Micro biến rung động của không khí thành tín hiệu điện, còn loa làm ngược lại: biến tín hiệu điện thành rung động để đẩy không khí thành tiếng. Trong cả hai đều có một tấm màng mỏng rung theo âm thanh; cách phổ biến nhất để nối rung động với dòng điện là dùng nam châm và cuộn dây, theo hiện tượng cảm ứng điện từ mà Michael Faraday công bố năm 1831.
Một nguyên lý, hai chiều
Năm 1831, Faraday cho thấy khi một cuộn dây chuyển động trong từ trường của nam châm, trong dây xuất hiện dòng điện. Ngược lại, cho dòng điện chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường, cuộn dây bị đẩy hoặc kéo. Hai câu này là cốt lõi của gần như mọi micro động và loa thông dụng.
- Micro: âm thanh làm màng rung → cuộn dây gắn sau màng chuyển động trong từ trường → sinh ra dòng điện nhỏ dao động đúng nhịp tiếng nói.
- Loa: dòng điện dao động chạy vào cuộn dây → cuộn dây bị nam châm đẩy kéo → màng loa gắn với cuộn dây rung → đẩy không khí thành sóng âm.
Vì cùng một cơ cấu, một chiếc loa nhỏ nối ngược vào đầu vào micro có thể "nghe" được, dù kém. Nhiều bộ đàm, chuông cửa có loa kiêm luôn micro theo cách này.
Ba loại micro hay gặp
Micro động (dynamic)
Đây là loại micro cầm tay hay thấy ở phòng karaoke, sân khấu, hội trường. Màng mỏng gắn với cuộn dây nhỏ, nằm trong khe của nam châm. Micro động bền, chịu được tiếng rất to, không cần nguồn điện riêng. Nhược điểm là màng và cuộn dây có khối lượng, nên khó bắt những chi tiết rất nhỏ và rất cao của âm thanh.
Micro tụ điện (condenser)
Màng micro cực mỏng, phủ kim loại, đặt rất gần một tấm kim loại cố định, hai tấm tạo thành một tụ điện. Khi màng rung, khoảng cách giữa hai tấm đổi, điện dung đổi, sinh ra tín hiệu. Loại này cần được cấp điện để hoạt động, nhưng nhạy và bắt chi tiết tốt, nên hay dùng trong phòng thu, thu âm nhạc cụ, giọng đọc. Ý tưởng micro tụ điện được kỹ sư Edward Wente phát triển ở Mỹ từ khoảng năm 1916–1917.
Micro MEMS trong điện thoại
Điện thoại, tai nghe không dây, đồng hồ thông minh dùng micro MEMS: một micro tụ điện thu nhỏ khắc trên chip silic, chỉ cỡ vài mi-li-mét. Một chiếc điện thoại thường có vài micro như thế đặt ở các vị trí khác nhau. Máy so sánh tiếng ở các micro để đoán đâu là giọng người nói (gần, tới trước) và đâu là tiếng ồn xung quanh, rồi lọc bớt ồn.
| Loại | Cần nguồn điện riêng | Điểm mạnh | Hay dùng ở |
|---|---|---|---|
| Micro động | Không | Bền, chịu tiếng to, ít bắt tiếng xa | Sân khấu, karaoke, hội trường |
| Micro tụ điện | Có | Nhạy, chi tiết, tiếng trong | Phòng thu, ghi âm giọng đọc, nhạc cụ |
| Micro MEMS | Có (từ thiết bị) | Rất nhỏ, rẻ, đồng đều | Điện thoại, tai nghe, máy tính |
| Micro áp điện | Không | Bắt rung qua vật rắn | Dán vào thân đàn, cảm biến gõ |
Lùi về lịch sử, những chiếc điện thoại đầu tiên cuối thế kỷ 19 dùng micro than: hạt than nén trong hộp nhỏ, màng rung ép than chặt hay lỏng làm điện trở thay đổi. Loại này kêu rè nhưng rất bền và tạo tín hiệu mạnh, nên được dùng trong máy điện thoại suốt nhiều thập kỷ. Nhà phát minh David Edward Hughes trình diễn một dạng micro than năm 1878 và góp phần phổ biến chữ "microphone".
Bên trong một chiếc loa
Gỡ lưới che của một chiếc loa thông thường, ta thấy:
- Màng loa hình nón, làm bằng giấy ép, nhựa hoặc sợi tổng hợp: phần đẩy không khí.
- Viền mềm bằng cao su hoặc mút quanh mép màng: giữ màng ở đúng chỗ mà vẫn cho nó tiến lùi.
- Cuộn dây quấn trên ống nhỏ gắn ở đáy màng, nằm trong khe hẹp của nam châm phía sau.
- Nhện loa: tấm vải gợn sóng giữ cuộn dây luôn ở giữa khe.
- Thùng loa: hộp gỗ hoặc nhựa bao quanh.
Kiểu loa màng nón – cuộn dây động này được hai kỹ sư Chester Rice và Edward Kellogg ở Mỹ mô tả năm 1925, và đến nay vẫn là kiểu loa phổ biến nhất thế giới, từ loa điện thoại tới loa sân khấu.
Vì sao loa cần thùng
Khi màng loa đẩy ra phía trước, nó cũng hút không khí ở phía sau, tạo ra một sóng ngược. Nếu không có thùng, hai sóng trước – sau vòng qua mép loa gặp nhau và triệt tiêu, nhất là ở âm trầm có bước sóng dài. Đó là lý do một củ loa trần nghe "mỏng" và thiếu trầm, còn đặt vào thùng thì tiếng dày lên hẳn.
Loa to cho tiếng trầm, loa nhỏ cho tiếng bổng
Âm trầm cần đẩy một khối không khí lớn với nhịp chậm, nên cần màng to. Âm bổng cần màng rung rất nhanh, nên màng phải nhỏ và nhẹ. Vì vậy nhiều bộ loa chia ra loa trầm, loa trung và loa tép (loa nhỏ cho tiếng cao), cùng một mạch phân tần chia tín hiệu cho đúng loa.
Tiếng rú "hú" trên sân khấu từ đâu ra
Ai từng dự đám cưới, hội nghị đều quen tiếng rít chói tai khi người cầm micro đi lại gần loa. Đó là hồi tiếp âm thanh, còn gọi là hiệu ứng Larsen theo tên nhà vật lý Đan Mạch Søren Larsen, người mô tả nó đầu thế kỷ 20.
Vòng luẩn quẩn diễn ra thế này: micro thu tiếng, bộ khuếch đại làm to lên, loa phát ra, micro lại thu chính tiếng đó, khuếch đại lần nữa… Ở một tần số nào đó, mỗi vòng tiếng lại to hơn vòng trước, và chỉ trong tích tắc thành tiếng rú. Tần số rú thường là tần số mà phòng, micro và loa "ưa" nhất.
Cách tránh đơn giản:
- Không chĩa micro vào loa, không cầm micro đi tới trước dàn loa.
- Cầm micro gần miệng, để người dẫn không cần vặn âm lượng quá lớn.
- Khi bắt đầu rú, hạ âm lượng hoặc xoay micro đi chỗ khác ngay.
- Không che kín đầu micro bằng bàn tay, vì làm micro thu nhiều tiếng từ mọi phía hơn.
Tiếng rú có thể rất to. Nếu đứng sát loa khi nó xảy ra, hãy lùi ra và che tai.
Tai nghe: loa tí hon sát màng nhĩ
Tai nghe là loa thu nhỏ đặt ngay cửa ống tai. Vì rất gần màng nhĩ và gần như kín, chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ đã tạo được mức âm lớn. Đây là lý do tai nghe có thể đẩy mức âm lên tới mức gây hại mà người nghe không để ý. Thói quen tốt là để âm lượng vừa đủ nghe rõ trong phòng yên tĩnh, nghỉ tai sau mỗi khoảng nghe dài, và không vặn to để "lấn" tiếng ồn bên ngoài.
Khi nào cần đi khám
- Nghe kém đột ngột, nhất là một bên tai: đi khám chuyên khoa tai mũi họng ngay, càng sớm càng tốt.
- Ù tai kéo dài sau khi nghe tai nghe hay đứng gần loa lớn, ù một bên, hoặc ù kèm chóng mặt.
- Đau tai, chảy dịch ở tai, hoặc từng bị tiếng rú, tiếng nổ lớn sát tai rồi nghe lùng bùng.
Góc nhìn hôm nay: tự làm loa và micro đơn giản
Hiểu nguyên lý rồi, có thể tự làm thử với đồ an toàn:
- Loa cốc giấy: quấn vài chục vòng dây điện từ mảnh thành cuộn, dán vào đáy cốc giấy, đặt một viên nam châm nhỏ sát cuộn dây, nối hai đầu dây vào giắc tai nghe cũ cắm vào thiết bị phát nhạc ở âm lượng nhỏ. Cốc sẽ "hát" khe khẽ. Cần người lớn hỗ trợ khi tuốt dây, và cất nam châm nhỏ xa tầm tay trẻ nhỏ vì nuốt phải rất nguy hiểm.
- Nghe micro "thấy" gì: dùng ứng dụng ghi âm có hiển thị dạng sóng, nói "a" rồi "s", so sánh hình dạng: tiếng "s" là dải rung nhanh lộn xộn, tiếng "a" có nhịp đều.
Muốn đọc thêm, chương "Cảm ứng điện từ" trong sách vật lý phổ thông là nền tảng, sau đó có thể tìm các tài liệu nhập môn kỹ thuật âm thanh.
Câu hỏi thường gặp
Micro hoạt động như thế nào?
Micro có một màng mỏng rung theo sóng âm. Ở micro động, màng kéo cuộn dây chuyển động trong từ trường nam châm và sinh ra dòng điện; ở micro tụ điện, màng rung làm điện dung thay đổi và tạo tín hiệu. Tín hiệu điện này dao động đúng nhịp với âm thanh.
Loa phát ra âm thanh bằng cách nào?
Dòng điện mang tín hiệu âm chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường của nam châm, khiến cuộn dây bị đẩy kéo qua lại. Cuộn dây gắn với màng loa, màng rung đẩy không khí thành sóng âm.
Micro động và micro tụ điện khác nhau thế nào?
Micro động bền, chịu tiếng to, không cần nguồn riêng, hợp với sân khấu và karaoke. Micro tụ điện nhạy hơn, bắt chi tiết tốt hơn nhưng cần cấp điện và dễ bắt tiếng xung quanh, hay dùng trong phòng thu.
Vì sao micro gần loa lại kêu rú?
Micro thu lại tiếng từ loa, bộ khuếch đại làm to lên rồi loa phát ra, tạo thành vòng lặp to dần gọi là hồi tiếp âm thanh. Không chĩa micro vào loa và hạ âm lượng là cách dập tiếng rú.
Vì sao loa trầm phải to?
Âm trầm có bước sóng dài, cần đẩy một khối không khí lớn mới đủ mạnh, nên màng loa phải to. Loa nhỏ rung nhanh dễ hơn nên hợp với âm bổng.
