Lịch sử & Công nghệ thiết kế loa: “Cuộc chiến” thầm lặng với những giới hạn vật lý – Phần 1

Có một sự thật mà nhiều người vẫn chưa biết, không phải đầu CD, không phải giải mã DAC hay ampli, loa mới là thành phần khó thiết kế nhất trong toàn bộ hệ thống âm thanh. Không xét đến những loại loa chỉ để “kêu” cho có tiếng, loa hi-fi hay còn gọi là loa nghe nhạc phải thực hiện một nhiệm vụ đặc biệt phức tạp: chuyển tín hiệu điện thành chuyển động cơ học của không khí tức là âm thanh mà chúng ta nghe thấy với hàng loạt những yêu cầu phức tạp tưởng chừng bất khả thi.

Loa nghe nhạc hi-fi hoạt động ra sao

Dù công nghệ đã phát triển vượt bậc trong nhiều thập kỷ qua, loa vẫn là thiết bị kém “hoàn hảo” nhất trong chuỗi tái tạo âm thanh. Trong khi ampli, nguồn phát và DAC có thể đạt độ chính xác cực cao, loa vẫn bị giới hạn bởi các định luật vật lý khi phải cân bằng giữa những yếu tố mâu thuẫn nhau: kích thước, hiệu suất, độ méo, chi phí và dải tần hoạt động.

Nguyên lý cơ bản của loa

Phần lớn loa hiện đại đều hoạt động theo nguyên lý moving-coil (cuộn dây động). Theo đó thường bao gồm các thành phần: màng loa (cone hoặc diaphragm), cuộn dây (voice coil), nam châm tạo từ trường, và hệ khung treo giữ màng loa.

Khi tín hiệu âm thanh (dòng điện xoay chiều) chạy qua cuộn dây, nó tạo ra lực điện từ tương tác với từ trường của nam châm. Lực này làm cuộn dây chuyển động qua lại. Vì cuộn dây gắn với màng loa, màng loa cũng dao động theo. Sự dao động này làm nén và giãn không khí xung quanh, tạo ra sóng âm.

Nguyên lý này nghe có vẻ đơn giản, nhưng việc kiểm soát chuyển động của màng loa sao cho chính xác trên toàn dải tần số lại là một thách thức cực lớn.

Vì sao tái tạo âm trầm lại khó?

Tần số thấp có bước sóng rất dài, điều này có nghĩa là để tái tạo âm trầm sâu, loa phải di chuyển một lượng không khí lớn. Để giải quyết vấn đề này, các nhà sản xuất có hai cách tiếp cận khác nhau: một bên là tăng diện tích màng loa, bên còn lại gia tăng hành trình chuyển động của màng; tuy nhiên, cả hai giải pháp đều có nhược điểm: màng lớn thường nặng hơn và phản ứng chậm hơn còn hành trình dài dễ gây méo và mất kiểm soát.

Thêm vào đó, để hỗ trợ khả năng tái tạo bass, thùng loa thường phải có kích thước đáng kể. Điều này giải thích vì sao các mẫu loa kích thước nhỏ hiếm khi tạo được bass sâu thực sự.

Giới hạn của một củ loa duy nhất

Một củ loa (driver) đơn khó có thể tái tạo toàn bộ dải tần số nghe được của con người (khoảng 20 Hz đến 20 kHz). Nếu dùng củ loa kích thước lớn sẽ tốt cho bass nhưng lại  quá nặng để tái tạo treble chính xác. Còn củ loa nhỏ thì tốt cho treble nhưng không thể di chuyển đủ không khí cho bass.

Đây chính là lý do các thiết kế loa hiện đại thường sử dụng nhiều củ loa khác nhau, mỗi driver đảm nhiệm một phần dải tần.

Vai trò của mạch phân tần (Crossover)

Và lúc này, khi hệ thống đã có nhiều củ loa, chúng ta sẽ cần có một mạch phân tần để chia tín hiệu âm thanh thành các dải tần riêng biệt cho từng củ loa cụ thể. Đây là một công việc thật sự phức tạp vì bộ phận này không chỉ phân chia tần số mà còn phải duy trì sự đồng pha và cân bằng năng lượng giữa các driver.

Một thiết kế crossover kém có thể gây ra méo, mất chi tiết hoặc làm âm thanh thiếu tự nhiên.

Thùng loa: Thành phần không thể xem nhẹ

Nếu bạn nghĩ, thùng loa chỉ là nơi cố định các củ loa thì đó hoàn toàn là một sai lầm. Thùng loa ảnh hưởng trực tiếp đến cách loa tái tạo âm thanh, đặc biệt là dải trầm. Trên thực tế, có rất nhiều các thiết kế thùng như: thùng kín (sealed enclosure), thùng có lỗ thông hơi (bass reflex) hay thậm chí là không có thùng loa – ván hở (open baftle)…

Mỗi thiết kế đều có ưu và nhược điểm riêng về hiệu suất, độ sâu bass và độ kiểm soát… chúng ta sẽ chi tiết về cấu trúc đặc biệt này ở phần sau.

Lịch sử phát triển của loa hiện đại

Loa điện động (moving-coil loudspeaker) đã tồn tại hơn một thế kỷ và vẫn là công nghệ chủ đạo cho đến ngày nay. Các thiết kế đầu tiên sử dụng nam châm điện, nhưng sau Thế chiến II, nam châm vĩnh cửu trở nên phổ biến, giúp loa nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Trong suốt quá trình phát triển, các nhà thiết kế đã thử nghiệm nhiều vật liệu và cấu trúc khác nhau nhằm cải thiện độ cứng, giảm khối lượng và kiểm soát dao động của màng loa. Những cải tiến này không nhằm thay đổi nguyên lý hoạt động, mà nhằm giảm các sai lệch do giới hạn cơ học gây ra.

Dù công nghệ chế tạo và mô phỏng máy tính ngày càng tiến bộ, loa vẫn không thể đạt độ chính xác tuyệt đối. Điều này phản ánh thực tế rằng việc điều khiển chuyển động của một bề mặt cơ học trong không khí luôn phức tạp hơn việc xử lý tín hiệu điện.

Loa toàn dải (full-range)

Một số thiết kế sử dụng duy nhất một driver để tái tạo toàn bộ dải tần. Ưu điểm của cách tiếp cận này là loại bỏ mạch phân tần, từ đó tránh các sai lệch pha và tổn hao năng lượng do linh kiện điện tử gây ra.

Tuy nhiên, vì một driver phải xử lý cả tần số thấp và cao, nên nó không thể tối ưu cho cả hai nhiệm vụ. Do đó, loa toàn dải thường có dải trầm hạn chế và dải cao không mở rộng hoàn toàn. Dù khó đạt đáp tuyến tần số rộng và mức âm lượng lớn nhưng được đánh giá cao về tính liền mạch và tự nhiên của âm thanh.

Loa nhiều đường tiếng (multi-way)

Để vượt qua giới hạn của driver đơn, hầu hết loa hi-fi sử dụng nhiều driver chuyên trách các vùng tần số khác nhau. Phổ biến nhất là loa hai đường tiếng (2-way) gồm: woofer cho dải thấp và trung và tweeter cho dải cao, mang lại sự cân bằng giữa hiệu quả, kích thước và độ phức tạp.

Sau đó, hệ thống hai đường tiếng được tiến hóa thành ba đường tiếng (3-way) hoặc 2,5 đường tiếng (2,5-way); bổ sung thêm driver midrange chuyên trách dải trung. Cách chia này giúp giảm gánh nặng cho woofer và tweeter, cho phép mỗi driver hoạt động trong vùng tối ưu hơn.

Một số loa cao cấp sử dụng thêm subwoofer hoặc super-tweeter để mở rộng dải tần và tăng khả năng xử lý công suất. Tuy nhiên, càng nhiều driver thì việc đồng bộ pha và thiết kế crossover càng phức tạp.

Phân tần chủ động (active) và bị động (passive)

Trong hệ thống loa nhiều driver, tín hiệu phải được chia thành các dải tần riêng. Có hai cách thực hiện là phân tần chủ động (active) và bị động (passive).

Trong hầu hết các thiết kế loa hi-fi thông thường sẽ sử dụng phân tần thụ động (passive crossover) với mạch phân tần đặt trong thùng loa hoặc ngay bên cạnh thùng loa. Mạch phân tần sử dụng các linh kiện bao gồm cuộn cảm, tụ điện và điện trở… tuy có đơn giản nhưng vẫn có một ít tổn hao về năng lượng.

Để giải quyết triệt để vấn đề này, phân tần chủ động (active crossover) được ra đời với chức năng chính là chia tín hiệu trước khi khuếch đại. Cách làm này đòi hỏi mỗi driver cần có ampli riêng, mang lại hiệu suất cao hơn cùng khả năng kiểm soát chuyển động của từng driver tốt hơn.

Hệ thống chủ động thường được sử dụng trong môi trường chuyên nghiệp vì khả năng kiểm soát chính xác hơn, nhưng trong hi-fi gia đình, loa thụ động vẫn phổ biến hơn do tính linh hoạt khi phối ghép ampli.

Vật liệu màng loa và ảnh hưởng âm học

Về lý thuyết, màng loa lý tưởng cần: nhẹ, cứng, không bị biến dạng và có khả năng triệt tiêu các dao động dư thừa.

Nhưng trong thực tế, không vật liệu nào đáp ứng hoàn hảo mọi yêu cầu. Vì vậy, các nhà thiết kế lựa chọn vật liệu dựa trên sự cân bằng giữa độ cứng, khối lượng và đặc tính cộng hưởng.

Các vật liệu phổ biến bao gồm:

• Giấy và sợi tổng hợp
• Kim loại như nhôm hoặc titan
• Vật liệu composite
• Màng dạng dome mềm hoặc cứng

Mỗi vật liệu tạo ra đặc tính âm thanh khác nhau do cách nó chuyển động và dừng chuyển động.

Các công nghệ củ loa khác

Mặc dù của loa điện động như đã giới thiệu là phổ biến nhất, nhưng rất nhiều công nghệ khác cũng được phát triển nhằm giảm những hạn chế cơ học của màng loa truyền thống.

Loa tĩnh điện (electrostatic)

Là lựa chọn thay thế phổ biến nhất cho loa điện động dùng cuộn dây, loa tĩnh điện có cấu trúc dạng khung lớn và mỏng, bên trong chứa các tấm biến đổi tĩnh điện được cố định vào khung. Các tấm này thực chất là những lớp màng phim mỏng được căng trên một khung phụ, tương tự như cách mặt trống được căng trên thân trống. Khi hoạt động, chúng dao động theo tín hiệu âm nhạc để làm chuyển động không khí.

Loa tĩnh điện cần điện áp rất cao để vận hành, vì vậy chúng phải được cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới AC. Khi được thiết kế tốt, chúng có thể cho âm thanh tinh tế và mượt mà hơn so với loa dynamic truyền thống với khả năng định vị âm hình tốt hơn và dải trầm gọn, sắc nét.

Tuy nhiên, chúng có chi phí sản xuất cao và khá “khó tính” trong việc bố trí phòng nghe, loại loa này thường cần không gian tương đối rộng để phát huy hết khả năng. Ngoài ra, chúng có giới hạn về khả năng chịu công suất và không tạo được dải trầm mạnh. Một số hãng như MartinLogan đã phát triển các thiết kế hybrid tĩnh điện và điện động ấn tượng, trong đó một tấm tĩnh điện lớn đảm nhiệm dải cao và trung, còn driver dynamic truyền thống đường kính 12 inch xử lý dải trầm.

Ưu điểm:

• Màng cực nhẹ
• Phản hồi rất nhanh
• Độ méo thấp

Nhược điểm:

• Khó tạo âm trầm mạnh
• Yêu cầu điện áp cao
• Thường có kích thước lớn

Loa mành (ribbon)

Loại loa này ở một số điểm khá giống loa tĩnh điện, nhưng thay vì sử dụng màng phim nhựa tích điện, nó dùng dải kim loại rất mỏng được gấp nếp ribbon vừa dẫn điện vừa là phần phát ra âm thanh. Khi được treo trong từ trường nam châm vĩnh cửu mạnh, những dải kim loại siêu mỏng và cực nhẹ, để tạo chuyển động dưới tác động của dòng điện và phát âm thanh nhờ dịch chuyển khối không khí giữa các nếp gấp.

Vì một ribbon đơn không thể di chuyển nhiều không khí, nên thường phải dùng nhiều driver hoặc kết hợp thêm một driver dynamic cho dải trầm, vốn phù hợp hơn trong việc dịch chuyển lượng không khí lớn. Do đó, phần lớn thiết kế ribbon là dạng hybrid, dù vẫn có những loa ribbon thuần túy do các hãng như Magnepan và Apogee Acoustics sản xuất.

Loa ribbon thuần túy khá hiếm và đắt, không thật sự phù hợp cho mức âm lượng nghe lớn hoặc tái tạo dải trầm mạnh, nhưng có thể mang lại chất âm tuyệt vời trong các phòng nghe nhỏ. Các thiết kế hybrid kết hợp tweeter ribbon với driver dynamic truyền thống thường hiệu quả hơn, thực tế hơn và có giá dễ tiếp cận hơn như ELAC trên các dòng sản phẩm Vela, Solano, Carina.

Ưu điểm:

• Khối lượng cực thấp
• Treble rất chi tiết
• Phản hồi nhanh

Nhược điểm:

• Công suất chịu đựng hạn chế
• Thường cần thiết kế đặc biệt để ghép với các driver khác

Loa nén (compression)

Đây là một trong những loại driver ra đời sớm nhất và vẫn phổ biến cho đến khoảng thập niên 1960. Cho đến nay, nhiều người chơi audio vẫn đặc biệt yêu thích driver nén kết hợp với họng kèn (horn waveguide), nhất là trong phân khúc cao cấp.

Một driver nén nhỏ phát âm trực tiếp ra không khí thông qua họng kèn loe, cấu trúc này hoạt động như một dạng “biến áp âm học”. Về bản chất, nó giúp phối hợp trở kháng giữa màng loa có mật độ vật liệu cao với không khí có mật độ thấp hơn, từ đó làm tăng hiệu quả truyền năng lượng âm thanh.

Thiết kế này thường có hiệu suất cao hơn đáng kể so với các loại driver khác, đó là lý do nó từng rất phổ biến trong các hệ thống âm thanh công cộng như sân vận động hay rạp chiếu phim.

Ưu điểm:

• Độ nhạy cao
• Hiệu suất lớn
• Cần ít công suất ampli

Nhược điểm:

• Kích thước lớn
• Thiết kế phức tạp
• Dễ tạo màu âm nếu không tối ưu

Những công nghệ này không thay thế hoàn toàn loa điện động, mà tồn tại như các hướng tiếp cận khác nhau để giải quyết cùng một vấn đề.

Ở bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu về các vật liệu chế tạo thùng loa, các kiến trúc thiết kế thùng loa nhằm tối ưu nhất dòng không khí chuyển động và hình thành nên các âm thanh chính xác nhất trong giới hạn vật lý.