Loa và Crossover 3

• Ngày đăng: 09-10-2017, 10:52 am
• Lượt xem: 4633

Bài 3: Crossover

Crossover, khái niệm cơ bản

Mạng phân chia tần số, gọi là crossover, là khía cạnh cơ bản quan trọng để thiết kế và điều khiển loa. Crossover có thể có hai dạng thức cơ bản. Crossover thụ động (passive) (high-level), được thiết kế để hoạt động ở output của ampli công suất, và thường tích hợp vào trong thiết kế thùng loa. (Kiểm tra thông số kỹ thuật của hãng sản xuất, nếu chỉ có một hay hai jack cắm không có nhãn trên thùng loa full-range có hai hay nhiều thiết bị loa trong nó, thường có thể giả định nó đã bao gồm mạng crossover thụ động (passive) trong thiết kế).

Crossover chủ động (active) hay điện tử-electronic (low-level) được chèn vào đường tín hiệu trước ampli công suất, cung cấp cho những channel của ampli công suất từng output riêng biệt. Sự lựa chọn giữa crossover chủ động hay thụ động quan trọng ở những điều sau đây: Crossover chủ động thường hiệu quả và linh hoạt hơn. Ở hệ thống cấp độ thấp hay vừa phải, crossover thụ động, ít tốn kém và dễ sử dụng hơn.

Loa full range 2 way và 3 way nhỏ gọn thường được tiếp thị với crossover thụ động nội bộ. Một số loại cung cấp nhiều tùy chọn để bỏ qua mạng thụ động và có thể tiếp tế riêng rẽ cho từng driver. Khả năng về chất lượng và sức mạnh xử lý của crossover thụ động đóng vai trò quan trọng trong âm thanh tổng thể. Nó có thể có âm thanh chất lượng cao hơn với driver chất lượng khiêm tốn và crossover dễ dàng đạt chất lượng cao hơn những cách khác (driver tuyệt vời và crossover giá rẻ). Đồng thời, vài crossover thụ động có thể bị bão hòa trước khi đạt đến công suất của chính driver. Crossover thụ động có công suất rất cao thường khá lớn và nặng.

Thông thường, để cho ra âm thanh full-range chất lượng cao, bắt buộc phải có nhiều crossover chủ động và nhiều bộ khuếch đại công suất. Hệ thống có thể thiết kế để một crossover chủ động xử lý tất cả điểm crossover, hay vài cái.

Trong hệ thống high-output, crossover thụ động nói chung hữu ích nhất trong quy trình chuyển tiếp vào horn tần số cao hay super-tweeter. Trong trường hợp như vậy, sẽ dùng crossover chủ động cho những điểm crossover từ low đến mid-range hay low đến lower-mid.

Thiết bị crossover liên quan đến hai hay nhiều bộ lọc (filter), xác định giải tần số nào được mỗi thiết bị loa nhân bản lên. Mỗi điểm crossover (điểm giao nhau) liên quan đến mạng low-pass và high- pass làm việc cùng nhau để giới hạn rất nhiều giải tín hiệu đặc biệt sẽ gởi đến cho mỗi output.

Ý tưởng về một band crossover dừng lại ở một tần số cụ thể và đơn giản là không cho phép bất cứ tín hiệu nào vượt quá tần số đó, thường gọi là bộ lọc tường đá (brick wall filter). Mặc dù những kỹ sư âm thanh kinh nghiệm đã cười rất nhiều về quan niệm tường lọc, lý tưởng lý thuyết này khó thể đạt trong thế giới thực mặc dù vài mạch hiện đại đã đạt đến gần đáng ngạc nhiên.

Độ dốc của crossover luôn thoai thoải, những độ dốc này xác định bằng mạch điện, và có khoảng cách 6dB. Độ dốc crossover thường gặp là 6dB/octave, 12dB/octave, 18dB/octave, 24dB/octave, hay tương ứng là 1st-order, 2nd-order, 3rd-order và 4th-order. Một crossover 6dB/octave thụ động liên quan đến cuộn cảm (coil) và tụ điện đơn giản, có những thông số phù hợp với tần số crossover và trở kháng (impedance) của những driver. Lọai cao cấp hơn hơn liên quan đến mạch ngày càng phức tạp. Mạch lọc đặc biệt được thiết kế cao đến bậc thứ 10 (60dB/oct), đôi khi cũng sử dụng ngay cả bậc cao hơn (phổ biến nhất là sử dụng kết hợp với bộ chuyển đổi digital-to-analog dùng cho thiết bị hiệu ứng và delay line).

Nhưng hiện nay crossover hiếm khi sử dụng bộ lọc trên 24dB/octave. Tương lai sẽ ra sao, ai biết được? Crossover digital tại giáo trình này đang bắt đầu được bán trên thị trường cố độ dốc lên đến 90dB/octave (loại tường gạch nghiêng), và nó vẫn còn đang được tranh luận là có cần hay không những độ dốc triệt để là ưu điểm đáng kể (mặc dù driver tần số cao chắc chắn thích nó).

Bộ lọc crossover độ dốc càng cao, càng ít có sự chồng chéo trong khu vực crossover. Có liên quan tới vài yếu tố thực tế ở đây. Việc hạ thấp độ dốc, ít bảo vệ driver trong giải tần thấp nhất nơi nó đang có nguy cơ bị áp lực (overstress) và chồng chéo lên nhau nhiều hơn trong giải giữa những giải lân cận. Trong khu vực chồng chéo, đôi khi rộng đến vài octave, trong nhiều trường hợp, hai giải có thể can thiệp vào công việc của nhau. Mặt khác, độ dốc cao có nhiều khuynh hướng dịch phase những tín hiệu output của những band liền kề và trong khu vực giao nhau (crossover). (Để làm cho vấn đề phức tạp hơn, lượng dịch phase còn thay đổi theo tần số).

Độ dốc crossover tiêu biểu cho pro-sound là khoảng giữa 12dB/octave và 24dB/octave. Loại này thường dùng độ dốc crossover 24dB/octave, cung cấp sự bảo vệ tốt nhất cho driver dùng ở mức độ cao (high level), và là tiêu chuẩn hiện hành đối với hệ thống cấp cao. (6dB/octave thì không thỏa đáng cho tất cả, nhưng lại là cơ bản cho những hệ thống prosound rẻ tiền, và trong nhiều trường hợp không thể trang bị bảo vệ đầy đủ cho những driver tần số cao). Một ưu điểm khác của sườn dốc là nó có thể dùng để bảo vệ driver tần số low và low-mid trong thùng loa, chung quanh điểm dốc xuống trong giải hữu dụng thấp nhất. Mặc dù độ dốc 24dB/octave trong bài viết này coi như là tiêu chuẩn cho cấp độ cao nhất của hệ thống chất lượng cao, thiết bị 12dB và 18dB/octave cũng được dùng cho nhiều mục đích, với kết quả hầu hết tai nghe đều chấp nhận (và đôi khi còn tốt hơn). Một yếu tố chính liên quan đến lý do tại sao như vậy là sự liên kết tương đối của những driver, đối phó thật nhanh.

Crossover xử lý điều khiển (Processor-controlled crossover), có sẵn từ vài hãng sản xuất với giá tương đối cao, thiết kế sử dụng điểm crossover nổi (floating) để thích ứng gần như tức thời với những thay đổi năng động của chương trình bất cứ khi nào hệ thống gần đến tối đa khả năng của nó. 

Crossovers, cách sử dụng cơ bản

Những tần số crossover cơ bản được lựa chọn để sử dụng trong một ứng dụng thay đổi khá rộng, đôi khi cũng là vấn đề sở thích cá nhân. Hiệu quả lựa chọn những điểm crossover điện tử liên quan đến vài cân nhắc:

1. Đường đáp tuyến tần số của mỗi thiết bị, giới hạn tần số thấp và cao thực tế của thiết bị bình thường hẹp hơn giải đáp ứng tần số tổng thể của nó đã trích dẫn khá nhiều. Thông thường, mức đề nghị tần số crossover thấp nhất (trích dẫn của hãng sản xuất và giữa những thiết bị tần số mid và high) xác định nên dùng những điểm crossover thấp nhất tuyệt đối nào. Phổ biến, cho dù khá hợp lý khi sử dụng những điểm crossover cao hơn, vì những lý do trong 2 và 3 dưới đây.

2. Mức output yêu cầu. Khi nâng tần số crossover tại băng thông cuối thấp (low-end) của mỗi thiết bị lên, công suất output của nó có khuynh hướng tăng lên đến một điểm nào đó. Điều này sẽ thảo luận trong hình 19 và sau đó trong bài này.

3. Mô hình phát tán (dispersion pattern). Thông thường, khi nâng những điểm tần số crossover ở low-đến-mid và mid-đến-high lên, những giải tần số crossover tiến đến khán giả xa hơn sẽ có khuynh hướng hơi tăng, (mặc dù, có thể có sự thỏa hiệp về chất lượng âm thanh ở đây vượt quá một điểm nhất định). Điều này có thể hơi làm mọi cái rối tung lên, và có thể thay đổi đáng kể với những thiết kế thiết bị có cấu thành khác nhau. 

Những điểm crossover được lựa chọn trong bất kỳ hệ thống nào dĩ nhiên phụ thuộc rất nhiều vào việc thiết kế thiết bị. Điều quan trọng là hiểu chỉ dẫn của hãng sản xuất về những tần số crossover này. Thông thường, có thể di chuyển an toàn đến tần số cao hơn so với chỉ dẫn của họ, nhưng hầu như không bao giờ thấp hơn.
Hầu hết những thiết kế crossover chủ động (active) (và nhiều loại thụ động passive) có kiểm soát thay đổi mức độ cho mỗi band. Những cái hữu ích thêm là làm cân bằng hệ thống để điều chỉnh gain cho những power amplifier khác nhau, những khác biệt về hiệu quả của thiết bị loa, và cũng để điều chỉnh hệ thống theo ý thích. Trên thực tế, những núm này hoạt động như một dạng EQ shelving. (Cảnh báo quan trọng ở đây. Nếu dùng bộ limiter trong đường dẫn tín hiệu trước khi đến crossover để bảo vệ loa, việc kiểm soát này có thể làm triệt tiêu hiệu quả của nó. Nên thiết lập (set) ngưỡng limiter (hay thiết lập lại reset), hãy ghi nhớ điều này. Lý tưởng nhất, limiter để bảo vệ hệ thống cần phải cài đặt trên mỗi output của crossover).

Mô hình kiểm soát phát tán và hướng.
(Dispersion and Directional Control)
Phát tán (dispersion) dùng để chỉ khả năng của thiết bị phát tán âm thanh vào một góc nhất định (hy vọng sẽ nhất quán). Pattern control đề cập đến khả năng giữ output trong phạm vi một góc độ nào đó, nói cách khác, nó cũng ngăn chặn sự phát tán ra ngoài quá xa. Trong khi thuật ngữ này thường dùng thay thế cho nhau, có một sự khác biệt tinh tế nhưng đáng chú ý, sẽ giải thích sau.
Chú ý:
Nhiều hãng sản xuất sử dụng thuật ngữ “phát tán-dispersion” khá hợp lý để nói về những góc độ bao phủ danh nghĩa của thiết bị hay loa full-range. Thuật ngữ “danh định-nominal” về cơ bản có nghĩa là “những cái chúng ta chọn để đặt tên cho nó”.
Tại sao phải cố cung cấp phát tán cân bằng và kiểm soát những mô hình?
1. Vì nếu vậy, chất lượng âm thanh có tính nhất quán qua những góc đã chỉ định của thiết bị.
2. Để giúp tránh bị feedback.
3. Để hỗ trợ trong việc giảm tiếng vang quá nhiều từ vách bên và trần.
Có thể hữu ích khi hiểu về những yếu tố cơ bản có liên quan ở đây. Có kiến thức đầy đủ về nó có thể hỗ trợ trong việc lựa chọn thiết bị phù hợp và vị trí của nó theo cách tốt nhất có thể. Lời giải thích hơi dài dòng sau đây có thể hữu ích cho người đọc, là những người đang cố gắng có tầm hiểu biết về những mô hình định hướng của sự phát triển sóng âm thanh.
Tốc độ âm thanh phát tán ra bên ngoài (~ 340m/sec, 1130’/giây) là tỷ lệ gần đúng mà tại đó hạt không khí phản ứng với những thay đổi trong áp lực từ những cái lân cận nó ở cấp độ vi mô. (Điều này do độ co giãn và mật độ của không khí, hai yếu tố sẽ xác định tốc độ của âm thanh trong bất kỳ vật chất nào bạn chọn). Trong chất lỏng cũng giống như trong không khí, những phân tử này sẽ luôn làm hết sức để tìm trạng thái cân bằng, hay cân bằng lực lượng giữa nhau.
Hãy nhớ, tần số về cơ bản hoạt động riêng biệt sẽ khác nhau, ngay cả khi cone hay màng loa dao động trong một dạng sóng phức tạp. Nói cách khác, mỗi tần số nhân bản thành mô hình riêng biệt cho riêng nó. Trong sự phát triển sóng, ngay lập tức, chung quanh nguồn âm thanh, lần lượt ở ngoài xa, tập hợp những hạt tăng cơ hội điều chỉnh hướng, trong đó sự thay đổi áp lực đang lan tỏa rộng, trong giới hạn được thiết lập bởi cấu trúc vật lý chung quanh. Vượt quá bước sóng lan ra ngoài từ cấu trúc vật lý, sóng sẽ có khuynh hướng tiếp tục đi theo mô hình đã thiết lập cho mỗi tần số cụ thể.
Lấy thí dụ, bộ hướng xạ trong một thùng loa có kích cỡ khiêm tốn. Ở tần số thấp, hướng chuyển áp lực giữa những hạt không khí có cơ hội bẻ gập hoàn toàn quanh bề rộng của cấu trúc vật lý, nhỏ hơn so với bước sóng đã tạo ra khá nhiều. Vào lúc hướng cone loa đảo ngược lại, những hạt không khí xa nhất vẫn đang trải qua nửa đầu của chu kỳ, đã phát tán mô hình của nó ra khá nhiều loại đồng dạng. Đây là lý do tại sao tần số thấp có khuynh hướng thành ra đa hướng, những sóng chuyển áp lực đi ra mọi hướng.
Ở tần số cao, áp lực từ những hạt lân cận đến những bên cản trở sự phát tán bay ngang, buộc hầu hết năng lượng phải tới lui để đi nhiều hơn hay bớt hướng trực tiếp ra ngoài dọc theo trục. Điều này là do điểm ở xa nhất của những bước sóng đầu tiên tương đối gần với loa. Mỗi hạt có rất nhiều hạt lân cận về phía bên (trái, phải, trên và dưới), cũng cố gắng điều chỉnh với sự thay đổi áp lực đó. Trước đó, những hạt này có cơ hội đưa năng lượng của nó ra phía ngoài hai bên, nó đã bị hút trở lại trong nửa thứ hai (giai đoạn mở rộng) của chu kỳ. Vì vậy, nó có khuynh hướng cùng nhau húc vào cùng một hướng trừ chung quanh rìa bên ngoài, có nhiều dB bên dưới, và đem năng lượng của nó trên trục khá trực tiếp. Giải thích, đây là lý do tại sao xảy ra beaming (thay đổi đột ngột) ở tần số cao (hình 15). Với cái gì đó giống như bộ hướng xạ đơn giản, những tần số cao sẽ có mô hình hẹp hơn.
Vì vậy, trong điều kiện khó, những tần số thấp của giải tần thiết bị có khuynh hướng phát tán ra quá rộng, trong khi tần số cao nhất trong giải của một thiết bị có khuynh hướng phát tán ra không đủ xa.
Thách thức đặt ra sau đó, là cũng không có sự phát tán quá nhiều lẫn không có những âm thanh tần số cao ưa thích. (Điều này dĩ nhiên nằm ngoài thách thức cơ bản, đạt được âm thanh dễ nghe và tái tạo chính xác). Vì vậy, những thỏa hiệp cơ bản ở đây xoay quanh sự cần thiết phải giới hạn sự phát tán ra ngoài ở giải dưới băng thông đã ấn định của thiết bị, trong khi tạo sự phát tán đủ tại tần số cao nhất của băng thông đó. Điều này bao gồm những bước sóng khoảng tỷ lệ 20:01 với hệ thống 2 way điển hình, trong những trường hợp nhiều hơn, lên đến 40:1 (giải rất nặng). Với hệ thống ba way, điều khiển mô hình hiệu quả ở giải mid và high vẫn còn thách thức kỹ thuật cái gì đó, nhưng theo một tỷ lệ 10:01, những bước sóng ở giải mid và high là một định đề dễ quản lý, đã xử lý tốt bởi vài hãng sản xuất hiện nay .
Trong giải tần số rất thấp của phổ âm, chuyện này thường vô ích, thậm chí đã cố kiểm soát những mô hình, vì nó sẽ đòi hỏi thiết bị tần số thấp (hay một chồng nhiều thiết bị tần số thấp) vào khoảng 30 feet hay hơn (tám hay chín mét) ở cả hai: chiều cao và rộng. Vì vậy, thường chấp nhận điều này như là chỉ cần xảy ra cái gì đó là được. Nhưng chung quanh giải low-mid, nó sẽ trở thành một định đề hợp lý hơn rất nhiều khi cố giành được những lợi thế kiểm soát mô hình hiệu quả.
Bây giờ, xem xét từng loa horn tần số midrange và high để cố giải tần số hiệu quả khoảng 10:01 (thí dụ: ~ 300Hz - 3kHz). Từ quan điểm thiết kế vật lý, nhu cầu giữ tần số thấp tương đối cho band đã chỉ định của thiết bị phát tán ra quá xa, được thực hiện bằng loa horn có cấu trúc bên ngoài lớn hơn.
Nhu cầu phát tán những tần số cao nhất ở mỗi band của thiết bị, nói cách khác, để tránh tạo ra beaming tùy thuộc vào thiết kế, bằng đường đồ thị nhỏ hơn, sườn rìa hay khe cách xa hơn về phía họng loa. Đối với những tần số này, một khi đã thiết lập mô hình cho nó, nó có khuynh hướng ít bị ảnh hưởng bởi cấu trúc của loa horn lớn, ngoại trừ ở những cạnh bên ngoài của mô hình, nơi nó bị phản dội trở lại vào những góc bởi những bề mặt bên trong của loa horn lớn.
Thông qua giữa giải tần số của thiết bị, thiết kế đường biểu diễn để có thể kiểm soát mô hình theo cách phù hợp nhất (điều này cũng liên quan đến vài thỏa hiệp kỹ thuật). Không có horn nào hoàn hảo, nhưng hiện nay có nhiều thiết kế mô hình phát tán khá thống nhất qua giải tần đã ấn định của nó.
Tuy nhiên, với thiết kế horn mid hay high loại nhỏ gọn, dùng trong nhiều hệ thống lưu động, mô hình có những biến thể mà người sử dụng cần phải nhận thức được. Trong hệ thống hai hay ba way điển hình, thường có sự thỏa hiệp của mô hình hướng xạ thực hiện tại những điểm crossover. Có lẽ cách quan trọng nhất này ảnh hưởng đến người vận hành của hầu hết hệ thống đang ở trong khu vực crossover dẫn đến mức high, sẽ giải thích sau

Hình 12 giới thiệu hai phương pháp trình bày những đặc tính định hướng của thiết bị trên đồ thị. Sự khác biệt chính giữa lĩnh vực loa hai way hay ba way (như trong hình 1) và thiết kế cho phòng lớn hay hướng xạ nhiều hơn là trong mô hình định hướng của mid và high. Về mặt hướng xạ trong một hệ thống lưu động điển hình, sự khác biệt này có khuynh hướng quan trọng nhất trong mặt cắt dọc (xem hình 10).

Trong hầu như tất cả ứng dụng, mô hình theo chiều dọc khoảng 30 - 40° sẽ thích đáng hơn, đủ để bao phủ toàn bộ khán giả, như minh họa trong hình 9.10 (trong nhiều trường hợp 20° sẽ thích hợp hơn). Vượt ra ngoài khoảng 30 - 40°, sự phát tán dọc bổ sung có khuynh hướng phóng lên phía trần nhà và dội xuống khán giả phía trước khiến họ phải chịu âm lượng của những giải tần đó quá mức và/hay không phát tán toàn bộ những giải đủ sâu đến khán giả xa hơn. Vì vậy, trong hệ thống lý tưởng, mô hình theo chiều dọc có thể gần 30° hay 40°, với loại mô hình ngang thông thường nhất, từ 60° và 90°, tùy thuộc vào thiết kế. Hiện nay, lượng phát tán theo chiều ngang phù hợp (và nhiều hơn nữa) dễ đạt được về mặt kỹ thuật. Nhưng nó đòi hỏi phải chồng mid-range và high khá cao để thực hiện việc kiểm soát mô hình chiều dọc lý tưởng, do đó, phải thực hiện vài thỏa hiệp chung.
Hướng dẫn chung được chấp nhận trong trích dẫn thông số kỹ thuật của mô hình định hướng ở những tần số cụ thể là dùng góc đáp ứng giảm 6dB bên dưới trục hồi đáp. Thông thường khi công bố thông số kỹ thuật, hãng sản xuất sẽ nói chung chung về mô hình định hướng danh nghĩa nhằm giản dị việc tiếp thị và sử dụng.

Còn tiếp...