Tìm hiểu chi tiết về các thông số của loa

Thông thường, khi đọc thông tin về loa, ngoài các thông tin về kích thước, driver được sử dụng, ta còn thấy thông số về đáp tuyến tần số, trở kháng và độ nhạy. Tuy nhiên, liệu đây có phải là những thông tin quan trọng nhất?

Cũng giống như microphone, khi đo đáp tuyến tần số của loa, người ta thường thực hiện trong một buồng không vang âm để tránh hiện tượng cộng hưởng, nhiễu ồn nền và thay đổi nhiệt độ tác động đến kết quả. Thực ra, loa và microphone có thể đo trong phòng bình thường, sử dụng tính năng gating trên các phần mềm đo đạc để tránh tác động của cộng hưởng. Tuy nhiên, tính năng này sẽ giới hạn dải tần số thấp nhất mà ta có thể đo một cách chính xác, cũng như hạn chế độ phân giải tần số (frequency resolution). Điều này sẽ hạn chế khả năng quan sát các băng tần hẹp, chỉ có thể thấy được các lỗi ở những dải tần số cao, trừ phi phòng đo phải có kích thước rộng, giới hạn phòng – kể cả trần và sàn phòng, cũng phải cách nhau tối thiểu 4.5m. Do đó, hầu hết các bài kiểm tra loa thường được thực hiện ở những buồng không vang âm chuyên dụng.

Đáp tuyến tần số mà ta thấy trong bảng thông số loa là kết quả đo trực tiếp ngay ở phía trước loa và đó mới chỉ là một nửa của vấn đề. Nửa còn lại là con số này sẽ thay đổi khi đo ở các góc khác nhau phía trước loa, cũng như lượng âm thanh tỏa ra ở các cạnh và đằng sau. Trong điều kiện lý tưởng, loa sẽ tỏa đều âm thanh ra mọi hướng đằng trước, nơi chúng ta đang ngồi nghe và về những phía còn lại. Âm thanh khi tiếp xúc tường vách, sàn hay trần nhà chưa xử lý âm học sẽ tạo ra phản hồi và việc gửi âm thanh về phía không cần thiết sẽ bị xem là lãng phí. Đối với loa công cộng, phạm vi tỏa âm là yếu tố rất quan trọng vì cần phải đảm bảo tất cả mọi người dù ở vị trí nào cũng có thể nghe được âm thanh giống nhau, loa cũng cần phải tránh lãng phí năng lượng hay tạo ra tiếng vang do truyền âm thanh vào những nơi như tường hoặc trần nhà.

Hình trên cho thấy đáp tuyến cực (polar response) của một loa cỡ trung điển hình ở phòng nghe gia đình hay studio. Dù đây là thiết kế loa thùng thông thường với tweeter và woofer cùng hướng về phía trước, đáp tuyến các dải trầm vẫn phần nào thiên về đa hướng. Ta cũng thấy rằng phạm vi tỏa âm của các dải cao sẽ hẹp hơn, với hướng thu hẹp dần về phía người nghe lệch về một bên. Đây là lý do quan trọng để hướng các loa trái phải vào vị trí trung tâm (chỗ người nghe ngồi) thay vì để chúng hướng thẳng.

Thông thường loa sẽ tỏa các dải tần số rất cao trong phạm vi các góc cực hẹp, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng tia hoặc đỉnh lồi (lobing). Ta có thể thấy rõ điều này ở đồ thị dưới đây. Các thuật ngữ này cũng dùng để mô tả phạm vi tỏa âm của ăng ten truyền dẫn tín hiệu radio, vốn rất coi trọng về yếu tố hướng tính. Số lượng các trạm thu phát sóng nhiều hơn cả số lượng tần số có sẵn, do đó hầu hết các trạm đều phải chia sẻ cùng tần số với những trạm khác ở xa. Do đó, luật ban hành yêu cầu mỗi trạm khi hoạt động cùng tần số sẽ phải truyền tín hiệu về những hướng khác nhau để tránh tình trạng xung đột.

Có một vài nguyên nhân gây ra hiện tượng đỉnh lồi: Khi âm thanh gần đến ngưỡng tần số cắt của hai driver, mỗi driver sẽ có đáp tuyến pha hai lệch nhau một chút. Như vậy, khi hai nguồn tạo âm thanh kết hợp với nhau, các khác biệt về pha cũng tương tác với nhau, từ đó ảnh hưởng đến hướng tính. Quay trở lại với ví dụ về radio, khi một đài kiểm soát hướng phát sóng của mình, đài đó sẽ dùng từ hai ăng ten trở lên. Các bộ lọc thông dải được lắp theo chuỗi kết hợp với ăng ten sẽ làm lệch pha để tạo ra phạm vi phát sóng mong muốn. Với loa, điều tương tự cũng xảy ra vì woofer và tweeter có lượng lệch pha khác nhau tại các tần số gần với tần số cắt khi cả hai hoạt động cùng lúc.

Hiện tượng tỏa tia ở loa cũng xảy ra vì khi phát một bước sóng nhỏ trên một bề mặt diện tích lớn sẽ tạo ra nhiễu âm học. Ngay cả khi đường kính của màng tweeter chỉ 2.5cm, nó vẫn rộng hơn bước sóng 15kHz. Đó cũng là lý do vì sao tweeter thường được thiết kế khá nhỏ: Để trở thành một nguồn tạo âm thanh đơn nhất, từ đó giảm hiệu ứng đỉnh lồi. Một nguyên nhân khác gây ra hiện tượng này là màng nón bị biến dạng khi di chuyển thay vì chuyển động đúng quỹ đạo hình piston.

Lưu ý rằng hiện tượng đỉnh lồi xuất hiện trên tất cả các driver chứ không phải chỉ tweeter. Driver midrange 10cm cũng sẽ tỏa tia trừ phi nó có tần số cắt ở mức đủ thấp. Khi đo đáp tuyến lệch trục của loa trong buồng không vang âm, loa thường được đặt trên một bệ xoay để có thể đo ở nhiều vị trí tương quan khác nhau chỉ bằng một micro duy nhất. Một phương pháp khác là đặt nhiều micro ở vị trí, nhiều góc độ khác nhau.

Một thông số quan trọng khác liên quan đến loa là độ nhạy. Thông số này cho ta biết loa có thể tạo ra âm thanh lớn đến mức nào khi có một lượng năng lượng nhất định được đưa vào. Cũng như với đáp tuyến tần số, độ nhạy được đo trong buồng không vang âm. Phương pháp truyền thống dùng để đo độ nhạy là đưa vào 1 watt điện, sau đó đo áp suất âm thanh từ khoảng cách 1m. Đối với loa 8 Ohm, 1 watt sẽ xuất hiện khi có điện áp 2.83 volt được đưa vào. Tuy nhiên, trở kháng loa không cố định mà sẽ thay đổi dựa vào tần số. Có một phương pháp hiện đại hơn được gọi là “độ nhạy điện áp”, phương pháp này được thực hiện bằng cách duy trì điện áp 2.83 volt thay vì để điện áp thay đổi để có thể tạo ra 1 watt. Sau đó, độ nhạy được đo từ khoảng cách khá xa trong buồng không vang âm, thường là từ 2m trở lên đối với loa thông thường. Từ kết quả thu được, các kỹ sư sẽ tính toán để đưa ra kết quả có thể thu được từ khoảng cách tiêu chuẩn 1m.

Việc sử dụng buồng không vang âm có thể tránh tác động của cộng hưởng phòng nghe, vốn sẽ làm tăng áp suất âm thanh do phản hồi sẽ thêm vào âm thanh trực tiếp phát từ loa. Tùy vào từng loại loa khác nhau, độ nhạy có thể thay đổi rất nhiều. Loa họng kèn là loại cực kỳ hiệu quả, đó là lý do do chúng thường được dùng ở những không gian lớn, tụ tập đông người, dù rằng các loa thông thường sử dụng tweeter họng kèn thường được thiết kế với độ nhạy thấp hơn vì họng kèn phải khớp với driver woofer được sử dụng cho loa. Các loa hệ treo âm học thường có độ nhạy tương đối thấp, bởi chúng phải đánh đổi độ nhạy để có được đáp tuyến dải trầm mở rộng. Những cặp loa JBL 4430 thế hệ cũ có độ nhạy tương đối cao, ở mức 93dB, trong khi các loa họng kèn cỡ lớn dùng ở nơi công cộng có độ nhạy có thể lên đến 110dB. Những loa nhỏ hơn, sử dụng trong phòng nghe bình thường có độ nhạy dao động trong khoảng 85 – 90dB.

Méo tiếng ở loa thường cao hơn ở mạch điện thông thường hàng chục, thậm chí hàng trăm lần. Đồ thị dưới đây thể hiện méo tiếng ở dải 50Hz khi woofer chơi với mức âm lượng 86dB. Ngay cả khi hoạt động chỉ ở mức âm lượng trung bình, độ méo tiếng cũng cao hơn tới 6%. Tại những dải tần số trầm hơn, với mức âm lượng cao hơn, mức độ méo tiếng có thể lên đến 10% ngay cả ở những cặp loa được đánh giá là có chất lượng tốt. Nguyên nhân là do khoảng hàn trình của màng loa sẽ tăng lên gấp đôi khi tần số giảm đi một nửa. Như vậy, tần số càng thấp sẽ khiến màng loa càng phải di chuyển xa hơn khỏi vị trí nghỉ, gần sát đến ngưỡng giới hạn của nó.

Driver midrange và tweeter thường có độ méo tiếng thấp hơn woofer, một phần là vì khoảng hành trình của chúng không xa bằng, nhưng phần khác cũng là vì hầu hết các bản nhạc không chứa quá nhiều năng lượng ở các dải trung và cao như dải trầm. Tuy nhiên, khi chơi ở mức âm lượng cao hơn, độ méo tiếng vẫn có thể lên đến 1%. Để tính toán, tổng khoảng hành trình tuyến tính của màng loa thường được quy ước là Xmax, thể hiện bằng đơn vị milimet. Khoảng hành trình tối đa tuyệt đối, giới hạn cuối cùng mà màng loa có thể đi xa nhất về cả hai phía được gọi là Xlim và cũng được đo bằng milimet.

Để đo độ méo tiếng của loa thường rất khó khăn, đặc biệt là trong điều kiện nhà ở thông thường. Ngoài việc cần sử dụng môi trường không vang âm để tránh tác động của cộng hưởng phòng, bất cứ loại micro nào dùng để đo méo tiếng cũng có độ méo tiếng của riêng nó, góp thêm vào kết quả mà ta đo được. Vì thế, ít nhất ta phải dùng một micro với đáp tuyến tần số đã biết và có độ méo rất thấp. Những chiếc micro như vậy thường rất đắt đỏ. Cần lưu ý rằng đáp tuyến tần số của micro cũng là yếu tố quan trọng khi đo độ méo vì méo hài tổng và méo điều biến từ loa sẽ xuất hiện ở những dải tần số nhất định. Giả sử micro hạ 6dB ở một tần số nhất định, méo tiếng từ loa tại tần số ấy khi đo được sẽ thấp hơn mức độ thực tế.

Bất cứ trường hợp nào liên quan đến thông số loa cũng cần phải tính đến tham số Thiele-Small. Các tham số này được đặt tên theo hai nhà khoa học A. Neville Thiele và Richard H. Small. Hai người này từng xuất bản phương pháp phân tích loa từ năm 1976 vẫn còn được dùng đến ngày nay. Tham số Thiele-Small xét một loạt các yếu tố dùng để đánh giá hiệu năng của driver loa, trong đó có cả Xmax và Xlim mà ta vừa nói đến ở trên. Để bàn luận đến tham số Thiele-Small, ta sẽ cần một bài viết khác chuyên sâu hơn, tuy nhiên bất cứ ai muốn nghiên cứu vấn đề này có thể tìm hiểu từ các nguồn tham khảo khác nhau hiện đã có sẵn rất nhiều.