Tìm hiểu về các loại loa - loa điện động

Loa điện động là công nghệ loa thông dụng nhất hiện nay nhờ dải âm rộng, công suất lớn, độ nhạy cao, thiết kế đơn giản và rất chắc chắn.

Từ hàng năm nay người ta đã bỏ công nghiên cứu những cơ chế biến tín hiệu điện thành chuyển động không khí tạo nên âm thanh. Tuy nhiên, tựu trung lại, có ba phương pháp tạo âm thanh cơ bản đã tỏ ra đáp ứng tốt vai trò của mình một cách hiệu quả cả về mặt kỹ thuật cũng như thương mại hóa. Đó là loa điện động, loa mành ribbon và loa mành tĩnh điện. Các loa điện động thường được gọi là loa hộp do các thiết bị được đặt toàn bộ vào một dạng thùng hay hộp loa, trong khi các loa ribbon và loa tĩnh điện thường được gọi là loa phẳng bởi chúng thông thường được chế tạo dưới dạng một tấm màn phẳng và mỏng.

Tạp chí nghe nhìn AVGuide giới thiệu sơ lược về ba loại loa trên cũng như cách thức hoạt động của chúng. Kiến thức trong bài được trích từ cuốn sách Cẩm nang về âm thanh chất lượng cao (The Complete Guide to High-End Audio) của tác giả Robert Harley.

Trong phần đầu, Số Hóa sẽ trích giới thiệu về loa điện động.

Sơ đồ cấu tạo loa điện động. Ảnh: AVguide.

Loa điện động là công nghệ loa thông dụng nhất hiện nay với đặc trưng là các màng loa hình nón. Sở dĩ các loa này trở nên phổ biến bởi có rất nhiều lợi thế: dải âm rộng, công suất lớn, độ nhạy cao, thiết kế tương đối đơn giản và rất chắc chắn.

Một hệ thống loa điện động thường gồm nhiều loa với các kích thước khác nhau. Các tần số thấp thường được tái tạo từ các loa trầm. Tần số cao được phụ trách bởi loa tép (hay còn gọi là tweeter). Một số hệ thống còn sử dụng thêm loa trung, dùng để tái tạo tần số âm thanh nằm ở giữa dải tần cao và dải tần thấp.

Mặc dù có thiết kế khác nhau, nhưng các loa này đều hoạt động dựa trên cùng một nguyên tắc. Mô hình hoạt động này được đơn giản hóa như sau: Dòng điện từ ampli chạy qua cuộn âm của loa tạo nên một từ trường dao động xung quanh cuộn âm, rộng ra hay hẹp lại theo một tần số đúng bằng tần số tín hiệu âm thanh. Cuộn âm thông thường luôn được giữ cố định nhờ từ trường vĩnh cửu của cuộn nam châm loa. Từ trường vĩnh cửu tương tác với từ trường do dòng điện chạy qua cuộn âm, và sẽ đẩy cuộn âm tịnh tiến ra hoặc vào. Do cuộn âm được gắn với màng loa nên sự tương tác từ trường này cũng khiến cho màng loa chuyển động ra/vào, từ đó tạo ra âm thanh.

Giải thích một cách kỹ thuật hơn thì cuộn âm là cuộn dây quấn vòng quanh một trục mỏng gọi là lõi cuộn âm (voice-coil former). Lõi này được gắn với một màng loa hình nón (cone) hay hình vòm (dome). Dòng điện từ ampli sẽ chạy qua cuộn âm được neo cố định trong từ trường vĩnh cửu (được tạo ra bởi dòng từ trường tương tác giữa hai nam châm vĩnh cửu) trong củ loa. Theo quy tắc bàn tay phải, dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn âm sẽ tạo ra lực từ trường chuyển động dọc theo trục của cuộn âm. Sự tương tác giữa trường biến thiên của cuộn âm và từ trường cố định tạo nên một lực hướng trục đẩy cuộn âm ra hoặc vào, kéo theo là chuyển động của màng loa. Tín hiệu âm thanh càng nhanh, màng loa chuyển động càng nhanh, dẫn đến tần số âm được phát ra càng cao. Chính do cấu tạo này mà các loa điện động còn được gọi là các loa cuộn dây động (moving-coil drivers).

Ngoài các thành phần trên, loa điện động còn có một số thành phần khác như màng nhện (spider) dùng để giữ cho cuộn âm duy trì vị trí khi cuộn này chuyển động ra/vào; khung cho loa (basket hoặc frame), thường được làm bằng kim loại đúc hoặc hàn, là nơi cố định toàn bộ thành phần của loa (trong đó khung đúc thường được chế tạo cho các loa cao cấp, đắt tiền, còn khung hàn thường cho những phiên bản bình dân hơn). Bao phủ bề ngoài của khung và màng loa là một viền, thường bằng chất liệu cao su tổng hợp, gọi là surround. Viền này giữ cho màng nón loa được giữ chặt vào khung trong khi vẫn rung theo từng chuyển động của cuộn âm. Khoảng không tối đa cho màng nón loa chuyển động ra/vào gọi là khoảng lệch (excursion).

Loa điện động phổ biến bởi có rất nhiều lợi thế: dải âm rộng, công suất lớn, độ nhạy cao, thiết kế tương đối đơn giản và rất chắc chắn. Ảnh: Nganu.

Các vật liệu dùng để chế tạo màng loa nón có thể là giấy, giấy phủ các chất hóa cứng, các loại nhựa tổng hợp như polypropylene, cũng có thể là kim loại (như titanium), các vật liệu tổng hợp mới như sợi các-bon, sợi Kevlar (được dùng trong áo giáp chống đạn) hay các vật liệu tổng hợp chuyên biệt khác. Nhà thiết kế loa có thể chọn một loại vật liệu hoặc pha trộn nhiều loại vật liệu với nhau sao cho chuyển động của màng loa được dẫn hướng hoàn hảo, chỉ tịnh tiến một chiều như kiểu chuyển động pit-tông thay vì bị vỡ tiếng (breakup) do chuyển động theo các hướng khác nhau.

Hiện tượng breakup xảy ra do màng loa nón gắn vào cuộn âm chỉ với diện tích nhỏ hẹp, vì thế khi cuộn âm chuyển động, màng loa luôn có xu hướng dao động đa chiều gây nên hiện tượng méo âm. Thêm vào đó, ngoài yếu tố đủ cứng, màng loa còn đòi hỏi phải nhẹ. Màng càng nhẹ thì loa càng nhạy với các tín hiệu và cũng dừng nhanh hơn khi tín hiệu tắt. Màng loa rộng và lại có khối lượng nặng hơn sẽ không thể chuyển động đủ nhanh và nhạy kịp với tần số dao động, đồng thời khi đã dao động rồi mà tín hiệu đã thì màng loa vẫn chuyển động theo quán tính, tạo nên hiện tượng cộng hưởng. Vì thế, thiết kế một màng loa vừa đủ độ cứng để đảm bảo hướng chuyển động, hạn chế tối đa hiện tượng breakup, vùa đủ độ mềm để nhạy với chuyển động của cuộn âm là một nhân tố vô cùng quan trọng.

Do các loa điện động đến một tần số nhất định nào đó sẽ xảy ra hiện tượng breakup nên các nhà sản xuất thường chế tạo đáp tần của loa luôn thấp hơn điểm gây nên hiện tượng breakup. Ví dụ, nếu một chất liệu cấu tạo loa trầm xảy ra hiện tượng breakup ở dải tần 4kHz thì các nhà sản xuất sẽ thiết kế sao cho loa này chỉ hoạt động đến dải tần 2kHz mà thôi.

Ví dụ về một dome loa tép (tweeter). Ảnh: Techpower.

Các loa tép (tweeter) hoạt động cũng với nguyên tắc tương tự nhưng thường sử dụng một loa vòm kích cỡ khoảng một inch thay vì màng nón. Vật liệu chế tạo loa vòm này thường gồm cả nhựa, sợi dệt phủ cao su, titanium, nhôm hoặc hợp kim nhôm hay thậm chí là nhôm tráng vàng. Xu hướng gần đây là chế tạo vòm loa tweeter bằng các vật liệu cao cấp hơn như beryllium hay thậm chí là kim cương trên những phiên bản xa xỉ của các hãng danh tiếng.

Không giống như loa dùng màng nón (cone) tạo âm thanh theo cơ chế chuyển động phần trung tâm của màng loa, các loa dome tạo âm trên cơ chế chuyển động phần vành ngoài. Hầu hết các dome tweeter đều sử dụng một chất lỏng nhiệt độ thấp có tên Ferrofluid nhằm giải nhiệt cho cuộn âm của loa tweeter. Hiện nay, các loa tweeter chất lượng cao đạt tới dải tần 25kHz, vượt ra ngoài âm thanh nghe được của tai người.

Loa trung về cơ bản có cấu tạo giống như mô hình loa trầm nhưng kích thước nhỏ hơn. Hầu hết chúng đều là dạng màng nón, nhưng cá biệt có những loa cũng được thiết kế dạng vòm.

Nguyễn Hà