Thảo Luận Sơ lược về các khái niệm trong âm thanh và cách chúng ta nghe

Bài  viết dưới đây khá sơ sài, chủ yếu dựa trên tài liệu nc ngoài nên mình để thêm các thuật ngữ tiếng anh cho bạn nào thích tra cứu. Mình khuyên là google thêm vì những gì mình viết rất sơ lược. Chủ yếu để tạo khái niệm cho mọi người, và mình cũng ko muốn nó quá máy móc lý thuyết, gây nhàm chán.

Cuối cùng, ai thấy sai gì thì bảo mình sẽ sửa, vì những từ và thuật ngữ tiếng việt mình ko rành (và cũng lười tra), nên chắc sẽ có sai sót.


Âm thanh

Âm thanh vốn là giao động của không khí, cái này ai cũng biết. 

Để dễ hình dung, khi 1 vật giao động trong không khí, thường thì rung động đó sẽ theo 2 hướng ngược nhau, có thồi thì có thụt, có tới thì có lui, trừ trường hợp mấy cái phương tiện giao thông hay động vật chỉ có di chuyển 1 chiều thì ko nói. 

Vậy nên không khí sẽ bị nén (condense/compress), kéo (rarefacere) theo 2 hướng ngược nhau. 


Âm thanh lan truyền được trong không khí vì các phân tử liên tục truyền động năng đến các phân tử cạnh nó.

Ai học hóa cấp 2 thì chắc còn nhớ mấy cái định luật gas của boyle, gây lúc sắc hay gì đó. Thể tích/số mole thỉ lệ nghịch với áp suất. Vậy nên khi các phân tử không khí bị nén, áp suất ở khu vực đó tăng, và ngược lại. Nói cách khác, khi âm thanh di chuyển trong không khí sẽ tạo ra các khu vực áp cao và áp thấp. Chính vậy nên trục dọc trong hình ví dụ trên biểu thị cho áp suất.

Để xác định giá trị cao hay thấp, áp suất trong không khí tĩnh sẽ được lấy làm chuẩn.

Bước sóng, tần số

Bước sóng (wavelength) với tần số (frequency) thì trong điện ai cũng biết rồi. Còn trong âm thanh thì sao? Khoảng cách giữa 2 vùng không khí liên tiếp bị nén (condense) hay kéo dãn (rarefacere) được tính là bước sóng . 


Tần số thì chắc ai cũng bít, là số lần xuất hiện của 1 bước sóng hoàn chỉnh trong 1 đơn vị thời gian. Vậy nên từ đó mới đẻ ra cái công thức tính vận tốc sóng 



Vận tốc âm thanh trong không khí giả sử là 350m/s, thì trong khoảng 20hz đến 20Khz bước sóng sẽ trải dài từ 1.75cm đến 17.5m.

Dĩ nhiên mấy con số nài còn thay đổi tùy vào nhiệt độ không khí, áp suất, độ cao, v.v nên mới có vụ trèo lên núi cao thì nghe khác.

Sóng âm vốn là sóng thẳng (longitudinal), không phải sóng ngang (transverse) như ta hay thường thấy điển hình là mấy cái biểu đồ. Thường 1 đồ thị sẽ có 2 trục là thời gian và dB (time domain), hoặc tần số và dB (frequency domain). 

Nói sơ qua về vụ dB, có lẽ không phải ai cũng rõ, mà trong audio thì cái kí hiệu dB xuất hiện nhìu như nấm.

dBSPL

Bel với ai không phải bên kĩ thuật đơn giản là log tỉ lệ giữa 2 đại lượng, 1 Bel = 10 deciBel. 



dB dùng nhiều trong kĩ thuật, tuy nhiên dB được đề cập trong này thường là dBSPL (dB sound pressure level), là với chuẩn là cường độ thấp nhất của âm thanh mà con người có thể nghe được trong khoảng 1KHz-4KHz. Lý do sử dụng dB chủ yếu vì trong ngưỡng nghe của con người nếu qui đổi về watt/cm^2 hay Pascal số sẽ rất lớn, thay vì vậy nếu chuyển sang dBSPL sẽ chỉ còn 140dB.

Có sự khác biệt nhỏ giữa cường độ âm (sound intensity) và áp suất âm (sound pressure), nhưng khi qui về dBSPL thì đều ra số giống nhau nên mình sẽ ko đề cập ở đây.

Trên 80dB nghe trong thời gian dài là bắt đầu gây hại cho thính lực, nếu ai chưa bít.

Pha

Thường thì 1 đồ thị sóng sin sẽ biểu diễn cho tại 1 thời điểm nhất định giá trị của dB SPL là bao nhiêu, tức là không khí tại điểm được đo bị nén hay giãn bao nhiêu lần so với âm lượng thấp nhất mà con người có thể nghe ra được.


Khoảng cách giữa 2 đỉnh của sóng (peak-to-peak) là 1 bước sóng (wavelength), và được tính là 1 chu kì (phase), nói theo ngôn ngữ lượng giác thì 1 chu kì sẽ là 360 độ, vậy nên khi đề cập đến phase thường sẽ chia theo độ. 1 giao động nén (condensation) hoặc kéo giãn (rarefaction) các phân tử không khí sẽ là 1 nửa của 1 pha (180 độ).

Bóng âm - Sound shadow

Bóng âm, theo đúng nghĩa của nó là hiện tượng xảy ra khi âm thanh gặp phải vật cản trên đường đi. Nhìn hình là hỉu.


Sau khi đi qua vật cản sẽ xuất hiện 1 khoảng lặng mà ở đó không có âm thanh, được biểu diễn bằng khoảng đen trên hình. Độ lớn của khoảng tối trong hình thay đổi tùy thuộc vào kích thước, vật liệu của vật cản và tần số của sóng. Một vật thể với kích thước bé hơn bước sóng của âm thanh sẽ hầu như không có ảnh hưởng gì, vật thể với kích thước lớn và vật liệu có tính chất kháng âm cao sẽ phản xạ lại hầu hết âm thanh, trong khi đó vật thể với kích thước gần bằng với bước sóng sẽ tạo ra bóng âm.

ILD/IPD/ITD

Nãy giờ giông dài vậy chủ íu để bây h đi vào phần chính. 

Có lẽ ai từng nghe headphones cũng thấy nó rất khác so với speakers, khác biệt lớn nhất có lẽ là cái cảm giác về không gian mà speakers đem lại. Hoặc có thể mọi người cũng đã từng nghe nói đến các bản binaural mà ở đó tính chân thực trong việc định hướng của headphones có thể so sánh được với speakers. Tất cả đều liên quan đến cách tai người phân tích âm thanh trong tự nhiên.

Như đã trình bày trong phần sound shadow ở trên, trong tự nhiên đầu người bản thân đóng vai trò là vật cản đối với âm thanh, tức là âm thanh đi đến 2 tai sẽ không phải luôn luôn giống nhau, mà có sự khác biệt về cường độ, thời gian và pha giữa 2 tai tùy vào vị trí của nguồn phát. Có 3 khái niệm ở đây là ILD (interaural level difference) và IPD (interaural phase difference) và ITD (interaural temporal difference).

ILD – chênh lệch cường độ

Nôm na là sự khác biệt trong cường độ âm thanh ở 2 tai. Xảy ra thường do 3 nguyên nhân:

- Âm thanh sau khi đến 1 tai sẽ đi tiếp sang tai còn lại, bị suy yếu trên đường đi, nên khi đến được tai kia sẽ không còn cùng cường độ như cũ. Tuy nhiên sự khác biệt này thường rất nhỏ và không đáng kể.
- Nếu nguồn âm bị đặt lệch về 1 bên tai, sẽ có sự khác biệt cường độ giữa 2 tai, do khoảng cách âm thanh phải di chuyền đến 2 tai không giống nhau, xảy ra suy yếu trên đường đi.
- Bóng âm, như đã trình bày ở trên, bóng âm xảy ra do bản thân đầu người làm vật cản trên đường đi của âm thanh. Hệ quả là âm tần số cao (bước sóng ngắn so với kích thước đầu người) bị ảnh hưởng về cường độ nhiều hơn so với âm tần số thấp. 

Dựa theo công thức tính vận tốc sóng ở phần trên, ta có thể tính được với 1 đầu người bề ngang khoảng 20cm thì âm thanh tại 1500hz trở lên sẽ bắt đầu bị ảnh hưởng nhiều.

ITD – độ trễ

Tai này đến trước tai kia do nguồn đặt lệch, đơn giản dễ hiểu. Tuy nhiên điểm lưu ý là toàn bộ dải tần đều bị lệch chứ không phân biệt theo tần số cái nào trước cái nào sau. Vận tốc âm thanh là không đổi.

Tuy nhiên độ trễ cũng có vai trò trong việc định hướng nguồn âm, có thể gây nhầm lẫn vì ảnh hưởng đến quá trình tai phân tích hiệu ứng bóng âm. Mình không đi chi tiết phần này vì nó cần tính toán 1 ít.

IPD – lệch pha

Gần giống như ITD, tức là ở 1 tần số nhất định âm thanh không đến 2 tai cùng lúc. Tuy nhiên khác với ITD, khi mà độ trễ không phụ thuộc vào tần số, thì IDP thay đổi tùy theo tần số nhất định dù độ trễ giữ nguyên. 

Ví dụ cùng với độ trễ 0.5ms (millisecond) thì tại 1khz IDP = 180 độ (nửa pha), còn tại 500hz IDP = 90 độ (1/4 pha). Tính làm sao thì cứ mang c=f*lambda ra.

Nguồn: Sưu Tầm