Tại Sao Thiết Kế Loa Là Cuộc Chiến Với Vật Lý

Lý do loa cột thành công là vì chúng cung cấp âm trầm tốt hơn/sâu hơn, và/hoặc hiệu suất và khả năng chịu tải vượt trội so với loa bookshelf khi đặt trên chân đế chiếm cùng một diện tích sàn. Thể tích thùng loa lớn hơn cho phép nhà thiết kế có nhiều không gian để tinh chỉnh, và mặt trước hẹp giúp giải quyết các vấn đề nhiễu xạ, tạo ra âm hình stereo tốt hơn. Và quan trọng không kém, loa tháp mảnh mai dường như dễ được các bà vợ chấp nhận hơn trong không gian gia đình.

Bước sang thiên niên kỷ mới, mọi nhà sản xuất loa dường như đều có vật liệu nón loa ưa thích riêng – từ gỗ, kim loại đến sợi thủy tinh. Tuy nhiên, về thiết kế thùng loa, phần lớn vẫn là loa cột mặt hẹp, nhiều củ loa kiểu Mission 753. Loa treble trở nên đa dạng hơn với các loại ribbon giá rẻ và công nghệ BMR (Balanced Mode Radiators). Focal JM Lab tôn vinh Yamaha bằng cách giới thiệu loa treble Beryllium cho các sản phẩm cao cấp của họ.

Từ đầu thế kỷ đến nay, có ít công nghệ mới mang tính cách mạng. Thay vào đó, các nhà thiết kế nhìn về quá khứ và cố gắng thực hiện nó tốt hơn. Đó là lý do chúng ta thấy sự trở lại của thiết kế đường truyền đạo âm (transmission line) từ PMC và Kerr Acoustics, hay sự cải thiện của bộ phân tần nhờ linh kiện thụ động cấp audiophile tốt hơn. Đừng quên những tiến bộ hậu trường như phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) tốt hơn đáng kể, giúp đơn giản hóa việc mô phỏng và tối ưu hóa mối quan hệ giữa củ loa bass và thùng loa.

Các nguyên tắc thiết kế cơ bản

Con người muốn nghe càng nhiều phổ âm thanh càng tốt, từ những nốt trầm thấp của đàn organ nhà thờ đến những họa âm cao nhất của cymbal – về mặt tần số, điều này tương đương với khoảng 20Hz ở dải trầm đến 20kHz ở dải cao. Nhưng điều đó không phải lúc nào cũng khả thi do kích thước vật lý của loa. Ví dụ, các loại loa bookshelf nhỏ thực sự không thể xuống dưới 50Hz. Tương tự, thính giác của người lớn tuổi không vượt quá 10kHz nhiều, nên việc thiết kế loa treble chỉ để “cho dơi nghe” thường không phải ưu tiên.

Thực tế, hầu hết người nghe nhận được sự thích thú từ vùng hiện diện của dải trung, nơi tai người nhạy cảm nhất. Vì lý do này, thiết kế loa là sự cân bằng các ưu tiên giữa bass, mid và treble. Dưới đây là các cách chính để thực hiện điều này…

Thiết kế toàn dải (Full range): Loa toàn dải sử dụng chỉ một cụm nón loa và nam châm để xử lý toàn bộ phổ tần số âm nhạc. Chúng không phải lúc nào cũng thành công vì chưa có củ loa nào được thiết kế hoạt động đều từ 20Hz đến 20kHz. Vì vậy, loa toàn dải thường bị hạn chế về âm trầm. Ưu điểm là vì không cần bộ phân tần điện tử (crossover), loa có xu hướng nghe sạch sẽ và giàu nhạc tính hơn – ít nhất là ở dải trung nơi tai người nhạy cảm nhất, do tránh được các vấn đề về pha mà bộ phân tần gây ra.

Loa 2 đường tiếng (2-way) Hầu hết các loa hiện đại về cơ bản là thiết kế 2 đường tiếng, với một loa treble xử lý tần số cao (khoảng trên 2 đến 3kHz) và một loa mid/bass lo mọi thứ bên dưới. Lợi ích là chúng tương đối rẻ để sản xuất và khó bị sai sót hơn so với loa 3 đường tiếng. Đôi khi bạn thấy loa có hai củ bass, nhưng về kỹ thuật vẫn là 2 đường tiếng nếu hai củ bass chạy song song.

Ngoài ra, thiết kế 2.5 đường tiếng ngày càng phổ biến, với cả hai loa mid/bass bắt đầu ở dải tần thấp nhất, nhưng một loa sẽ cắt ở khoảng 100 đến 200Hz, còn loa kia đi tiếp lên để gặp loa treble. Điều này giúp tăng cường lực bass mà vẫn giữ được độ chính xác của dải trung.

Loa 3 đường tiếng (3-way) Phức tạp và đắt tiền hơn, loa 3 đường tiếng chia tín hiệu khoảng quanh 500Hz và 5kHz – với một loa chuyên trách dải trung, một loa bass xử lý dưới 500Hz và loa treble xử lý trên 5kHz. Lợi ích lớn nhất là điểm cắt tần nằm ngoài vùng dải trung nhạy cảm của tai người.

Loa siêu trầm (Subwoofer) Sub là loa chuyên dụng cho dải trầm, thường có ampli tích hợp. Chúng được thiết kế cho các tần số hạ âm (từ 15Hz đến 120Hz) mà con người cảm nhận nhiều hơn là nghe. Subwoofer nên được sử dụng hạn chế trong hi-fi chuyên sâu vì chúng thường gây ra nhiều vấn đề hơn là giải quyết nếu không được thiết lập cẩn thận.

Loa Active vs Passive

Loa truyền thống là Passive, tức là chúng có bộ phân tần điện tử tích hợp trong thùng loa, chia tín hiệu từ ampli công suất đến các củ loa tương ứng. Loa Active lấy tín hiệu mức đường truyền (line-level) từ pre-amplifier và chia nhỏ nó bằng điện tử trước khi khuếch đại. Sau đó, tín hiệu được khuếch đại bởi các ampli công suất riêng biệt (thường tích hợp sẵn trong loa). Cách tiếp cận Active có thể mang lại chất lượng âm thanh tốt hơn đáng kể khi được thực hiện đúng, nhưng chậm phổ biến trong hi-fi gia đình vì các nhà sản xuất và đại lý thích bán loa và ampli rời truyền thống. Tuy nhiên, Active là tiêu chuẩn trong âm thanh chuyên nghiệp.

Các loại củ loa

Dynamic: Phổ biến nhất, sử dụng cuộn dây âm thanh (voice coil) gắn vào nam châm vĩnh cửu và nón loa. Rẻ tiền, dễ sản xuất, và có thể tạo ra âm thanh tuyệt vời. Electrostatic (Tĩnh điện): Sử dụng các tấm màng mỏng tích điện dao động giữa các điện cực. Cần điện áp cao. Âm thanh tinh tế, mượt mà, chi tiết nhưng thiếu bass mạnh và kén vị trí đặt (do phát âm thanh cả trước và sau – dipole).

Ribbon: Sử dụng các dải kim loại siêu nhẹ. Thường thấy trong các thiết kế lai kết hợp với loa bass dynamic. Âm thanh rất chi tiết ở dải cao. Balanced Mode Radiator (BMR): Công nghệ mới, sử dụng màng loa đặc biệt tạo ra âm thanh rộng mở, tinh tế, ít bị nhuộm màu.

Compression: Thường kết hợp với họng kèn. Rất hiệu quả (do độ nhạy cao) nhưng đáp tuyến tần số có thể không mượt mà.

Vật liệu thùng loa

Thùng loa cần phải tĩnh để không ảnh hưởng đến âm thanh.

• Nhựa: Thường thấy ở loa rẻ tiền. Âm thanh thường bị loãng và thiếu chi tiết.
• MDF (Gỗ công nghiệp): Phổ biến nhất. Rẻ, nhưng có thể bị cộng hưởng ở dải trung hoặc đục ở dải trầm nếu không được xử lý tốt.
• Gỗ thật: Cứng hơn và ít cộng hưởng hơn MDF. Thường dùng cho loa cao cấp (ví dụ: ván ép bạch dương).
• Composites (Vật liệu tổng hợp): Như sợi thủy tinh, bê tông, sợi carbon (Wilson Benesch). Rất đắt nhưng tạo ra âm thanh cực kỳ tĩnh và chính xác.
• Kim loại: Nhôm (như YG Acoustics, Magico). Cứng nhưng cần giảm chấn cẩn thận.

Kỹ thuật nén thùng loa

Bass reflex: Đây là kiểu thiết kế thùng loa có một lỗ khoét trên vỏ thùng, được gọi là lỗ thoát hơi. Lỗ này nối với một ống ngắn có chiều dài và đường kính cụ thể để đạt được tần số cộng hưởng mong muốn. Nó cho phép luồng khí do củ loa tạo ra bên trong thùng thoát ra ngoài phòng theo một cách có kiểm soát. Điều này giúp cho bất kỳ củ loa nào, ở kích thước nào, cũng có thể đẩy không khí ra phòng nghe dễ dàng hơn so với thiết kế thùng kín. Kết quả là độ nhạy cao hơn và/hoặc dải trầm xuống sâu hơn. Tuy nhiên, nhược điểm là lỗ thoát hơi có thể gây ra vấn đề riêng, như tạo ra tiếng ồn do luồng khí di chuyển (gọi là tiếng “phè” hoặc “chuffing”). Nếu thiết kế kém, nó cũng có thể làm tiếng bass bị chậm. Mặc dù vậy, nhờ hiệu suất rất cao trong một dải tần hẹp, thùng loa bass reflex hiện là loại loa Hi-Fi phổ biến nhất hiện nay.

Closed baffle: Còn được gọi là sealed box hộp kín, air spring hay acoustic suspension, loại loa này không thở ra phòng qua lỗ thoát hơi. Thay vào đó, thùng loa được bịt kín hoàn toàn để toàn bộ năng lượng tạo ra đều dồn vào mặt trước của củ loa. Hệ thống này đôi khi bị gọi nhầm là infinite baffle, nhưng về mặt kỹ thuật, vách ngăn vô hạn đúng nghĩa là khi thùng loa chính là căn phòng, và năng lượng phía sau củ loa thoát sang một phòng hoàn toàn khác. Với thiết kế thùng kín, hiệu ứng nén khí sẽ xuất hiện, nghĩa là cùng một kích thước thùng và củ loa, nó sẽ có độ nhạy thấp hơn và/hoặc dải trầm kém sâu hơn so với bản thùng hở – do đó cần amply công suất mạnh hơn để kéo. Bù lại, mọi vấn đề của lỗ thoát hơi đều được loại bỏ, mang lại tiếng bass chặt chẽ, gọn gàng và được kiểm soát tốt hơn. Cách tiếp cận này được hãng Acoustic Research phổ biến vào thập niên 60-70 và vẫn thông dụng trong các dòng loa kiểm âm.

Transmission line: Về cơ bản, nó là một đường dẫn khí dài và phức tạp bên trong thùng loa, cho phép luồng khí từ bên trong thoát ra ngoài nhưng được kiểm soát cực kỳ cẩn thận. Người ta có thể tinh chỉnh đường dẫn này sao cho củ loa bass ít ảnh hưởng đến các tần số cao hơn so với thiết kế bass reflex. Kết quả thường là tiếng bass thấp rất sạch và xuống sâu, do các vấn đề về pha được giải quyết tốt hơn. Nhược điểm của TL là chúng rất đói công suất, khiến việc phối ghép khó khăn hơn so với loa bass reflex.

Horn (Loa kèn): Kỹ thuật nén thùng từng rất phổ biến này đang có sự trở lại ngoạn mục gần đây. Một cấu trúc hình kèn được sử dụng để tăng hiệu suất và định hướng âm thanh từ củ loa bằng cách ghép nối nó với không khí hiệu quả hơn. Thực chất là một ống dẫn sóng, họng kèn hoạt động như một biến áp âm thanh, phối hợp trở kháng cao của màng loa với trở kháng thấp của không khí bao quanh. Điều này làm tăng mức áp suất âm thanh (SPL) và cho phép chuyển đổi nhiều năng lượng từ củ loa thành âm thanh nghe được hơn thay vì bị mất đi dưới dạng nhiệt. Hình dạng của kèn thường loe ra từ họng hẹp đến miệng rộng, và biên dạng của nó kiểm soát cẩn thận độ tản âm. Nó giúp loa phóng âm thanh đi xa hơn hoặc vào các khu vực cụ thể, đó là lý do tại sao nó được dùng trong hệ thống âm thanh công cộng (PA). Kèn thường được gắn ở mặt trước, nhưng thiết kế “kèn sau” (rear horn loading) cũng khá phổ biến với các dòng loa toàn dải chuyên biệt.

Auxiliary bass radiator (Màng rung thụ động) Thường gọi là passive radiator, đây về cơ bản là một củ loa chỉ có nón loa mà không có nam châm hay cuộn dây. Được dùng để tăng cường dải trầm, màng rung thụ động bổ trợ cho củ loa bass chính bằng cách di chuyển theo sự thay đổi áp suất khí do củ loa chính tạo ra, đẩy thêm không khí quanh thùng kín. Nó thường được tinh chỉnh để cộng hưởng ở các tần số cụ thể, giống như mặt trống rung lên để khuếch đại nhịp gõ. Ưu điểm là rẻ hơn việc gắn thêm một củ loa bass chủ động, nhưng lại được kiểm soát tốt hơn so với dùng lỗ thoát hơi. Thiết kế này từng được phổ biến bởi mẫu Celestion Ditton 15 vào giữa thập niên 70, sau đó bị thất sủng, nhưng nay đang quay trở lại.

Isobaric (Loa đẳng áp) Hệ thống áp suất cân bằng này ghép đôi hai củ loa giống hệt nhau, cái này nằm sau cái kia, cùng hoạt động để tạo ra tiếng bass trong một thùng loa nhỏ hơn. Cả hai củ loa di chuyển đồng bộ, nhận cùng một tín hiệu, nhưng âm thanh của củ loa bên trong được giấu kín trong thùng. Thiết lập này giữ áp suất không khí giữa hai củ loa không đổi, về mặt hiệu quả giúp giảm một nửa kích thước thùng loa cần thiết để tạo ra tiếng bass sâu. Củ loa bên ngoài phát ra âm thanh, trong khi củ loa bên trong hỗ trợ nó, mang lại tần số thấp mạnh mẽ với độ méo tiếng thấp hơn. Dù rất hiệu quả, nhược điểm là hệ thống này đắt đỏ, phức tạp và khó thực hiện – nên khá hiếm gặp. Nó cũng đòi hỏi amply mạnh mẽ có thể chịu tải trở kháng thấp một cách thoải mái. Linn đã phổ biến cách tiếp cận này với các mẫu loa cột Isobarik lớn vào cuối thập niên 70, và gần đây NEAT cũng đạt kết quả tuyệt vời với các mẫu bookshelf nhỏ gọn như Ministra.

Thông số kỹ thuật

Con người đã sở hữu công cụ tốt nhất để đánh giá âm thanh của loa, đó chính là đôi tai. Tuy nhiên, các thông số đo đạc có thể cung cấp thêm thông tin hữu ích, đặc biệt là trong việc phối ghép amply. Vì vậy, hiểu cách đọc thông số là điều tốt, nhưng hãy đón nhận chúng với một chút dè dặt – chúng không bao giờ kể hết toàn bộ câu chuyện…

Power handling (Công suất chịu tải): Đo bằng Watt (W), con số này được các nhà sản xuất niêm yết rộng rãi, nhưng không hoàn toàn mang tính sống còn. Một chiếc loa có công suất tối đa 100W khó có thể tự hủy nếu bạn dùng amply 130W – trừ khi bạn bật max volume liên tục với nhạc nhiều bass. Quan trọng hơn là công suất tối thiểu. Ví dụ, nếu loa yêu cầu tối thiểu 50W, thì một amply 25W sẽ phải gồng mình hết sức ở mức nghe bình thường và có thể gây méo tiếng. Chính sự méo tiếng (hay còn gọi là “clipping” – cắt ngọn tín hiệu) mới là thứ giết chết củ loa, nên cần phải tránh điều này.

Impedance (Trở kháng): Đo bằng Ohm, trở kháng của một củ loa điện động thay đổi theo tần số mà nó đang tái tạo, nên không bao giờ cố định. Đó là lý do nhà sản xuất thường ghi trở kháng danh định để chỉ dải hoạt động chung. Trở kháng trung bình của loa hiện đại là 6-8 Ohm, phù hợp với các amply bán dẫn ngày nay. Tuy nhiên, một số loa có thể tụt xuống rất thấp khi đánh dải trầm, có khi xuống tới 2.5 Ohm. Những loa này thường là loại nhỏ dùng thùng kín (nhưng không phải lúc nào cũng vậy). Do đó, cần lưu ý dùng amply đủ khỏe và ổn định ở mức tải thấp cho những đôi loa như thế này.

Sensitivity (Độ nhạy): Đo bằng decibel (dB, thường ở mức 1W tại khoảng cách 1 mét), độ nhạy cũng quan trọng như công suất hay trở kháng. Con số này cho biết loa sẽ kêu to đến mức nào với một lượng công suất nhất định. Mức trung bình là khoảng 88dB, nhưng thường thấp hơn 3dB đối với loa bookshelf nhỏ, và có thể cao hơn nhiều với loa thùng lớn. Trong các trường hợp cực đoan, loa monitor thùng kín nhỏ xíu có thể thấp tới 82dB/1W/1m, trong khi loa kèn lớn như Klipsch La Scala AL5 có thể lên tới 105dB. Nhìn chung, thiết kế thùng kín thường làm giảm độ nhạy hoặc trở kháng (hoặc cả hai), nên cần amply công suất lớn. Ngược lại, amply công suất nhỏ (như đèn) nên phối với loa độ nhạy cao.

Frequency response (Đáp tuyến tần số): Đo bằng Hertz (Hz), cho biết loa xuống thấp và lên cao đến đâu. 20Hz đến 20kHz theo truyền thống được coi là giới hạn nghe của con người, dù thực tế có rất ít thông tin nhạc ở hai cực này. Thực tế, độ mượt mà của loa khi chuyển từ thấp lên cao quan trọng hơn, và nên tránh các thiết kế có đỉnh (peaks) và hõm (troughs) quá lớn, vì chúng sẽ làm sai lệch âm sắc nhạc cụ hoặc giọng hát. Dải trung âm là nơi tai người nhạy cảm nhất. Vì thế, những loa có dải tần hạn chế (ví dụ 60Hz – 15kHz) vẫn có thể nghe rất hay nếu chúng tái tạo mượt mà trong khoảng này.

Sound pressure level (SPL – Mức áp suất âm thanh): Mức âm thanh lớn nhất mà loa có thể phát ra, đo bằng dB. Loa Hi-End nghiêm túc thường có SPL khoảng 120dB, loại thấp hơn khoảng 105dB, tùy thuộc vào củ loa và thiết kế thùng (loa kèn thường rất cao). Tuy nhiên, SPL chỉ mang tính lý thuyết với hầu hết người nghe gia đình, trừ khi họ bị điếc hoặc thích tiệc tùng ầm ĩ. Hầu hết việc nghe nhạc diễn ra ở mức 95dB trở xuống, nên SPL tối đa không phải là yếu tố then chốt với đa số người dùng.

Lời kết

Điều gì tạo nên một đôi loa tốt? Đó là câu hỏi dễ, nhưng trả lời thì cực khó! Câu trả lời ngay lập tức phải là: “tốt cho ai?”. Ở giai đoạn thiết kế, kỹ sư cần biết rõ loa được làm cho ai, phòng nghe lớn thế nào, gu nhạc là gì, amply phối ghép ra sao, và quan trọng nhất là ngân sách bao nhiêu. Khi mọi thứ đã rõ, họ sẽ dùng các nguyên tắc thiết kế tốt nhất để đạt mục tiêu đó.

Các nhà thiết kế loa phải làm việc trong khuôn khổ các định luật vật lý. Cần một thùng loa cứng cáp để chứa củ loa, càng ít cộng hưởng càng tốt. Cần chọn củ loa chất lượng cao với màng nhẹ để phản ứng nhanh và ít méo tiếng. Và chúng phải được kết nối bởi một bộ phân tần (crossover) được tinh chỉnh kỹ lưỡng với linh kiện tốt. Tất cả là về việc tạo ra âm thanh hay trong một thiết kế thực tế với mức giá tốt. Đó là lý do tại sao không gì thay thế được việc tự mình nghe thử bằng chính đôi tai của bạn khi đi mua loa, vì có quá nhiều biến số liên quan.

Nguồn: stereonet