Tìm hiểu hoạt động của loa - cơ bản về âm thanh

Tìm hiểu hoạt động của loa - cơ bản về âm thanh

Để hiểu loa hoạt động như thế nào, trước tiên cần phải hiểu âm thanh hoạt động ra sao.
Bên trong tai người có một màng da rất mỏng gọi là màng nhĩ. Áp suất biến đổi liên tục trong không khí sẽ tác động đến màng nhĩ làm chúng rung lên. Khi màng nhĩ rung lên, não bộ sẽ dịch các rung động này thành âm thanh. Đó là cách con người nghe.
Một vật thể tạo ra âm khi nó rung động trong không khí. Khi vật thể rung động, nó làm các hạt khí xung quanh chuyển động theo. Các hạt khí này lại tác động lên các hạt khí bên cạnh nó chuyển động tiếp, từ đó mang theo xung rung động truyền qua không khí đến tai người.
Theo cách trên, vật thể rung động đã gửi một sóng dao động thông qua không khí, và khi dao động này tới tai người, nó sẽ làm màng nhĩ rung lên. Não bộ sẽ dịch các rung động này thành âm thanh của vật thể đó.
Phân biệt âm thanh

Cấu tạo cơ bản của loa

Con người nghe được âm thanh khác nhau từ các vật thể rung động khác nhau bởi những yếu tố sau:
Tần số sóng âm – Sóng âm tần số cao đơn giản là áp lực không khí dao động với tốc độ nhanh trong một khoảng thời gian nhất định. Não bộ sẽ biên dịch các dao động này dưới dạng âm cao. Khi cũng một khoảng thời gian như vậy nhưng ít dao động hơn, âm sẽ thấp hơn.
Mức áp suất không khí – Đây là biên độ (độ lớn) của sóng âm, quyết định mức âm lượng của âm thanh. Sóng âm với biên độ lớn sẽ làm màng nhĩ rung động mạnh hơn, não bộ sẽ diễn dịch rằng âm thanh này to hơn.
Có một thiết bị cũng hoạt động tương tự như tai người, đó là microphone dùng để thu âm. Nó cũng có một màng rung động theo sóng âm trong những môi trường nhất định. Sóng âm thu được từ micro này sẽ được mã hóa và được lưu trong băng từ, CD… dưới dạng một tín hiệu điện tử. Khi các tín hiệu này được gửi đến loa, loa sẽ biên dịch lại thành rung động vật lý của màng loa. Các loa chất lượng tốt thường được thiết kế tối ưu sao cho rung động vật lý của màng loa sẽ tái tạo được gần như nguyên vẹn âm thanh thu được từ micro.
Tạo âm thanh
Loa, về cơ bản, là một bộ máy biên dịch đầu cuối hoạt động ngược với microphone. Loa chuyển tín hiệu điện tử trong các phương tiện lưu trữ thành rung động cơ học để tái tạo sóng âm sao cho giống với sóng âm thu được từ microphone nhất.
Các loa truyền thống thực chất thường gồm một hay nhiều loa con (hay còn gọi là củ loa - driver).
Màng loa (Diaphragm)

Cấu tạo của một loa tiêu biểu gồm khung sắt, nam châm vĩnh cửu và màng giấy. Ảnh: Howstuffworks.

Loa con tạo sóng âm bằng việc rung màng loa (cone hoặc diaphragm) với tốc độ cao.
Màng loa thường được làm từ giấy, nhựa hay kim loại, trong đó phần vành rộng được gắn với viền treo (suspension).
Viền treo, hay vành loa, là một vành tròn bằng vật liệu co giãn, cho phép màng nón chuyển động vào ra. Viền treo này được gắn với khung kim loại của loa (basket).
Phần vành hẹp của màng nón loa được nối với cuộn âm (voice coil).
Cuộn âm gắn với khung kim loại bằng mạng nhện (spider) vốn cũng là một vành tròn bằng vật liệu co giãn với nhiệm vụ giữ cho cuộn âm luôn ở đúng vị trí chính giữa nhưng vẫn cho phép cuộn này chuyển động vào ra.
Đối với một số loại loa nhất định, màng loa được thiết kế dạng vòm (dome) thay vì nón (cone).
Cuộn âm

Khi dòng điện chạy qua cuộn âm đổi chiều, hướng cực của cuộn âm cũng đổi chiều theo.
Ảnh: Howstuffworks.

Cuộn âm thực chất là một nam châm điện từ.

Nam châm điện từ gồm một cuộn dây quấn vòng quanh một lõi kim loại (thường là sắt). Khi cho dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ sinh ra một từ trường xung quanh làm cho sắt có từ tính. Từ trường này tương tự như từ trường xung quanh nam châm vĩnh cửu, cũng gồm cực Bắc và cực Nam và cũng hút kim loại. Nhưng không như nam châm vĩnh cửu, ở nam châm điện từ người ta có thể đảo cực Bắc Nam bằng cách đảo chiều dòng điện.

Dây từ hệ thống âm thanh sẽ được nối với loa con bằng hai đầu nối trên. Ảnh: Howstuffworks.

Cơ chế này cũng tương tự như cách thức của tín hiệu stereo, cũng đổi chiều điện tử liên tục thông qua hai đầu nối đen đỏ vốn đã rất quen thuộc đối với những ai hay phải nối loa.
Về cơ bản, bộ khuếch đại (amplifier) liên tục thay đổi tín hiệu điện, dao động giữa dòng dương và dòng âm của dây đỏ. Do điện tử luôn chạy theo một chiều giữa cực dương và cực âm, dòng điện chạy qua loa cũng đảo chiều liên tục tạo thành dòng xoay chiều. Dòng xoay chiều này đến lượt nó sẽ làm đảo cực nam châm điện từ liên tục nhiều lần trong một giây.
Nam châm

Khi dòng điện chạy qua cuộn âm đổi hướng, cực của cuộn âm cũng đảo chiều. Hoạt động này làm thay đổi lực từ trường tác động giữa cuộn âm và nam châm vĩnh cửu, theo đó làm cho cuộn âm cùng màng loa gắn với nó chuyển động theo.

Dưới đây là cách thức mà dao động điện có thể khiến cho cuộn âm chuyển động vào ra. Nam châm điện từ được đặt trong từ trường cố định của nam châm vĩnh củu. Hai nam châm này (điện từ và vĩnh cửu) tương tác với nhau như hai nam châm bình thường, trái dấu hút nhau, cùng dấu đẩy nhau. Khi cực của nam châm điện thay đổi, chẳng hạn từ cực dương sang cực âm sẽ tạo nên lực từ hút sang đẩy đối với cực âm của nam châm vĩnh cửu. Lực tác động này khiến cho cuộn âm chuyển động vào ra liên tục theo dao động điện tương tự như một chiếc piston.
Khi cuộn âm chuyển động, do được gắn với màng loa nên màng cũng sẽ chuyển động theo. Màng loa chuyển động khiến cho không khí phía trước loa bị rung động, từ đó tạo ra sóng âm. Tín hiệu điện tử cũng có thể được biên dịch thành dạng sóng, theo đó, tần số và biên độ của sóng điện tử này sẽ tác động và điều khiển cuộn âm chuyển động theo tỷ lệ và khoảng cách nhất định. Do sóng điện tử này là dạng mã hóa của sóng âm gốc nên chuyển động màng loa theo tỷ lệ và khoảng cách nhất định đến lượt nó sẽ tạo nên sóng âm đúng với tần số và biên độ mà nó đã được mã hóa.
Các kích cỡ loa con khác nhau thường được chế tạo để phục vụ cho những dải tần nhất định. Thông thường dải tần của một loa sẽ được chia nhỏ và được thể hiện bởi nhiều loa con khác nhau.