Waves (sóng âm) là gì? Hiểu về sóng âm trong kỹ thuật âm thanh

Pro Sound Việt Nam 2 giờ trước 6 lượt xem

Âm thanh là một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta, định hình nên trải nghiệm từ âm nhạc ta nghe, những cuộc trò chuyện hằng ngày cho đến không gian mà ta đang sống.

Ở trung tâm của tất cả những trải nghiệm thính giác này chính là sóng âm – một hiện tượng phức tạp mà khi hiểu rõ, sẽ giúp kỹ sư âm thanh đưa ra những quyết định chính xác và hiệu quả hơn.

Bài viết này nhằm làm rõ bản chất của sóng âm, giải thích cách chúng lan truyền, thay đổi theo thời gian và khoảng cách, cũng như các khái niệm nền tảng trong việc đo lường âm thanh ngoài thực tế.

Sóng âm là gì?

Sóng âm là dao động cơ học lan truyền qua một môi trường. Thông thường, chúng ta nghĩ đến âm thanh truyền trong không khí, nhưng thực tế âm thanh cũng truyền rất tốt trong chất lỏng và chất rắn. Sóng âm được tạo ra khi một vật thể rung động, khiến các phân tử xung quanh dao động qua lại. Sự dao động này tạo ra các biến đổi áp suất và lan tỏa trong vật chất.

Sóng âm thường được so sánh với các gợn sóng lan ra trên mặt nước khi có một vật rơi xuống. Tuy nhiên, khác với sóng nước chỉ lan trên một mặt phẳng, sóng âm lan truyền theo mọi hướng trong không gian.

Âm thanh là một dạng truyền năng lượng cơ học, nghĩa là nó được tạo ra từ năng lượng chuyển động. Khi chúng ta nói, các cơ bắp đẩy không khí, làm rung dây thanh quản và tạo ra âm thanh. Âm thanh này lan truyền trong không khí và cuối cùng làm rung màng nhĩ của người nghe.

Khi kết thúc hành trình, những rung động này được chuyển đổi thành các xung điện thần kinh để não bộ giải mã. Nếu thay màng nhĩ bằng một chiếc micro, chúng ta sẽ tạo ra một tín hiệu điện xoay chiều gọi là tín hiệu audio.

Vật lý của sóng âm

Âm thanh lan truyền như thế nào?

Khi âm thanh được tạo ra, vật rung động sẽ tạo nên các vùng nén và giãn trong môi trường xung quanh. Vùng nén là nơi các phân tử tập trung dày đặc, còn vùng giãn là nơi các phân tử thưa hơn. Khi sóng âm lan truyền, các vùng nén và giãn này di chuyển ra xa nguồn phát.

Hãy tưởng tượng một dây đàn guitar khi được gảy. Ban đầu, dây đàn đập vào các phân tử không khí gần nó, khiến chúng va chạm vào các phân tử kế tiếp. Quá trình này tạo ra một vùng áp suất cao. Khi dây đàn dao động ngược lại, nó kéo không khí theo, tạo ra một vùng áp suất thấp. Nếu dây đàn đủ căng, nó sẽ dao động qua lại trong vài giây, tạo nên một chuỗi liên tục các sóng áp suất cao và thấp lan khắp căn phòng.

Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm môi trường và nhiệt độ. Âm thanh truyền nhanh hơn trong nước so với không khí, và còn nhanh hơn nữa trong chất rắn. Ở nhiệt độ phòng, âm thanh truyền trong không khí với tốc độ khoảng 343 mét mỗi giây, trong khi ở nước có thể vượt quá 1.480 mét mỗi giây.

Vì một giây có 1.000 mili giây, nên một quy tắc ước lượng nhanh là âm thanh truyền được khoảng 1 foot mỗi mili giây. Chính xác hơn là khoảng 1,1 foot mỗi mili giây, nhưng con số này khó nhớ hơn.

Thông tin này rất quan trọng với kỹ sư âm thanh khi cần căn chỉnh chính xác thời gian đến của sóng âm. Trong các buổi biểu diễn lớn, hệ thống loa thường được bố trí ở nhiều vị trí khác nhau, mỗi vị trí cách khán giả một khoảng khác nhau. Để các loa hoạt động đồng bộ, người ta phải tạo độ trễ thời gian để các sóng âm tăng cường cho nhau thay vì triệt tiêu.

Các đặc tính của sóng âm

Sóng âm có nhiều đặc tính cơ bản quyết định tính chất của chúng. Dưới đây là những khái niệm quan trọng nhất.

Tần số

Tần số là số chu kỳ dao động mà sóng âm hoàn thành trong một giây, được đo bằng hertz (Hz). Tần số quyết định độ cao của âm thanh: tần số cao cho âm cao, tần số thấp cho âm trầm. Dải nghe của con người thường nằm trong khoảng từ 20 Hz đến 20.000 Hz.

Tần số là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến cảm nhận cao độ. Kỹ sư âm thanh thường làm việc với các dải tần khác nhau để tạo ra màu sắc mong muốn cho bản nhạc. Người nghe thường cảm nhận tần số thấp ở phía dưới, gần mặt sàn, trong khi tần số cao có xu hướng “bay” lên phía trên. Đa số mọi người cảm nhận 1 kHz nằm khoảng ngang tầm mắt.

Sub-bass (20–60 Hz)
Đây là những âm siêu trầm thường được cảm nhận bằng cơ thể nhiều hơn là tai nghe. Phổ biến trong nhạc điện tử và hip-hop vì các nhạc cụ acoustic thông thường rất ít tạo ra dải này.

Bass (60–250 Hz)
Đóng vai trò nền tảng cho tiết tấu và cảm giác của âm nhạc, tạo độ dày và sức nặng cho bản phối.

Midrange (250–5.000 Hz)
Chứa phần lớn nội dung của giọng hát và nhạc cụ, nơi độ rõ ràng là yếu tố quan trọng nhất.

Treble (5.000–20.000 Hz)
Các âm cao giúp tạo độ sáng và chi tiết cho âm nhạc, nhưng nếu quá nhiều có thể gây mệt tai.

Biên độ

Biên độ đo mức độ dao động lớn nhất của sóng, thể hiện độ lớn của âm thanh. Biên độ càng cao thì âm càng to, biên độ thấp thì âm càng nhỏ. Biên độ thường được đo bằng decibel (dB), một thang đo logarithm thể hiện cường độ âm thanh.

Hiểu biên độ giúp kỹ sư âm thanh cân bằng các thành phần trong bản phối. Âm thanh lớn thường được cảm nhận là ở gần người nghe hơn, trong khi âm nhỏ tạo cảm giác xa hơn.

Ngưỡng nghe (0 dB)
Âm thanh nhỏ nhất mà tai người có thể nghe thấy.

Âm thanh trung bình (60–70 dB)
Mức của một cuộc trò chuyện bình thường.

Âm thanh lớn (85 dB trở lên)
Tiếp xúc lâu dài có thể gây tổn thương thính giác.

Ngưỡng đau (120 dB)
Mức âm gây đau đớn về mặt thể chất.

Vì decibel là thang logarithm nên sự thay đổi có thể gây bối rối lúc đầu. Quy tắc đơn giản là tăng hoặc giảm 6 dB tương đương với gấp đôi hoặc giảm một nửa độ lớn cảm nhận. Do đó, một buổi hòa nhạc 100 dB nếu tăng gấp đôi âm lượng sẽ lên 106 dB, chứ không phải 200 dB.

Bước sóng

Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp hoặc hai đáy sóng liên tiếp. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số: tần số cao có bước sóng ngắn, tần số thấp có bước sóng dài. Điều này rất quan trọng trong thiết kế âm học phòng và chế tạo nhạc cụ có kích thước phù hợp để cộng hưởng đúng tông.

Pha

Pha mô tả vị trí của một điểm trong chu kỳ sóng theo thời gian, được đo bằng độ. Hiểu về pha là yếu tố then chốt trong kỹ thuật âm thanh, đặc biệt khi làm việc với nhiều nguồn âm hoặc nhiều micro cùng lúc.

Sóng âm thay đổi theo thời gian và khoảng cách như thế nào?

Khi lan truyền, sóng âm trải qua nhiều biến đổi ảnh hưởng đến chất lượng và cách chúng ta cảm nhận. Kỹ sư âm thanh tận dụng những thay đổi này trong quá trình phối âm để tạo cảm giác chiều sâu và không gian cho bản nhạc.

Suy hao

Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự lan truyền là suy hao, tức là sự giảm biên độ theo khoảng cách. Suy hao xảy ra do năng lượng bị phân tán trên diện rộng hoặc bị hấp thụ.

Âm thanh lan tỏa theo mọi hướng, không tập trung vào một người nghe cụ thể. Tần số thấp lan tỏa đều theo mọi hướng, trong khi tần số cao có tính định hướng hơn. Ngoài ra, năng lượng âm bị mất dần khi đẩy không khí. Tần số cao đặc biệt dễ bị không khí hấp thụ.

Khuếch tán

Khi sóng âm gặp vật cản, chúng có thể bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau, làm giảm năng lượng và cường độ.

Khúc xạ và phản xạ

Sóng âm cũng có thể đổi hướng do khúc xạ và phản xạ. Khúc xạ xảy ra khi âm thanh đi qua các môi trường có mật độ khác nhau, khiến tốc độ và hướng truyền thay đổi. Ví dụ, âm thanh truyền nhanh hơn trong không khí ấm so với không khí lạnh, làm sóng bị uốn cong.

Phản xạ xảy ra khi sóng âm dội lại từ bề mặt. Tiếng vang là kết quả của âm thanh phản xạ từ một bề mặt xa rồi quay lại tai người nghe. Nếu bề mặt gần, ta có hiện tượng phản xạ sớm, giúp não bộ định vị không gian. Trên thực tế, nếu bị bịt mắt bước vào một căn phòng mới, các phản xạ sớm này vẫn giúp bạn hình dung khá chính xác về môi trường xung quanh.

Hiệu ứng Doppler

Một hiện tượng thú vị khác là hiệu ứng Doppler, xảy ra khi có chuyển động tương đối giữa nguồn âm và người nghe. Khi nguồn âm tiến lại gần, tần số cảm nhận tăng lên, tạo cảm giác cao hơn. Khi nguồn âm rời xa, tần số giảm xuống, tạo cảm giác trầm hơn. Hiện tượng này rất quen thuộc, chẳng hạn như tiếng còi xe cứu thương khi chạy ngang qua.

Ứng dụng thực tế trong kỹ thuật âm thanh

Việc hiểu rõ sóng âm có vai trò then chốt đối với kỹ sư âm thanh và ảnh hưởng trực tiếp đến công việc của họ.

Việc nắm rõ cách sóng âm lan truyền giúp xác định vị trí đặt micro tối ưu để thu được âm mong muốn và hạn chế tạp âm.

Hiểu về phản xạ, hấp thụ và khuếch tán giúp thiết kế phòng thu hoặc không gian biểu diễn có chất lượng âm thanh tốt.

Thông qua việc điều chỉnh tần số, kỹ sư có thể định hình âm thanh, làm nổi bật một số yếu tố và giảm bớt những yếu tố không mong muốn.

Trong thiết kế âm thanh, việc thao tác và biến đổi sóng âm trong hậu kỳ có thể tạo ra những trải nghiệm độc đáo cho phim ảnh, trò chơi điện tử và nhiều lĩnh vực khác.

Có thể bạn quan tâm:

Kết luận

Hiểu về sóng âm là nền tảng của kỹ thuật âm thanh và giúp chúng ta trân trọng hơn giá trị của âm thanh dưới mọi hình thức. Khi nắm được các khái niệm như tần số, biên độ và cách âm thanh thay đổi theo thời gian và khoảng cách, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn sự phức tạp đằng sau những âm thanh mà ta nghe mỗi ngày.

Dù bạn là một kỹ sư âm thanh tương lai hay chỉ đơn giản là người yêu âm nhạc, những kiến thức này chính là nền móng để khám phá sâu hơn thế giới âm thanh đầy cuốn hút.