Giáo trình âm thanh chuyên nghiệp

Giáo trình này được biên dịch, tổng hợp hầu hết từ cuốn sách Live Sound Reinforcement của tác giả Hunter Stark, một soundman nổi tiếng ở miền đông bắc Mỹ và cả thế giới vào thập niên 7, 80 của thế kỷ trước.

Download sách: https://drive.google.com/drive/folders/1xeN_iT_GUVdLdhc-U4PyNwiAAZejyFrU

Chương I: Âm thanh chuyên nghiệp, Pro-Sound
Hệ thống cơ bản, System Basics
​Khuếch đại âm thanh và truyền tải nó, sao cho tai của khán giả cảm thấy thú vị và hiệu quả, đơn giản được gọi là hoàn thiện âm thanh (sound reinforcement- khó dịch nghĩa-tạm dịch là pro-sound-ND), là nhiệm vụ cơ bản nhất trong tất cả các lĩnh vực khác nhau của âm thanh. Nhưng ở khía cạnh khác, trong thực tế, nó là một trong những việc thực hiện khó khăn nhất.

Khái niệmvề nguyên tắc cơ bản của hệ thống :

Trước hết, là một vài vấn đề rất cơ bản mà có lẽ các bạn trước đây không quen thuộc lắm. Hình 1.1 cho thấy một sơ đồ cơ bản nhất của hệ thống âm thanh, bao gồm hai bộ chuyển đổi và bộ khuếch đại (amplifier) đơn giản . Các bộ chuyển đổi (transducer) là bất kỳ thiết bị nào có thể thay đổi năng lượng nhận được bằng loại năng lượng khác.

Một microphone sẽ thay đổi sóng âm thanh (acoustical energy-âm năng) thành tín hiệu âm thanh (electrical energy-điện năng) tương đương, một cái loa dĩ nhiênchuyển đổi một tín hiệu âm thanh thành sóng âm thanh. Đầu đọc (playback head) của một máy ghi âm (tape recoder) hay cảm biến (sensor) của một máy nghe nhạc CD, hay trong các thiết bị khác, cũng thuộc vào loại chuyển đổi, cung cấp một tín hiệu điện âm thanh có thể đưa vào một đầu vào (in-put) của hệ thống âm thanh.

Hình 1.1 : Hệ thống pro-sound cơ bản.
​Một amplifier (bộ khuếch đại) cho ra một phiên bản của tín hiệu điện (electric signal) (về kỹ thuật, nó cũng không nhất thiết cần phải mạnh hơn bản sao của chính nó). Sau cùng, một tín hiệu điện mạnh nhất sẽ đưa vào để điều khiển loa (speaker driver). Điều này được thực hiện trong nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn bao gồm một hay nhiều bộ khuếch đại ở từng thành phần/thiết bị (trong hệ thống đơn giản, việc này có thể được tích hợp vào một chassis (vỏ máy)). Sự gia tăng cường độ tín hiệu, được gọi là gain (độ lợi), có thể lớn bằng 1,000,000.000 hay hơn nhiều lần nữa đối với tín hiệu in-put.

Theo ý nghĩa đó, mỗi thành phần trong một hệ thống cơ bản có thể được dùng để tạo ra những phiên bản giống hệt hay gần đúng của các tín hiệu nó nhận được. Bộ chuyển đổi (Transducer) thực hiện điều này bằng các phương pháp đặc biệt của nó, chuyển từ một loại năng lượng này sang loại khác (như từ âm thanh sangtín hiệu điện hay ngược lại). Amplifier xuất ra các tín hiệu ở đầu ra (out-put) của nó với năng lượng được cung cấp bởi một nguồn điện riêng biệt, như được lấy từ một nguồn điện tiêu chuẩn (CB, ổ cắm v.v). Các tín hiệu input được xử dụng làm hướng dẫn để cho ra các tín hiệu out-put ra chính xác hơn.

Tùy nhu cầu, hệ thống âm thanh thường được thiết kế để đối phó với tín hiệu âm thanh trong nhiều cách khác nhau, ngoài việc kiểm soát biên độ (volume / gain / fader). Sau khi âm thanh được chuyển đổi thành tín hiệu điện tương đương, có thể có nhiều cách, nó có thể được trộn lẫn (mixed), định hình lại (reshaped), chia ra (split) và các chức năng khác. Các chức năng bổ sung khác nhau thường được gọi là xử lý tín hiệu (signal processing).

Khi dùng nhiều hơn một micro và/hay các loại nguồn âm thanh khác, một thiết bị trộn âm thanh (audio-mixer) sẽ được xử dụng, audio-mixer có thể xử lý từng kênh đầu vào (input channel), và trộn các tín hiệu của nó và cho ra một hay nhiều tín hiệu đầu ra (out-put signal). Một mixer thông thường cũng sẽ cho phép có một số chức năng khác để xử lý và định tuyến (re-route) lại các tín hiệu do nó điều khiển. Equalizers đơn giản thì có vài chức năng như điều khiển âm sắc, hay có thể được chia nhỏ hơn để cho phép kiểm soát một số tần số dao động hẹp hơn, từ âm trầm (bass) sâu nhất tới các âm bổng (treble) cao nhất. Một hệ thống tiêu biểu có thể bổ sung sự cân bằng âm sắc thông qua một hay nhiều thiết bị riêng biệt (phía ngoài-outboard), việc xử dụng các thiết bị hiệu ứng (effect) để xử lý âm thanh, hay copy thêm tín hiệu đưa đến các loa bổ sung nhằm cho phép người nói (talker) hay người biểu diễn tự kiểm tra chính họ, nghĩa đen được gọi là monitor.

Thông thường nhiều hơn một và đôi khi, tất cả các giai đoạn cần thiết của sự khuếch đại, xử lý tín hiệu, và chức năng trộn (mix) sẽ được kết hợp trong một thùng máy (chasiss), loại thiết bị này thường dùng cho các ứng dụng tương đối cơ bản. Ngoài các loại ứng dụng cơ bản, hệ thống hiện đại thường được bao gồm từ một loạt các tương tác thành phần đó, trong giới hạn nhất định, nhưng khi cần, nó có thể được kết nối lại với nhau.

Micro và những cảm biến đầu vào khác :

Microphones, cung cấp tín hiệu in-put cho hệ thống âm thanh, đóng vai trò rất chiến lược trong việc xác định chất lượng của những âm thanh mà cuối cùng sẽ được phân phối bởi các loa.

Hiệu quả xử dụng micro được nhiều kỹ sư âm thanh xem là một bước quan trọng nhất trong việc cung cấp âm thanh chất lượng cao.

Micro là thiết bị đầu tiên rất thiết yếu trong việc định hình chất lượng âm sắc của âm thanh khi nó đi vào hệ thống. Xử dụng micro với chất lượng âm sắc thích hợp liên quan đến (tần số đáp ứng-đáp tần) đặc điểm có thể đơn giản hóa quá trình equalizing (cân bằng) và mixing, đặc biệt trong một hệ thống biểu diễn âm nhạc. (Đáp ứng tần số (Frequency response) sẽ được nói đến trong chương 4. Thuật ngữ “tần số”, cùng với các điều khoản âm thanh cơ bản, sẽ giải thích tường tận trong chương 2). Sự định hướng của một microphone, khi nhanh trí xử dụng, có thể cho ra các hiệu quả tốt nhất từ nguồn âm thanh (Hình 1.3). Cũng vì thế, nó cũng có thể giúp giảm thiểu các loại âm thanh không mong muốn, bao gồm cả những âm thanh out-put của chính nó (được gọi là phản hồi (hú, feedback)).

Hình 1-2 :Bố trí hệ thống âm thanh cơ bản .Trong hình là đường dẫn tín hiệu cấu hình cơ bản của một hệ thống âm thanh,Ở đây chưa nói tới cách cài đặt (thiết lập-setup) hệ thống monitor.​Một hệ thống lớn hơn có thể sẽ bao gồm các bộ giới hạn (limiter) và các thiết bị xử lý tín hiệu khác hơn nhiều.

Hình 1-3 : Hướng tiếp nhận âm thanh của microphone.Ở đây, mũi tên dày hơn hiển thị hướng đến của cácloại âm thanh. Hình này thể hiện loại micro cardioid, tên gọi này là vì loại này thay đổi hình biểu diễn giống trái tim trên các đồ thị. Một trong những loại này, còn được biết đến như là loại đơn hướng (uni-directional), rất hữu ích trong việc giảm thu nhận các âm thanh không mong muốn khi xử dụng chính xác. (Loại này, dĩ nhiên là ba chiều, do đó, xoay micro mà không thay đổi hướng mặt trước của nó (front-to-back) sẽ không ảnh hưởng tới âm thanh của tín hiệu thu được)
​Contact pickup (tên gọi chung của những thiết bị thu nhận sóng âm thanh), được dùng chủ yếu cho các nhạc cụ không dùng điện (acoustic instrument), là một loại input transducer. Tín hiệu của magnetic pickup (như của guitar bass điện) và các tín hiệu từ các nguồn điện tử khác, chẳng hạn như keyboard hiện đại và bộ xử lý guitar (guitar processor), trực tiếp đưa vào hệ thống âm thanh, còn được gọi là tiêm trực tiếp (direct injection). Vấn đề này được tiếp tục mô tả trong chương 13 và 16. Nhạc cụ như guitar điện có thể được đưa vào trực tiếp hay qua micro, tùy theo có hay không các ampli guitar, chính nó đóng một vai trò quan trọng trong chất lượng âm thanh.

Các nguồn âm thanh input khác bao gồm các hệ thống playback như tape-deck, đĩa CD, hay các ứng dụng đặc biệt hơn như videotape hay film sound track.

Mixer và các phụ kiện liên quan :

Ngoài chức năng cơ bản của nó để trộn (mix) các tín hiệu input khác nhau rồi tạo thành tín hiệu ở out-put, mixer được thiết kế để thực hiện một số chức năngxử lý tín hiệu khác.

Mixer, rất đa năng, nhưng trong các ứng dụng cơ bản nhất, thường cho phép các tín hiệu được điều chỉnh ở nhiều giai đoạn, tận dụng tối ưu các mạch điện của hệ thống. Các thiết bị bổ sung bên ngoài cũng có thể được thêm vào để tự động điều hòa (regulate) tối và hay tối thiểu mức độ tín hiệu (signal level), được gọi là compressor, Iimiters, và gate

Ngoài việc cung cấp thêm một số loại điều chỉnh âm sắc (EQ) trên mỗi input channel riêng biệt (xem hình 1.4), nhiều thiết kế của mixer cũng có thêm bộ EQ cho phần tín hiệu output khá tốt.

Hình 1-4 : Bố cục cơ bản của mixer. Mixer, loại 12 chls và ít hơn, thiết kế cơ bản(với graphic EQ )được bán trên thị trường có 2 loại, có và không kèm amplifier. Tất cả thiết kế của loại này dĩ nhiên khá tiện dụng cho các ứng dụng đơn giản, đặc biệt là dễ cơ động. Tương đối rẻ tiền và dễ dàng điều khiển, bù lại là giảm tính linh hoạt. Nếu có điều kiện, nên xử dụng thêm các thiết bị như EQ, amplifier, crossover, limiter v.v.

Đại đa số các mixer cho phép các tín hiệu được chia thành các đường dẫn điện tử riêng biệt và có thể bổ sung bất kỳ các hiệu ứng nào đã được thiết kế để cải thiện hay điều chỉnh những tín hiệu âm thanh output cho tốt hơn. Công nghệ hiện đại cần các thiết bị như vậy, cho cả hai: thực tế lẫn sáng tạo.

Các tín hiệu đã chỉnh sửa sau đó quay trở lại (return) và đi tới một input bổ sung để được coi như là một phần của sự pha trộn. (Đây là loại tín hiệu bổ sung được gọi là vòng lặp hiệu ứng (effects loop) hay vòng lặp phụ (auxiliary loop).

Bản sao tín hiệu đã điều chỉnh riêng biệt có thể được gởi (send) đến bộ khuếch đại công suất bổ sung và đưa ra loa monitor (thường gọi là foldback, nhưng ngày nay thường được gọi đơn giản là stage monitoring) Đây là chức năng mà tất cả những các mixer cơ bản nhất đều có. Trong hệ thống cao cấp, một mixer chuyên biệt khác sẽ được xử dụng đúng với mục đích là mix những âm thanh monitor.

Trong số các tính năng cơ bản khác, mixer có thể được thiết kế có nhiều out-put để cho phép các tín hiệu được dễ dàng gửi đến các điểm khác nhau như các in-put của một multitrack tape recorder. Submasters, nếu có, có thể cho phép người vận hành (soundman & soundperson) phân chia thành các loại theo ý muốn và kiểm soát chúng trong các nhóm (group).

Như đã nêu trước đây, chức năng bổ sung thường được bao gồm trong cùng một thùng máy (chassis). Thiết bị tốt nhất để làm điều này là một mixer kèm thêm graphic EQ và ampli để đưa thẳng ra loa (thường được gọi là mixer/amplifier hay powered mixer). Một số thiết bị hiện đang sản xuất cũng bao gồm các tính năng như tích hợp thêm các hiệu ứng reverb kỹ thuật số (built-in digital reverb).

Equalizers:

Thuật ngữ equalization vốn được áp dụng cho quá trình bù sự thiếu hụt điện tử trong một thiết bị hay hệ thống để tái tạo chính xác âm thanh hay tín hiệu âm thanh. Nói chung, thuật ngữ này (viết tắt là EQ) áp dụng cho bất kỳ sự thay đổi có chủ ý nào của tần số đáp ứng bao gồm sự kiểm soát âm sắc dù cho lý do là thực tế hay sáng tạo.

Như đã đề cập, mixer cung cấp khả năng cân bằng cho các channel độc lập (được gọi là onboard EQ). Một EQ onboard thường cho phép kiểm soát 2 – 4 giải âm sắc trong toàn bộ tầm nghe được. Thí dụ, một EQ 3 band sẽ cho phép nhấn mạnh hay giảm đi tần số bass, tần số mid và tần số treble. Phổ biến hơn, mixer cung cấp switchable EQ, cho phép người điều khiển lựa chọn giữa hai hay nhiều giải tần số cố định cho một nút vặn (knob) nào đó, hay sweepable cho phép người điều khiển (operator) chọn giải tần số sẽ ảnh hưởng dần dần. Các mixer đa năng có đầy đủ các EQ tham số (parametric), cho phép kiểm soát ba tham số quan trọng của quá trình này.

Một hệ thống công suất cao (high-power) hay chất lượng cao (high-quality) bắt buộc phải điều chỉnh chính xác nhiều giải âm sắc bị chia nhỏ (divided tonal ranges) gọi là band. Các hình thức phổ biến nhất cho EQ rời ngoài (outboard) là graphic EQ, mặc dù các loại khác xử dụng cũng vẫn khá tốt. Hiện tại, EQ đang sản xuất có thể điều chỉnh riêng biệt hơn 45 mảnh chia cắt âm thanh trong giải tần số con người nghe được (một số thiết bị cao cấp có thể chia ra nhiều hơn).

Những loại khác cho phép người vận hành nhắm chính xác vào các âm tần tương đối cần thiết cho một ứng dụng cụ thể. Các ứng dụng thực tế của loại EQ chia nhỏ này có thể để bù đắp cho những bất thường của micro, loa phóng thanh và âm thanh trong nhà, dùng sáng tạo để thay đổi một âm thanh, giọng hát (vocal) hay nhạc cụ, hay giúp loại bỏ những tiếng hú (feedback) khó chịu cho người biểu diễn và các diễn giả.

Amplifiers:

Chức năng cơ bản của một bộ khuếch đại (amplifier), là để tạo ra một bản sao của tín hiệu. Không giống như micro (trong đó đáp tần khác nhau là một ưu điểm rõ ràng) và bộ EQ (cho phép thay đổi các đáp tần), nhiệm vụ của bộ khuếch đại là làm ra một tín hiệu sao chép chính xác với sự thay đổi tốt nhất của tín hiệu in-put. Sức mạnh của tín hiệu có thể tăng lên, nhưng tốt nhất là điểm thiết yếu (âm thanh của nó) không bị thay đổi.

Amplifier thường được dùng trong thiết kế của các hệ thống và các thiết bị (component) âm thanh ở mọi tiếp giáp quan trọng trong vô số những mạch điện của nó. Trong các thiết bị như mixer và các thiết bị xử lý tín hiệu khác, các amplifier mức độ thấp (Iow level) có nhiệm vụ cô lập mạch điện từ một mạch khác, do đó cho phép có các mạch điện riêng để thực hiện các chức năng xử lý tín hiệu nội bộ. Amplifier cũng bù đắp cho khoản hao hụt của cường độ tín hiệu trong mạch. Thường được gọi là line amplifers hay line drivers. Mỗi thiết bị xử lý tín hiệu có một bộ line amplifers nối với các jack out-put, tạo ra các tín hiệu output cung cấp dữ liệu in-put cho các thiết bị kế tiếp thông qua hai dây nối. Các loại mạch khuếch đại ở mức thấp (Iow level amplifier) cũng được xử dụng để kết hợp các bộ khuếch đại (combining amplifier), mà thực tế nó thực hiện chức năng mix trong một mixer (xem hình 1.5). Một tín hiệu âm thanh được tạo ra để có thể vào in-put của một thiết bị, tùy thuộc vào thiết kế của thiết bị, được xử lý qua một bộ khuếch đại vi sai (differential amplifier). Nói chung, chúng ta không cần phải quan tâm đến việc này, ngoại trừ để biết nó đã tồn tại, và nó phải có khả năng sinh ra một tín hiệu chính xác, hợp lý, đầy đủ năng lượng, và các in-put, out-put đều phải được tương thích với các thiết bị khác trong hệ thống. (Các khả năng tương thích khá dễ dàng quản lý trong hầu hết trường hợp, trong khi công suất đầy đủ sẽ bị giới hạn, đặc biệt là với các thiết bị rẻ tiền).

Hình 1-5 : Những giai đoạn khuếch đại cơ bản trong một hệ thống pro-sound. Năng lượng hao hụt liên quan đến cả hai : bộ chuyển đổi in-put lẫn out-put ,cũng như trong từng giai đoạn xử lý tín hiệu, được bù đắp bằng các bộ khuếch đại bổ sung, âm thanh được nâng lên ở giai đoạn out-put ra loa. Amplifier dùng cách khác để phục vụ trong các mạch điện nội bộ của các thiết bị.Kết hợp những bộ khuếch đại cho ra một tổng hợp của những tín hiệu độc lập.

Tiền khuếch đại (viết tăt pre-amp) dùng để tăng mức tín hiệu trước khi khuếch đại, tạo ra một tín hiệu vừa đủ mạnh để đáp ứng cho ngã vào của các bộ khuếch đại công suất (power-amplifier), để đưa đến cho nó mức tín hiệu mà nó có khả năng tiếp nhận. Thông thường, các thiết bị pre-amplifier chỉ được dùng cho các ứng dụng stereo dân dụng. Nói chung, thiết kế thiết bị pro-sound đều có cường độ dòng out-put đủ mạnh để loại bỏ sự cần thiết phải bổ sung pre-amp. Có lẽ chúng ta sẽ gặp phải những khó khăn khi tiếp cận những cái jack (connector) của các ampli nhạc cụ. Trong trường hợp này, chúng ta có thể thừa nhận nó ám chỉ đến một line level. Sẽ cầnthiết kế bộ tăng low-level micro lên high-level micro hay đến một line-level. Ampli công suất (power amplifiers) dùng để cho ra một tín hiệu output đủ mạnh để tải các loa. Như đã đề cập trước, một vài hay tất cả các nhiệm vụ khuếch đại được mô tả trong phần này có thể được thực hiện trong một thùng máy. Các trường hợp đặc biệt là một mixer với graphic EQ và loa ở out-put, trong đó tất cả các quy trình điện tử cơ bản được thực hiện bởi một thiết bị duy nhất. Trong các hệ thống được thiết kế theo yêu cầu, thông thường là xử dụng các giá đựng ampli công suất (rack mountable power-amplifier) chỉ để thực hiện giai đoạn cuối của sự khuếch đại.

peaker (Loa):

Thiết bị loa, trong việc triển khai bước cuối cùng, từ lĩnh vực điện vào lĩnh vực âm thanh, chịu trách nhiệm không những để tạo ra sóng âm thanh có nguồn gốc từ tín hiệu điện, mà còn để điều khiển âm thanh cho thích hợp với ứng dụng. Trong những năm qua, điều này đã là thách thức to lớn cho các nhà thiết kế loa phóng thanh.

Ở cấp độ cơ bản nhất, một trong những chuyển đổi toàn giải (full-range) có thể có khả năng tái tạo ít nhiều ở giải tần con người nghe được (như trong tai nghe (head-phone) hay loa âm thanh stereo dân dụng rẻ tiền). Tuy nhiên, cách hoạt động của âm thanh không cho phép một thiết bị loa kiểm soát các mô hình định hướng một cách đủ tương thích để có hiệu quả rõ ràng cho hầu hết các ứng dụng pro-sound. (Đây là hạn chế với các loại loa stereo dân dụng rẻ tiền chỉ đơn giản bằng cách di chuyển dần từ bên này sang bên kia và ghi nhận các thay đổi về chất lượng âm sắc khi di chuyển. Ở vị trí trực tiếp phía trước của loa như vậy, tiếng treble cao rất dễ nghe, trong khi giải âm sắc thấp hơn có khuynh hướng nổi bật hơn nếu so sánh). Ngoài ra, ít quan trọng hơn, âm thanh mức độ cao (high sound level), nếu chỉ có một loại loa để xử lý hiệu quả một giải tần số rộng, từ âm bass rất thấp đển các âm treble rất cao, sẽ trở nên không khả thi.

Đối với hầu hết, nhưng không phải là tất cả những ứng dụng cơ bản, nhiệm vụ của loa là phân chia giữa hai hay nhiều thiết bị, mỗi cái trong số đó là (lý tưởng, ít nhất) thích hợp nhất để tái tạo các tần số trong giải tần dự định của mình. Hệ thống tiêu biểu kéo theo hai, ba hay bốn, đôi khi là năm giải tần số, mỗi loại xử lý bởi một loại thiết bị khác nhau. (có thể hơn nhưng không cần thiết). Thông thường, như trong hầu hết các bộ stereo dân dụng, nhiều hệ thống được tích hợp vào một tủ kệ, mặc dù trong các ứng dụng pro-sound, thiết kế của các thiết bị thường khác nhau rất nhiều so với những bộ stereo dân dụng tiêu biểu). Mỗi phương pháp thiết kế cơ bản có mặt ưu điểm và khuyết điểm riêng của nó.

Khi hai hay nhiều thiết bị được dùng theo cách này, tín hiệu chia cho mỗi thiết bị cần phải được giới hạn trong giải tần số mà thiết bị có trọng trách thực hiện. Điều này được thực hiện bởi một frequency dividing network (mạng chia tần số), thường được gọi đơn giản là một crossover.

Hình 1-6 : Một thiết bị loa duy nhất của loại này đã bị biến đổi hướng loa, và cũng không thể đưa ra những giải âm sắc rộng ở mức cao mà không có sự biến dạng (distortion) đáng kể. ​Đây là lý do tại sao có nhiều thiết bị được dùng trong các hệ thống prosound hiện đại. Những liên quan đến việc phải dùng nhiều thiết bị được thảo luận trong chương 9, và trong suốt phần III.

Crossovers:

Nhiệm vụ của crossover là để phân chia tín hiệu out-put của nó cho các mạch (circiut) riêng biệt, mỗi mạch bao gồm một band khá cụ thể hay là giải tần số. Điều này cho phép mỗi thiết bị loa cho ra các giải tần số mà nó hoạt động tốt nhất. Đồng thời, crossover giúp bảo vệ các yếu tố của loa không bị hư hại do hoạt động ngoài giới hạn của các giải tần đã ấn định cho nó.

Trong các thiết kế hệ thống âm thanh đơn giản cho đến trung bình, crossover có thể dễ dàng được cài đặt sau khi qua giai đoạn khuếch đại công suất. Trong hệ thống âm thanh cao cấp hơn hay tốt hơn, việc kiểm soát hoạt động được đặt ra, hệ thống âm thanh sẽ tăng hiệu quả bằng cách chia phổ âm thanh trước khi đến giai đoạn khuếch đại công suất. Loại thiết bị được gọi là một crossover chủ động (active crossorver) hay crossover điện tử (electronic crossover) và thiết bị cũ được gọi là crossover thụ động (passive crossover).

Mỗi cái đều có ưu điểm của nó. Passive crossover dùng ít các power amplifier hơn, dây nối giữa các thiết bị sẽ ít hơn, và nói chung là thuận tiện hơn cho người xử dụng. Active crossover, mặt khác, làm xử lý hiệu quả hơn tổng số các power amplifier và cho phép tinh chỉnh độ chính xác các điểm giao tần (crossover) dễ dàng hơn, và cũng có thể kiểm soát một số yếu tố khác liên quan đến việc phân chia các giải tần số. Thông thường, cả hai được xử dụng rất hiệu quả trong cùng một hệ thống, như minh họa trong hình 1.7.

Hình 1 -7 : Ứng dụng của crossover trong một hệ thống đơn giản.
(A) Passive crossover nội bộ, thường được gắn trong một tổ hợp nhiều thiết bị tiêu chuẩn.
(B) Hệ thống ampli đôi đơn giản, hai way với một active crossorver.
(C) Hệ thống hai way tiêu chuẩn, với loa siêu trầm (subwoofer). Các vấn đề liên quan đến xử dụng hệ thống này.

Quan điểm về hệ thống thiết thực :

Hiệu quả toàn diện của một hệ thống chắc chắn là không tốt hơn so với mắt xích chất lượng yếu nhất của nó. Ngoài ra, chất lượng của các thiết bị, chất lượng của các loại dây dẫn và cách hàn nối dây của hệ thống dây điện đóng vai trò cơ bản trong hiệu quả của hệ thống. Cách thức dẫn truyền (flow) của tín hiệu âm thanh đi từ giai đoạn này đến một giai đoạn khác trong hệ thống (và/hay thiết bị) cũng đóng vai trò cả hai: về chất lượng âm thanh lẫn ở khía cạnh vận hành thực tế. Chương 11 đến chương 16 sẽ có cái nhìn tổng quan về những khía cạnh liên quan đến pro-sound.

Môi trường Âm học (Acoustic Environment):

Các lĩnh vực âm học là liên kết đầu tiên và cuối cùng trong chuỗi từ nguồn âm thanh đến tai của người nghe. Trong khi hầu hết cơ bản thực tế này đều là hiển nhiên, các đặc điểm của môi trường âm học thường bị bỏ qua hay do sự hiểu lầm của nhiều người vận hành và thiết kế các hệ thống âm thanh thiếu kinh nghiệm. Chương 2 sẽ cố gắng giới thiệu một quan điểm ban đầu về âm thanh nói chung. Sau đó chương này sẽ cố gắng mở rộng quan điểm này.

Yếu tố con người (Human Factor):

Hệ thống pro-sound đôi khi được nghĩ đơn giản là điện tử hóa (hay electro-acoustic-âm thanh điện tử) hệ thống. Nhưng yếu tố con người thường bị bỏ quên ở cả hai điểm cuối cùng của bất kỳ hệ thống nào. Đó là yếu tố con người nghệ sĩ, người diễn thuyết trước công chúng và khán giả, và các cá nhân khác mà theo đó hệ thống tồn tại, mà hệ thống rút cục lại bị chịu trách nhiệm.

Trong số những trọng tâm, bản thân tai con người xử lý rất khác so với sự đo lường điện tử và các loại máy đo. Nhận thức về âm thanh thường thay đổi đáng kể từ người này sang người khác, thay đổi theo cường độ của âm thanh, và cũng có thể thay đổi bởi thời điểm và địa điểm nơi biểu diễn, một số quan điểm rất thú vị và đôi khi gần như kỳ lạ. Chắc chắn khả năng mất mát dài hạn hay mất thính lực vĩnh viễn cũng là sự liên quan lớn với các hệ thống cao cấp.

Thêm nữa, sẽ xem xét những liên quan thực tế đến các nhu cầu khác nhau của người biểu diễn và người diễn thuyết. Chúng ta sẽ cố gắng để có được những quan điểm thống nhất trong các chương sau.

CHƯƠNG II
Bản chất của âm thanh( The Nature of Sound )​Chương này là các thông tin cơ bản tiếp theo của âm thanh, một số trong đó là quan niệm sai lầm đã lây lan trong nhiều học viên thiếu kinh nghiệm được đào tạo tại lớp pro-sound thực sự, trong số những học viên học âm thanh nói chung. Các bạn nên đọc lại toàn bộ chương này ít nhất hai lần thật triệt để bảo đảm hiểu rõ tường tận nội dung.

Sóng âm thanh (Sound Waves):

Hình 2.1 và 2.2 hiển thị chuyển động của một cái loa đang tái tạo lại âm thanh cơ bản nhất, chẳng hạn như của một âm thoa hay trong các thiết bị đơn giản của organ điện tử hay synthesizer.

Khi cone (vành loa hình nón) loa di chuyển ra phía ngoài (Hình 2.1-B) không khí ngay trước mặt loa bị nén vượt quá áp suất không khí bình thường. Dòng khí nén sau đó di chuyển ra ngoài và gây thêm áp lực lên các hạt không khí ở mặt trước của nó, lần lượt di chuyển ra phía ngoài và nén với các hạt sau, và lập lại. Như thế, một làn sóng nén được tạo ra trong đó áp lực bị biến thiên nhanh chóng một tập hợp các hạt không khí và tiếp theo là sóng bị di chuyển ra phía ngoài.

Khi cone loa di chuyển vào bên trong (Hình 2.1-D) nó tạo ra một phần chân không, hay giãn nở (còn gọi là loãng khí). Các hạt không khí ở phía trước cone loa sẽ quay trở lại để lấp đầy chỗ giãn nở, các hạt này cũng bắt đầu di chuyển trở lại, bởi vậy sau đó các hạt phía sau sẽ vòng ra phía ngoài. Theo cách này, một sóng bị giãn nở cũng được biến thiên từ một tập hợp các hạt không khí cho tới khi nó theo sau những lực nén cùng tốc độ. Mỗi lần cone loa tạo ra sự nén và giãn nở, sau đó trở lại điểm khởi đầu, là đã hoàn thành một chu kỳ (cycle) của sóng âm thanh.

Cone loa tiếp tục di chuyển theo cách tương tự (hình 2.2), nó tạo ra một loạt việc nén và giãn nở liên tục ra phía ngoài, biến thành một hiệu ứng gợn sóng. Những gợn sóng giống như sự biến thiên của áp suất không khí như thế này là những gì tai chúng ta nghe và phát hiện ngay lập tức, sau đó được phiên dịch là đó là một loại âm thanh. Mặc dù những đợt sóng di chuyển ra ngoài từ nguồn của nó, hạt không khí tự chúng không di chuyển xa hơn mức cần thiết để tiến tới một sự nén bên ngoài, thay vào đó sau đó nó được hút trở lại bằng cách giãn nở, kế tiếp, lặp đi lặp lại tiến trình suốt thời điểm của âm thanh.

Trong một khu vực mở, trống trải, sóng âm thanh đi xa khỏi nguồn của nó theo cách mà chúng ta có thể tạm ví như sóng bề mặt tạo ra trong ao nước, khi ném vào đó một viên sỏi. Khi sóng di chuyển ra phía ngoài, chúng lan tỏa năng lượng của mình trên một diện tích lớn hơn và lớn hơn nữa, giảm bớt chiều cao lại cho đến khi khoảng cách từ nguồn không còn phát hiện được nữa. Sóng âm, tỏa ra trong bất kỳ các mô hình ba chiều nào, hơn là trên mặt phẳng, thí dụ như bề mặt của nước.

Hình 2.1:Một chu kỳ chuyển động của một cone loa. (E, cone loa trở về A.)
Những gì được minh họa ở đây không gợn sóng, nhưng sự nén và giãn nở không khí, đưa ra phía ngoài. Dưới đây là một phần nhỏ của sự tiến ra phía ngoài của tần số của một làn sóng. Thực tế, mức độ của việc bung ra sang một bên tất nhiên sẽ là ba chiều (thí dụ, trái, phải, hướng lên trên, và đi xuống từ các hướng của cone loa), và mức độ phân tán của nó có thể thay đổi tùy thuộc tần số của sóng.

Trong một khu vực kín, chẳng hạn như một căn phòng hay thính phòng, âm thanh có khuynh hướng hoạt động khá giống như những con sóng tạo ra bởi một viên sỏi rơi vào bể cá (hình 2.3). Nếu các bức tường, sàn và trần nhà là trần trống, âm thanh trải qua sự phản âm rất nhiều trước khi nó biến ra ngoài. (Điều này cũng tương tự như cách ánh sáng hoạt động trong một căn phòng được lót bằng gương, ngoại trừ một điều là với ánh sáng, nó xảy ra nhanh hơn nhiều). Kết quả được gọi là reverbration (vang dội), một loạt tiếng lập lại (echo) rất gần nhau không thể phân biệt, có thể nghe được giống như sự phân rã (decay) liên tục theo sau những âm thanh ban đầu.

Với mỗi sự dội âm, một số năng lượng trong các sóng này sẽ bị mất dần bởi bề mặt phản xạ, cho đến khi cuối cùng nó được hấp thu hoàn toàn. Một người trong phòng đầu tiên sẽ nghe những âm thanh trực tiếp từ nguồn, sau đó là những âm thanh phản xạ từ các bề mặt trong phòng. Cách thức mà điều này xảy ra là một phần lớn nguyên nhân cho những gì thường được gọi là âm cách (acoustic) của phòng.

Khi phòng có thêm nội thất, rèm, thảm, v.v , tác động này sẽ xảy ra tương tự như trong hồ cá khi thực vật và các vật liệu xốp có nhô lên mặt nước hay không (hình 2.3 ). Ở phòng như vậy, sóng tiếp tục khuếch tán và bị hấp thụ bởi các vật thể bổ sung và bề mặt xốp, đã làm cho âm thanh phân rã nhanh hơn. Mức độ và loại reverberation trong một căn phòng rất quan trọng đối với âm thanh. Tùy thuộc vào tình huống, nó sè đem đến cả hai điều: hạnh phúc lẫn tai họa.

Nếu thêm vào đủ lượng reverberation, việc biểu diễn sẽ hoàn hảo hơn. Nhưng, có số lượng quá mức thì có thể là một cơn ác mộng cho cả người biểu diễn và khán giả . Số lượng tối ưu của reverb trong bất kỳ môi trường nào cũng có thể thay đổi tùy theo việc chúng ta đang khuếch đại tiếng nói hay âm nhạc, và còn liên quan tới loại âm nhạc nào nữa.

Hình 2.2: Đây là một thời gian tiếp xúc thực của một phần sóng âm thanh được phát ra từ loa. Được thực hiện rất sáng tạo bằng phương pháp quét một micro nhỏ gắn với một bóng đèn neon đồng bộ với ánh sáng để hiện lên ngay lập tức giai đoạn nén dần dần của sóng khi đi qua camera. Giả sử loa 15”, tần số liên tục phát ra sẽ khá cao về trình tự thí dụ là 5.000 Hz. Lưu ý đây là mô hình rất hẹp của phần lớn nhất của sóng (các điểm ở vùng phía trên và dưới, độ dB sẽ thấp hơn nhiều, và sẽ hầu như không nghe được). Điểm đặc trưng này là một lý do chính tại sao loa horn tần số cao được xử dụng trong âm thanh, dùng để phát tán các tần số cao một cách thích hợp, đồng đều hơn cho khán giả.. Tuy nhiên, không phải mọi hệ thống thực hiện việc này đạt được cùng một mức độ hiệu quả, một chủ đề sẽ thảo luận trong chương 9.


Hình 2.3: (A) Sóng âm trong một bể cá có thể được dùng để tiêu biểu cho hoạt động của âm thanh trong phòng với những bức tường dội âm. Ngoài tiếng dội này, cộng hưởng cũng xảy ra trong một căn phòng chuẩn. Nó có thể làm thay đổi đáng kể đặc tính của âm thanh trong bất kỳ căn phòng nào.
(B) Vật liệu xốp hay không, tác dụng để giảm tiếng dội. Phần màu đen trong hình sẽ thay đổi tùy theo tần số,tần số cao hơn sẽ có nhiều khả năng bị chặn bởi các vật cản hơn so với mức thấp. (Xem mục “Bước sóng” (wave lenghth) sẽ cho biết thêm thông tin.)


Tốc độ của âm thanh (The Speed of Sound):

Trong bất kỳ vật chất nhất định nào, âm thanh không thay đổi tốc độ khi rời khỏi nơi nó xuất phát. Tốc độ nhanh như thế nào là tùy thuộc vào vật chất đó. Thí dụ trong nước, âm thanh di chuyển nhanh hơn bốn lần so với khi nó ở trong không khí. Trong thép hay sắt, tốc độ của âm thanh nhanh khoảng mười lăm lần so với trong không khí. Sự khác biệt này có thể khá dễ dàng chứng minh bởi hai người, nói với nhau cách khoảng 50 mét dọc theo một lan can bằng sắt hay đường rầy xe lửa. Nếu một người đọc “rap” trên đường sắt với một cái búa, người thứ hai sẽ nghe thấy âm thanh hai lần, một lần nghe những rung động đi qua các rào chắn và một lần nữa một sau khi nó với đi ở tốc độ thấp hơn trong không khí. Âm thanh cũng đi với tốc độ khác nhau thông qua các loại khí gas. Giọng nói the thé giống như đứa trẻ của một người đã hít hơi heli từ một quả bóng là kết quả của các sóng âm thanh vận tốc cao hơn trong hơi gas heli khi nó đi qua các hộp thoại (voice box) và miệng.

Trong không khí, vật chất mà chúng ta đang chú trọng nhất, tốc độ của âm thanh là khoảng 344 mét / giây (1.130 feet / giây). Sóng âm truyền qua không khí đều ở tốc độ này dù nó là nhỏ nhẹ hay lớn, tần số thấp hay cao, có tính chất đơn giản hay phức tạp, bởi vì tốc độ này là bình thường, không bị ảnh hưởng với những thay đổi của áp suất.

Tốc độ của âm thanh thay đổi rất ít theo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển, trừ khi các yếu tố này ảnh hưởng đến tính chất vật lý (độ đàn hồi và mật độ) của không khí. Đây là một vấn đề cho các nhạc công chơi nhạc cụ có cao độ hay bị tăng giảm do những thay đổi nói trên (chủ yếu là nhạc cụ hơi). Đối với nhiều sự tính toán thực tế đều có liên quan đến pro-sound, mặc dù, tất cả các sóng âm thanh có thể giả định là được di chuyển với tốc độ nêu trên.

Biên độ (Amptitude):

Sức mạnh, hay cường độ của sóng âm tại một thời điểm tức thời trong một thời gian được gọi là biên độ (amptitude) của nó. Trong hình 2.4, biên độ được thể hiện là khoảng cách theo chiều dọc (chiều cao và chiều sâu) của sóng ở trên và dưới mức giữa. Đây là miêu tả sự thay đổi áp suất nén (phía trên mức giữa) và mở rộng (bên dưới mức giữa)) sinh ra trong không khí bởi sóng âm thanh, và cũng có thể miêu tả cho các tín hiệu điện trong các mạch nội bộ của hệ thống âm thanh. Thuật ngữ biên độ có nghĩa tương tự như khối lượng (volume), độ lớn (loudness), và mức độ áp lực âm thanh (sound pressure level), và vài tên khác. Có sự khác biệt quan trọng, nhưng tinh tế giữa chúng, sẽ được thảo luận trong chương 3 và 4.

Hình 2.4: Sóng tương đương với biên độ khác nhau được hiển thị trên trình tự (time line) hay màn hình máy hiện sóng (oscilloscope). Lưu ý rằng ở bên trái,chỉ có độ cao khác nhau, không phải chiều dài. Điều này sẽ còn dùng cho những bộ khuếch đại, tăng sức mạnh của tín hiệu mà không thay đổi tần sốhay dạng sóng thiết yếu của nó. Loại thay đổi biên độ này cũng có thể được dùng bằng cách hiển thị nó trên một đồ thị thay đổi theo chiều dọc, như bạn thấy ở bên phải. Hình đồ thịcủa tập hợp các sóng âm có thể được kéo dài ra hay bị giảm đi, theo chiều dọc hay ngang, tùy theo thời gian và biên độ được xử dụng.

Tần số (Frequency):

Tỷ lệ của bất kỳ loại chuyển động nào tự lặp lại chính nó được gọi là tần số. Đối với sóng âm thanh, tần số được đo bằng chu kỳ (cycle) trên mỗi giây, hay hertz. Thí dụ, trong một giây, nếu một cone loa đã hoàn tất việc chuyển động thứ hai được mô tả trong hình 2.1, tần số của nó sẽ là một chu kỳ / giây, hay một hertz (Hz). Nếu chuyển động này xảy ra một trăm lần mỗi giây, tần số (và hình thành các sóng âm thanh) sẽ là 100Hz. Nếu chuyển động xảy ra một nghìn lần mỗi giây, tần số của nó sẽ là 1000Hz hay kilohertz (1kHz). Khi tần số không kéo dài trọn một giây, tần số nói về số của chu kỳ (cycle) đó sẽ xảy ra nếu nó được để tiếp tục cho một tuần hoàn thứ hai với tỷ lệ tương tự.

Tai của con người có khả năng nghe suốt một giải tần số được gọi là phổ âm thanh, hay đơn giản là giải âm tần nghe được. Nói chung, phạm vi này được coi là từ 20Hz lên đến 20.000 Hz (20kHz). Trong các giới hạn xấp xỉ này, tần số phù hợp chặt chẽ với các cảm giác về cao độ âm thanh (pitch) tạo ra trong tai (tần số cao hơn, sẽ nghe được cao độ âm nhạc (pitch musical) cao hơn).

Phổ âm thanh là một giải tần kéo dài khoảng mười bát độ (octave), hay nhân đôi tần số. Các khái niệm về một bát độ là vấn đề cơ bản trong việc nghiên cứu âm nhạc, nhưng rất hữu ích và quan trọng trong việc nghiên cứu âm thanh nói chung nữa. Bát độ miêu tả một tỷ lệ (tỷ lệ 2:1), và nó là tỷ lệ giữa các tần số khác nhau mà tai chúng ta nghe chấp nhận, chứ không phải giá trị số thực tế giữa các tần số. Thí dụ, mức giữa của phổ âm thanh không phải là số Hz ở khoảng giữa 20 và 20.000 (mà sẽ là 10.010). Đúng hơn, nó là ở giữa số lượng các bát độ từ 20 đến 20.000 Hz, đó là khoảng 640Hz (xem hình 2.5).

Mười bát độ (octave) của phổ âm thanh có thể tưởng tượng như là một keyboard organ, tạo ra tất cả các âm thanh mà đôi tai của con người có thể nghe được. Mỗi âm thanh có những đặc điểm của nó, chủ yếu là do: (1) các tần số có liên quan, (2) sự tương đối của cường độ, và (3) cách thức mà các tần số và cường độ thay đổi theo thời gian.

Hình 2.5:Các đường phân chia của phổ âm thanh thực ra là hơi độc đoán.Thông thường, điểm giữa của phổ là dùng cho các mục đích kỹ thuật, khoảng 1kHz. Giải tần rất rộng của hệ thống âm thanh tiêu biểu chỉ cần nhân bản từ khoảng 4OHz đến 14kHz. Trong thực tế, thậm chí ngay cả những (tin hay không, tùy) tần số cực thấp và cao này đều dùng với hầu hết các ứng dụng âm nhạc. Tuy nhiên, việc định rõ bên trên giải cần thiết đôi khi có thể là dấu hiệu đặc trưng mà thiết bị có thể đạt đến tần số cần có với hiệu quả hợp lý.

Phổ âm thanh cũng có thể được chia thành nhiều nhóm thập phân (decades), là ngôn ngữ âm thanh dùng để chỉ các giải tần nằm trong phạm vi tỷ lệ mười-một (ten-to-one). (Điều này cũng được gọi là một thứ tự của cường độ, các nhịp đếm được thể hiện bằng việc bổ sung một số không vào cuối của bất kỳ số nào). Các giải tần âm thanh có nhịp đếm khoảng ba nhóm thập phân: từ 20Hz đến 200Hz, từ 200Hz đến 2000Hz, và từ 2000Hz đến 20.000 Hz. Điều này có ích để chia phổ âm thanh, bởi vì thiết bị loa riêng biệt trong các ứng dụng pro-sound vốn đã bị hạn chế với khoảng một nhóm thập phân của giải tần số hiệu quả (điều này sẽ được giải thích trong chương 9).

Cần lưu ý rằng tai của chúng ta nhạy cảm với tần số biến đổi khác nhau trong phổ âm. Một số tần số nghe được dễ dàng hơn là những tần số khác, và các giới hạn trên dưới của đường phân chia không có nghĩa là bất di bất dịch. Thay vào đó khả năng nghe dần dần sẽ giảm đối với hai cực âm phổ (và cũng có thể rất khác nhau giữa mỗi người). Nó sẽ được giải thích trong chương 3 lý do tại sao điều này và đặc điểm đặc biệt khác của tiến trình cảm tính của con người có ý nghĩa quan trọng trong việc xử dụng hệ thống âm thanh.

Bước sóng (Wavelength):

Liên quan chặt chẽ đến tần số của sóng âm là bước sóng (wavelength) của nó (xem hình 2.6). Thuật ngữ này mô tả độ dài một sóng có tần số nhất định sẽ di chuyển trong không khí trong thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ. Đó cũng là khoảng cách giữa các điểm giống nhau ở hai chu kỳ liên tiếp khi nó di chuyển từgốc của chúng. Âm thanh di chuyển trong không khí ở cùng một tốc độ, bước sóng sẽ khác nhau tỷ lệ nghịch với tần số (tần số cao hơn, bước sóng ngắn hơn).

So sánh như sau có thể hữu ích. Hãy tưởng tượng chúng ta đang quan sát một hàng người diễu hành ra khỏi cửa, tất cả đều cùng một tốc độ. Nếu những người này ra khỏi ngưỡng cửa với một khoảng thời gian bình thường (tần số), và tất cả họ đi cách nhau cùng một khoảng cách (bước sóng). Nếu họ giữ cùng một tốc độ mà tăng gấp đôi tỷ lệ mà họ đã đi qua các ô cửa (nhân đôi tần số), sau đó họ sẽ đi cách nhau chỉ có một nửa khoảng cách (một nửa bước sóng). Được coi là cách khác nổi bật hơn, người ở trong hàng với khoảng cách ngắn có thể nói qua một người quan sát với tần số lớn hơn mà họ đã làm khi khoảng cách xa hơn.

Hình 2.6 : Bước sóng khác nhau tỷ lệ nghịch với tần số (nhân hai tần số bằng một nửa bước sóng.) Bước sóng dài hơn, sẽ uốn cong dễ dàng hơn chung quanh nguồn của nó cũng như chung quanh những chướng ngại trên đường đi của nó.

Mối quan hệ này được thể hiện theo công thức:

Bước sóng (λ) = tốc độ của âm thanh (~ 1130ft / giây)
Tần số (Hz)

Một sóng âm thanh 20Hz dài khoảng 17 mét (~ 56 feet), trong khi một sóng 20kHz chỉ khoảng 17millimeters (~ hai phần ba của một inch). Bước sóng giữa hai cực tùy theo công thức trên (tỷ lệ nghịch với tần số). (Để tham khảo, ở chương 9 sẽ có một biểu đồ của các bước sóng tương đối đúng của phổ âm).

Khái niệm về bước sóng đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế các speaker, horn và tweeter cho phù hợp, cũng như phải hiểu cách xử lý sóng âm trong các môi trường vật lý khác nhau. Nguồn âm thanh rất nhỏ hay nhẹ không thể phát ra âm thanh tốt hơn so với các bước sóng mà nó tạo ra. Đây là lý do chính để giải thích tại sao các thiết bị loa tần số thấp (low frequency speaker) sẽ lớn hơn nhiều so với các thiết bị loa tần số cao (high frequency speaker) khác. Thực ra, thiết bị tần số thấp sẽ quá lớn để có sự hữu dụng, do đó, thường dùng horn tần số thấp (low frequency horn) hay thùng loa với kích thước và thiết kế đã được thoả thuận..

Chiều dài của một sóng âm cũng ảnh hưởng đến khả năng vượt qua những chướng ngại khác nhau trong đường đi của nó, chẳng hạn như tường ngăn, cột trụ, cơ thể con người và đầu người. Bước sóng ngắn (tần số cao) có khuynh hướng phản xạ hay bị hấp thụ bởi những chướng ngại như vậy, trong khi các bước sóng dài nhất của phổ âm (tần số thấp) có khuynh hướng di chuyển chung quanh hay băng qua mọi thứ trên con đường phát tán của nó.

Sóng Sin (Sine wave):

Dạng cụ thể của áp lực sóng tạo nên một âm thanh, phải được rõ ràng, phải xác định rõ loại dao động nào tạo ra chúng. Đối với thí dụ cơ bản nhất về vật lý, có thể, những âm thanh của một âm thoa, được dùng trong nhiều thế kỷ trước đây trên các công cụ điều chỉnh cao độ của nhạc cụ cho thích hợp, được tạo ra bởi loại dao động cơ bản nhất, được gọi là chuyển động họa âm đơn giản (simple harmonic motion).

Một con lắc đong đưa qua lại và một quả cân nhấp nhô lên xuống, khi ở cuối chu kỳ sẽ chậm lại, là thí dụ để quan sát loại chuyển động này dễ dàng hơn. Hãy nhớ rằng con lắc được xử dụng trong đồng hồ cổ hồi xưa khi gần hết năng lượng vẫn không đổi thời gian lắc. (Nói cách khác, nó vẫn duy trì tần số đặc trưng của mình bất kể biên độ của nó ra sao).

Âm thoa, tất nhiên, di chuyển vào ra nhanh chóng đủ để tạo ra sóng âm thanh nghe rõ, nhưng có rất nhiều loại dao động tương tự. Khi vỗ nó, các nhánh của nó phản ứng bằng cách rung với dao động đơn giản, áp không khí chung quanh dao động y như nó. (Nốt nhạc La (A) 440Hz là tần số thông dụng nhất, mặc dù họ vẫn còn sản xuất một số loại tần số tương ứng với nốt nhạc khác nhau, không phải ai cũng chuyển sang dùng chuyển sang dùng bộ điều hưởng điện tử) (electronic tuners)

Cách trình bày loại chuyển động bằng đồ thị từ những rung động của một âm thoa có thể hình dung bằng cách gắn cây bút vào một trong các ngạnh như minh họa trong hình 2.7.

Một miếng giấy di chuyển ở tốc độ bình thường với cây bút chạm vào giấy nhẹ nhàng, dao động của âm thoa sẽ hiện ra.

Hình 2.7 : (A) Âm thoa tạo ra các dạng sóng cơ bản được gọi là sóng sin, tất cả các sóng âm thanh đều được tạo thành như vậy, không có ngoại lệ. (Tỷ lệ hình này đã được phóng đại để minh họa.) Khi dùng thuật ngữ tần số và bước sóng, họ đã tham khảo sóng sin tạo thành âm thanh như thế nào.
(B) Chế độ rung của một dây đàn đơn giản. Nhiều nhạc sĩ và soundman không có kỹ thuật cao , đã rất khó khăn để hiểu rằng những việc này xảy ra đồng thời, mỗi rung động có dạng thức chuyển động sóng sin tại tần số riêng của nó. (Thuật ngữ họa âm (harmonic), về bản chất, có nghĩa là tần số của nó là bội số nguyên của tần số gốc).

(Thuật ngữ harmonic. theo âm nhạc gọi là hài âm, nhưng trong âm thanh phải gọi là họa âm mới chính xác, cũng như harmonic frequency là họa tần – ND)

Căn nguyên của dạng sóng, thể hiện chuyển động của họa âm đơn giản theo cùng một lịch trình, sẽ là một dạng sóng sine. Đây là loại sóng cơ bản nhất để tạo thành tất cả các sóng âm thanh, không có ngoại lệ. Thực ra, do định luật chuyển động cơ bản của vật lý và phân tử, mỗi loại dạng sóng, có thể bị toán học, âm học và điện tử chia nhỏ chính nó thành các thành phần sóng sine. Khi dùng các thuật ngữ tần số (frequency) và bước sóng (wavelength), người ta thường giả định để chỉ một thành phần sóng sinetrong âm thanh. Như sẽ thấy, khả năng trích xuất các thành phần sóng sine liên quan đến một âm thanh và cũng có tầm quan trọng đến thính giác của chính con người. Trước khi đi vào các dạng sóng phức tạp, chương này sẽ giới thiệu thêm một số khái niệm cơ bản.

Âm phổ (Sound Spectra):

Sóng sine là viên gạch cơ bản của âm thanh, nó hiếm khi được tạo ra ở dạng tự nhiên bởi bất kỳ nguồn vật lý nào khác, ngoài âm thoa đã được đề cập ở trên. Những âm điệu (tone) ngắn gọn nghe được ở các điện thoại, những tone thử nghiệm liên tục được phát ra bởi sóng của các đài truyền hình, và một số âm thanh của máy chơi game là những thí dụ khác của âm thanh mặc dù chúng đã được tạo ra bằng điện tử. Do tình trạng của nó như là một viên gạch, sóng sine có ích cho việc thử nghiệm (chúng được dùng cho hầu hết các trắc nghiệm về thính giác cũng như trong thử nghiệm thiết bị âm thanh nói chung). Sóng sine nguyên bản không thay đổi tần số và biên độ thường được coi như là vô hồn, đơn điệu (nghĩa đen là monotones), buồn tẻ, hay đơn giản là tinh khiết, nguyên bản (pure). Theo ý nghĩa này, nghe một sóng sine mà tần số và biên độ không đổi giống như nhìn vào một viên gạch đơn thuần, không thuộc cái nhà nào cả.

Các âm thanh chúng ta nghe được, thông thường tạo thành từ một hỗn hợp các thành phần của sóng sine với nhau có thể được gọi là sự phân bố âm phổ (spectrum) hay sự phân bố năng lượng (energy distribution) của bất kỳ vật thể nào phát ra âm thanh. (*) Trong trường hợp âm thanh của âm nhạc, các tần số ăn khớp với nhau theo một cách trật tự đủ để có một chất lượng đặc biệt làm hài lòng người nghe khi sắp xếp những đoạn nhạc. (Âm thanh đó có nhiều tiếng ồn như là không có sự sắp xếp ngăn nắp, chúng ta chỉ xem xét về khía cạnh âm nhạc, thay vì nghe để ý đến nhiều hỗn hợp ngẫu nhiên của tần số). Đàn dây, có lẽ là loại thông dụng nhất của phần tử dao động (vibrating element) được xử dụng trên toàn thế giới, là một minh họa tốt để hiểu âm nhạc được tạo ra bằng cách nào.

Đầu tiên hãy xem xét chính sợi dây đàn, chỉ cần kéo dài giữa hai vật vững chắc. Khi gảy nó, như một lò xo nó nhanh chóng trở lại và lại bật ra, mỗi chuyển động kế tiếp trở nên hơi nhỏ hơn so với trước cho đến khi cuối cùng nó dừng lại. Sợi dây đàn đã chuyển động theo cách này, thực sự rung cùng lúc trong nhiều chế độ khác nhau, mỗi một trong những cái đó được nhận dạng là một chuyển động của sóng sin trong một tần số đặc biệt (xem hình 2.7).

Chế độ rung bao trùm toàn bộ chiều dài của dây đàn, với sự chuyển động tối đa ở giữa sợi dây, là họa âm đầu tiên (first hamonic), gọi tắt là âm gốc (fundamental). Các âm gốc tạo ra cao độ chính, nghe được như một nốt nhạc của dây đàn.

Những họa âm khác (2, 3, 4, 5, v.v. được gọi là bội âm của dây đàn (string’s overtones) là kết quả của chế độ rung có liên quan đến sự chia nhỏ tổng chiều dài của dây đàn. Định nghĩa, họa âm là một tần số là bội số nguyên (có nghĩa là, nhân với một số nguyên: 1, 2, 3, 4, 5, v.v.) của các âm gốc.

Giống như răng, nhánh của một âm thoa, bản thân dây đàn cứa trong không khí mà không mất nhiều năng lượng của mình để tỏa ra không khí. Nếu dây đàn được gắn với một guitar thùng (hay các nhạc cụ thân rỗng), thùng đàn sẽ tạo ra sự cộng hưởng để đáp ứng với dao động của dây đàn. Không giống như hộp cộng hưởng của một âm thoa chỉ cần đáp ứng có một tần số, thùng guitar phải cộng hưởng cho rất nhiều các tần số. Hình dạng cong đặc biệt của nó là để thực hiện điều này.

Tuy nhiên, thùng guitar vẫn đáp ứng dễ dàng với một số tần số hơn là những vật khác. Kết hợp của cộng hưởng bao gồm tất cả các rung động của tấm gỗ và khoang bên trong được vẽ dưới dạng một đường biểu diễn đáp ứng tần số (frequency reponse curve), hay đường biểu diễn cộng hưởng (resonance curve). Đồ thị dưới đây (hình 2.8) cho thấy mức độ mà thùng đàn sẽ đáp ứng với dao động của bất kỳ tần số nhất định nào.
(*) Mỗi âm thanh (sound) đã đã có phổ tần số (spectrum of frequencies) riêng của mình, không nên nhầm lẫn với phổ âm (audio spectrum), là tất cả các tần số nghe được của con người. Spectra là dạng thứcsố nhiều của âm phổ (spectrum).

Hình 2.8: Một đường cộng hưởngnhư thế này mô tả cho mức độ mà mỗi tần số tạo ra bởi dây đàn hay loại dao độngkhác, được khuếch đại bởimột nhạc cụ hay nguồn âm thanh khác. Đặc tính này là một khía cạnh chính củanhững gì được sửa đổi bởi một EQ và hay microphone.( các bảng là hiển thị tiêu biểu của một guitar thùng hay viola.

Các yếu tố rung (dây đàn-string) và cộng hưởng (thùng guitar) kết hợp với nhau để tạo ra âm phổ của một nốt nhạc nhất định cho guitar. Chính sợi dây đàn tạo ra âm gốc của các cao độ âm nhạc và bổ sung thêm các họa âm, có tần số thay đổi tỷ lệ với nhau giống như những nốt nhạc khác nhau được chơi, do đó duy trì sự tương quan về họa âm của nó. Thùng guitar sau đó xác định mức độ tần số nào sẽ được tăng cường thêm cho tần số đó nằm trên các đỉnh của đường biểu diễn sự cộng hưởng. Kết quả là các âm phổ cho ra những âm thanh của nốt nhạc chất lượng âm sắc đặc thù của nó chơi trên một cây đàn guitar, theo truyền thống được gọi là âm sắc (timbre) của nó (phát âm là “tamber”). Những âm sắc của âm thanh một nhạc cụ đóng một vai trò quan trọng trong việc cho phép (plays a vital role in allowing), thí dụ, nốt Mi (E) chơi trên guitar nghe khác với cùng nốt đó chơi trên bất kỳ loại nhạc cụ nào (hay guitar khác mà chính đặc tính vật lý dẫn tới việc âm phổ bị khác đi).

Trong một số nhạc cụ, chẳng hạn như nhạc cụ hơi bằng gỗ (woodwinds), không dùng sự cộng hưởng riêng biệt; lưỡi gà là một yếu tố để dao động và các nốt nhạc được xác định bằng cách các nhạc công điều chỉnh chiều dài của cột không khí trong nhạc cụ (gần tương đương với việc kiểm soát nốt nhạc cộng hưởng của một ống nghiệm, chai lọ hay ấn định nó bằng cách cho vào một số lượng nước nhất định). Trong các nhạc cụ khác, chẳng hạn như trumpet và trombones, cử động đôi môi của nhạc công là một phần tử dao động. Nhưng trong những loại khác, như sáo (flute) và ống tiêu (recorders), không có sự dao động vật lý nào, tất cả những rung động tạo ra là do một luồng không khí xoay chiều nhanh chóng qua ống. Trong mỗi trường hợp, đặc biệt là cấu trúc vật lý và cách chơi nhạc cụ đem lại những phổ âm riêng và do đó là chất lượng âm điệu riêng của nó. Sự khác biệt giữa các khái niệm của các phần tử rung và cộng hưởng này, mặc dù có một số hiểu biết quan trọng về những khía cạnh của âm thanh, có thể được kiểm soát bởi một hệ thống âm thanh, và lại có những khía cạnh khác lại có thể không (xem lại hình 2.8). Điều này sẽ được thảo luận thêm phần nào trong chương 6 và 17

Phasevàsự can thiệp (Phase and Interference) :

Một đặc điểm thú vị và quan trọng về chuyển động của sóng sine là mối quan hệ chặt chẽ với chuyển động vòng quanh. Đây là cơ sở cho việc đo lường phasecủa sóng (wave’s phase). Nghiên cứu giữa mối quan hệ đặc biệt của phase với các sóng âm thanh có thể rất phức tạp, nhưng mục đích của giáo trình này là sự cần thiết duy nhất để hiểu được nhưng ý tưởng cơ bản.

Hình 2.9 cho thấy đồ thị của một sóng sine vẽ như là một chiếu quay của một vòng tròn có bán kính bằng với biên độ đỉnh (peak) của sóng. Trong hình minh họa này, điểm X1 trên vòng tròn được cho là quay theo vòng tròn của nó tại tần số là điểm X2 trên sóng sine. Nếu cả hai bắt đầu chuyển động của nó cùng lúc ở không độ, vị trí thẳng đứng của nó (biên độ) sẽ giống hệt nhau ở mọi thời điểm trong chu kỳ tương ứng.

Khi chu kỳ đạt đến 90 độ, biên độ tích cực (nén) là ở đỉnh giá trị của nó. Ở 180 độ, biên độ lại là không; ở biên độ 270 độ âm (mở rộng) là ở đỉnh giá trị của nó. Tại 360 độ (giống như không độ), biên độ một lần nữa là không và lại bắt đầu chu kỳ tiếp theo.

Hình 2.9: Sự liên quan giữa một hình tròn và một sóng phase.Sóng sine (tần số) thực tế là một hình thức chuyển động vòng tròn mở rộng ra trên ngoài cùng một trục, như là thời gian hay khoảng cách. Quan hệ gần gũi của nó để chuyển động vòng tròn (từ góc độ của vật lý học, là dạng chuyển động tinh khiết nhất) giải thích tại sao nó có khuynh hướng độc lập với nhau, mặc dù thực tế là nó kết hợp với nhau theo vô số cách. Các khái niệm về phase rất quan trọngtrong pro-sound. Phase được viết tắt là Φ. Một chức năng phổ biến trên mixer chất lượng cao, một số thiết bị delay, và crossover hiếm có cho phép đảo ngược pha (còn gọi là phân cực ngược reversed polarity) bằng 180 °. Cách đảo chiều này cũng có thể được thực hiện bằng cách đảo ngược các dây tín hiệu ở một đầu của cáp XLR loại balance, như thể hiện trong chương16, Một vấn đề khác quan trọngđối với phase là nối dây loa trong cùng một loại phân cực, nhất là khi nó được gắn vào cùng một thùng loa hay cùng một array loa, nếu không, nó sẽ có khuynh hướng hủy bỏ tác động output của nhau (triệt tiêu), đặc biệt ở tần số thấp. (Trong trường hợp xấu nhất, nó có thể dập tắt (blow out) toàn bộ, sẽ giải thích thêm trong chương 9 về phần acoustic loading).

Khi hai hay nhiều sóng tương tác với nhau, biên độ của nó được bổ sung về mặt đại số. Trong một thí dụ đơn giản (hình 2.10), khi hai sóng sine cùng một tần số và biên độ được chồng lên với nhau bắt đầu cùng một lúc ở không độ (cùng phase – in phase), kết quả cho ra một sóng sine với biên độ gấp đôi biên độ của mỗi sóng. Các sóng này được gọi là sự can thiệp xây dựng lẫn nhau. Nếu cũng hai sóng đó, được chồng lên nhau với một sóng bắt đầu từ không độ và sóng khác ở 180 độ, biên độ của nó sau đó sẽ đối xứng nhau chính xác (lệch phase 180 độ, out of phase), và được gọi là sự can thiệp phá hoại lẫn nhau (destructively), trong trường hợp này nóhoàn toàn triệt tiêu lẫn nhau. Nếu hai sóng có tần số và biên độ đồng đều được chồng với bất kỳ mối quan hệ phase khác liên quan đến nhau (with respect to one another), nó sẽ có lúc là can thiệp xây dựng, và có lúc khác là can thiệp phá hoại. Nói cách khác, điều này như hoàn thiện một phần hay toàn phần (sự can thiệp xây dựng) hay triệt tiêu một phần hay toàn phần (sự can thiệp phá hoại). Trong môi trường âm thanh nghe được, sóng ít khi triệt tiêu nhau hoàn toàn, trải nghiệm của chúng tôi thường chỉ có triệt tiêu một phần. Các mối quan hệ đại số cùng loại cũng như vậy cho tất cả các loại tương tác của sóng âm thanh.

Sóng âm từ hai nguồn khác nhau tương tác theo cách so sánh với các sóng tạo ra bởi hai rối loạn riêng biệt trên mặt nước (Hình 2.10) Lưu ý rằng các loại can thiệp xây dựng và phá hoại khác không làm thay đổi đường đi của một loạt các sóng. Sự can thiệp của nó tại bất kỳ điểm nào chỉ cần cộng thêm mức độ của biên độ tích cực hay tiêu cực cần thiết để vượt qua sóng dọc theo trên hành trình đi ra ngoài của nó. Tuy nhiên, thính giả ở bất kỳ vị trí nào, sẽ nghe thấy những tần số khác nhau đến mức độ mà họ nghe thấy tăng hay giảm ở các vị trí lắng nghe cụ thể. Điều này rất quan trọng, vì với hệ thống có nhiều vị trí đặt loa, chúng ta có thể mong đợi những âm thanh này thay đổi phần nào khắp khán giả, ngay cả khi âm thanh được phát tán hiệu quả bởi các loa.

Các dạng sóng phức tạp (Complex Waveforms):

Như đã giải thích, mỗi âm thanh có riêng phổ tần số của mình mà tiến trình nghe có khả năng xác định là âm điệu đặc biệt của âm thanh đó. Mặc dù, các tần số tương ứng đến mỗi âm thanh truyền đồng lúc qua không khí như thế nào? Để trả lời điều này, có lẽ nên nhìn các piston loa một lần nữa, trong trường hợp này sẽ nhân bản ra một dạng sóng phức tạp như một note nhạc chơi trên piano.

Hình 2.11 cho thấy một phổ tần số tiêu biểu liên quan đến nốt nhạc La (A), 220Hz (dưới nốt nhạc A một bát độ) chơi trên đàn piano. (Ngẫu nhiên, họa âm thứ bảy là tối thiểu ở đây vì điểm gõ của búa đối với dây đàn piano trong trường hợp này loại bỏ có hiệu quả bội âm đặc biệt này). Khi âm gốc và tất cả các bội âm đượcchồng lên như đã mô tả trong phần trước đây về phase và sự can thiệp, nó kết hợp để cho ra một dạng sóng phức tạp mà có thể xuất hiện hơi giống như thể hiện trong hình 2.11. Dạng sóng này cũng gần như sẽ tiêu biểu cho các chuyển động của vành loa (cone) để nhân bản ra một âm thanh tương tự.

Trên thực tế, các dạng sóng trong thí dụ minh họa dưới mang theo một lượng lớn dạng thức, người nghe đều thấy chúng có âm thanh tương tự như nhau, nếu không giống nhau. Điều này xảy ra khi các tần số liên quan đến âm thanh của nhạc cụ được nhân bản bằng loa trong các mối quan hệ lệch phase với nhau. Ngoài ra, mỗi tần số trong âm thanh thường bao gồm nhiều sóng sine chung một tần số kết hợp trong một loạt các mối quan hệ phase. Đây là kết quả của những âm thanh phát ra từ một khu vực rộng lớn, hơn là chỉ từ một điểm, và cho biết thêm một sự tinh tế và tính cách tự nhiên đầy đủ (fullness) nhất định về âm thanh. Trong thực tế, hình dạng đặc biệt của một dạng sóng phức tạp, tuy nhiên, gần như không quan trọng bằng phổ tần số chứa nó.

Lưu ý rằng dạng sóng như sóng vuông, sóng tam giác và sóng răng cưa thực tế không đơn giản. Sóng vuông, rất thông dụng để thử nghiệm trong phòng thí nghiệm thiết bị âm thanh, và những dạng sóng đơn giản khác có thể dễ dàng tổng hợp bởi các nhạc cụ điện tử cơ bản nhất. và chúng cũng chứa âm phổ và các thành phần sóng sine của riêng mình.. Một sóng vuông, trên thực tế bao gồm một sóng cơ bản và kế tiếp là dãy số lẻ của họa âm (1, 3, 5, 7, 9, v.v. như trong hình 2.12). Thí dụ khác, sóng răng cưa, là một mô hình lý thuyết của một sợi dây cong và các hợp âm giọng hát của con người (mặc dù trong thực tế nó phức tạp hơn nhiều).

Hình 2.13 cho thấy sóng răng cưa có thể được chia ra nhiều thành phần sóng sine cụ thể. Một khi chúng được tạo ra, dạng sóng như vậy thực sự hoạt động đơn giản theo âm phổ tần số (thành phần sóng sine) liên quan, như bất kỳ âm thanh nào khác.

Hình 2.10:Những tương tác cơ bản của sóng với nhau. Trong sự di chuyển của mình xuyên qua không khí hay xuyên qua các tín hiệu điện, những phase sóng đồng nhất tăng gấp đôi cường độ (+3 dB về độ vang (acoustically), đôi khi là 6 dB về điện tử, tùy thuộc vào loại mạch điện). Sóng ngược phase dĩ nhiên bị triệt tiêu hoàn toàn. Khi sóng đồng nhất phát ra từ hai nguồn riêng biệt, nó thường cắt nhau ởmột vị trí của người nghe được trong một loạt các mối quan hệ phase ở giữa hai thái cực, một phần sẽ tăng lên hay một phần sẽ triệt tiêu lẫn nhau. (Đồng thời, thường có sự chồng chéo đáng kể bởi sự phản xạ từ các bề mặt xung quanh). Chỉ khi một người đứng xa từ giữa hai nguồn (như hình dưới) nghe được tất cả các tần số được củng cố. Trong bất kỳ vị tríkhác, một số tần số sẽ gia tăng trong khi những tần số khác bị triệt tiêu. Điều này rất có ý nghĩa cho người vận hành hệ thống, là các âm thanh có thể dự kiến sẽ thay đổi đáng kể tùy theo từng vị trí trong khán giả, dù là nó luôn luôn được phát tán bằng các loa.

Hình 2.11: (A) Họa âm của dây đàn Piano hiển thị trên tỉ lệ tuyến tính. Đây là một note nhạc tương đối thấp, họa âm của nó cũng mở rộng ra thành các âm phổ, ngoài các tần số khác có thể tượng trưng cho ảnh hưởng giữa những sợidây đàn với nhau (không hiển thị).Chú ý rằng các bội âm sẽ ăn nhịp hơn với mỗi bát độ liên tiếp trên biểu đồ như thế nào.
(B) Với một nốt nhạc cao hơn , những họa âm được đặt xa nhau hơn, có rất ít tần số liên quan. Nếu các nốt nhạc trở nên cao hơn, các dây đàn thường cũng được thiết kế không có cuộn dây xoắn bao quanh, được tính toán để cho âm thanh có đặc tính tinh khiết hơn.


Hình 2.12: Lưu ý ở đây là khi họa âm lẻ được thêm vào trong một phase thích hợp và cân đối, các cạnh bên sẽ dốc hơn và bắt đầu trải phẳng ra.Khi các họa âm lẻ đủ số lượng đúng theo ti lệ, kết quả cho ra một sóng vuông.
Một sóng vuông hoàn hảo sẽ có các họa âm lẻ vượt ra ngoài phần cuối phía trên của phổ âm thanh (đến vô cực). Dưới đây là hiển thị kết quả lên tới 29 họa âm.



Hình 2.13:Các thành phần sóng sine của một sóng răng cưa. Giản dị, chỉ có sáu họa âm đầu tiên được hiển thị ở đây. Khi thêm vào tần số cao hơn, các xung đột (wriggles) có thể dàn xếp để cho ra sóng răng cưa nhọn, được thể hiện bởi các đường chấm chấm. Tương tự như vậy, một sóng răng cưa nguyên bản cũng dễ dàng chia nhỏ thành các thành phần sóng sine của nó, về cả hai mặt, âm học và điện tử.

CHƯƠNG III
Bản chất của thính giác (The Nature of Hearing)
​Một câu hỏi cổ điển, “Nếu một cây ngã đổ trong rừng và không ai có mặt để nghe được, sẽ có một âm thanh nào không?” thường dùng để minh họa cho ý nghĩa kép của câu hỏi này, có thể được trả lời đúng với một trong hai “âm thanh”: “có” hay “không”. Câu trả lời là “có”, nếu âm thanh được coi là việc tạo ra mặt vật lý của sóng áp lực không khí, đất chung quanh v.v. Nếu âm thanh được coi là cảm giác tạo ra trong tiến trình nghe, câu trả lời là dĩ nhiên là “không”.

Trong chương 2, chúng ta tập trung chủ yếu vào tính chất vật lý của âm thanh. Chương này thảo luận về âm thanh chủ yếu là từ quan điểm về tiến trình nghe của con người.

Tai (The Ear)

Chức năng của tai đôi khi giống như một microphone, vì cả hai, tai và micro đều chuyển đổi các sóng âm thanh thành tín hiệu điện. Nếu điều này là đúng, tai là một microphone tuyệt vời nhất. Nó có tác dụng như một bộ phân tích tần số, phá bỏ các dạng sóng phức tạp tạo ra bởi các thành phần sóng sine, và gửi các xung điện này đến não những gì tiêu biểu cho các tần số của các âm thanh mà nó nhận được. Nó cũng có khả năng nghe ở mức độ lớn hơn nghìn tỷ lần những âm thanh nhỏ nhẹ nhất. Nó có giải năng động (dynamic range) lớn hơn hàng ngàn lần so với những hệ thống âm thanh chuyên nghiệp tốt nhất hiện nay. Tuy nhiên, tai cũng có đặc thù và giới hạn riêng của nó, và nếu ta hiểu biết của chúng tường tận, có thể có nhiều hướng giải quyết những khó khăn thường gặp trong việc thiết kế và xử dụng hệ thống âm thanh.

Trước tiên, mô tả ngắn gọn về cách hoạt động của tai (xem hình 3.1): Âm thanh vào tai ngoài, đều phải đi qua các ống tai, làm rung động màng nhĩ, là màng da rất mỏng bịt kín ở cuối ống. Màng nhĩ được gắn vào, bởi một đòn bẩy là ba xương rất tinh vi, chuyển các rung động sang lỗ mở khác nhỏ hơn nhiều (các cửa sổ hình bầu dục – oval window), dẫn vào tai trong. Chúng ta đã nghe tất cả điều này trước đây rồi. Nhưng những gì xảy ra ngoài cửa sổ bầu dục chắc chắn làm cho tai trong là một trong những tuyệt tác kỳ lạ của thiên nhiên.

Hình 3.1 : Thành phần cơ bản của tai. (Hình thật sự, không có tỉ lệ, ốc tai sẽ có thể vừa trên đầu móng tay)
​Tai trong được bọc trong một vỏ xương rất nhỏ (ốc tai) cuộn lại thành hình gần giống như con ốc sên. Bên trong vỏ, ngâm trong dịch lỏng, có nhiều tế bào nhỏ bé như tóc nằm trên một màng (màng nền – basilar membrane) chạy dọc theo đường xoắn ốc vào bên trong của vỏ. Tóc giống như các tế bào, có nhiệm vụ chuyển đổi những rung động sinh ra trong dịch lỏng thành các xung điện.

Mỗi thành phần sóng sine (tần số) của một âm thanh gây ra sự đáp ứng tối đa tại một vị trí đặc biệt dọc theo chiều dài của màng nền, nó sẽ gây ra xung lực để gửi đến bộ não từ vị trí đặc biệt này. Bằng cách này, bộ não sẽ nhận được một loạt xung riêng biệt tiêu biểu của các tần số liên quan đến các âm thanh chúng ta đã nghe, sắp xếp, phân loại từ các dạng sóng phức tạp nhận được ở tai ngoài. Trong thực tế, nếu được đào tạo đầy đủ, một số người có tai nghe sắc sảo, nhậy bén có thể nhận ra cao độ chính xác các bội âm khác nhau của một nốt nhạc được chơi trên nhạc cụ. (Hầu hết chúng ta đều đơn giản, chỉ tích hợp nó vào những gì chúng ta gọi là chất lượng âm sắc (tonal quality) ).

Tần số thấp nhất của phổ âm thanh (phổ âm) tạo ra sự đáp ứng tối đa ở một đầu của màng nền, trong khi tần số cao nhất lại tạo ra đáp ứng tối đa ở đầu kia. Cách thức mà các màng tế bào đáp ứng với các tần số giữa hai cực giải thích lý do tại sao chúng ta nghe thấy tần số trong âm nhạc, hay nhận thức được tỉ lệ tương xứng giữa nó với nhau.

Lưu ý một điều thú vị về hoạt động của tai. Hình 3.2 cho thấy một đồ thị mô tả về màng nền của tai vẽ trải ra theo chiều dài thật sự của nó. Dọc theo chiều dài của ốc tai, như trên đồ thị, mỗi lần tăng gấp đôi tần số (tăng 1 bát độ-octave) cũng là bao gồm một khoảng cách theo thang chia độ (scale), bất kể trị số của nó. Điều này được gọi là một mối quan hệ logarithmic, theo đó tỉ lệ bất kỳ cũng có thể được biểu diễn trên tỷ lệ tuyến tính đặc biệt để xử lý dễ dàng hơn. (Nói cách khác, tai là chất được hình thành để làm việc theo logarithmically). Mối quan hệ logarithmic rất có ích không những chỉ trong các phép đo so sánh về tần số, mà còn trong các phép đo so sánh về cường độ.

Hình 3.2 :Tai có thể nhận được dạng sóng khi vẽ đồ thị bằng máy hiện sóng (oscilloscope) ,nhưng nó sẽ gửi đếncác xung não từng tiêu biểu của các tần số liên quan trong dạng sóng.

Decibel:

Hai khía cạnh rất đáng chú ý trong việc nhận thức về cường độ âm thanh và làm cho nó thích hợp để xử dụng đơn vị đo lường đặc biệt được gọi là decibel.

Thứ nhất, phạm vi 10,000,000,000,000 trên một (to-one) của năng lượng âm thanh mà tai có thể nghe thấy sẽ rất khó nghĩ khi làm việc với các trị số quá đơn giản. Thứ hai và quan trọng hơn, thính giác nhận thấy cường độ khác nhau một cách chính xác hơn, giống như chia độ logarit hơn chỉ là một sự tuyến tính.

Hãy tưởng tượng một hệ thống âm thanh cho ra một âm sắc (tone) có cường độ ổn định với một người nghe nằm gần đó. Nói rằng: output của amplifier đo được 1 watt. Nếu mức độ đo được của âm sắc đó được tăng gấp đôi tới 2 watt, người nghe sẽ không cảm nhận được âm thanh sẽ lớn lên hai lần. Thực ra, sự khác biệt này chỉ hơi lớn hơn sự khác biệt để nhận thức ở mức tối thiểu (ở các cấp độ âm thanh vừa phải) của một người nghe trình độ trung bình, và hầu như không được để ý tới.

Hãy tưởng tượng cùng hệ thống đó một lần nữa, tăng tone đó ở output của amplifier để đo được 5 watt. Một tone giống y vậy ở amplifier phát ra 6 watt (cũng tăng 1 watt, như trong thí dụ trước) nói chung sự khác biệt đáng để ý sẽ ít hơn rất nhiều. Các mức độ gia tăng cường độ được đánh giá là tương tự như thí dụ đầu tiên, những tone 5 watt sẽ cần phải nhân gần gấp đôi, lên khoảng 10 watt. Điều này giải thích nếu tăng gấp đôi cường độ âm, như trong thí dụ đầu tiên, sự phân biệt tối thiểu của hầu hết người nghe chỉ có hơi bằng hay hơn một chút.

Giống như bát độ (octave) của âm nhạc đã giới thiệu từ nhiều thập niên trước đây, decibel là một số lượng tương đối, mặc dù nó được dựa trên tỉ lệ giữa cường độ âm thanh hơn là tần số. Decibel bình thường được xử dụng khi đề cập đến tín hiệu âm thanh tại mỗi điểm trong đường đi của mình thông qua các lĩnh vực điện tử là tốt nhất, vì chúng tiêu biểu cho sức mạnh của tín hiệu mà cuối cùng được tái tạo và đưa vào lĩnh vực thính giác. Thực hành để xử dụng các phép đo decibel sẽ được giới thiệu trong chương 4. Cần lưu ý rằng, khi tăng mỗi 3dB, ở output yêu cầu tăng gấp đôi công suất ra loa. (Xem các tỉ lệ công suất trong hình 4.7).

Cũng như các tỉ lệ giữa các tần số âm nhạc, đòi hỏi một điểm tham chiếu tiêu chuẩn (thường là nốt La (A), 44OHz), do đó, decibel cũng vậy. Điểm tham chiếu cho cường độ âm thanh đã được chấp nhận là áp suất âm thanh tối thiểu (tại 1kHz) được nghe bởi một đứa trẻ trung bình (0,0002 dynes / cm2). Đây được coi là mức áp suất âm thanh ở 0dB (0dB SPL). Cường độ âm cao nhất được đặt ở khoảng 140dB SPL, mặc dù âm thanh xảy ra mức này, là tiếng súng nổ, động cơ phản lực v.v. (Mức vượt quá xa ngưỡng đau cho tất cả mọi người, và có thể xảy ra trong một số trường hợp một loạt thiệt hại nghiêm trọng đến cơ chế nghe, ngay cả với khi chỉ tiếp xúc tương đối ngắn.)

Hình 3.3 cho thấy mức độ đo áp suất âm thanh tiêu biểu trong một số tình huống thường gặp.

Hình 3.3: Mức độ áp suất âm thanh tiêu biểu.
​Đáp ứng tần số của tai người:

Một thống kê thường thấy (và thường là khá cường điệu) cho các thiết bị âm thanh là: “Phẳng (flat), từ 20Hz đến 20kHz” Ngay cả loại bỏ sự cường điệu sang một bên, nó cũng vẫn rất thuận tiện để so sánh giữa các phép đo điện tử và những gì một người nghe có tai nhạy cảm với tất cả các tần số, là giống nhau qua toàn bộ âm phổ này. Tuy nhiên, trường hợp này không như vậy.

Khả năng thính giác tốt hơn trong khoảng giữa hơi cao, và ít nhạy cảm đối với cả hai cực của âm phổ. Tính đến sự khác biệt riêng, độ nghe nhạy cảm nhất bình quân trong khoảng 2.5kHz đến 4kHz, một phần lớn vì cộng hưởng trong tai và ống tai, đã khuếch đại ảnh hưởng của giải tần số này vào màng nhĩ. (Đối với người lớn, sự nhạy cảm tối đa này có thể thấp hơn ở tần số; ở trẻ em thường cao hơn).

Các giới hạn tần số thấp có thể thay đổi đáng kể theo từng người, và tại cực thấp nhất nó có thể phân biệt rất khó khăn, cho dù đang nghe hay nhận thấy âm thanh. Nói chung, sự nghe sắc sảo bắt đầu rơi xuống mạnh khi ở dưới 100 Hz.

Giới hạn tần số cao cũng mỗi người mỗi khác, thông thường giảm dần theo tuổi. Trẻ em đôi khi có thể nghe thấy ở trên 20kHz, trong khi người rất già thường không thể nghe thấy ở trên 5kHz. Trong những người trẻ hơn, tiếp xúc quá nhiều và lâu dài với âm thanh lớn nhất thường giảm nhạy cảm với các tần số cao hơn, mặc dù thiệt hại cho khả năng nghe có thể xảy ra ở bất kỳ khu vực nào của phổ âm thanh, tuỳ theo tính chất của sự tiếp xúc quá mức.

Đáp ứng tần số của tai không hề phẳng (flat), nó cũng bị thay đổi đáng kể theo cường độ của âm thanh. Hình 3.4 cho thấy các đường biểu diễn đáp tần của tai trung bình, tại một số cấp độ cường độ khác nhau (hãy nhớ rằng mỗi cá nhân có thể rất khác nhau từ chuẩn trung bình). Lưu ý rằng sự giảm, hay tụt xuống, của độ nhạy cảm bên dưới 1kHz trở nên ít triệt để hơn so với sự tăng cường độ .

Hình 3.4 Đáp tần của tai trung bình. Hiển thị này là đặc điểm của một người trung bìnhở mức độ âm thanh 30dB, 60dB, 90db và áp lực 120dB. Lưu ý rằng các đường cong có khuynh hướng san bằng ở cấp độ cao hơn trong tất cảnhưng phần cao nhất của âm phổ như thế nào. Thật thú vị, mặc dù ở các tần số rất cao, đáp ứng có khuynh hướng tương đối giảm ở mức độ âm thanh rất cao.​
Những đường biểu diễn đáp ứng cho sự nghe này thường bị đảo ngược để hiển thị các đáp tần của các thiết bị âm thanh là gì, được dùng với một âm lượng định sẵn, phải để cho tất cả các tần số xuất hiện đều lớn. Khi trình bày theo cách này, các đường này được gọi là đường đồ thị âm lượng quân bình. (equal loudness contour). Các đường nét này hiển thị đồ họa mà các thiết bị âm thanh với đáp tần phẳng (flat) sẽ có khuynh hướng đều thiếu cả các tần số thấp lẫn tần số rất cao, và dư quá nhiều các tần số tầm trung (mid-range). Khi mức độ (level) của hệ thống được tăng lên, tác động này dần dần trở nên ít nổi bật, và âm thanh sẽ xuất hiện phong phú hơn ở cả các tần số thấp lẫn cao hơn nó đã làm khi vặn nhỏ âm thanh lại. (Công tắc loudness trên hệ thống âm thanh hifi dân dụng là để bù đắp mức âm lượng thấp đặc trưng này bằng cách nâng các tần số thấp).

Ở mức độ cao, lại có sự quan tâm quan trọng. Thí dụ, 110dB SPL tại 50Hz là rất lớn, nhưng 110dB SPL trong khoảng 2kHz đến 4kHz có thể vượt qua ngưỡng đau tai cho tất cả mọi người. (Xem các đường biểu diễn trong hình 3.5 cho 120dB loudness level, mà thường được coi là giới hạn của sự đau tai cho người trung bình.Tham khảo thêm thảo luận trong “Nhận thức về cường độ” (The Perception of Intensity) của chương này).

Hình 3.5:Đường đồ thị âm lượng quân bình. (equal loudness contour). Những đường cong cho thấy những gì thính giả nghe trung bình cảm nhận lớn như nhau ở các tần số khác nhau, khi đo mức độ áp lực thực tế của âm thanh. Âm lượng cũng có thể được gọi là phons (đơn vị âm lượng). Thí dụ: 90db LL = 90 phons. Đường biểu diễn 120dB LL thường được coi là ngưỡng đau tai cho một người trung bình, cho dù tiếp xúc nhiều lần hay lâu dài ở các cấp thấp hơn cũng vẫn có thể gây thiệt hại cho thính giác. (Thế nào là tiếp xúc nhiều và ở mức độ là bao nhiêu? điều này vẫn đang được thảo luận và tranh luận rộng rãi giữa các nhà thính học (audiologists), kỹ sư âm thanh (audio engineer) và nhà âm học (acousticians)). Những đường biểu diễn rất quan trọng. Lưu ý rằng trong khoảng 3kHz, SPL chỉ 90db là cần thiết để đạt được 100db LL, trong khi ở 50Hz, sẽ là 110dB SPL. Lưu ý thêm, giải tần có khuynh hướng đạt mức bão hòa của nó xa và nhanh hơn thông qua phần còn lại của âm phổ (thường là cộng hưởng trung bình của ống tai của người lớn trong khoảng 2.5kHz đến 3kHz).

Trình tự của thính giác (The Timeline of Hearing):
Như vậy đến giờ, mọi thảo luận đã tập trung vào hầu hết những gì có thể gọi là một tầm nhìn vi mô về âm thanh và thính giác. Một chu kỳ của một sóng đơn giản hay phức tạp trong âm phổ xảy ra nhanh hơn 0,05 giây (1/20 của một giây), một khoảng thời gian quá nhỏ, trong nhiều trường hợp, đối với một người nghe để nhận thức được một âm thanh (ngoại trừ có lẽ để tự hỏi “Cái gì vậy?”). Hiểu theo phương diện nào đó, điều này là hành động ngăn chặn quan niệm về âm thanh. Chúng ta sẽ cố gắng đưa tầm nhìn vi mô này vào một viễn cảnh có phần lớn hơn.
Đã được giải thích trước đây, chất lượng âm sắc của một âm thanh xác định bằng âm phổ của tần số nó chứa là một yếu tố quan trọng trong việc cho phép thính giác phân biệt giữa âm thanh này với âm thanh khác. Âm thanh nào về bản chất cũng không kém quan trọng, tuy nhiên lại là cách thức mà các dạng sóng thay đổi (hay không) trong suốt thời gian hoạt động của một âm thanh. Tầm quan trọng của những thay đổi như vậy trong việc ghi nhận các âm thanh được dễ dàng thể hiện qua các kinh nghiệm khó khăn của chúng ta để cố gắng nhận ra các âm thanh khác nhau, khi nghe lại băng, đĩa.

Trước tiên, hãy xem xét các dạng sóng tương đối đơn giản liên quan tới âm nhạc. Cách rõ ràng nhất, trong đó hầu hết âm thanh âm nhạc thay đổi là do cường độ tổng thể của nó. Điều này thể hiện bằng đồ thị thích hợp nói về sự phát triển của âm thanh. Hình 3.6 cho thấy sự phát triển đặc trưng của âm thanh tạo ra bởi một số nhạc cụ.

Hình 3.6: Sự phát triển tổng thể tiêu biểu của một số loại âm thanh. Đây là loại đồ thị thể hiện một cách đơn giản sự năng động tổng thể của âm thanh, từ khoảng 1/20 của một giây đến có thể là vài giây. Ở đây, sóng tự nó bị bỏ qua, thay vì hình dung đơn giản là các đường gần mức tổng thể có thể đo hay nghe thấy. Ngoài sự phát triển tổng thể của loại này, âm thanh khác biến thiên theo tần số cũng như vậy (xem hình 3.7). Thông thường, một âm thanh nhạc cụ liên quan đến hàm lượng của âm thanh tần số cao hơn là mức tăng và hàm lượng ít tần số cao như giảm mức độ của nó.
​Về cơ bản, sự tiến triển có thể được chia thành ba phương diện: tấn công, duy trì và phân hóa (attack, sustain, decay). Tấn công (attack) dùng để chỉ thời gian cần cho một cường độ âm thanh đạt cao điểm ban đầu của nó. Duy trì (sustain) mô tả việc duy trì một mức độ tương đối ổn định, trong khi phân hóa (decay) mô tả cách thức mà âm thanh giảm dần cường độ. Vấn đề này thường có trong sự thay đổi các kết hợp khác nhau. Thí dụ, attack nhanh và decay ban đầu có thể được theo sau bởi một sustain và sau đó decay hơn nữa, v.v. (Trên các bảng điều khiển của nhạc cụ điện tử, đôi khi các từ ngữ sustain và decay được dùng để nói về các chức năng hơi khác với mô tả ở đây).

Các biểu đồ phát triển âm thanh sẽ có hữu ích khi thể hiện sự năng động tổng thể của âm thanh, dù sao đó là giới hạn trong đó tất cả các tần số liên quan thường không thay đổi cường độ theo cùng một cách. Sự thay đổi này có thể được gọi là động lực nội bộ (internal dynamic) trong sự phát triển . Hình 3.7 cho thấy một đồ thị, được gọi là phân tích âm phổ (spectral analysis), một nốt nhạc chơi trên piano có cần đạp chân sustain. Phân tích âm phổ giới thiệu một số dạng thức trong loại đồ thị biểu diễn cường độ của mỗi tần số hiện diện trong một âm thanh được chỉ định bởi sự mơ hồ (darkness) của đường tiêu biểu cho nó. Các bội âm cao hơn những âm thanh của piano có thể thấy rõ để phân hóa (decay) nhanh hơn so với các bội âm cơ bản và thấp hơn. Đây là loại mô hình có sự hiện diện tương đối của các tần số cao bị làm giảm bớt so với làm giảm cường độ chung, đúng với hầu hết các nhạc cụ acoustic.

Hình 3.7 : Đơn giản hóa phân tích âm phổ của một nốt nhạc trên một piano hay guitar. Chú ý rằng các họa âm (harmonic) cao decay nhanh hơn họa âm thấp hơn. Sự hiện diện của những họa âm cao là một trong những dấu hiệu thính giác xử dụng như là một chỉ số của cả hai : cường độ lẫn độ gần gũi với nguồn. Đây là một trong những lý do chúng ta có thể nén (compress) một âm thanh âm nhạc để giảm các biến thể năng động (dynamic) rộng và vẫn cho phép một nhạc cụ hay voice đến âm thanh năng động, miễn là cường độ tương đối của những họa âm là còn nguyên vẹn, không bị ảnh hưởng. (Nén (compress) sẽ được giới thiệu trong chương 8). Hiểu biết về tầm quan trọng của sức mạnh tương đối của các họa âm bắt đầu gợi ý cho chúng ta rằng nâng volume của một voice haynhạc cụ không phải là cách duy nhất để tăng cường độ rõ ràng.​
Cho dù trong một số trường hợp, gần như trái ngược (opposite) có thể lại là sự thật. Hai thí dụ dễ thấy là những âm thanh ở một đàn sitar và của một cái chiêng. Trong cả hai thí dụ, cường độ tối đa của tần số cao hơn bị trì hoãn (delay) cho đến sau khi sự lựa chọn ban đầu hay hành động ấn tượng. Đó là đặc điểm để giải thích cho các tính chất lập dị của chính âm thanh. Tương tự như đánh lừa các mối quan hệ giữa sự hiện diện tần số cao và cường độ chung thường được thực hiện với nhạc cụ điện tử tổng hợp (synthesize), và là một trong những yếu tố để giải thích nó thường không tự nhiên hay là đặc trưng cho âm thanh điện tử.

Âm thanh phát âm (vocal) thường phức tạp hơn nhiều so với âm thanh nhạc cụ, bao gồm khá nhiều khởi đầu, dừng lại và lướt các cao độ và sự cộng hưởng đi lên lẫn đi xuống, để trở thành cơ sở cho ngôn ngữ nói và cho lời nhạc của ca khúc.

Khả năng của một hệ thống pro-sound là thu nhận âm thanh, nhân bản và phân phối cho khán giả một phổ tần số cần thiết có trong những âm thanh nó đã đảm nhận, trong nhiều trường hợp có thể là quan trọng không chỉ cho chất lượng âm (tonal), mà còn cho chất lượng năng động. Thí dụ, những âm thanh va chạm (attack) của một dùi trống chạm với mặt trống có liên quan đến một giải tần số rất khác so với những rung động của chính mặt trống. Nếu, cho một thí dụ rất cơ bản, các tần số liên quan đến những âm thanh liên hệ với hệ thống đang thiếu âm thanh output, sự gõ mạnh trong toàn bộ âm thanh của bộ trống có thể thường bị như vậy.

Hình 3.8: Trình tự của âm thanh (The timeline of sound)
​Sựnhận thứcvề cường độ (The Perception of Intensity):

Trước tiên, và rất quan trọng, sự nhận thức về cường độ phụ thuộc vào thời gian rất nhiều (tức là, vào thời gian duy trì (sustain) của âm thanh). Đây là một đặc tính khá tốt tiêu biểu là các đồng hồ đo VU tiêu chuẩn (xem chương 4 và hình 4.9). Về cơ bản, những âm thanh nhanh (tạm thời) không được công nhận là lớn như là âm thanh duy trì (sustained sound) ở mức độ giống nhau.

Ngoài vấn đề thời gian duy trì của âm thanh, các thông tin cơ bản về độ lớn (loudness) cho người trung bình đã có đề cập, mô tả bởi độ lớn của các đường nét bằng nhau (Hình 3.4 và 3.5). Những đường biểu diễn, tuy nhiên nó không giải thích toàn bộ câu chuyện có ý nghĩa gì. Bảng chia độ bên dưới trong hình 3.9 là một bảng chia độ tiêu chuẩn mà mức âm lượng (loundness) gần như liên quan đến sự nhận thức cường độ. Như có thể thấy, mỗi lần tăng mức độ lớn trung bình 10dB , được coi là tăng gấp đôi âm lượng (chỉ trong phòng thí nghiệm).

Hình 3.9: Nhận thức về Ioudness tăng cũng có thể được biểu diễn bằng đơn vị sones.Sones nói chung, không được chấp nhận là một đơn vị đo lường trong âm thanh, nhưng cũng phục vụ như một công cụ nghiên cứu cho nhà âm học (acousticians), và đượchiển thị ở đây cho mục đích minh họa. Trong thuật ngữ thô thiển, output của hệ thống phải được tăng lên mười lần (10dB) để đạt được việc tăng gấp đôi độ lớn (loudness) để người nghe loại trung bình nhận biết được. (Mức độ lớn theo sau các đường biểu diễn được thể hiện trong hình 3.5). Trong thực hiện thực tế, sự cảm nhận độ lớn (loudness) của một hệ thống âm thanh cũng rất phức tạp bởi sự che đậy – masking (thể hiện trong hình 3.10) và các yếu tố tâm lý âm học (psych-acoustic) khác. Một sự thay đổi ngưỡng tạm thời ở các cấp độ âm thanh cao cũng có thể làm thay đổi nhận thức về sự tăng loudness. Hãy xem cẩn thận những câu viết bên trên.
​Bảng chia độ trong hình 3.9 là một hướng dẫn rất hợp lý, nhưng trong đời sống thực tế, mối quan hệ này thường không hoàn toàn trực tiếp trong live pro-sound. Sự gia tăng mức độ ngã ra (output level) của một hệ thống âm thanh ở mức độ thấp là một cảm nhận khác với sự gia tăng tương đương cùng một hệ thống đạt đến cho người nghe ở mức âm thanh áp suất cao hơn. Một trong những lý do cho điều này là hệ thống phải đạt đến một mức độ nhất định đối với các âm thanh được hoàn thiện trước khi mức độ tự làm tăng tạo ra nhiều sự khác biệt , ngoài việc điều chỉnh phụ nhỏ ngày càng trở nên quan trọng. Nhưng ngay cả khi tính toán cho điều này, sự gia tăng nhanh về mức tổng thể (kết hợp âm lượng sân khấu và âm lượng hệ thống) ở mức độ vừa phải (gọi là từ 85dB LL đến 90db LL) có thể không đáng kể như một sự gia tăng tương tự ở một mức độ rất cao (từ 105dB LL đến 110dB LL), vì âm thanh mức cao đang tiến tới một giải mà hầu hết người nghe sẽ bị bão hòa.

Điều gì sẽ xảy ra khi tăng vào tai của người nghe một mức độ cao như, thí dụ, 100dB, 110dB LL trở lên (không có gì lạ trong âm nhạc công suất lớn, nơi mà khán giả thường xuyên yêu cầu âm lượng như vậy?). Vâng, trong thời gian ngắn, tai sẽ điều chỉnh lại. Các xương ở tai giữa hơi dời chỗ đi để giúp bảo vệ các dây thần kinh khỏi bị thiệt hại, cái này gọi là sự dịch chuyển ngưỡng tạm thời (temporary threshold shift) . (Chuyển động này có thể là một phần lý do tại sao độ nhạy tần số rất cao, có khuynh hướng thoát đi nhanh hơn ở các mức độ cao như vậy). Lâu dài, mặc dù (giả sử nghe biểu diễn ngày qua ngày, đêm qua đêm, hay tại nhà cũng thường xuyên có các sự kiện như vậy) thường xuyên thay đổi ngưỡng có thể dẫn tới dễ dàng (mất thính lực). Rõ ràng, phải thường xuyên thận trọng để đối phó với các hệ thống âm lượng cao.

Trong ngắn hạn, cho hệ thống chạy ở mức độ rất cao có thể làm khán giả nghe mệt mỏi và sẽ phản tác dụng để cho một buổi biểu diễn âm nhạc hay bài diễn văn đạt được hiệu quả. Đạt được một âm thanh mạnh, trong tình huống cường độ của sự biểu diễn cho phép, không có nghĩa rằng cho ra các âm thanh lảm điếc tai người nghe. (Đề tài này được xử lý trong chương 17). Cảm nhận cường độ cho phép của con người chỉ ở mức độ tương đối khiêm tốn. (Dĩ nhiên âm thanh này có thể rất khác nhau tùy thuộc vào đối tượng và loại âm nhạc).

Xử dụng các đường nét có độ lớn bằng nhau là đã đi quá xa để hướng tới mục tiêu này. Cơ chế nghe của con người xử dụng một tín hiệu mạnh với cường độ đáng chỉ trích, có liên quan đến các tần số cạnh biên (edge frequency), có khuynh hướng tập trung tại khu vực 4kHz đến 8kHz. Xử dụng sáng tạo các thảo luận trong chương 17, “Các kỹ sư là nghệ sĩ” (The Engineer as Artist) là một phương pháp khác để đạt sự tăng cường độ chính xác. Xử dụng thiết bị Aphex (giới thiệu trong chương 8) là một cách khác để trộn thêm tiếng zip hay sizzle.

Một số loại méo tiếng (distortion) cũng có thể thêm vào để tạo cường độ rõ ràng (apparent intensity). Dĩ nhiên đó là tại sao người chơi guitar điện xử dụng nó thường xuyên. Một phần, bởi vì tần số cạnh (edge) cũng tăng lên khi bị méo tiếng. Khi đó, tai không chỉ nghe những họa âm bình thường trong giải tần số cạnh, nhưng cũng còn nghe sự méo họa âm (harmonic distortion). (Điều này, tình cờ, cũng là lý do tại sao phần lớn hợp âm rất du dương thường không phải là âm thanh đúng khi chơi với sự méo tiếng mạnh (strong distortion). Các hợp âm méo tiếng tốt thường có khoảng thời gian mở lớn âm nhạc (large open musical interval) ở giữa khoảng hợp âm thứ 4 và thứ 5, trong khi những hợp âm du dương của họa âm méo tiếng cao hơn có khuynh hướng làm cho người khác nghe chói tai). Lý do có lẽ hiển nhiên khác để cảm nhận thêm cường độ do méo tiếng. là tất cả mọi người trong thế giới hiện đại đã từng nghe một hệ thống PA hay hệ thống âm thanh stereo bị méo, do đó khuynh hướng tự nhiên là thích cảm nhận được một cái gì đó như là quá tải. Không ai khuyên bạn nên làm sai lệch hệ thống PA để đạt được hiệu ứng này. (Đừng cười quá lớn, nó có thể tuyệt vời, có rất nhiều người điều khiển hệ thống âm thanh cho nhạc rock và nhạc strong dance đều không hài lòng cho đến khi hệ thống PA bị bắt làm quá sức và quá tải. Điều này là một cái bẫy chung, thường gây ra phần lớn sự thay đổi ngưỡng tạm thời ở mức cường độ cao. Tai có điều chỉnh cho một cấp độ cường độ, khuynh hướng này thường để tăng độ lợi hệ thống đạt các nấc tiếp theo, mà tai đã điều chỉnh, v.v.).

Một yếu tố quan trọng liên quan đến việc nhận thức về cường độ cũng có rất nhiều tần số phụ thuộc, nhưng theo một cách khác. Chẳng hạn, nếu bạn tạo một âm sắc (tone) 10.000Hz cùng với một tone 500Hz ở mức thấp hơn nhiều, bạn vẫn có thể nghe rõ cả hai tone. Nhưng nếu chúng ta đồng thời tái tạo một tone 600Hz ở mức độ cao hơn nhiều so với tone 500Hz, những tone cường độ thấp hơn sẽ trở nên nghe khó khăn hơn. Điều này phần lớn là do đặc tính được gọi là tính che đậy (mặt nạ-masking). Bất cứ khi nào hai hay nhiều âm thanh được nghe cùng một lúc, đến gần tần số chúng có được với nhau, càng ít khả năng chúng ta nghe thấy một tone nào đó có cường độ thấp hơn. Đặc tính này rất quan trọng, cần ghi nhớ khi mix âm thanh lại với nhau, vì âm thanh khi nghe một mình nó thường hoàn toàn khác khi nghe nó như là một phần của sự mix. Điều này là do giải tần số nào đó được che đậy bằng các nhạc cụ khác hay tiếng nói (voice). Sự che đậy cũng tham gia trong nhiều cách khác. Một thí dụ rõ ràng, hệ thống tiếng noise trong một môi trường yên tĩnh nghe dễ dàng hơn là trong một môi trường ồn ào. Che đậy (masking) là một đặc tính khá phức tạp. Thí dụ, tần số thấp hơn sẽ có khuynh hướng che đậy tần số cao hơn, hiệu quả hơn các cách khác..

Hình 3.10: Các đường biểu diễn sự che đậy (masking curve) điển hình. Hiển thị ở đây là các khu vực trong đó sự che đậy xảy ra khi một tone 415Hz (tần số cơ bản của nốt La giảm (Ab) trên nốt Do (C) giữa) được tái tạo cùng với một tone thứ hai. (Với các tần số khác, những đường biểu diễn này sẽ có khuynh hướng chuyển sang trái hay phải cho phù hợp). Đặc tính này có tầm quan trọng sống còn trong âm thanh pro, và trong sự hiểu biết về việc nghe nói chung. Âm thanh nghe một mình nó hoàn toàn khác so với khi nghe nó như là một phần của một sự pha trộn âm nhạc. Đồng thời, tiếng noise hay tiếng nói nhanh khác trong môi trường có thể tác động nghiêm ngặt đến các yêu cầu phải có tiếng noise thấp cho hệ thống mặc dù nó phụ thuộc vào những gì có liên quan đến tần số của noise, và trong mức độ tương đối. Ngoài ra, bất kỳ sự méo tiếng nào đó rơi xuống dưới những đường biểu diễn này sẽ có khuynh hướng trở nên không quan trọng nữa.

Các nhận thức về Hướng (The Perception of Direction):

Khả năng cảm nhận được hướng đến của âm thanh là kết quả của cả hai: mối quan hệ phase lẫn cường độ tương đối của các âm thanh nhận được ở mỗi tai. Ở tần số cao nhất, trong bóng tối tai nhận được một cường độ âm thanh thấp hơn nhiều, vì các sóng cao tần không thể uốn cong hiệu quả chung quanh đầu. Ở giải tần số giữa (mid), có một phase khác trong thời gian lúc đến tai, do sự phân chia thứ hai phải mất thêm một tích tắc để những âm thanh uốn cong chung quanh đầu đến tai hơi xa hơn. Kết hợp với một khác biệt nhỏ về cường độ giữa hai tai, cho phép chúng ta xác định vị trí gần đúng của các nguồn tần số tầm trung (mid-range). Tần số thấp (low), thì chúng ta thường chỉ có thể phân biệt một hướng tổng quát, còn khuynh hướng thì gần như không thể xác định vì có rất ít sự khác biệt trong cả hai: phase lẫn cường độ cho tiến trình nghe để chọn.Một bước sóng 20ft / 6 mét, (55Hz) là một thí dụ, nó uốn cong hoàn toàn trên đầu một cách dễ dàng và về cơ bản không có lệch phase xác đáng cho hai tai nghe chênh lệch để có thể giải mã (hầu hết ở khoảng 10°).

Tai của người nghe trung bình điều chỉnh khá tinh vi, trước khi đến tuổi đi học, chúng ta có thể xác định hướng, ngay cả trong mặt phẳng thẳng đứng (tức là chiều cao của nguồn), nơi mà sự khác biệt của phase và cường độ giữa hai tai mỏng manh hơn. Tuy nhiên vẫn có, một khu vực nơi mà tiến trình nghe có một chút khó khăn để cảm nhận được vị trí của nguồn âm thanh theo chiều dọc (xem hình 3.11). Một sự lắng nghe âm thanh đến từ mặt phẳng trực tiếp ở phía trước, trên đầu và phía sau có khuynh hướng khó khăn hơn để xác định vị trí theo chiều dọc. Điều này được biết, nói một cách khác, mặt phẳng (plane) không phân biệt theo chiều dọc (plane of vertical indiscrimination). (Thông thường có một chuyển động rất nhẹ ở trên đầu để nhận biết hướng thẳng đứng, trong cuộc sống nếu như âm thanh ngày nào cũng gặp phải, và có sự vô thức ghi nhận vị trí rồi sau đó khóa lại nó ở đó). Đặc tính này cho phép những người thiết kế các hệ thống âm thanh công cộng, đặc biệt khi cài đặt ở vị trí chết, sẽ có một lợi thế trong nhiều trường hợp. Nó cho phép cài đặt một hay nhóm diễn giả cùng ở trên một bục giảng, bục thờ hay vị trí diễn giả, và vẫn cho phép tăng cường một phần những ảo ảnh bởi các hình ảnh trực quan và âm thanh của người nói, rằng là các âm thanh được phát ra từ vị trí khán đài, hơn là từ vị trí của chính các loa.

Một đặc tính quan trọng liên quan đến việc nhận thức về hướng, gọi là hiệu ứng thứ bậc, đã hoạt động với một lượng thời gian trễ giữa sự xuất hiện của âm thanh từ hai nguồn riêng biệt. Đặc tính này, được giới thiệu sau trong chương này và cũng thảo luận trong chương 12, để vững chắc bước vào đề mục: các hệ thống phân phối liên quan đến nhiều vị trí loa.

Hình 3.11: Mặt phẳng định vị hóa nguồn âm thanh đơn giản. Chiều cao của một nguồn âm thanh ở bất cứ đâu trong một mặt phẳng thể hiện trong hình này (chia đều ra hai tai) là tương đối khó phân biệt. Khi kết hợp với hình ảnh củangười nói (giả định các loa được gắn bên trong mặt phẳng này), kết quả là các ảo giác thường cảm nhận rằng những âm thanh thực sự đến từ bản thân người nói. Cách tiếp cận nàyđã được chứng minh là rất hiệu quả trong việc lắp đặt loa cố định cho bục phát biểu.
​Nhịp và sự khác biệt âm sắc (Beats and Difference Tones):


Hiểu biết của phần này rất quan trọng để hiểu đầy đủ phẩn “The Missing Fundamental” của chương này. Tưởng tượng đang sắp đặt thử nghiệm, trong đó hai máy phát sóng sine cho ra tone được pha trộn với nhau cho người nghe. Nếu các máy phát sóng âm được xác lập cùng một tần số và biên độ rồi pha trộn đồng phase với nhau hoàn hảo, kết quả có thể đo được hai lần biên độ của mỗi tone riêng lẻ. Khi tiến trình thính giác nén (compress) với cường độ khác nhau, biên độ bị nhân đôi này sẽ được cảm nhận (khi nghe ở mức độ vừa phải) là chỉ tăng rất nhẹ (+3 dB).

Nếu tần số của một trong những máy phát sóng âm thay đổi rất nhẹ, sóng dần dần sẽ rơi vào trạng thái trùng và khác phase với nhau như trong hình 3.12. Điều này đưa đến sự luân phiên tăng giảm âm lượng được gọi là nhịp (beat). Các nhịp xảy ra theo chu kỳ bằng sự khác biệt về tần số giữa hai tone. Thí dụ, nếu một âm là 440Hz và âm khác là 442Hz, sóng sẽ rơi vào trạng thái trùng và khác phase với nhau hai lần mỗi giây. Thứ tự của sự khác biệt này giữa hai tần số là quá nhỏ để cho thính giác có thể tách biệt chúng, do đó, kết hợp những gì nghe được là một trong những tone của sự thay đổi cường độ. Các nhịp thường dùng để hỗ trợ cho các thiết bị điều chỉnh tone (tuning) cho nhạc cụ, lý do khi nhịp chậm lại, hai tone gần trùng tần số, nên cuối cùng dừng lại khi nó hoàn toàn đồng âm sắc (tone) với nhau.

Trong tình huống thí nghiệm này, tần số của một tone đang dần dần di chuyển càng lúc càng xa một tần số khác, điểm là cuối cùng đạt được tại đó nó có thể, lúc đầu hơi xơ ra (fuzzily) và sau đó rõ ràng hơn, nghe như hai âm sắc khác biệt rõ. Làm thế nào tăng khoảng cách giữa các tần số để cho thính giác thấy chúng phụ thuộc vào một số đánh giá riêng, và cũng như thay đổi tùy thuộc vào những gì có liên quan đến giải tần số. Nói chung, nó có thể được giả định là khoảng trên 1 / 3 bát độ giữa 2 cực của âm phổ, một ít trong các tần số mid-range. (Sự phát hiện khoảng thời gian tối thiểu này giữa các sóng sine thuần túy (không được nhầm lẫn với các nốt nhạc chơi trên một nhạc cụ) có một số ngụ ý quan trọng trong pro-sound. Một vài trường hợp khác, nó có nghĩa là biến thể nhỏ trong đáp tần khoảng 1 / 3 bát độ với nhau, ít tác động đến sự nhận thức về chất lượng âm thanh. Ở đây chúng ta không nói về sự cộng hưởng triệt để và đỉnh quá mạnh khác của đáp ứng, mà là biến thể có lẽ khoảng 3dB cho dù có làm gì đi nữa. Chuẩn dung sai cộng hay trừ 3dB thường được đưa ra trong thông số kỹ thuật không hoàn toàn không liên quan đến điều này).

Nếu các tone được di chuyển chưa xa nhau, một điểm khác sẽ đạt được tại một tone thứ ba có thể được nghe bởi thính giả ngoài hai tone thực sự đang được tổng hợp (synthesized). Như đã đề cập, tiến trình thính giác tương đối vô cảm đối với các phase cụ thể quan hệ với các tần số nó nghe được. Đây là lý do tại sao một dạng sóng phức tạp có thể đưa vào một số cấu hình khác nhau và vẫn còn âm thanh cơ bản miễn là các phổ tần số nó chứa vẫn như nhau. Tiến trình thính giác là, cho dù, khá nhạy cảm với các mối quan hệ giữa sự thay đổi phase.

Khi hai tone được nghe là đủ xa nhau, nhịp xảy ra nhanh đủ cho tiến trình thính giác cảm nhận những thay đổi phase của sóng sin như là một tone riêng biệt (với cường độ thấp hơn đáng kể so với hai tone thực tế). Điều này được gọi là một âm sắc khác biệt (difference tone). Thông thường các tone cần phải được phân cách ít nhất là 40Hz đến 50Hz để nghe rõ được sự khác biệt giữa các tone.

Sự mất tích nốt nhạc gốc (The Missing Fundamental):

Trong chương 2 cho thấy rằng âm nhạc có cấu trúc bội âm (overtone) chịu trách nhiệm về chất lượng âm nốt nhạc của một nhạc cụ. Đối với đại đa số các âm thanh âm nhạc, các bội âm có một quan hệ họa âm với cao độ âm nhạc cơ bản của bất cứ nốt nhạc đang được chơi, nghĩa là, các bội âm rơi vào tần số đó là toàn bộ số bội số của các (âm) cơ bản. Như vậy, một nốt nhạc như La A 110Hz sẽ có bội âm là 220Hz, 330Hz, 440Hz, 550Hz, 660Hz, và cứ vậy trở lên. Các tần số sẽ là họa âm thứ 2, 3, 4, 5, và thứ 6, hay 2x, 3x, 4x, 5x và 6x lần tần số cơ bản của 110Hz.

Nếu âm sắc thuần túy (sóng sin) của 220Hz, 330Hz, 440Hz, 550Hz, 660Hz, v.v được tạo ra đồng thời cho thính giả, nó sẽ được nghe như là một nốt nhạc La (A) 110Hz, ngay cả khi những tone 110Hz vắng mặt! Nếu âm 110Hz và 220Hz bị loại bỏ từ series trên, ảnh hưởng trở nên ít rõ ràng, nhưng vẫn còn nhận biết khá rõ bởi thính giả như nốt La (A) 110Hz. Nếu âm 330Hz được loại bỏ, ảnh hưởng chưa trở nên ít khác biệt, và cũng như vậy trở lên như các họa âm liên tiếp được loại bỏ. Trong thực tế, thường chỉ sau năm hay sáu họa âm đầu tiên được loại bỏ, hầu hết mọi người bắt đầu có khó khăn để nhận ra nốt nhạc chính xác.

Hiệu ứng này trong chừng mực nào đó là kết quả ròng của các tone khác biệt giữa tần số họa âm liên quan (lưu ý là âm 110Hz cũng là sự khác biệt giữa các tone kế tiếp trong series trên). Trong thực tế, mặc dù, các nốt nhạc gốc được nghe bởi thính giả ở một cường độ lớn hơn nhiều sẽ được phân bổ cho một tone khác. Não / đầu óc của con người, tự mình thích nghi với mệnh lệnh tự nhiên của môi trường, biết rằng bất kỳ series họa âm cụ thể nào sẽ thuộc về một tần số cơ bản cụ thể, và tạo ra tần số đó là chắc chắn như thể nó đã thực sự nhận được bởi tai ngoài !

Khả năng nghe sự mất tích nốt gốc có những hệ quả quan trọng trong lĩnh vực âm thanh. Khía cạnh tuyệt vời của tai người là lý do chúng ta vẫn thể nghe rõ ràng các nốt nhạc chính xác được chơi bởi, thí dụ, một guitar (có tần số gốc nhỏ nhất là Mi (E) 82Hz) trên một radio nhỏ, mà loa của nó không thể đáp ứng để cho ra tần số thấp, chẳng hạn dưới 250Hz.

Hình 3.12 :Sự khác biệt âm sắc giữa các họa âm cung cấp cho tiến trình thính giác với một tín hiệu quan trọng về cao độ âm nhạc cơ bản(nốt nhạc thực tế), ngay cả khi chủ yếu dưới giải tần số hiệu năng của hệ thống. Một hệ thống không có khả năng tái tạo cơ bản không loại bỏ nốt thấp. Chỉ có chất lượng âm sắc bị ảnh hưởng.Hiểu biết này cho chúng ta một cơ sở hợp lý để hiểu rõ hơn các biểu đồ trong chương 17 cho thấy giải tần số của các nhạc cụ khác nhau như thế nào.​
Tai nghe âm này như là đã một hoàn tất chu trình, do các nhịp và sự khác biệt tấn số. Trong hệ thống pro-sound cũng cùng một nguyên tắc kết cấu. Một hệ thống không có khả năng sinh ra các cực thấp nhất của phổ âm sẽ không loại bỏ các nốt nhạc thấp thông thường. Những gì phải hy sinh mất đi là chiều sâu của chất lượng âm. Điều này rất quan trọng để có kiến thức đầy đủ về các giải tần số của các nhạc cụ hay voice, sẽ được mô tả trong Phần III. Nó không nhất thiết phải là tần số dao động thực tế của từng nhạc cụ hay voice, nhưng thay vì phân phối năng lượng cụ thể theo phổ âm mà lại có khuynh hướng quan trọng nhất trong việc cung cấp âm thanh dễ chịu. (Trên toàn bộ, việc phân phối năng lượng có khuynh hướng có nhiều chức năng của các bộ cộng hưởng như của các phần tử dao động riêng của mình, đã giới thiệu trong chương 2). Mỗi voice hay nhạc cụ có khuynh hướng có những nhu cầu riêng của mình về mặt này, Đây là lý do tại sao sự lựa chọn microphone và equalizer có hiệu quả cực kỳ quan trọng đến các khía cạnh nghệ thuật của kỹ thuật âm thanh sống (live).

Sự sai lệch các tần số / độ lớn (The Frequency / Loudness Warp):

Ý thức về cao độ, khả năng nghe thấy những mức cao hay thấp của nốt nhạc, tương ứng chặt chẽ với các tần số. Thật thú vị, và thu nhận tiềm năng cho các hoạt động của hệ thống pro-sound cao cấp, mối quan hệ này chưa phải là chính xác nhất.

Xuyên suốt hầu hết các giải năng động (dymamic range) nghe được, khoảng thời gian âm nhạc có thể nghe thấy có ít nhiều mối quan hệ trực tiếp đến tần số. Thí dụ, khi được chơi ở một mức độ vừa phải, nốt La (A) 110Hz có thể nghe và dễ dàng nhận ra như là một bát độ dưới La (A) 220Hz, hai bát độ dưới La (A) 440Hz, ba bát độ dưới La (A) 880Hz, v.v.

Ở mức cường độ cao, cho dù các mối quan hệ giữa tần số và nhận thức cao độ bắt đầu xuống cấp. Trong cảm giác, hai đầu cao và thấp của phổ âm thanh được kéo dài hơi ra ngoài khi nghe ở âm lượng rất lớn. Ở mức độ cao, thì nó là nghĩa đen của một tone 110Hz tới âm thanh giống như nó, lạc điệu với đối tác 220Hz của nó, và thậm chí lạc điệu xa hơn với các đối tác 880Hz của nó, ở cách xa ba bát độ. Thông thường, khi nghe một sự pha trộn (mix) âm nhạc tổng thể, loại sai lệch này được xem là một sự gia tăng nhỏ cao độ khi nghe ở mức độ (level) rất cao.

Đây là một thí dụ về khía cạnh này của thính giác có thể tham gia khi thực hiện thực tế. Khi xử dụng các hệ thống cao cấp, diễn viên trên sân khấu thường không được tiếp xúc đồng bộ với âm thanh tần số thấp có mức độ cao phát ra từ hệ thống loa hướng vào khán giả (FOH) (giải thích lý do tại chương 9). Nếu những âm thanh này có đủ cường độ, nó có thể ảnh hưởng thực sự đến cảm giác về cao độ của một nghệ sĩ biểu diễn, và có thể làm cho họ hay hát hơi nhẹ các nốt nhạc chính xác. Trong một vài tình huống nó sẽ trở thành quan trọng là người biểu diễn nghe thấy đầy đủ một hay nhiều hơn các nhạc cụ treble trên sân khấu để có một tham chiếu cao độ hiệu quả cho tiếng hát của họ, hơn là tham khảo cao độ từ các note nhạc bass. Một sự thiết lập sân khấu tốt, cùng với một thiết kế tốt và xử dụng thành thạo hệ thống monitor sân khấu, sẽ thảo luận trong chương 15, phần lớn có thể loại bỏ vấn đề này.

Môi trường nghe (The Listening Environment):

Môi trường âm thanh, được biết đến bởi soundpersons (soundman), nhạc sĩ có kinh nghiệm và người nghe sâu sắc khác, có thể có gây ảnh hưởng bức thiết về nhận thức được chất lượng âm thanh. Các nghiên cứu về âm thanh trong nhà là một môn học phức tạp vượt ra ngoài phạm vi dự định của giáo trình này. Nhưng ở đây chúng ta sẽ xem xét ngắn gọn những gì xảy ra trong một môi trường trong nhà của kích cỡ nơi mà âm thanh thường được yêu cầu.

Như đã đề cập ở chương trước, cộng hưởng âm thanh tồn tại trong phòng, đặc biệt là các phòng nhỏ, do kích thước và hình dạng của căn phòng. Chúng có thể có khuynh hướng nêu bật tần số nào đó ở các vị trí trong phòng. Thông thường, tần số thấp có bước sóng phù hợp với kích thước của căn phòng có khuynh hướng nổi bật. Trong khi cộng hưởng xảy ra ở các tần số tầm trung (mid-range), cộng hưởng thường có khuynh hướng tập trung quá gần ở tần số mà không gì trong số đó nổi bật hơn những cái khác, ít nhất là không phải do phòng có tính cộng hưởng.

Có hai điều rất cơ bản liên quan đến cộng hưởng mà người vận hành hệ thống âm thanh (không đề cập đến các trình cài đặt hệ thống) nên xem là quan trọng. Thứ nhất: Thế mạnh rõ ràng của bất kỳ cộng hưởng nào sẽ có khuynh hướng thay đổi tùy thuộc vào vị trí của những người trong phòng, đặc biệt tại một số vị trí, tần số cộng hưởng thực sự có khuynh hướng triệt tiêu. (Thực tế này cho tất cả, nhưng các cộng hưởng là khó khăn hiển nhiên nhất nếu không phải là không thể làm (equalize) cân bằng). Và ngay cả những người có khả năng nghe sắc sảo nhất cũng không có thể phân biệt được từ một vị trí trong một căn phòng mà các đặc điểm cộng hưởng lại ở các vị trí khác. Hiệu quả của cộng hưởng sẽ khác nhau từ một trong những điểm, rõ ràng là người vận hành hệ thống không cần lôi kéo bất cứ ai để có kết luận về cộng hưởng (hay quả thực về những âm thanh nói chung) chỉ từ một vị trí. Thứ hai: người nghe tiếp giáp với tường hay góc có khuynh hướng phải chịu cường độ tối đa của phòng cộng hưởng ở nhiều tần số. Điều này có nghĩa là, trong số vài chuyện khác, mà một trong số đó là vị trí mixer ít phù hợp nhất để từ đó vận hành một hệ thống âm thanh thường là quay lưng áp vào tường, đặc biệt nếu nó là một bức tường có độ dội cao, và cũng đặc biệt nếu nó là trực tiếp ngang qua căn phòng từ loa (trái ngược với nghiêng về một bên). Thậm chí nếu tường rất hấp thụ (chẳng hạn như trải thảm hay màn trang trí), cộng hưởng ở tần số thấp thường vẫn sẽ có khuynh hướng dồn lại ở đó. (Có lẽ đó là chỗ tồi tệ nhất để vận hành một hệ thống âm thanh là giấu mình trong phòng nhỏ với một cửa sổ mở bên cạnh, các đặc điểm của phòng này thường sẽ có khuynh hướng bị cộng hưởng trầm trọng, khác hẳn khi so với những người ở khu vực khán giả. Một hệ thống monitor có thể giúp cân bằng tỉ lệ tại gian phòng như vậy, nhưng sẽ không lặp lại tiếng vang mà khán giả nghe được, từ đó đặt soundperson (man) và người biểu diễn ở thế bất lợi).

Khía cạnh quan trọng tiếp theo của âm thanh trong phòng là quan tâm đến những gì thường được gọi là phản dội sớm (early reflection). Đây là những vấn đề quan trọng nhỏ với kích thước môi trường nghe trung bình, nhưng cũng có thể xảy ra trong hội trường lớn với một vòm phản dội trên sân khấu. Hình 3.14 minh họa sự phát triển của các phản dội nghe đầu tiên của khán giả. Về mặt kỹ thuật không được xem như tiếng vang (reverberation) (ít nhất là không phải từ quan điểm của một nhà âm học) bởi vì chúng xảy ra rất nhanh chóng – như một tiếng bật ngón tay-, nhưng nó đóng vai trò rất quan trọng trong cách chúng ta cảm nhận được âm thanh phối hợp với môi trường.

Hình 3.13: Phòng cộng hưởng cơ bản. Cộng hưởng trong phòng xảy ra khi sóng bị phản dội trở lại theo cách mà nó củng cố sức mạnh lẫn nhau trong vị trí nào đó của căn phòng và gần như hoàn toàn triệt tiêu lẫn nhau ở các vị trí khác. Tần số cộng hưởng xảy ra ở nơi bước sóng bằng kích cỡ một vật liệu cụ thể của phòng, hay nhiều vật bất kỳ. Đây cũng được gọi là sóng đứng (standing waves) haykiểu phòng (room modes). Các sóng đứng quan trọng hơn có khuynh hướng xảy ra ở các tần số thấp hơn.

A) Bước sóng bằng chiều dài của phòng. sóng đứng lớn có thể được kích thích bởi âm thanh tối thiểu tương đối tại tần số này.

(B) Bước sóng bằng 1 / 2, 1/ 3,1 / 4, 1 / 5, v.v lần chiều dài của phòng. Sóng đứng xảy ra giữa sàn và trần nhà hay các bề mặt. Phần màu sáng trong minh họa là điểm vô giá trị trong phòng, là giao điểm củacác sóng đứng.​
Về cơ bản, tiến trình thính giác tích hợp bất kỳ sự phản dội nào trong 25-30 milli giây đầu tiên (một phần nghìn của một giây) sau khi nghe âm thanh trực tiếp, và nhận thức được bản chất của nó cùng với những âm thanh trực tiếp của chính nó. Đôi khi những phản dội đầu tiên, kết hợp rất nhiều dB lớn hơn của những âm thanh trực tiếp từ nguồn, và có thể đóng một vai trò chủ yếu trong cách làm lớn âm thanh nói chung ở trong một căn phòng cụ thể.

Phần còn lại của mối quan ngại về âm thanh, ngoài sự cộng hưởng và phản dội sớm, có khuynh hướng xoay quanh lâu hơn, có thể nhận thức rõ ràng hơn vang (reverberation). Tiếng vang tất nhiên cũng rất khác nhau tùy từng loại phòng, và chính điều này, kết hợp với cộng hưởng, cho chúng ta một ý tưởng trực quan của môi trường không gian và cách xây dựng. Đôi khi các khía cạnh cụ thể có thể khá phức tạp và mang tính kỹ thuật nào không?. Có, với ngoại lệ tương đối ít, mối quan tâm chủ yếu liên quan đến độ vang lâu hơn, có thể được tổng kết với câu hỏi “Làm thế nào để lâu nhất?” Thông thường điều này đã được quy định như thời gian vang (reverberation time). Thời gian vang trong một căn phòng đặc biệt được chấp nhận là chiều dài của thời gian cần cho mức độ âm thanh trong phòng giảm đi 60dB, sau khi các nguồn âm thanh đã ngừng phát ra âm thanh. Điều này được xác định chủ yếu bởi hai yếu tố, kích thước của căn phòng và độ phản dội bình quân của bề mặt. Rõ ràng, trong hầu hết trường hợp, thời gian vang dài hơn là, nhiều âm thanh trực tiếp và phản dội sớm sẽ có khuynh hướng được che phủ bằng tiếng vang, và âm thanh sẽ được hiểu và đánh giá cao khó hơn. Vì lý do này, hệ thống phân phối loa lớn hơn được đặt tương đối gần với khán giả, thường được dùng trong các môi trường có thời gian vang dài. Nói chung, có rất ít sự khoan dung cho tiếng vang dài để hoàn thiện tiếng nói hơn trong âm nhạc, nhưng có điểm mà tại đó âm nhạc cũng trở thành quá lộn xộn do tiếng vang để đánh giá. May mắn thay, có một số điều mà có thể làm cho vấn đề này ít nghiêm trọng, như minh họa trong Hình 3.15 và thảo luận trong chương 9 và tại phần III .

Hình 3.14: Phản xạ sớm trong một phòng. Sóng âm được mô tả ở đây như là đường tia với mục đích minh họa cho sóng bị phản dội đến vị trí một người nghe nhất định. Phản dội khi đến tai người trong vòng 25 phần nghìn giây đầu tiên (0,025 giây), sau khi xuất hiện những âm thanh trực tiếp không thể phân biệt được như của riêng tiến trình thính giác, nhưng nó đóng một vai trò lớn trong mức âm lượng và chất lượng âm thanh. Sự hiểu biết này cho chúng ta một cơ hội để hiểu được thảo luận trong phần cuối cùng của chương này.

Thời gian trễ ở đây đại diện cho sự khác biệt thời gian giữa âm thanh trực tiếp đến và âm thanh phản xạ đến, khoảng 13 & 1 / 2 inch mỗi mili giây (mỗi chu kỳ nó đi là một foot), hay 0.34 mét mỗi mili giây, (mỗi chu kỳ nó đi là một mét mỗi 3 msec).​
Trong số ít các trường hợp ngoại lệ được đề cập là khi có một định nghĩa rõ ràng echo off của một bức tường cụ thể, có thể là thảm họa với chất lượng âm thanh. Đôi khi tất cả gì chúng ta có thể làm ở đây là cắn răng chịu đựng và cố gắng vượt qua sự kiện này, hay chúng ta có thể giữ vững lập trường và nhấn mạnh rằng rèm cửa hay một số hình thức khác của vật liệu hấp thụ được đặt trên bức tường làm bực mình. Cuối cùng, ngoài tất cả các mối quan tâm, dù chỉ là giới thiệu, che chắn âm thanh bằng những vật lớn cũng sẽ đóng một vai trò trong việc đạt được sự bao quát có hiệu quả cho một hệ thống pro-sound.

Hiệu ứng thứ bậc (The Precedence Effect):

Có một khía cạnh quan trọng của sự nhận thức về hướng đã không được thảo luận trong phần “Nhận thức về hướng” “The Perception of Direction”, được gọi là hiệu ứng thứ bậc, hay hiệu ứng Haas, sau khi các nhà nghiên cứu đầu tiên công bố dữ liệu hiệu quả về hiện tượng này. Trong phần trước đã mô tả ngắn gọn sự xảy ra phản dội nhanh chóng trong vòng 30 phần nghìn giây đầu tiên,v.v có khuynh hướng được tích hợp vào bản thân những âm thanh trực tiếp. Như đã đề cập, sự kết hợp của các phản dội như vậy thường có thể cộng thêm lên đến nhiều dB trên những âm thanh trực tiếp, đặc biệt trong một căn phòng rất nhỏ. Tuy nhiên, thính giác của con người đã học từ rất sớm trong cuộc sống để bảo vệ định hướng hình ảnh của âm thanh dựa trên hướng từ đó âm thanh đến trực tiếp.

Hình 3.15: Âm thanh trực tiếp và dội lại với loa non-directional (vô hướng) và directional (định hướng). Một cách để đối phó với môi trường vang dội cao liên quan đến sự kiểm soát hiệu quả của một căn phòng với một hay nhiều loa, một chủ đề dành riêng cho chương 9. Lưu ý các tỉ lệ khác nhau của âm thanh trực tiếp đến âm thanh vang dội lại trong hai hình trên.​
Điều này được mô phỏng với hai loa phóng thanh. Hình 3.16 sắp xếp thử nghiệm nơi nào hai loa phát ra âm thanh tương tự như nhau được thiết lập như một hệ thống âm thanh nổi, ngoại trừ chúng ta đã giới thiệu khả năng trì hoãn một trong những tín hiệu. Bây giờ, gần như tất cả mọi người trong thế giới công nghiệp hóa hiện đại bằng trực giác đã nhận thức được bằng cách nào để chúng ta định vị được một âm thanh phát ra từ hai loa như vậy (hay có thể lay hoay với bộ điều khiển cân bằng (EQ) tiêu chuẩn trong một hệ thống âm thanh nổi). Nếu tín hiệu giống hệt nhau về chất lượng và cường độ ( trong âm thanh mono) nó có vẻ phát ra từ trung tâm. Tuy nhiên, nếu chúng ta trì hoãn một trong những âm thanh giống hệt nhau từ 5 đến 25 phần nghìn giây, người nghe cảm nhận rõ ràng những âm thanh đến từ các loa không bị trì hoãn (undelayed). Không chỉ vậy, chúng ta thực sự có thể làm tăng mức độ âm thanh bị trì hoãn bởi một mức lượng đáng kể (thường lên đến 4 hay 6dB) trước khi các hình ảnh âm thanh rõ ràng bắt đầu di chuyển ra từ loa phát ra âm thanh trước đó (tức là những âm thanh trực tiếp). Chỉ khi những âm thanh chậm trễ (delay) khoảng 10dB trên các âm thanh gốc có vẻ phát ra từ trung tâm (ngoài việc âm thanh sẽ di chuyển ngày càng tăng đối với loa bị delay). Nếu chúng ta tăng delay hơn khoảng 30 phần nghìn giây, nó bắt đầu cho âm thanh ngày càng giống như tiếng echo nhanh, và hiệu ứng kết thúc.

(A) Nguồn biểu kiến khi loa bên phải bị trì hoãn (delay) 5ms đến 25ms. Cả hai loa được cung cấp một âm thanh giống hệt nhau ở cùng mức độ.

B) Nguồn biểu kiến khi loa bên phải bị trì hoãn 5ms để 25ms và tăng khoảng 10dB trên loa bên trái.

Hình 3.16: Hiệu ứng thứ bậc.
Trong pro-sound, hiệu ứng thứ bậc cho phép một hệ thống âm thanh bố trí loa bổ sung để hỗ trợ trong việc cải thiện chất lượng âm thanh, trong khi vẫn bảo tồn các hình ảnh mà các âm thanh được phát ra từ phía trước phòng (như sân khấu, bục giảng, v.v ). Hiệu ứng khó tin đến nỗi khi nó có cảm giác, người ta sẽ thề rằng loa bị delay đã tắt, tuy thực tế những âm thanh từ các loa thường bị trì hoãn độ lớn ít nhất là như nhau, và có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng âm thanh ở vị trí người nghe. (Xem thêm chương12, hình 12.3 và 12.15).