Âm thành và các cấu trúc trong âm học

Xung quanh ta có rất nhiều thứ phát ra âm thanh, nói xa hơn tắt cả mọi sự vật sự việc trên trái đất khi có sự giao động đều phát ra âm thanh.  Vậy ta có biết âm thanh từ đâu ra và các đặc tính của nó như thế nào. Chúng ta sẽ đi tìm hiểu bài viết dưới đây.

Âm học trong âm nhạc: Không gian ngoài trời, trong nhà và biệt lập

Phần sau đây được trích từ khóa học Âm học của Berklee Online , tác giả là Eric Reuter .

Từ giảng đường ngoài trời, đến phòng hòa nhạc trong nhà, đến phòng thu âm kín tiếng, cần có sự hiểu biết về âm học để thiết kế những không gian này và đảm bảo chúng phát ra âm thanh tốt nhất khi tràn ngập nhạc sống. Nếu bạn đang muốn trở thành một kỹ sư thu âm hoặc âm thanh giỏi hơn , âm học chắc chắn là thứ bạn muốn quan tâm. Dưới đây là một số ý tưởng cơ bản về âm học để bạn bắt đầu nghiên cứu, điều này có thể hữu ích trước khi đi sâu vào các khái niệm toán học nâng cao hơn.

âm học là gì?

Âm học là một nhánh của vật lý liên quan đến việc nghiên cứu âm thanh, đơn giản là bất cứ thứ gì mà con người hoặc các động vật khác có thể nghe thấy. Các nhạc sĩ chủ yếu quan tâm đến phạm vi âm thanh mà con người có thể nghe được và đó sẽ là trọng tâm của bài viết này.

Sự khác biệt giữa âm học và âm thanh là gì?

Điều quan trọng là chúng ta phải phân biệt giữa âm học và âm thanh. Âm học là nghiên cứu về âm thanh ở dạng cơ học nào đó—dù là trong không khí hay một số môi trường khác. Trong ngành công nghiệp ghi âm, thuật ngữ “âm thanh” thường đề cập đến sự thể hiện điện của tín hiệu âm thanh. Âm thanh là một cách thuận tiện để truyền, thao tác và lưu trữ âm thanh. Tuy nhiên, chúng tôi không thể nghe thấy tín hiệu âm thanh cho đến khi chúng được chuyển trở lại thành tín hiệu âm thanh. Trải nghiệm của chúng tôi về âm thanh luôn là âm thanh, bất kể thiết bị điện tử có liên quan đến đường dẫn từ nguồn đến tai chúng tôi hay không.

Những người thực hành âm học hay chuyên gia âm học muốn hiểu âm thanh tác động đến người nghe như thế nào, chúng tôi xem xét con đường mà âm thanh đã đi đến người nghe từ nguồn. Việc đánh giá hoặc điều khiển bất kỳ âm thanh nào có thể được đơn giản hóa thành cái thường được gọi là phân tích nguồn-đường-thu . Âm thanh được tạo ra bởi một nguồn, đi theo một số đường dẫn từ nguồn đến máy thu và được người nhận (thường là người nghe) trải nghiệm. Nếu chúng ta muốn thay đổi chất lượng hoặc số lượng âm thanh ở máy thu, chúng ta phải thay đổi một hoặc nhiều trong ba yếu tố sau: nguồn, đường dẫn hoặc chính máy thu.

Chúng ta sẽ xem xét mối quan hệ nguồn-đường-thu theo ba phần: âm học ngoài trời , hay cái mà chúng ta gọi là môi trường trường tự do, trong đó điều duy nhất ảnh hưởng đến đường dẫn là khoảng cách; âm thanh trong nhà , nơi chúng tôi sẽ đặt nguồn và máy thu trong cùng một phòng và cố gắng hiểu tác động của căn phòng; và cách ly âm thanh, nơi chúng tôi sẽ đặt nguồn phát và máy thu trong các phòng riêng biệt và xem xét cách các bức tường chắn giữa và các yếu tố xây dựng khác ảnh hưởng đến lượng âm thanh đi vào phòng hoặc đi ra khỏi phòng.

Âm thanh ngoài trời

Chắc chắn bạn đã nhận thấy rằng khi bạn rời xa nguồn âm thanh, đặc biệt là ở ngoài trời, âm thanh đó sẽ trở nên yên tĩnh hơn. Điều này cũng đúng với bóng đèn, tháp điện thoại di động, kết nối Wi-Fi, v.v. Cường độ của bất kỳ loại năng lượng nào gần nguồn là cao nhất. Khoảng cách là yếu tố quan trọng nhất trong tính toán đường đi khi chúng ta ở ngoài trời. Tuy nhiên, trừ khi chúng ta đang ở trong một cánh đồng lớn hoặc ngoài biển, âm thanh có khả năng truyền vào mọi thứ.

Sự phản xạ

Khi âm thanh tác động đến hầu hết các vật thể, thì ít nhất một số âm thanh sẽ phản xạ lại. Âm thanh hoạt động rất giống ánh sáng về mặt này. Góc tới bằng góc phản xạ. Một bề mặt rộng và phẳng giống như một tấm gương đối với âm thanh.

hấp thụ

Hầu hết các vật liệu sẽ hấp thụ một số lượng âm thanh. Bất kỳ âm thanh nào không được phản xạ đã được hấp thụ theo một cách nào đó. Nó có thể đã được chuyển đổi thành nhiệt hoặc một số dạng năng lượng khác, hoặc nó có thể vừa đi qua vật liệu. Sự hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào tần số, do đó, đối với một vật liệu nhất định, sự cân bằng giữa lượng âm thanh bị hấp thụ và phản xạ thường sẽ thay đổi khá nhiều từ tần số thấp đến tần số cao.

Khuếch tán

Khi bề mặt phản xạ không phẳng và nhẵn, âm thanh có thể phản xạ theo nhiều hướng cùng một lúc. Bề mặt không bằng phẳng cung cấp một số bề mặt nhỏ hơn có các góc tới khác nhau, dẫn đến các góc phản xạ khác nhau. Các bề mặt khuếch tán thường được sử dụng trong âm học kiến ​​trúc để loại bỏ hoặc giảm bớt sự hiện diện của tiếng vang gây mất tập trung.

nhiễu xạ

Nhiễu xạ là sự uốn cong của sóng âm xung quanh các vật thể. Nó xảy ra khi bước sóng của sóng âm thanh vượt quá kích thước lớn nhất của vật thể. Thay vì phản xạ, một số âm thanh tìm đường xung quanh đối tượng. Âm có tần số càng thấp thì càng dễ bị nhiễu xạ.

Nếu bạn có một người bạn đứng sau gốc cây và nói, bạn vẫn có thể nghe và hiểu những gì họ đang nói. Đây là một ví dụ đơn giản về nhiễu xạ. Không có con đường phản xạ nào có thể mang bài phát biểu đến cho bạn. Mặc dù một số âm thanh bị phản xạ, nhưng phần lớn âm thanh bị nhiễu xạ vì đường kính của cây nhỏ so với bước sóng của âm thanh lời nói.

khúc xạ

Khúc xạ là sự uốn cong của sóng âm thanh khi chúng gặp phải sự thay đổi về tốc độ âm thanh. Điều này có thể là do chúng di chuyển từ không khí sang một số môi trường khác (chẳng hạn như nước) hoặc có thể xảy ra hoàn toàn trong không khí khi tốc độ âm thanh thay đổi khi gặp không khí có nhiệt độ thay đổi.

rào cản âm thanh

Một trong những phương pháp chính để kiểm soát tiếng ồn trong môi trường ngoài trời là thông qua việc sử dụng các rào cản âm thanh. Các rào cản âm thanh chỉ đơn giản là những bức tường được xây dựng giữa nguồn và máy thu để chặn đường truyền trực tiếp giữa hai bên. Âm thanh có xu hướng truyền theo đường thẳng, giống như ánh sáng. Giống như ánh sáng, nếu chúng ta chặn đường nhìn đó, chúng ta sẽ có một cái bóng.

 

Hiệu quả của một rào cản phụ thuộc vào chiều cao và khoảng cách từ nguồn. Các rào cản hoạt động tốt hơn nhiều ở tần số cao so với tần số thấp do nhiễu xạ âm thanh trên đỉnh của rào cản. Nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng và tần số thấp có bước sóng dài hơn. Kiểm soát tiếng ồn tần số thấp có thể yêu cầu một rào cản rất cao.

Âm học trong nhà

Âm thanh trong phòng tạo ra hàng triệu phản xạ, được gọi chung là âm vang. Lượng âm vang trong phòng có thể ảnh hưởng—tích cực hoặc tiêu cực—sự thành công của căn phòng cho mục đích đã định.

Các đặc tính hấp thụ của các bề mặt và đồ vật trong phòng là những yếu tố chính quyết định âm thanh của một căn phòng. Âm thanh được hấp thụ khi chạm vào bề mặt không bị phản xạ trở lại phòng. Nó có thể được chuyển thành một số dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt hoặc rung động vật lý, hoặc đơn giản là nó có thể thoát ra khỏi phòng.

Một trong những quan niệm sai lầm lớn nhất về âm học trong nhà là các vật liệu hấp thụ âm thanh tốt sẽ giúp giữ cho âm thanh không bị truyền từ không gian này sang không gian khác. Đây không phải là trường hợp. Các vật liệu hấp thụ âm thanh tốt hầu như luôn rất kém trong việc ngăn chặn sự truyền âm thanh từ bên này sang bên kia. Trên thực tế, một trong những chất hấp thụ tốt nhất là cửa sổ mở. Âm thanh đập vào cửa sổ rõ ràng sẽ không bị phản xạ trở lại phòng. Tuy nhiên, âm thanh đó vẫn tồn tại—nó chỉ ở bên ngoài.

Khi chúng ta nghiên cứu âm thanh trong phòng, “hấp thụ” thực sự có nghĩa là “không phản xạ”.

Bộ hấp thụ âm thanh

Có ba loại hấp thụ âm thanh cơ bản: hấp thụ xốp , hấp thụ bảng và hấp thụ cộng hưởng . Ba loại này khác nhau về cả cơ chế hấp thụ âm thanh và mối quan hệ giữa hệ số hấp thụ và tần số. Có rất nhiều thiết kế của mỗi loại, đây chỉ là một số ví dụ.

chất hấp thụ xốp

Chất hấp thụ xốp bao gồm các vật liệu xốp, mềm như sợi thủy tinh, màn dày hoặc thảm và chuyển đổi năng lượng âm thanh thành nhiệt bằng cách bẫy và làm chậm chuyển động của các phân tử. Đôi khi chúng được gọi là chất hấp thụ ma sát, bởi vì quá trình chuyển đổi từ chuyển động sang nhiệt là do ma sát giữa vật liệu và các phân tử không khí.

Chất hấp thụ bọc vải, được phép của Âm học thông minh

Hiệu quả của chất hấp thụ xốp chủ yếu phụ thuộc vào độ dày của nó. Chất hấp thụ dày hơn cung cấp khả năng hấp thụ tần số thấp tốt hơn.

bảng hấp thụ

Bộ hấp thụ bảng tần số từ trung bình đến thấp, được phép của Âm học thông minh

Tấm hấp thụ—còn được gọi là tấm hấp thụ uốn hoặc màng ngăn—bao gồm các tấm không xốp, thường được ngăn cách với bề mặt cứng bên ngoài nó bằng một khoang khí. Những tấm này uốn cong ở tần số cộng hưởng của chúng, chuyển đổi năng lượng âm thanh thành nhiệt.

Những bộ hấp thụ này rất hiệu quả đối với băng thông khoảng một quãng tám và có thể được thiết kế cho các tần số cộng hưởng và hấp thụ cực đại khác nhau.

Mặc dù các tấm hấp thụ có thể được thiết kế có chủ ý để hấp thụ âm thanh nhằm điều chỉnh âm thanh trong phòng, hiệu ứng này cũng được tìm thấy trong hầu hết các công trình vách thạch cao. Những bức tường đơn giản được xây dựng bằng đinh tán bằng gỗ hoặc kim loại với vách thạch cao được gắn vào chúng có xu hướng hoạt động như chất hấp thụ màng ngăn. Tuy nhiên, một số năng lượng được hấp thụ thường đi qua các vách ngăn nhẹ này để sang phòng bên cạnh. Đây là một ví dụ tuyệt vời về vật liệu hấp thụ âm thanh tốt nhưng không cách ly âm thanh tốt. Một đinh tán trên tường được chia sẻ bởi các tấm tường ở cả hai bên của nó thực sự giúp truyền âm thanh qua tường.

Bộ hấp thụ cộng hưởng

Bộ hấp thụ cộng hưởng phụ thuộc vào sự cộng hưởng của một khoang không khí, thường được gọi là bộ cộng hưởng Helmholtz. Một cái chai là một ví dụ đơn giản về bộ cộng hưởng Helmholtz. Nếu bạn thổi qua miệng một cái chai rỗng, bạn sẽ nghe thấy một âm thanh đặc biệt. Nếu bạn cho một ít nước vào chai và lặp lại thí nghiệm, tần số của âm sẽ cao hơn. Điều này là do âm lượng của bộ cộng hưởng đã thay đổi. Nếu bạn xây một bức tường từ những chiếc chai này, nó sẽ hoạt động như một chất hấp thụ rất hiệu quả ở tần số cộng hưởng cụ thể.

Băng thông hấp thụ hiệu quả của chất hấp thụ cộng hưởng phụ thuộc vào ma sát mà không khí gặp phải trên đường vào và ra khỏi khoang. Một chai soda có thể có băng thông nhỏ hơn 1 Hz, nhưng có mức độ hấp thụ rất cao. Hiệu quả của sự hấp thụ có thể được hy sinh để có băng thông lớn hơn. Thêm sự hấp thụ xốp vào bên trong khoang cộng hưởng là một cách tốt để đạt được điều này.

Ứng dụng hấp thụ cộng hưởng Soundblox, được phép của Công ty Proudfoot

Một sản phẩm hấp thụ cộng hưởng phổ biến sử dụng các khoang bên trong khối than để hấp thụ cộng hưởng. Trong ảnh, bạn có thể thấy các khe cho phép âm thanh đi vào các khoang cộng hưởng. Chúng được sản xuất với các tần số cộng hưởng khác nhau. Bằng cách xây dựng một bức tường từ các khối khác nhau được thiết kế cho một số tần số, có thể đạt được sự hấp thụ băng thông rộng. Lợi ích của các chất hấp thụ này so với các loại khác là khả năng chống va đập và thời tiết. Chúng thường được sử dụng trong phòng tập thể dục và phòng bể bơi.

âm vang

Âm vang, vì về cơ bản là tiếng ồn ngẫu nhiên, sẽ cản trở khả năng hiểu lời nói nếu nó quá lớn so với đường dẫn trực tiếp. Trong những không gian mà mục tiêu quan trọng nhất là giao tiếp bằng lời nói, thời gian âm vang thường được giữ trong thời gian ngắn—dưới 0,5 giây hoặc lâu hơn.

Tuy nhiên, âm nhạc thường được hưởng lợi từ nhiều lượng âm vang khác nhau. Trên thực tế, khi âm nhạc được ghi trong các phòng nhỏ có rất ít âm vang, nó thường được mô phỏng bằng điện tử để làm cho âm thanh giống như được ghi trong một không gian lớn hơn, có âm vang hơn. Lượng âm vang mong muốn thay đổi theo thể loại âm nhạc. Nhạc thính phòng nghe rất hay trong một không gian dội âm lớn, nhưng cũng chính căn phòng đó sẽ là thảm họa đối với nhạc rock.

Hãy xem David Byrne phát biểu tại một trong các hội nghị của TED về cách mà sự phát triển của kiến ​​trúc và âm thanh trong phòng đã tạo ra những thay đổi trong cách trình bày âm nhạc.

Âm học biệt lập

Khi mọi người nói về âm học của một căn phòng, họ thường đề cập đến hành vi của âm thanh trong phòng. Tuy nhiên, việc truyền âm thanh từ phòng này sang phòng khác cũng quan trọng không kém. Trong các phòng được thiết kế để biểu diễn âm nhạc và ghi âm, điều quan trọng là phải ngăn tiếng ồn xâm nhập từ giao thông, máy bay, các phòng thu khác, v.v. Trong các tòa nhà chung cư, việc cung cấp khả năng cách âm giữa các căn hộ thậm chí còn quan trọng hơn so với cách âm trong phòng.

Giáo sư John Storyk của Berklee thảo luận về sự khác biệt giữa âm thanh bên trong và bên ngoài.
 

Cách ly âm thanh chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố cơ bản: khối lượng và tách rời. Để đạt được mức độ cô lập cao, chúng ta cần rất nhiều khối lượng và chúng ta cần tránh bất kỳ mối liên hệ cứng nhắc nào giữa mặt này của bức tường và mặt kia của bức tường. Điều này có thể đạt được theo nhiều cách.

Nếu chúng ta đo sự giảm mức áp suất âm thanh từ mặt này sang mặt khác của bức tường trong một tòa nhà thực tế, chúng ta có thể thấy rằng các mức này hoàn toàn khác so với mức đo được trong phòng thí nghiệm. Có một số yếu tố có thể giải thích cho sự khác biệt này, bao gồm kích thước của bức tường, chất lượng hấp thụ của các phòng và các lối đi bên sườn. Các đường dẫn bên sườn là các đường dẫn mà âm thanh có thể đi từ phòng này sang phòng khác mà không thực sự xuyên qua bức tường được đề cập.

con đường sườn

Bên cạnh những hiệu chỉnh có thể dự đoán được đối với kích thước và khả năng hấp thụ của tường, các đường dẫn bên sườn có thể làm suy giảm nghiêm trọng sự cách ly giữa các phòng. Hình ảnh bên dưới cho thấy một số cách khác nhau mà âm thanh có thể truyền từ phòng này sang phòng khác, ngoài việc đi xuyên qua tường.

Mặc dù hình ảnh phân tách các đường dẫn này thành "đường dẫn tiếng ồn bên cạnh" và "rò rỉ tiếng ồn", nhưng tất cả đều là các loại đường dẫn bên cạnh. Các chỗ rò rỉ cho thấy các trường hợp âm thanh đi trực tiếp qua các lỗ trên tường sang phòng bên cạnh.

Mặc dù chỉ có một hoặc hai con đường trong số này có thể tồn tại giữa một cặp phòng trong một tòa nhà thực, nhưng chỉ cần một con đường là có thể làm giảm khả năng cách ly hiệu quả của bức tường.

Rò rỉ nhỏ có xu hướng cho phép âm thanh tần số cao chủ yếu đi qua. Điều này là do bước sóng của âm thanh phải ngắn để lọt qua một khe hở nhỏ. Điều quan trọng là phải cẩn thận bịt kín mọi chỗ rò rỉ, dù nhỏ, trong quá trình xây dựng. Làm cho mọi thứ kín gió sẽ giúp bạn tránh được sự xâm nhập tần số cao này.

Các đường dẫn trong danh sách “đường dẫn tiếng ồn bên cạnh” là các đường dẫn gián tiếp mà âm thanh có thể đi giữa phòng này và phòng khác. Những điều này có xu hướng cho phép xâm lấn một tập hợp tần số thấp hơn so với rò rỉ trực tiếp.

Cách ly âm thanh giữa các phòng là một thành phần quan trọng của âm học. Có hai biện pháp cách ly cơ bản—mất đường truyền và giảm tiếng ồn—mà chúng tôi sẽ đề cập chi tiết trong khóa học trực tuyến Berklee kéo dài 12 tuần. Các đường dẫn sườn có thể có ảnh hưởng đáng kể đến mối quan hệ này, nhưng nhìn chung chúng ta có thể dự đoán sự suy hao đường truyền của một bức tường ở các dải khác nhau. 

Tôi hy vọng bạn thấy đoạn trích này từ khóa học Âm học của Berklee Online hữu ích. Như tôi đã đề cập, trong khóa học kéo dài 12 tuần, chúng ta sẽ đi sâu vào các khái niệm toán học giúp bạn dự đoán chính xác cách âm thanh phản ứng trong các không gian khác nhau.