Thiết bị: Loại thiết kế và sử dụng

• Ngày đăng: 25-09-2017, 9:41 am
• Lượt xem: 783
• • Share

Bài này sẽ nói về Thiết bị: Loại thiết kế và sử dụng trong hệ thống âm thanh chuyên nghiệp

Bài 1: Microphone

Trong tất cả loại thiết bị của hệ thống âm thanh, sự phát triển của những bộ chuyển đổi như micro và loa có lẽ là gian nan nhất. Sự phát triển của loa có nhiều giai đoạn tiến hóa tương ứng với nó, vài loại đã đi vào ngõ cụt. Sư phát triển của microphone, mặc dù đôi khi thật kỳ lạ. Lịch sử tiến hóa sớm của micro bao gồm thủy lực và bằng chất lỏng làm mát micro, micro có kích thước bằng mây giặt, micro giống như một thùng than thu nhỏ phải thường xuyên bổ sung bằng hạt carbon mới, và micro có công suất ra rất mạnh đến nỗi phép đo phải dùng đơn vị mã lực (horse-power).

Ngày nay, đã khắc phục cơ bản hầu hết trở ngại trong thiết kế (và ai mà biết những cải tiến nào trong tương lai còn có thể giữ được ra sao). Trong khi vẫn còn có những thỏa hiệp và hạn chế của cả hai: thiết kế lẫn sử dụng, thiết kế tốt và sử dụng microphone đương đại xuất sắc là khả năng cho ra âm thanh rõ ràng, chất lượng cao qua lĩnh vực điện tử và cuối cùng là đến khán giả. Sự hiểu biết về những hạn chế và thỏa hiệp, trong nhiều trường hợp, có thể cực kỳ quan trọng để sử dụng cho hiệu quả.

Có thể thực hiện việc dẫn truyền sóng âm thanh vào tín hiệu âm thanh bằng vài cách cơ bản. Micro động lực (dynamic microphone) liên quan đến một cấu trúc từ (magnetic) và yếu tố rung (vibrating) để tạo ra một điện áp đáp ứng với sóng âm thanh. Micro động lực, cho đến nay, là loại microphone sản xuất rộng rãi nhất và thường sử dụng cho những ứng dụng pro-sound. Hầu hết dùng một cuộn dây di động, đẩy một mảng mòng như trong hình 5.1, về nguyên tắc cơ bản giống như thu nhỏ cái loa thông thường rồi lật ngược lại. Cuộn dây di động (moving coil) của micro có thể rất bền và có hiệu quả kinh tế, được tiếp thị là những thiết kế có khả năng xử lý hầu hết các tình huống của tất cả loại âm thanh, xếp loại nó từ loại rẻ tiền, micro chất lượng thấp đến micro mắc tiền có chất lượng gần như không thể tin được. Trong những năm gần đây, vật liệu mới như neodymium đã dẫn đến thiết kế cực kỳ gọn nhẹ, với chất lượng âm thanh tuyệt vời.

Hình 1- Microphone động lực-dynamic (moving coil) cơ bản.

Micro tụ điện (Condenser microphone) hoạt động trên nguyên tắc tĩnh điện, mô tả trong hình 5.2. Nhìn chung, nó có khả năng chất lượng output rất cao, và đặc biệt lưu ý đến tính chính xác tương đối và đáp ứng tần số cao của nó. Trong sự tranh cãi về chất lượng cao, có một bất tiện nhỏ. Micro condenser đòi hỏi nguồn cung cấp điện cho nó. Trong vài thiết kế, nguồn điện được cung cấp bởi thiết kế mixer hay chèn giữa một thiết bị lắp dọc theo line dây micro như trong hình 5.2. Điều này được gọi là nguồn điện từ xa (remote power), hay nguồn ảo (phantom power). Thiết kế micro condenser loại khác sử dụng pin khô đặt trong thân microphone. Vài thiết kế cho phép tùy chọn sử dụng một pin khô hay phantom power. Điều này được mô tả thêm ở phân khúc của chương này trong “circiut consideration”.

Hình 2 - Nối dây micro condenser cơ bản.

Vận hành microphone consenser đòi hỏi nguồn cung cấp điện. Cung cấp năng lượng từ xa, còn gọi là nguồn ảo (phantom power), cho phép có dây micro tiêu chuẩn mang nguồn điện cho micro (trong micro thiết kế như trên). Vài thiết kế cho phép tùy chọn dùng một trong hai, vài thiết kế cho phép tùy chọn dùng pin khô hay phantom. Mixer chất lượng cao thường cung cấp phantom power, loại bỏ nhu cầu cần một thiết bị trung gian như trên. Lời cảnh báo ở đây: Nếu sử dụng một trong những máy biến thế/adapter hay bộ giảm điện thế, không được chèn nó vào giữa nguồn điện và micro, micro sẽ không hoạt động.
Micro ribbon (ruban) sử dụng một dải băng mỏng dẫn điện, rung động trong một từ trường để khởi xướng tín hiệu âm thanh, về mặt kỹ thuật, nó là dạng thức microphone động lực (dynamic). Ribbon micro dùng cùng một nguyên tắc điện như micro-cuộn dây chuyển động-moving coil (là loại điện động lực thật sự, vì vậy có thuật ngữ “năng động-”dynamic”), nhưng lại khác biệt đáng kể trong vài cấu hình khác (xem hình 5.3). Trong khi nó có khả năng cung cấp chất lượng âm thanh tuyệt vời, micro ribbon có thể rất nhạy với những va đập về vật lý, và trong nhiều mẫu thiết kế, phải bảo đảm có sự chăm sóc để tránh làm hư ruban khi thả rơi micro hay làm nó bị quá tải bằng âm thanh quá lớn.
Piezo-electric microphone (micro áp điện) (và contact pickups) liên quan đến việc sử dụng vật chất mà khi xoắn hay bóp méo bằng một áp lực cung cấp bởi sóng âm thanh tạo ra một điện áp-voltage (gọi là một áp điện-piezoelectric voltage). Microphone crystal (thạch anh) và ceramic (gốm) sử dụng cả hai nguyên tắc này. Theo truyền thống, nó là micro có tiện ích mạnh nhưng về chất lượng âm thanh thì hơi tồi (thường dùng trong điện thoại). Nhiều mẫu thiết kế piezoelectric contact-pickup có chất lượng âm thanh rất cao đã được tiếp thị và rất hữu ích cho pro-sound, bất cứ khi nào có thể gắn chặt pickup với một bản rung (đặc biệt là bằng gỗ). Đây là loại pickup thường cài đặt trong guitar thùng của nhiều hãng sản xuất, và cũng khá hữu ích với những nhạc cụ dây khác.

Hình 3 - Ribbon micro. (Micro ruban)

(A) Đặc tính định hướng cơ bản của microphone ribbon hai hướng (bi-directional) truyền thống rất quan trọng đối với thảo luận trong phần sau của giáo trình này.

(B) Micro ribbon đơn hướng (uni-directional).

Mô hình định hướng cơ bản (Basic Directional Patterns)

Hướng pickup (thu nhận sóng âm thanh) âm thanh rất quan trọng để giảm thiểu sự thu nhận âm thanh môi trường âm thanh chung quanh (hay ở cách xa) và tiếng vang của phòng, để giảm sự hồi tiếp (feedback) âm thanh, và để tách khỏi thu nhận những nguồn âm thanh khác, cho phép kiểm soát việc mix âm thanh tốt hơn. Vì vài mẫu thiết kế micro cơ bản có khuynh hướng phô trương vài loại thu nhận định hướng cơ bản nhất định, ở đây có vẻ hữu ích khi mô tả tóm tắt vài cơ chế microphone cơ bản, đó là tiền thân của micro moving coil và ribbon.

Trong microphone moving coil cơ bản, thể hiện trong hình 1, cấu trúc của nam châm và những vật lắp ráp chung quanh không cho phép sóng ảnh hưởng đến phía sau của màng chắn (diaphragm). Hãy nhớ, sóng của một tần số nhất định sẽ có khuynh hướng dễ uốn cong chung quanh chướng ngại vật nhỏ hơn hay mỏng hơn chiều dài sóng của nó. Đối với vật mỏng như microphone đương đại, điều này thường sẽ bao gồm hầu hết phổ âm thanh-audio spectrum (minh họa là sóng 10KHz, có chiều dài khoảng 34 mm, hay 1-1/2”, xấp xỉ bằng đường kính của một micro điển hình). Vì vậy, khắp những tần số cao nhất của phổ âm thanh, khi đến hai bên và phía sau của loại microphone này, sẽ ảnh hưởng đến màng chắn giống như khi nó đang đến từ phía trước, vì lực tác động không hủy bỏ hay gạt ra nên nó có thể ảnh hưởng trên mặt sau của màng chắn.

Kết quả là, microphone như vậy có khuynh hướng chia đều độ nhạy (sensitive) với âm thanh đến từ mọi hướng. Điều này gọi là mô hình thu nhận đa hướng (omni-directional pick-up pattern). (Ruột micro nhỏ hơn thì tần số thu sẽ cao và nó sẽ có khuynh hướng vẫn là đa hướng. Loại microphone vô cùng nhỏ này sẽ thu được omni (đa) ở tất cả tần số. Trên 4kHz hay 5kHz có rất nhiều giải tần gần nó, mà mô hình của microphone đa hướng bắt đầu suy thoái, những bước sóng tiếp cận từ phía sau bị ít hơn khoảng hai hay ba lần đường kính của micro, do đó việc uốn quanh hoàn toàn cấu trúc của nó khó hơn).

Những thiết kế cơ bản khác, như micro ribbon cổ điển đầu tiên, đặt dải băng trong khe hở từ tính như trong hình 3-A. Dĩ nhiên, bất kỳ âm thanh nào tiếp cận nó từ phía trước hay sau đều làm ruban rung động đồng bộ với âm thanh. Những phase liên hệ với đầu ra của microphone (+ hay -) phụ thuộc vào âm thanh tiếp cận bên nào. Âm thanh tiếp cận ruban ở bất cứ nơi nào trong mặt phẳng ngang ở giữa của nó sẽ có khuynh hướng khi tới ruban có ảnh hưởng cân bằng trên cả hai mặt, làm cho ruban không chuyển động hay rất ít, do đó không có tín hiệu điện ở output (nói cách khác, nó triệt tiêu nhau khá hoàn toàn). Kết quả là một mô hình hình số tám như minh họa trong hình 4, 5, và 7 gọi là mô hình đôi hướng (bi-directional pattern).

Trong microphone đôi hướng (bi-directtonal), sóng âm thật ra uốn cong khá dễ chung quanh micro (ngoại trừ những tần số rất cao). Nhưng ảnh hưởng ra phía sau bị trì hoãn một phần tích tắc và hơi giảm cường độ, chỉ đủ cho phép ruban đưa vào chuyển động của sóng khác đang tới (nói cách khác, nó không hoàn toàn triệt tiêu nhau). Như âm thanh từ nhiều hướng tiếp cận gần hơn và gần hơn nữa với hai bên, mặc dù, cả hai lực này, cường độ lẫn thời điểm tới thành ra gần như bằng nhau, quay ra triệt tiêu lẫn nhau để hình thành những khu vực vô giá trị trong mô hình hai chiều. Loại triệt tiêu này cung cấp cơ sơ cho micro có mô hình đơn hương (uni-directional) khác biệt. Bằng cách kết hợp mô hình đôi hướng với mô hình đa hướng theo tỷ lệ thích hợp, sẽ đạt được mô hình đơn hướng. (Vì độ nhậy phía sau của mô hình đôi hướng là những phase ngược hướng với phía trước, nó phá hoại sự cản trở vào phần phía sau của mô hình đa hướng, đó là những âm thanh cùng phase tiếp cận từ mọi hướng (xem hình 5.5).

Về việc này, có thể thực hiện vài cách cụ thể. Ban đầu là một ruban và một phần tử moving-coil, trên thực tế, đôi khi sử dụng song song và trộn output của nó vào với nhau. Những thiết kế ban đầu khác có liên quan đến hệ thống lớn và vụng về, có nhiều ống và cổng để thu thập những sóng tần số khác nhau và chuyển nó vào màng chắn có phase và biên độ cần thiết. Những kiểu thiết kế ban đầu có khiếm khuyết về âm thanh và thực dụng đáng kể.

Trong số những thiết kế hiện đại, vài loại sử dụng hai màng chắn (diaphragm) đặt đối xứng, với một mạch điện để cung cấp phase cần thiết và sự quan hệ về biên độ, nhưng có khuynh hướng rất đắt tiền, và chủ yếu chỉ sử dụng trong phòng thu-recording studio (với ngoại lệ hiếm hoi). Hầu hết thiết kế hiện đại, dùng cùng một nguyên tắc cơ bản kết hợp trong vỏ micro (microphone housing), dưới hình thức những khe nhỏ mở về phía sau của phần tử micro (đây là những micro thường dùng trong âm thanh pro). Những khe nhỏ được thiết kế để cho sóng âm đến từ phía sau đi vào thích hợp, cho nên nó triệt tiêu những sóng âm tương tự ở phía trước màng, trong khi vẫn cho phép những sóng từ phía trước gặp màng mà không cần triệt tiêu hoàn toàn những hướng kia. (Kỳ công của thiết kế micro cơ bản này đáng chú ý vì muốn có đúng lượng giao thoa (interference), sư chậm trễ phải qua các khe này và cân bằng âm lực trên màng rất cần cho mỗi tần số liên tục trong hầu hết hay toàn bộ âm phổ). Không có vấn đề gì về phương pháp thiết kế, mặc dù, mô hình nào dẫn tới thiết kế micro cơ bản luôn lộ khá rõ dạng thức kết hợp của đôi hướng và đơn hướng (xem hình 7).

Khi hãng sản xuất kết hợp một thiết bị omni (đa) với một bi (đôi) theo tỷ lệ xấp xỉ bằng nhau, thể hiện trong hình 5, kết quả là những mô hình micro đơn hướng (uni-directional) cơ bản có tên bắt nguồn từ hình vẽ giống trái tim nên gọi là mô hình hình trái tim (cardioid pattern). Cardioid lý tưởng đã loại bỏ tối đa âm ở 180 độ ngoài trục (trực tiếp phía sau).

Thêm một mẫu thiết bị đôi hướng (bi-directionat) mạnh hơn trong một mô hình pickup hơi hẹp hơn cardiold, thường gọi là super-cardioid. Khi tác động thêm ở hai hướng mạnh hơn nữa, mô hình trở này trở nên hẹp hơn, thường gọi là hyper-cardioid. Có sự đánh đổi khi thực hiện điều này. Những mẫu pickup (thiết bị nhận sóng âm) thành ra hẹp hơn, sự khởi đầu của mô hình hai hướng tái xuất hiện trực tiếp ở phía sau Những mô hình trở nên hẹp hơn, mạnh hơn và rộng hơn sau này thành ra nhạy hơn (sensitivity). Đồng thời, khi mô hình hẹp hơn, những góc hẹp của micro làm việc hữu ích hơn. Có phải sự thu nhận tư phía sau của một mô hình supercardioid hay hypercardioid nhất thiết phải là một khuyết điểm? Trong thực tế, không phải tất cả đều như vậy, nó có thể là ưu điểm, nếu sử dụng micro có hiệu quả. Nói chung, điều này cố nghĩa là giữ cho người sử dụng càng gần với trục trung tâm của micro càng tốt (trực tiếp ở phía trước). Trong số những mẫu micro cơ bản, mô hình hypercardioid có khả năng giảm hầu hết sự thu nhận ngoài trục tổng thể (xem hình 10). (Những trường hợp ngoại lệ đáng chú ý để thảo luận này là đường dốc (line gradient), hay microphone shotgun, sẽ nói sau. Những loại này thường có hình thể dài và rất tốn kém về tài chính, và không dự kiến để dùng gần).

Nhìn chung, những mô hình hướng tiêu biểu trên những loại đồ thị trình bày trong hình 7 được gọi là mô hình cực (polar pattern). Đây là loại đồ thị mô tả hướng thu mà thật ra là ba chiều, do đó, nếu xoay micro mà không thay đổi hướng trước ra sau của nó, những mô hình bình thường vẫn giữ nguyên.

Lý thuyết lý tưởng của microphone đơn hướng sẽ bộc lộ ra mô hình cực (polar pattern) giống nhau ở tất cả tần số. Trong thực tế, không xảy ra điều này (mặc dù vài thiết kế đang đến gần điều này). Polar pattem hiển thị trong hình 8 trình bày những đặc tính định hướng một microphone ở nhiều tần số khác nhau trong âm phổ. Đây là loại đồ thị cho phép người dùng có được ý tưởng gần đúng về cách thức đáp ứng này được cho là có thể thay đổi nhiều góc độ khác nhau ngoài trục (off axis). Vì thế, có thể đưa ra đánh giá của những góc làm việc hữu ích của micro trong nhiều ứng dụng quan trọng, cả về việc thu nhận nguồn âm thanh đúng ý và loại bỏ những âm thanh không thích.

Hiệu ứng gần (Proximity Effect)

Một khía cạnh liên quan giữa micro cardioid và bi-directional là nâng cao những đáp ứng tần số thấp so với đáp ứng tần số cao khi những nguồn âm thanh đến gần micro hơn. Hiệu ứng này thường gọi là hiệu ứng gần-proximity effect, bass boost, bass tip-up hay close-talking effect. Sự thay đổi đáp ứng tần số đối với khoảng cách giữa micro và nguồn âm thanh là bản chất của sản phẩm thiết kế micro định hướng. (Mặc dù nó khá chính xác qua việc sử dụng vài loại thiết kế những tính năng bổ sung. Vài loại micro đơn hướng đã sản xuất nhưng không biểu lộ hiệu ứng gần với bất kỳ mức độ đáng chú ý nào).
Hiệu ứng gần không tồn tại trong mô hình omni cơ bản, dần dần gia tăng sự nổi bật là những mô hình dịch chuyển sang cardioid, supercardioid và hypercardioid, và mạnh nhất trong mô hình bi-directional cơ bản. (Vì vậy, không có thiết kế thêm tính năng bù đắp mà chỉ đề cập đến, supercardioid sẽ thể hiện đặc tính này nhiều hơn cardioid, hypercardioid hơn supercardioid, v.v.).
Hiệu ứng gần thường bắt đầu nghe rõ ở khoảng cách 1/2 mét (khoảng 20”) khi khoảng cách nguồn tới micro (source-to-mic) thay đổi bởi bất kỳ tỷ lệ đáng kể nào. Đáng chú ý nhất là ở khoảng cách rất ngắn. Chẳng hạn như di chuyển từ 100mm (4”) đến 25mm (1”) thì cardioid cơ bản, supercardioid, hay thiết kế hypercardioid sẽ tạo chất lượng âm có chiều sâu đáng kể. Dịch ra xa từ 100mm đến 300mm (khoảng một foot), thường gây ra chất lượng âm mỏng đi đáng chú ý.
Hiệu ứng gần có cả ưu và khuyết điểm. Hiệu ứng gần có thể thêm hiệu ứng âm thanh đầy đặn, nhưng nhiều quá nó cũng có thể gây ra tiếng đục (muddiness) hay boominess cho chất lượng âm thanh khi bố trí micro gần. Gần quá, nó có thể chịu trách nhiệm về sự khác biệt lớn trong chất lượng âm thanh khi ca sĩ hay nhạc cụ di chuyển xa hay gần hơn đến micro. Như đã đề cập ở trên, micro đơn hướng bán trên thị trường không thể hiện hiệu ứng gần. Microphone loại này đôi khi rất thích hợp cho vài ứng dụng mà khoảng cách nguồn tới micro thay đổi đáng kể. Nếu cần, mức tín hiệu có thể thay đổi đến một mức độ lớn được tự động bù đắp với việc dùng compressor trên channel đặc biệt đó. Những thỏa hiệp ở đây sẽ giảm đáng kể trước khi đạt âm lượng (gain) trước khi bi hú.

Hình 4 - Đáp tuyến định hướng cơ bản của micro.

Bất chấp những khuyết điểm, micro có hiệu ứng gần có thể chắc chắn là vốn quý. Khi thiết kế micro ở gần sẽ cho phép cắt giảm tần số thấp tại mixer hay tại micro (đã thiết kế trong micro), cho phép toàn bộ âm thanh vocal hay nhạc cụ đến gần người dùng trong khi việc giảm lượng thu nguồn âm thanh xa hơn (hệ thống output, âm thanh dội lại (reverberant) và tiếng ồn khác chung quanh). Vài micro, mô tả sau trong chương này và trong phần 3, được có ý thiết kế để tận dụng tối đa nguyên tắc này, kết hợp với mô hình định hướng của nó, để giảm thu nhận âm thanh chung quanh trong môi trường ồn ào. Ngoài ra hiệu ứng gần đã trở thành một phần những thiết bị dự trữ cho nhiều ca sĩ, và kỹ thuật micro cá nhân thường được xây dựng chung quanh đặc tính này. Nói chung, đại đa số micro vocal được thiết kế để sử dụng thiết bị cầm tay sẽ bộc lộ hiệu ứng gần.

Hình 5 - Mô hình cardioid tạo ra ở giai đoạn thiết kế ra sao?

Từ quan điểm kỹ thuật, mô hình cardioid tiêu chuẩn là sự kết hợp giữa những ảnh hưởng đa hướng và đôi hướng theo tỷ lệ ảnh hưởng bằng nhau.

Những mô hình supercardioid và hypercardioid liên quan đến ảnh hưởng đôi hướng phần nào trong thiết kế của nó. Vì vậy, trong bất kỳ mô hình nhỏ hơn cardioid nào, việc thu được một số âm chung quanh trực tiếp phía sau là không thể tránh khỏi.

Hình 6- Đáp ứng định hướng của supercardioid và hypercardioid.

Mô hình cực (polar) của micro cơ bản.

Trong loại đồ thị cơ bản, những điểm gần những đáp tuyến sẽ đến trung tâm, micro ít nhạy với âm thanh đến từ một góc độ nhất định. Trong thế giới thực, mỗi mô hình này thường lệch khỏi mô hình lý thuyết, và hãng sản xuất sẽ gọi micro nào gần giống với mô hình nhất để mô tả những micro này. Thông thường, một sự hiểu biết đơn giản về những mô hình cơ bản là đủ để có thể sử dụng nó hiệu quả.

(Mô hình đa hướng hiển thị cho tần số 5 kHz trên mô hình omni điển hình. Mô hình Shotgun phụ thuộc mạnh vào thiết kế). Xem so sánh trong hình 10 để thực hiện đánh giá sơ bộ về góc độ làm việc cạnh đến cạnh (side-to-side) tối đa của một mô hình nhất định. Những cái này, dĩ nhiên đại diện cho mô hình ba chiều, như dưới đây.

B) Hình ba chiều tiêu biểu của mô hình cực (polar pattern).

Hình 8 - Thí dụ về những biến thể của mô hình thu nhận theo tần số.

Thể hiện trong A và B là mô hình cực ở những tần số khác nhau của hai microphone chất lượng cao. Trong loại đồ thị này, một nửa chỉ dùng để minh họa cho mô hình tại bất kỳ tần số nào, nói cách khác, vì đã thừa nhận mô hình này là cân đối, một nửa sẽ là hình ảnh phản chiếu ở một giải tần số nhất định. (MD 421 là một trong những micro được toàn thế giới công nhận là tiêu chuẩn cho trống toms, đôi khi cho trống bass và âm thanh bộ gõ bằng đồng trong ca nhạc, ngoài việc quốc tế còn dùng cho diễn giả. TGX-580 là một trong một lớp mới của loại hypercardioid, đang tăng sử dụng cho vocal trong tình huống biểu diễn âm thanh cao cấp). Lưu ý loại mô hình thu hẹp ở những tần số rất cao này là bình thường trong một microphone kích thước chuẩn. Cho thấy trong C là tần số cao này có vẻ thay đổi đột ngột trên một đồ thị đáp ứng tần số. Lưu ý một lần nữa, những đáp tuyến tần số rất cao cũng bị giảm ở góc độ tốt ngoài trục. Đây là một lý do quan trọng để giữ cho nguồn âm thanh càng gần với trục trung tâm càng tốt.

Hình 9 - Hiệu ứng gần tiêu biểu.

Hiệu ứng gần có cả ưu điểm lẫn khuyết điểm. Bass boost do hiệu ứng gần luôn mạnh nhất ở nguồn trực tiếp trên trục, và yếu nhất là ở những góc, nơi đáp tuyến bị giảm 6dB từ trên đáp tuyến trên trục (90° ngoài trục cho ra một cardioid, 70° đến 80° ngoài trục cho ra một supercardioid hay hypercardioid).

(A) Đường biểu diễn biểu thị microphone vocal ATM 41

{B} Đường biểu diễn biểu thị micro MD 416

Còn tiếp...