Bộ chuyển đổi âm thanh

Âm thanh là tên gọi chung được đặt cho “sóng âm thanh”. Các sóng âm thanh này có tần số dao động từ chỉ 1Hz đến hàng chục nghìn Hertz với giới hạn trên của thính giác con người là khoảng 20 kHz, (20.000Hz).

Âm thanh mà chúng ta nghe về cơ bản được tạo ra từ các rung động cơ học được tạo ra bởi Bộ chuyển đổi âm thanh được sử dụng để tạo ra sóng âm thanh và để “nghe thấy” âm thanh, nó cần có một phương tiện để truyền qua không khí, chất lỏng hoặc chất rắn .

Loa

Ngoài ra, âm thanh thực tế không cần phải là sóng âm tần số liên tục chẳng hạn như một âm hoặc một nốt nhạc, mà có thể là một sóng âm được tạo ra từ rung động cơ học, tiếng ồn hoặc thậm chí là một xung âm thanh đơn lẻ chẳng hạn như “tiếng nổ”.

Bộ chuyển đổi âm thanh bao gồm cả cảm biến đầu vào, chuyển đổi âm thanh thành tín hiệu điện như micrô và thiết bị chuyển đổi đầu ra chuyển đổi tín hiệu điện trở lại thành âm thanh chẳng hạn như loa.

Chúng ta có xu hướng nghĩ âm thanh chỉ tồn tại trong phạm vi tần số mà tai người có thể phát hiện được, từ 20Hz đến 20kHz (đáp ứng tần số loa thông thường), nhưng âm thanh cũng có thể mở rộng ra ngoài các phạm vi này.

Bộ chuyển đổi âm thanh cũng có thể vừa phát hiện và truyền sóng âm thanh và các dao động từ tần số rất thấp được gọi là âm thanh hồng ngoại đến tần số rất cao được gọi là siêu âm . Nhưng để một bộ chuyển đổi âm thanh có thể phát hiện hoặc tạo ra “âm thanh”, trước tiên chúng ta cần hiểu âm thanh là gì.

Âm thanh là gì?

Về cơ bản, âm thanh là một dạng sóng năng lượng được tạo ra bởi một số dạng dao động cơ học như âm thoa, và có “tần số” được xác định bởi nguồn gốc của âm thanh, chẳng hạn như trống trầm có âm tần số thấp trong khi chũm chọe có âm tần số cao hơn.

Dạng sóng âm thanh có các đặc điểm giống như của dạng sóng điện là Bước sóng ( λ ), Tần số ( ƒ ) và Vận tốc ( m / s ). Cả tần số âm thanh và hình dạng sóng đều được xác định bởi nguồn gốc hoặc độ rung ban đầu tạo ra âm thanh nhưng vận tốc phụ thuộc vào môi trường truyền (không khí, nước, v.v.) mang sóng âm. Mối quan hệ giữa bước sóng, vận tốc và tần số được cho dưới đây là:

Mối quan hệ sóng âm

• Ở đây:
• Bước sóng  – là khoảng thời gian của một chu kỳ hoàn chỉnh tính bằng Giây, ( λ )
• Tần số  – là số bước sóng trên giây tính bằng Hertz, ( ƒ )
• Vận tốc  – là tốc độ của âm thanh truyền qua môi trường truyền tính bằng m / s ^-1

Bộ chuyển đổi đầu vào micrô

Các Microphone , còn gọi là “mic”, là một bộ chuyển đổi âm thanh có thể được phân loại như là một “cảm biến âm thanh”. Điều này là do nó tạo ra tín hiệu đầu ra tương tự điện tỷ lệ với sóng âm thanh “acoustic” tác động lên màng chắn linh hoạt của nó. Tín hiệu này là một “hình ảnh điện” đại diện cho các đặc tính của dạng sóng âm thanh. Nói chung, tín hiệu đầu ra từ micrô là tín hiệu tương tự ở dạng điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ với sóng âm thanh thực tế.

Các loại micrô phổ biến nhất hiện có như bộ chuyển đổi âm thanh là Dynamic , Electret Condenser , Ribbon và các loại Piezo-electro Crystal mới hơn . Các ứng dụng điển hình cho micrô như một bộ chuyển đổi âm thanh bao gồm ghi âm, tái tạo, phát sóng âm thanh cũng như điện thoại, truyền hình, ghi âm máy tính kỹ thuật số và máy quét cơ thể, nơi siêu âm được sử dụng trong các ứng dụng y tế. Dưới đây là một ví dụ về micrô “Điện Động” đơn giản.

Bộ chuyển đổi âm thanh micrô cuộn dây chuyển động

Cấu tạo của một micrô điện động giống như của loa, nhưng ngược lại. Nó là một micrô kiểu cuộn dây chuyển động sử dụng cảm ứng điện từ để chuyển đổi sóng âm thanh thành tín hiệu điện. Nó có một cuộn dây mỏng rất nhỏ lơ lửng trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu. Khi sóng âm chạm vào màng ngăn linh hoạt, màng ngăn di chuyển qua lại để đáp ứng với áp suất âm thanh tác động lên nó làm cho cuộn dây được gắn vào chuyển động trong từ trường của nam châm.

Chuyển động của cuộn dây trong từ trường gây ra điện áp cảm ứng trong cuộn dây được xác định theo định luật Cảm ứng điện từ của Faraday. Tín hiệu điện áp đầu ra kết quả từ cuộn dây tỷ lệ với áp suất của sóng âm thanh tác động lên màng ngăn, do đó, sóng âm thanh càng lớn hoặc mạnh thì tín hiệu đầu ra càng lớn, làm cho loại áp suất thiết kế micrô này trở nên nhạy cảm.

Vì cuộn dây thường rất nhỏ nên phạm vi chuyển động của cuộn dây và màng chắn kèm theo cũng rất nhỏ tạo ra tín hiệu đầu ra rất tuyến tính lệch pha 90 ^o với tín hiệu âm thanh. Ngoài ra, bởi vì cuộn dây là một cuộn cảm trở kháng thấp, tín hiệu điện áp đầu ra cũng rất thấp nên cần phải có một số hình thức “tiền khuếch đại” của tín hiệu.

Vì cấu tạo của loại micrô này giống với loa nên cũng có thể sử dụng loa thực tế làm micrô.

Rõ ràng, chất lượng trung bình của loa sẽ không tốt bằng micrô thu âm loại phòng thu nhưng đáp ứng tần số của loa hợp lý thực sự tốt hơn so với micrô “freebie” giá rẻ. Ngoài ra, trở kháng cuộn dây của một loa thông thường khác nhau ở khoảng từ 8 đến 16Ω. Các ứng dụng phổ biến trong đó loa thường được sử dụng làm micrô trong hệ thống liên lạc nội bộ và bộ đàm walki.

Bộ chuyển đổi đầu ra loa

Âm thanh cũng có thể được sử dụng như một thiết bị đầu ra để tạo ra tiếng ồn cảnh báo hoặc hoạt động như một âm thanh báo động. thiết bị truyền động là “Loa”.

Bộ chuyển đổi loa

Loa là thiết bị chuyển đổi âm thanh được phân loại là “thiết bị truyền động âm thanh” và hoàn toàn ngược lại với micrô. Công việc của họ là chuyển đổi các tín hiệu tương tự điện phức tạp thành sóng âm thanh càng gần với tín hiệu đầu vào ban đầu càng tốt.

Loa có sẵn ở mọi hình dạng, kích thước và dải tần với các loại phổ biến hơn là cuộn dây chuyển động, tĩnh điện, đẳng động và điện áp. Loa loại cuộn dây chuyển động cho đến nay là loại loa được sử dụng phổ biến nhất trong các mạch điện tử, bộ dụng cụ và đồ chơi, và đó là loại bộ chuyển đổi âm thanh mà chúng ta sẽ xem xét dưới đây.

Nguyên tắc hoạt động của Loa cuộn dây hoàn toàn trái ngược với nguyên tắc hoạt động của “Micrô điện động” mà chúng ta đã xem xét ở trên. Một cuộn dây mảnh, được gọi là “cuộn dây giọng nói hoặc giọng nói”, được treo trong một từ trường rất mạnh và được gắn vào một hình nón bằng giấy hoặc Mylar, được gọi là “màng ngăn”, không giống như micrô là thiết bị đầu vào nhạy cảm với áp suất, loại chuyển đổi âm thanh này có thể được xếp vào loại thiết bị đầu ra tạo áp suất.

Loa cuộn dây chuyển động

Khi một tín hiệu tương tự đi qua cuộn dây thoại của loa, một điện từ trường được tạo ra và cường độ của nó được xác định bởi dòng điện chạy qua cuộn dây “thoại”, đến lượt nó được xác định bởi cài đặt điều khiển âm lượng của bộ khuếch đại điều khiển hoặc trình điều khiển cuộn dây chuyển động. Lực điện từ sinh ra bởi trường này chống lại từ trường vĩnh cửu chính xung quanh nó và cố gắng đẩy cuộn dây theo hướng này hay hướng khác tùy thuộc vào sự tương tác giữa các cực Bắc và Nam.

Khi cuộn dây giọng nói được gắn vĩnh viễn với hình nón / màng loa, nó cũng di chuyển song song và chuyển động của nó gây ra sự xáo trộn trong không khí xung quanh, do đó tạo ra âm thanh hoặc nốt nhạc. Nếu tín hiệu đầu vào là một sóng hình sin liên tục thì hình nón sẽ chuyển động ra vào hoạt động giống như một piston đẩy và kéo không khí khi nó chuyển động và một âm đơn liên tục sẽ được nghe thấy đại diện cho tần số của tín hiệu. Cường độ và do đó là vận tốc của nó, mà hình nón chuyển động và đẩy không khí xung quanh tạo ra độ lớn của âm thanh.

Vì cuộn dây giọng nói hoặc cuộn dây âm thanh về cơ bản là một cuộn dây mà nó có, giống như một cuộn cảm, một giá trị trở kháng. Giá trị này đối với hầu hết các loa là từ 4 đến 16Ω và được gọi là giá trị “trở kháng định mức” của loa được đo ở 0Hz, hoặc DC.

Hãy nhớ rằng điều quan trọng là phải luôn khớp trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại với trở kháng định mức của loa để có được sự truyền tải công suất tối đa giữa bộ khuếch đại và loa. Hầu hết các kết hợp bộ khuếch đại-loa có xếp hạng hiệu quả thấp đến 1 hoặc 2%.

Mặc dù còn nhiều tranh cãi nhưng việc lựa chọn dây loa tốt cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của loa, vì đặc tính điện dung bên trong và từ thông của dây cáp thay đổi theo tần số tín hiệu, do đó gây ra méo cả tần số và pha. Điều này có tác dụng làm suy giảm tín hiệu. Ngoài ra, với các bộ khuếch đại công suất cao, dòng điện lớn chạy qua các cáp này nên cáp loại dây chuông mỏng nhỏ có thể quá nóng trong thời gian dài sử dụng, một lần nữa làm giảm hiệu quả.

Tai người thường có thể nghe được âm thanh từ 20Hz đến 20kHz và tần số đáp ứng của loa hiện đại được gọi là loa đa năng được điều chỉnh để hoạt động trong dải tần này cũng như tai nghe, tai nghe và các loại tai nghe thương mại khác được sử dụng làm chuyển đổi âm thanh.

Tuy nhiên, đối với hệ thống âm thanh loại Hi gh Fi delity ( Hi-Fi ) hiệu suất cao , đáp ứng tần số của âm thanh được chia thành các tần số phụ nhỏ hơn khác nhau, do đó cải thiện cả hiệu suất loa và chất lượng âm thanh tổng thể như sau:

Dải tần số tổng quát – Bộ chuyển đổi âm thanh

Trong nhiều thùng loa có loa trầm, loa tweeter và loa tầm trung riêng biệt được đặt cùng nhau trong một thùng loa duy nhất, mạng “phân tần” thụ động hoặc chủ động được sử dụng để đảm bảo rằng tín hiệu âm thanh được phân chia và tái tạo chính xác bởi tất cả các loa con khác nhau diễn giả.

Mạng phân tần này bao gồm Điện trở , Cuộn cảm , Tụ điện , bộ lọc thụ động loại RLC hoặc bộ lọc tích cực op-amp có điểm tần số phân tần hoặc cắt tần được tinh chỉnh phù hợp với đặc điểm của từng loa riêng lẻ và ví dụ được đưa ra bên dưới.

Thiết kế loa (Hi-Fi) – Bộ chuyển đổi âm thanh

Trong hướng dẫn này, chúng ta đã xem xét các Bộ chuyển đổi âm thanh khác nhau có thể được sử dụng để phát hiện và tạo ra sóng âm thanh. Micrô và loa phóng thanh là thiết bị chuyển đổi âm thanh phổ biến nhất hiện có, nhưng rất nhiều loại chuyển đổi âm thanh khác có sẵn sử dụng thiết bị áp điện để phát hiện tần số rất cao, micrô được thiết kế để sử dụng dưới nước để phát hiện âm thanh dưới nước và chuyển đổi sonar vừa truyền và nhận âm thanh sóng để phát hiện tàu ngầm và tàu thủy.