết kế đặc biệt để xử lý một dải tần số cụ thể—thấp, trung bình hoặc cao. Để đảm bảo mỗi trình điều khiển chỉ nhận được tần số được thiết kế cho nó, một thành phần đặc biệt được gọi là bộ phân tần được sử dụng, giúp phân chia tín hiệu âm thanh thành các dải tần số khác nhau. Nhưng chúng ta sẽ nói về điều đó vào lần tới.

Trở kháng loa là gì?

Trở kháng của loa đề cập đến điện trở tổng thể đối với dòng điện trong loa. Nó được đo bằng ohm và bao gồm cả điện trở của dây cuộn dây âm thanh và độ tự cảm do dây quấn vào cuộn dây gây ra. Không giống như điện trở tiêu chuẩn, độ tự cảm thay đổi theo tần số của tín hiệu, một hiện tượng được gọi là phản ứng cảm ứng.

Do biến số này, trở kháng khác với điện trở “thông thường” và được tính bằng các công thức phức tạp mà bạn không cần phải ghi nhớ trừ khi bạn là kỹ sư. Điều quan trọng cần nhớ là việc kết hợp trở kháng của loa và bộ khuếch đại là rất quan trọng để có hiệu suất tối ưu. Trở kháng không khớp có thể dẫn đến chất lượng âm thanh thấp hơn, quá nhiệt và thậm chí làm hỏng thiết bị.

Vì vậy, hãy luôn đảm bảo loa của bạn tương thích với bộ khuếch đại để tránh các sự cố và tận hưởng âm thanh chất lượng cao mà không gây nguy hiểm cho thiết bị của bạn!

Công suất loa so với độ nhạy của loa

“Càng lớn càng tốt,” phải không?

Không phải lúc nào cũng vậy. Nhiều người nghĩ rằng công suất loa cao hơn đương nhiên có nghĩa là âm thanh to hơn. Nhưng trên thực tế, liệu bạn có thể sử dụng hết sức mạnh đó không?

Cách tốt hơn để so sánh các loa là xem xét độ nhạy của chúng. Độ nhạy, được đo bằng decibel (dB), cho bạn biết loa chuyển đổi năng lượng điện thành âm thanh hiệu quả như thế nào. Xếp hạng độ nhạy càng cao thì loa có thể tạo ra càng nhiều âm thanh với mức công suất nhất định. Nói cách khác, nó thực hiện công việc biến điện thành sóng âm tốt hơn.

Xếp hạng độ nhạy sẽ san bằng sân chơi khi so sánh hiệu suất và công suất của loa. Tuy nhiên, nếu đang sử dụng bộ khuếch đại bên ngoài, bạn vẫn cần cân nhắc xem loa có thể xử lý được công suất bao nhiêu. Việc xử lý công suất cho biết loa có thể sử dụng bao nhiêu điện mà không bị hỏng, vì vậy điều quan trọng là phải khớp đầu ra của bộ khuếch đại với định mức công suất của loa.

Việc lựa chọn giữa độ nhạy cao hay thấp tùy thuộc vào nhu cầu hệ thống của bạn. Nếu hiệu quả sử dụng năng lượng là quan trọng (như trong loa di động hoặc hệ thống âm thanh ô tô), bạn sẽ muốn loa có độ nhạy cao hơn. Mặt khác, trong thiết lập âm thanh chuyên nghiệp, bạn có thể cần loa có công suất cao hơn.

Đáp ứng tần số

Khi nói về đáp ứng tần số của loa, chúng ta đang thảo luận về khả năng tái tạo âm thanh trên các dải tần số khác nhau. Vì không có loa nào là hoàn hảo nên biểu đồ đáp ứng tần số sẽ giúp tiết lộ các tần số mà loa có thể nhấn mạnh quá mức hoặc hoạt động kém.

Đáp ứng tần số rất quan trọng vì nhiều lý do. Đầu tiên, điều quan trọng là khi thiết kế hệ thống nhiều trình điều khiển và thiết lập các bộ phân tần, giúp phân chia tần số giữa các trình điều khiển khác nhau. Thứ hai, nó giúp bạn chọn loa phù hợp với nhu cầu âm thanh cụ thể của mình, cho dù đó là cho công việc phòng thu chuyên nghiệp hay nghe nhạc tại nhà.

Nhiều loa dành cho người tiêu dùng được điều chỉnh có chủ ý bằng đường cong “cười” nhẹ trong đáp ứng tần số để nâng cao trải nghiệm âm thanh. Tuy nhiên, nếu bạn đang làm việc trong lĩnh vực sản xuất âm nhạc, bạn cần những chiếc loa có đáp ứng tần số phẳng. Điều này đảm bảo rằng không có thiết bị hoặc mẫu nào bị che khuất bởi sự sụt giảm trong dải tần số hoặc được tăng cường một cách giả tạo bởi các đỉnh.

Về cơ bản, loa có đáp ứng tần số phẳng cung cấp âm thanh chính xác, trong trẻo, phản ánh chặt chẽ nguồn âm thanh gốc, điều này rất quan trọng để hòa âm và làm chủ chính xác.

Còn tai nghe thì sao?

Tai nghe sử dụng công nghệ tương tự như trình điều khiển loa nhưng ở quy mô nhỏ hơn. Về cơ bản, chúng là những chiếc loa nhỏ nằm trên hoặc bên trong tai bạn, mang đến âm thanh được cá nhân hóa.

Loa âm thanh nổi hoạt động như thế nào?

Một loa đơn thường phát âm thanh đơn âm. Để đạt được âm trường âm thanh nổi đầy đủ, bạn cần có hai loa, mỗi loa truyền tín hiệu âm thanh trái và phải và được định vị để tạo ra môi trường âm thanh rộng rãi.

Nhưng còn soundbar thì sao? Làm thế nào để họ tạo ra hiệu ứng âm thanh nổi?

Soundbars được thiết kế cho đầu ra âm thanh nổi có nhiều trình điều khiển được bố trí trên thùng loa. Tín hiệu âm thanh nổi được chia thành các kênh trái và phải và mỗi trình điều khiển sẽ nhận phần của nó để tạo ra hình ảnh âm thanh nổi rộng hơn. Những hệ thống này thường đi kèm với một loa siêu trầm bổ sung để tạo ra âm trầm sâu—hoàn hảo để tái tạo tần số thấp hoặc giọng nói khàn khàn của Batman.

Ai đã phát minh ra loa?

Giống như nhiều phát minh khác từ đầu thế kỷ 20, thật khó để chỉ ghi nhận một người đã phát minh ra loa. Công nghệ này phát triển theo thời gian khi các nhà khoa học và kỹ sư hiểu rõ hơn về sóng âm và dòng điện.

Alexander Graham Bell, nhà phát minh nổi tiếng của điện thoại, đã có những đóng góp đáng kể cho công nghệ âm thanh, phát triển một trong những phiên bản loa phóng thanh đầu tiên vào cuối thế kỷ 19. Không lâu sau, Oliver Lodge đã tạo ra chiếc loa cuộn dây chuyển động đầu tiên. Năm 1915, các kỹ sư Đan Mạch Peter L. Jensen và Edwin Pridham đã được cấp bằng sáng chế cho loa điện động, trong đó một cuộn dây gắn với một màng ngăn được đặt trong từ trường.

Bên kia Đại Tây Dương, vào năm 1925, Edward W. Kellogg và Chester W. Rice đã phát triển loa động có màng loa, sau này được RCA cấp phép. Thiết kế của họ bao gồm nhiều yếu tố tạo nên nền tảng của công nghệ loa hiện đại.

Vì vậy, thật an toàn khi nói rằng ngày nay nhiều người đã đóng góp vào sự phát triển của công nghệ cho phép bạn thưởng thức âm nhạc và phim ảnh với âm thanh chất lượng cao. Giống như nhiều phát minh vĩ đại, thực sự phải mất cả một ngôi làng để đưa những chiếc loa hiện đại vào cuộc sống!

Tương lai của hệ thống âm thanh

Công nghệ ngày càng nhỏ hơn và rẻ hơn—đó là sự thật. Nhưng khi nói đến loa, công nghệ cốt lõi hầu như không thay đổi kể từ khi họ được phát minh.

Trên thực tế, loa là một trong những công nghệ kém hiệu quả nhất mà chúng ta sử dụng ngày nay. Hơn 99% năng lượng đưa vào loa không được chuyển thành âm thanh. Hầu hết nó bị lãng phí dưới dạng nhiệt. Điều đáng ngạc nhiên là Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) vẫn chưa cấm loa vì hiệu quả sử dụng năng lượng kém.

Tuy nhiên, tương lai của loa có thể thay đổi nhờ một loại vật liệu mới được phát hiện vào năm 2004 – graphene. Vật liệu này cực kỳ nhẹ, có nghĩa là nó cần ít năng lượng hơn để di chuyển tới lui để tạo ra sóng âm. Đó là một tin tuyệt vời, đặc biệt đối với các loa tweeter vốn cần những vật liệu nhẹ như vậy để hoạt động hiệu quả ở tần số cao.

Nếu các nhà khoa học có thể mở rộng quy mô sản xuất graphene thành công và tích hợp nó vào các sản phẩm thương mại thì loa trong tương lai có thể nhẹ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn nhiều.

Cho đến lúc đó, chúng ta sẽ phải sử dụng những gì hiện có—máy sưởi không gian mini chuyển đổi tín hiệu điện thành sự thay đổi áp suất không khí, còn được gọi là loa.