Tìm hiểu hoạt động của loa - các loại loa

Theo Số Hóa

Mặc dù nguyên tắc hoạt động như nhau, nhưng loa vẫn được chi thành 3 loại chính dựa theo kích cỡ và công suất, là loa trầm, cao và trung.

Loa trầm (woofer)	Loa cao (tweeter)	Loa trung (mid-range)

Loa trầm có kích cỡ lớn nhất, được thiết kế để tái tạo các âm tần số thấp. Loa cao thường nhỏ hơn, được thiết kế tái tạo những tần số cao. Còn loa trung tái tạo dải tần nằm quãng giữa.

Việc phân chia thành các loa khác nhau thực chất cũng nhằm một số mục đích nhất định. Chẳng hạn, để tạo ra các sóng tần số cao, màng loa phải rung động nhanh, vì thế loa chuyên tần số cao không thể có kích cỡ lớn vì màng loa sẽ có trọng lượng lớn. Ngược lại, khó có thể làm cho một loa nhỏ rung đủ chậm để tạo ra các âm có tần số rất thấp bởi nó vốn chuyên để đáp ứng tần số nhanh.

Dải tần

Bộ phân tần cơ bản của một loa: tần số được chia bởi cuộn cảm và tụ điện và được gửi đến các loa trầm, loa tweeter và loa trung.

Để có chất lượng âm thanh trong một dải tần nhất định đạt hiệu quả mong muốn, người ta chia toàn bộ dải thành những dải nhỏ hơn cho mỗi loa riêng biệt. Các hệ thống loa chất lượng cao vì thế thường có đủ cả loa trầm, trung và tweeter trong một thùng loa.

Tất nhiên, để mỗi loa con chơi chỉ một dải tần cụ thể, hệ thống phải tiến hành chia nhỏ các tín hiệu âm thanh thành các dải khác nhau gồm dải tần số thấp, tần số cao và tần số trung. Công việc này được thực hiện bởi bộ phân tần (crossover).

Hiện nay phổ biến nhất là bộ phân tần thụ động, có nghĩa là bộ này hoạt động chỉ dựa trên các tín hiệu âm thanh đi qua mà không cần bất kỳ nguồn nuôi độc lập nào. Loại phân tần này sử dụng các cuộn cảm và tụ điện, hoặc đôi khi có thể thêm các thiết bị mạch. Cơ chế hoạt động chủ yếu dựa trên nguyên lý cả tụ điện và cuộn cảm trở thành chất dẫn chỉ trong một số điều kiện nhất định. Ví dụ, tụ phân tần là chất dẫn hoàn hảo khi tần số ở một mức nhất định, thấp hơn mức này sẽ dẫn kém đi, trong khi cuộn cảm lại ngược lại, chỉ dẫn tốt khi tần số thấp hơn một mức nhất định.

Khi tín hiệu điện tử qua dây tới loa, nó sẽ được đi qua bộ phân tần. Để tới loa tweeter, dòng điện sẽ đi qua tụ điện. Để tới loa trầm, dòng điện đi qua cuộn cảm. Tín hiệu điện tới loa trung sẽ qua một bộ phân tần chạy qua cả tụ điện và cuộn cảm, từ đó xác định điểm giao cắt trên và dưới của dải tần cho loa.

Bộ phân tần cũng có thể được chế tạo dạng phân tần chủ động. Phân tần chủ động gồm các thiết bị điện tử có thể áp các dải tần khác nhau của tín hiệu âm thanh trước khi các tín hiệu này tới bộ khuếch đại (trên từng loa con). Phân tần chủ động có lợi thế hơn phân tần thụ động ở chỗ có thể dễ dàng điều chỉnh dải tần. Dải tần của phân tần thụ động phụ thuộc vào từng mạch riêng rẽ, vì thế muốn thay đổi người ta sẽ phải thay tụ điện và cuộn cảm. Tuy lợi thế hơn nhưng phân tần chủ động không thông dụng bằng phân tần bị động do chi phí cho thiết bị sẽ làm đội giá thành lên nhiều.

Các loại thùng loa

Ở thiết kế thùng loa kín, không khí trong thùng liên tục bị nén khi màng loa chuyển động.

Trong hầu hết các hệ thống loa, loa con và bộ phân tần được bố trí trong cùng một thùng. Việc bố trí tất cả trong một giúp cho việc sắp xếp loa được dễ dàng hơn. Thùng loa thường được làm bằng gỗ hoặc các vật liệu cứng và nặng để đảo bảo triệt tiêu các rung động quá trình hoạt động.

Thiết kế thùng thế nào cũng có những ảnh hưởng nhất định tới chất lượng âm thanh được tạo ra. Thông thường nói đến loa, người ta thường chỉ tập trung vào việc màng loa rung động sẽ tại sóng âm ở phía trước mặt. Nhưng màng loa khi chuyển động ngoài việc làm cho không khí phía trước chuyển động, nó còn tạo không khí bên trong thùng cũng chuyển động theo. Chuyển động sóng âm này gọi là sóng ngược và các loại thùng loa khác nhau sẽ có các cách xử lý sóng ngược khác nhau.

Loại thùng loa thông dụng nhất là dạng thùng kín, hay còn gọi là thùng triệt âm, thường được bọc kín để không khí bên trong không thể thoát ra ngoài. Do các sóng ngược chỉ quanh quẩn ở trong hộp nên khi màng loa chuyển động, áp suất không khí trong và ngoài thùng luôn bị thay đổi theo. Luồng không khí cả trong và ngoài vì thế luôn có xu hướng bù áp suất, đẩy màng loa trở lại vị trí "cân bằng bền", vị trí mà áp suất ở trong và ngoài loa bằng nhau.

Thiết kế thùng loa dạng này kém hiệu quả hơn các kiểu thiết kế khác bởi bộ khuếch đại sẽ phải gia tăng tín hiệu để bù lực tác động. Bù lại, nhờ có cân bằng áp suất mà màng loa luôn được trả về vị trí đúng, tạo nên một chất âm chặt và chính xác hơn.

Chuyển động ép không khí nội tại của màng loa sẽ đẩy sóng ngược ra ngoài lỗ thoát, từ đó gia tăng thêm cho mức âm thanh tổng thể.

Một số cách tiếp cận khác lại thiết kế theo kiểu bổ sung thêm một lỗ nhỏ trên loa. Trong những hệ thống loa dội (bass reflex), chuyển động ép không khí nội tại của màng loa sẽ đẩy sóng ngược ra ngoài lỗ thoát, từ đó gia tăng thêm cho mức âm thanh tổng thể. Lợi thế chính của loa dội là tính hiệu quả. Lực chuyển động của màng loa con có thể tác động tạo hai luồng sóng âm thay vì chỉ một. Tuy nhiên, điểm bất lợi của thiết kế này ở chỗ do không có sự cân bằng áp suất nên âm thanh không được chính xác bằng.

Một kiểu thiết kế khác là kiểu phản âm thụ động, vốn rất thông dụng trong việc chế tạo các loa trầm. Sóng ngược khi chuyển động trong thùng loa, thay vì thoát ra ngoài qua lỗ sẽ đẩy màng loa thụ động chuyển động. Loa thụ động có cấu tạo tương tự như loa chính, chỉ không có cuộn âm và không được nối với bộ khuếch đại. Màng loa vì thế chỉ chuyển động dựa trên sóng ngược sinh ra bởi loa chính. Loại thùng loa này hiệu quả hơn loa kín và chính xác hơn loa dội.

Một số loa phản âm thụ động được thiết kế với loa chủ động ở mặt này và loa thụ động ở mặt kia. Kiểu thiết kế hai mặt sẽ tán âm ra mọi hướng, rất thích hợp trong việc chế tạo các loa sau trong hệ thống rạp tại gia.

Tuy nhiên, đây chỉ là một vài kiểu thiết kế cơ bản và thông dụng nhất. Thực tế trên thị trường có vô vàn kiểu chế tạo thùng với đủ các cấu trúc và cách sắp xếp đặc trưng tùy thuộc công nghệ của từng hãng.

Các công nghệ loa khác

Các loại loa tĩnh điện được thiết kế theo kiểu màng loa được áp lần lượt điện âm và dương dựa trên sự biến đổi tín hiệu điện tử. Khi được nhiễm điện dương, nó sẽ dao động về phía tấm điện tích âm và ngược lại. Nhờ thế, màng loa sẽ tái tạo chính xác sự dao động âm thanh.

Các loa truyền thống thông thường ở trên thường được gọi là các loa điện động (dynamic). Ngoài ra còn một công nghệ tái tạo âm thanh khác nữa là các loa tĩnh điện (electrostatic speaker).

Các loa này làm rung động không khí nhờ một tấm màng rộng, mỏng có khả năng dẫn điện. Tấm màng này được treo giữa hai tấm vật liệu dẫn cố định tạo nên một trường điện từ với một bên cực âm và một bên cực dương. Tín hiệu điện tử khi được áp vào tấm màng sẽ thay đổi liên tục điện cực. Khi nhiễm điện dương, nó chuyển động về hướng cực âm và ngược lại.

Chuyển động liên tục này làm rung động lớp không khí xung quanh tạo nên sóng âm. Do có trọng lượng rất nhẹ nên tấm màng hồi đáp rất nhanh và chính xác theo từng thay đổi nhỏ của tín hiệu âm thanh, tạo nên chất âm rất trong và chính xác. Tuy nhiên, do biên độ chuyển động không lớn nên công nghệ này không thích hợp để tạo các loa siêu trầm. Vì thế, loa tĩnh điện thường được chế tạo làm các loa trung hoặc tweeter và được kết hợp với loa trầm để cải thiện dải âm tần thấp.

Một dạng thức khác tương tự là các loa từ phẳng (planar magnetic). Các loa này sử dụng một dải ribbon kim loại treo giữa hai tấm nam châm và hoạt động tương tự như loa tĩnh điện, ngoại trừ việc dòng xoay chiều làm màng loa chuyển động trong từ trường thay vì trong điện trường. Cũng như các loa tĩnh điện, loa từ phẳng đáp tần tốt với các âm tần số cao, trong khi kém với các âm tần số thấp. Vì thế, chúng thường được dùng chế tạo loa tweeter.

Mặc dù cả hai kiểu đang dần trở nên thông dụng với giới nghe nhạc nhưng loa điện động truyền thống vẫn là công nghệ phù hợp nhất tính đến thời điểm hiện nay. Người ta có thể tìm thấy dạng này ở khắp mọi nơi, trong mọi thiết bị, từ loa tới đồng hồ, TV, điện thoại, máy tính, tai nghe..., đủ đa dạng để chứng tỏ dù chỉ một công nghệ đơn giản cũng có thể tạo nên cuộc cách mạng trong thế giới hiện đại.

Nguyễn Hà