Khái niệm
Khi ta gõ trống, gảy đàn, thổi sáo hay mở miệng ra nói chuyện, tai ta
sẽ nghe và cảm nhận được âm thanh phát ra. Vật tạo ra âm thanh được gọi
là nguồn phát âm, hay nguồn âm. Âm thanh (sound) là dao động cơ lan
truyền trong môi trường và tai ta cảm nhận được. Âm thanh nói riêng và
các dao động cơ nói chung không lan truyền qua chân không vì không có gì
để truyền sóng.
Âm thanh là phương tiện trao đổi thông tin, liên lạc với nhau
(communication media) phổ biến nhất của con người, bên cạnh phương tiện
hình ảnh.
Như vậy nghiên cứu âm thanh có hai mặt: Đặc trưng vật lý (lý tính) và đặc trưng sinh học.
- Vật lý khách quan: nguồn tạo ra âm thanh, tính chất lan truyền, đặc tính âm thanh...
- Kiểu sóng: Trong không khí, âm thanh là dao động sóng dọc, nghĩa là dao động truyền đi do sự giãn nở của không khí.
- Các tính chất vật lý của sóng âm thanh khi lan truyền: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ.
- Vận tốc lan truyền âm thanh: thay đổi theo môi trường, nhiệt độ, áp
suất ... Trong không khí, nhiệt độ 20oC, ở độ cao mặt nước biển thì vận
tốc lan truyền âm thanh là 343m/s, tương đương 1235 Km/h.
Đặc tính sinh học của âm thanh: độ to tỉ lệ với logarit của cường độ
âm thanh, ngưỡng đau tai, dải tần số nghe được và không nghe được (siêu
âm, hạ âm)... và âm sắc
Biểu diễn tín hiệu âm thanh theo thời gian và theo tần số
Thông thường người ta dùng hàm toán học x(t) để biểu diễn tín hiệu âm thanh.
t: thời gian. x là biên độ biến thiên hay có sách gọi là ly dộ.
Như vậy ta có thể biểu diễn x(t) bằng đồ thị theo thời gian.
Giả sử x(t) = A.sinΩ
ot= A.sin 2πF
ot.
Phổ tín hiệu là cách biểu diễn các thành phần cấu tạo nên x(t)
theo tần số. Với tín hiệu sin nói trên, đồ thị phổ là một vạch có cao
độ là A tại điểm tần số Fo. Ta nói đó là
phổ vạch.
Sau này chúng ta học chuỗi Fourier của x(t) tuần hoàn sẽ thấy đó chính là Phổ vạch.
Trong thực tế với x(t) bất kỳ, ngẫu nhiên, không tuần hoàn, người ta
sẽ dùng tích phân Fourier để tính toán Phổ tín hiệu. Khi đó ta có Phổ
liên tục X(Ω).
Phổ tín hiệu không phải là gì mới mẻ. Trong thực tế chúng ta đã bắt gặp nhiều nhưng ít để ý:
1. Quang phổ: là phổ ánh sáng. Khi cho ánh sáng qua lăng kính, ta thu
được quang phổ, bao gồm nhiều mầu đơn sắc khác nhau. Như vậy ánh sáng
trắng là do nhiều ánh sáng có mầu khác nhau tổ hợp lại thành. Quang phổ
là phổ liên tục. Ánh sáng đơn sắc (của một mầu nào đó) tương ứng với 1
tần số nhất định.
2. Khi nghe nhạc trên các máy nghe, trên máy tính dùng phần mềm, ta
đều thấy Phổ âm thanh, là đồ thị theo tần số. Mỗi khi nhạc thay đổi, đồ
thị phổ thay đổi. Khi tiếng trống nổi lên, các vạch bên trái vọt lên,
thể hiện tiếng trống là tiếng có tần số thấp, hay tiếng trầm.
Lưu ý quan trọng: Khi nghiên cứu âm thanh hay dao động sóng nói
chung, người ta thường giả định dùng một sóng đơn (tức sóng có 1 tần số
nhất định). Trong khi thực tế, âm thanh hay sóng nào đó như sóng ánh
sáng là sóng bao gồm nhiều tần số khác nhau. Từ đó mới phát sinh ra khái
niệm dải tần, phổ tín hiệu.
Các Loại Âm Thanh
Những dao động cơ mà con người nghe được gọi âm thanh (sound).
Âm thanh có thể biểu diễn theo thời gian, song cũng có thể biểu diễn
theo tần số do có thể phân tích một tín hiệu âm thanh thành tổ hợp các
thành phần tần số khác nhau (Chuỗi Fourier, tích phân Fourier). Hoặc nói
một cách đơn giản thực tiễn hơn, một âm thanh có thể là tổ hợp từ nhiều
đơn âm, từ nhiều nhạc cụ, mà mỗi cái có một tần số dao động nhất định.
Dải tần số nghe được là từ 20 Hz - 20000 Hz. Siêu âm là âm dao
động ngoài 20000 Hz. Hạ âm là các âm dao động dưới 20 Hz. Tai người
không nghe được siêu âm và hạ âm.
- Tiếng nói (voice, speech) là âm thanh phát ra từ miệng người,
được truyền đi trong không khí đến tai người nghe . Dải tần số của
tiếng nói đủ nghe rõ là từ 300 Hz đến 3500 Hz, là dải tần tiêu chuẩn áp
dụng cho điện thoại. Còn dải tần tiếng nói có chất lượng cao có thể là
từ 200 Hz-7000 Hz, áp dụng cho các ampli hội trường.
- Âm nhạc (music) là âm thanh phát ra từ các nhạc cụ. Dải tần số của âm nhạc là từ 20 Hz đến 15000 Hz.
- Tiếng kêu là âm thanh phát ra từ mồm động vật. Tiếng của Cá
Heo (dolphins) là một loại âm thanh trong dảy tần số 1-164 kHz, của Con
Dơi (bats) 20 - 115 kHz, của Cá Voi (whale) 30-8000 Hz. (Cần xác minh
lại số liệu).
- Tiếng động là âm thanh phát ra từ sự va chạm giữa các vật. Thí dụ tiếng va chạm của 2 cái cốc, tiếng va chạm của cánh cửa, tiếng sách rơi.
- Tiếng ồn (noise) là những âm không mong muốn.
Nhìn chung lại, xét về phương diện tín hiệu và sự cảm thụ của tai người, có hai loại âm:
- tuần hoàn bao gồm tiếng nói, âm nhạc...
- không tuần hoàn như tín hiệu tạp nhiễu, một số phụ âm tắc xát như sh, s.
Đơn vị đo âm thanh
Người ta thấy rằng con người cảm nhận độ to của âm thanh không tỉ lệ thuận với cường độ âm thanh mà theo hàm số mũ.
Bel = 10lg P2/P1. (Phát âm là Ben)
decibel = 20lg I2/I1 (Phát âm là Đề xi ben)
Trước mắt có thể tham khảo Decibel bên trang tiếng Anh.
Phân tích thực nghiệm tín hiệu tiếng nói và nốt nhạc
Sau đây là hình tín hiệu thu được qua microphone vào máy tính của nguyên âm A của tác giả
và phổ của tín hiệu này (Lưu ý: trục hoành là trục tần số). Trục đo tần số là 10.000Hz.
Nhìn vào hình vẽ tín hiệu, ta thấy rõ nguyên âm A là một hàm tuần
hoàn, chu kì To xấp xỉ = 10ms, Fo=100 Hz. Song bên trong một chu kì To,
ta vẫn nhìn thấy dao động ở tần số cao hơn. Nhìn vào đồ thị phổ tín
hiệu, ta thấy phổ vạch, khoảng cách giữa hai vạch bằng Fo=1/To. Bên cạnh
đó bạn có thể nhìn thấy các đỉnh cộng hưởng, các formants.
Qua đồ thị phổ tín hiệu nguyên âm A, ta cũng còn thấy rõ dải phổ tín
hiệu không vượt quá 4000 Hz, tức là ngoài 4000 Hz, năng lượng được coi
bằng 0.
Nếu đo phổ với trục đo tần số tập trung vào khoảng 0-5.000Hz, ta sẽ thấy rõ hơn các vạch phổ rời rạc, cách nhau Fo.
Và tín hiệu của một nốt nhạc violon:
và phổ của tín hiệu này.
Phân tích và nhận xét: Tín hiệu nhạc cũng có dạng tuần hoàn, chu kỳ To=1,65 ms, Fo=609 Hz. Đồ thị phổ thể hiện rất rõ
phổ vạch,
với vạch cơ bản và các hoạ âm (các tần số hài). Phổ vạch nói lên tín
hiệu nốt nhạc này được tổ hợp từ nhiều tín hiệu điều hoà có tần số là
Fo, 2Fo, 3Fo... Mỗi vạch tương ứng với một dao động điều hoà nhất định.
Tiếng sáo và phổ của nó. Ta thấy tần số dao động cơ bản rất rõ và nổi
trội hơn các hoạ âm, hay các tần số hài, nghĩa là âm này mang tính đơn
âm khá rõ. Một nhận xét nữa là các hài bậc chẵn khá nhỏ. Bạn hãy giải
thích tại sao sau khi đọc sách giáo khoa vật lý.
Tiếng trống cơm và phổ của nó. Ta thấy tần số dao động cơ bản rất rõ.
Nghĩa là khá đơn âm. Fo cỡ khoảng 200 Hz, To cỡ khoảng 5 ms.
Tiếng nói
Tiếng nói là âm thanh phát ra từ miệng (người). Nghiên cứu tiếng nói
gồm: Bộ máy phát âm của con người. Thụ cảm âm thanh của tai người. Phân
loại tiếng nói.
Bộ máy phát âm của con người gồm:
- Phổi đóng vai trò là cái bơm không khí, tạo năng lượng hình thành âm.
- Đôi dây thanh (vocal fold, vocal cord)là hai cơ thịt ở trong
cuống họng, có hai đầu dính nhau, còn hai đầu dao động với tần số cơ bản
là Fo, tiếng Anh gọi là pitch, fundamental frequency. Fo của nam giới
nằm trong khoảng 100-200 Hz, của nữ giới là 300-400 Hz, của trẻ em là
500-600 Hz.
Muốn xem đôi dây thanh hoạt động ra sao (để có khái niệm), hãy vào trang web xem hình video rất hay:
http://www.entusa.com/larynx_video_html/normal_larynx_wmv1.htm
Hình ảnh đôi dây thanh ở vị trí đóng lại và vị trí mở ra:
- Thanh quản và vòm miệng: đóng vai như là hốc cộng hưởng, tạo ra sự
phân biệt tần số khi tín hiệu dao động từ đôi dây thanh phát ra. Đáp ứng
tần số của hốc công hưởng này có nhiều đỉnh cộng hưởng khác nhau được
gọi là các formant.
- Miệng đóng vai trò phát tán âm thanh ra ngoài.
- Lưỡi thay đổi để tạo ra tần số formant khác nhau.
- Các âm khác nhau là do vị trí tương đối của formants.
Phân loại tiếng nói theo thanh:
- Âm hữu thanh (voiced, tiếng Pháp là voisé) là âm khi phát ra
có sự dao động của đôi dây thanh, nên nó tuần hoàn với tần số Fo. Vì vậy
phổ của nguyên âm là phổ vạch, khoảng cách giữa các vạch bằng chính Fo.
- Âm vô thanh (unvoiced, tiếng Pháp là non voisé) phát ra khi
đôi dây thanh không dao động. Thí dụ phần cuối của phát âm English, chữ
sh cho ra âm xát. Phổ tín hiệu có dạng là nhiễu trắng, phổ phân bổ đều.
Phân loại tiếng nói:
- Nguyên âm (vowel) là âm phát ra có thể kéo dài. Tất cả nguyên
âm đều là âm hữu thanh, nghĩa là tuần hoàn và khá ổn định trong một
đoạn thời gian vài chục ms.
- Phụ âm (consonant) là âm chỉ phát ra một nhát, không kéo dài được. Có phụ âm hữu thanh và phụ âm vô thanh.
Thanh điệu của tiếng Việt tương ứng với các dấu: không dấu, huyền,
hỏi, ngã, sắc, nặng khi viết. Phân tích máy móc cho thấy thanh điệu là
sự thay đổi Fo, tần số cơ bản pitch, trong quá trình phát âm các nguyên
âm và tai người cảm nhận được. Tiếng Việt có 6 thanh thể hiện sự phong
phú và độc đáo, trong khi tiếng Trung quốc có 4 thanh. Tuy nhiên cư dân
một số vùng ở Việt Nam có thể không phân biệt dấu ? và dấu ~ nên hay
viết sai chính tả.
Giọng bổng (high voiced pitch, hay high pitched) hay
giọng trầm
(low voiced pitch) là Fo cao hay thấp. Như vậy Fo đóng vai trò rất quan
trọng trong cảm nhận, trong thụ cảm âm thanh của con người.
Tiếng bổng hay
tiếng trầm tương ứng với dải tần số cao
hay thấp. Trong thợc tế người ta dùng loa trầm là loa loa bass hay loa
sub woofer, loa tép hay loa bổng tương ứng với loa thích ứng phát các âm
trong vùng tần số cao, treble.
Ứng dụng của siêu âm:
Sóng siêu âm có đặc điểm là ít suy giảm dưới nước.
- Sonar: là thiết bị truyền tin, liên lạc dưới biển, sử dụng sóng siêu âm.
Sóng siêu âm được dùng để làm sạch trong môi trường nước. - Máy dò y
tế: Máy quét thai nhi, máy quét tim... - Máy dò cá, máy đo độ sâu.
Ứng Dụng trong liên lạc
Âm thanh lan truyền trong không khí và suy giảm rất nhanh nên không thể truyền đi xa được.
Để truyền âm thanh đi xa, người ta phải nhờ sóng điện từ vì sóng điện từ suy giảm rất ít trong không khí.
(Dưới nước, người at lại phải dùng sóng siêu âm làm sóng mang vì sóng điện từ lại suy giảm rất nhiều trong môi trường nước).
Vậy làm thế nào để
nhờ ? Có nhiều cách như điều biên AM
(Amplitude Modulation) và điều tần FM (Frequency Modulation). Song tất
cả AM, FM đều nhờ vào việc phát đi một tần số sóng hình sin f
mang, được gọi là sóng mang, A sin ω
ot. Giả sử tín hiệu âm tần là sinΩ
ot.
Ở đây chỉ là giả định một tần số Ω để dễ tính toán, thuyết minh còn
trong thực tế nó là cả một tổ hợp tuyến tính nhiều tần số khác nhau. Lưu
ý cách dùng kí hiệu Ω để chỉ
tín hiệu âm tần, ω chỉ tín hiệu
sóng mang. Tần số sóng mang phải lớn hơn nhiều tần số tín hiệu âm tần.
Điều biên là dùng tín hiệu âm tần làm thay đổi biên độ sóng mang. A.cos ω
ot sẽ thành:
A.cosΩ
ot. cosω
ot = A/2.[cos(ω
o-Ω
o)t + cos(ω
o+Ω
o)t]
Chuỗi Fourier
Định lý về chuỗi Fourier: Tín hiệu x(t) liên tục và tuần hoàn với chu kì T, có thể phân tích thành tổ hợp các thành phần Σ sin n2πF
ot= sin nΩ
ot và cos n2πF
ot= cos nΩ
ot như sau:
![x(t) = \frac{1}{2}a_0 + \sum_{n=1}^\infty\left[a_n\cos\left( \frac{n 2 \pi t}{T} \right)+b_n\sin\left( \frac{n 2 \pi t}{T} \right)\right]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uk_7YSbTJSMfWrUWNgq2qmSLoPAUPyJMMeUwdR17Pm0iU0v22MmZ7ZZKwfpYmzXFLLotqZBFY2639CG9UjCw20Y-6nnvgLLsovKhpM1okDgMwmA_h9H1uq0q7ocf9A5JNWl5R9ZN2NOwR_ifQK6OYnGhZU1xJwHDtFBQ=s0-d)
![x(t) = \frac{1}{2}a_0 + \sum_{n=1}^\infty\left[a_n\cos\left( n \Omega t \right)+b_n\sin\left( n \Omega t \right)\right]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uitJiCdFNgPXxjh_1JjCuE76lkmM04xVAQbEblC3z5jvqgpTs-80l1tbDxvv9abtk7XSpA26Oj0NJjoixBsSgjn1PYTMGqJtEivQiKrs400Cjb9pQ4EN0UYmuDUpW6cMr9jtHooKzW7bAx-X_ji36-uBWh0aog_NMzww=s0-d)
Các hệ số a và b được tính như sau:
Nếu vẽ theo trục tần số, tức đồ thị là các vạch của :
và :
, tương ứng là nΩ
o hoặc n F
o. Ta nói: Dao động tuần hoàn có phổ là phổ vạch.
Áp dụng: Trong âm thanh, người ta phân ra hai loại: Hữu thanh và vô
thanh. Âm hữu thanh là âm dao động tuần hoàn với chu kì To. Âm vô thanh
thì ngược lại, là các tín hiệu ngẫu nhiên, không tuần hoàn.
Như vậy khi ta phát âm các nguyên âm, là các dao động tuần hoàn, nên ta có thể khai triển thành chuỗi Fourier.
Âm thoa - Tuning fork
Là dụng cụ có hình vẽ bên, dùng để tạo ra âm thanh dạng hình sin để làm chuẩn, thường là nốt La, fo=f=440 Hz.
Bạn có thể mua âm thoa ở cổng nhạc viện. Bạn có thể tự làm lấy âm
thoa đơn giản bằng cách uốn đoạn dây đồng thành hình chữ U. Vấn đề là
làm thế nào biết và chứng minh dạng sóng dao động là hình sin và tần số
dao động của âm thoa ?
Chúng tôi sẽ trình bầy trong phần thực nghiệm.
Những điều dễ nhầm lẫn và hiểu sai
Dải tần và
phổ tín hiệu âm thanh:
Dải tần được đo bằng tần số giới hạn dưới F
min và tần số giới hạn trên F
max
của tín hiệu âm thanh có thể có được, nghĩa là có năng lượng tín hiệu
tại tần số giới hạn đó khác không. Trong khi phổ của tín hiệu (spectre)
là đồ thị biểu diễn tín hiệu theo tần số. Thông thường đồ thị khi vẽ ra
nằm từ F
min đến F
max.
Dải thông (band width): Các thiết bị khuếch đại hay một hệ
thống xử lý âm thanh thường có độ khuếch đại khác nhau đối với các dải
tần khác nhau. Thiết bị khuếch đại thường chỉ khuếch đại trong một dải
tần từ Fmin đến Fmax, gọi là dải thông. Để đảm bảo chất lượng khuếch đại
cho mọi tần số tín hiệu âm thanh thì dài thông phải bao trùm lên dải
tần tín hiệu, bao trùm lên dải phổ tín hiệu .
Tần số (frequency) và
tần số cơ bản (
pitch hay fundamental frequency): Khi tín hiệu là tuần hoàn với chu kì T
o, như tín hiệu âm nhạc, như tín hiệu nguyên âm, thì về cơ bản, thành phần tần số F
o=1/T
o
là chủ yếu, song còn có các vạch năng lượng tại tần số nFo. (Xem hình
đồ thị ở trên, nhất là tín hiệu thí dụ của violon). Fo được gọi là tần
số cơ bản, hay pitch. Với tín hiệu điều hoà sin thì pitch=tần số dao
động riêng Fo. Nếu tín hiệu tuần hoàn nói chung thì F
o là tần số cơ bản, pitch, và trên trục tần số, còn có các thành phần hài nF
o.
Đơn âm (dao động điều hoà một tần số nhất định) và hợp âm (tổ hợp của
nhiều âm, của cả dàn nhạc). Khi nghiên cứu các tính chất vật lý, người
ta hay thí nghiệm với đơn âm. Còn trong thực tế người ta nghe thấy là
hợp âm.
Nén âm thanh
Bình thường tiếng nói có tần số giới hạn trên của dải tần F
max = 3400 Hz. Người ta lấy tròn là 4000 Hz. Theo định lý Shanon, tần số lấy mẫu sẽ là Fs=2F
max = 8000 Hz. Mỗi mẫu tín hiệu được mã hoá tối thiểu là 8 bit. Vậy mỗi giây cần 8000x8=64000 bit = 64 Kbps.
Nếu âm nhạc thì phải mã hoá với tần số lấy mẫu là Fs=2Fmax = 2x15000
Hz = 30000 Hz. Mỗi mẫu tín hiệu được mã hoá có 16 bit, hoặc cao hơn là
24 bit. Vậy mỗi giây cần truyền đi tín hiệu là 30000 x 16 bit = 480.000
bit/s = 480 Kbps.
Đấy là một kênh tín hiệu. Nếu là stereo thì nhân 2 lên ...
Nhiều nghiên cứu mã hoá tín hiệu âm thanh để nén tín hiệu, tức là làm
sao dung lượng tín hiệu nhỏ đi mà không làm giảm chất lượng. Thí dụ
nghe nhạc MP3. MP3 là một loại nén tín hiệu âm thanh.
05:00
Unknown
![[IMG]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_ugxPOROpypJ-wx3T5Q6yt24YfBPFW2ijq1TXBAJCuvnysgFuuNe-P-0cZPZ6e5WRGP0CCbEw2mxP22DFXP8ZPWs96rO7tn06IvRPoKMDe8YId30pjX26bbra5R2D1q49elyyOGJNwZV9u6CO5a3jjH7kJ82KURNv-BLyzFPF3zjc1-QI85CSp3C3-FEOPsY2ghxOnNSw6kZoSYfD9kuiae=s0-d)
![[IMG]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vZxzf2swjX7nn7Y0WYfnU-qGlaQZT_nTBxTHOdBug-HcEApGNX8Igm8wHjkCrzuhgqqfCRI8vsQNmSkCgr_AsJkdkDB2aKisziQouB8Ka3N8KtaEA7x07HjQbMmUlzGeYmFdQt5O2-RdH4JTep4pIWiiip54vT6Nb-rrqqlhF3-zqGcg=s0-d)
![[IMG]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_vIbuD62oqVEV51HJGpv7rrAI4VUtc8VUSpHGY-_AY64XNZdChin-mKcafwkOHP4AzzH_mMrtwZaDJBXMmu3Ne8NcTDPbYqjwJ607jZdOtcSei4BR16vY8P-oY3VYTyMaqtFdy6GTRoO_TjzKjGNt1jAVfw-R9t6Toy=s0-d)
![[IMG]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_tIuYTbEPAGDszazcFLuh9L9wzQqxl4ztgXHB-FvnIX2Q7vUg4Fcw7FJ8eg-sDO32kMBJVAjonUXkL5ZMfyKCoAVk12498765pPXii1n-syJqONUyU1El1t1y0DGphPd7ah8CT3aj5cOQ5xi8945-Q5KgWevlL84PJI7wN9aXGSVLyGrhFyQj4DpwdUi4FtBykxZhNH2O86JcoWPnO0HxHUyA=s0-d)
![[IMG]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_u_NkZYiXCBET2po5Mg_Zt4mxDoyCOz5jR2CB315cvASkYM4engn_c0g711W82qvAHX28ndsyzdRf1_kIaIbnLvFC3AY1lCJHHeixUF5uUIMRk5404iqwc5Au-e-6Q01cjKS9OXiav4MpHyMplXawwLp5q4Ln5NE30r=s0-d)
