Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế âm thanh cho phòng biều diễn ca nhạc 1500 ghế ngồi”
Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 1 LỜI NÓI ĐẦU Âm thanh là thứ ra đời tồn tại và phát triển từ khi thế giới xuất hiện sự sống. Con người và cả các loài động vật khác nhau đều cần có ngôn ngữ để giao tiếp được với nhau sao cho có hiệu quả nhất và một thứ ngôn ngữ giao tiếp tốt nhất đó là nhứng tín hiệu âm thanh. Âm thanh hàng ngày tồn tại xung quanh chúng ta với nhiều mức tần số, tác động nên não bộ mỗi con người tạo cho ta có được cảm giác với thế giới xung quanh. Cuộc sống con người ngày càng được cải thiện ngoài những nhu cầu sử dụng âm thanh như một thứ ngôn ngữ người ta còn sử dụng chúng đề giải trí và còn nhiều mục đích sử dụng khác nữa. Trong cuộc sống hiện đại của chúng ta hiện nay nhu cầu sử dụng âm nhạc như một công cụ để giải trí đề xua đi những mệt mỏi của cuộc sống đời thường, sự hiểu biết và cảm thụ âm nhạc ngày càng cao đ òi h ỏi các các phòng ca nhạc cần được bố trí âm thanh một cách hợp lý và đem lại cho khan thính giả sự cảm thu âm nhạc một cách hoàn hảo nhất là vấn đề cần đặt ra đối với chúng ta hiện nay. Thiết kế, bố cục sao cho vừa gây được thiện cảm cho người nghe về thẩm mỹ lại vừa đảm bảo tính khoa học và gửi đến được cho thính giả những âm thanh trung thực nhất. Qua thời gian thực tập tại Nhà Hát Quân Đội Hà Nội cùng với những kiến thực đ ã đư ợc giảng dạy tại Trường Sân Khấu Điện Ảnh em xin mạnh dạn chọn đề tài: “Thiết kế âm thanh cho phòng biều diễn ca nhạc 1500 ghế ngồi” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ÂM THANH 1.1 Khái niệm về âm thanh và tham số đặc trưng 1.1.1.Âm thanh và các đặc tính vật lý của âm thanh: Lấy tay bật vào dây đàn, dây đàn rung lên và phát ra tiếng, tiếng đàn ngân dài cho đến khi dây đàn hết rung thì âm thanh c ũng t ắt. Nếu ta gõ trông, mặt trống rung lên và c ũng phát ra ti ếng. Lấy tay sờ vào màng một cái loa đang kêu thì ta c ũng có th ể cảm thấy màng loa đang dao động. Do vậy, ta có thể kết luận âm thanh là sự lan truyền các dao động cơ học trong vật chất, ở khoảng cách gần âm thanh là sóng cầu, ở khoảng cách xa nguồn âm, âm thanh có thể coi là sóng dọc hay sóng phẳng. a) b) Hình 1.1 Sự lan truyền của sóng âm a) Sóng phẳng; b)Sóng cầu Tốc độ lan truyền của sóng âm chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của môi trường truyền âm (trường âm). Âm thanh có thể truyền lan được trong các chất rắn, lỏng hay khí nhưng không truyển lan được trong chân không. Trong môi trường không khí, tốc độ truyền lan phụ thuộc vào nhiệt độ và được tính theo công thức: 0 T C 328 273 (m/s). Trong đó T 0 là nhiệt độ tuyệt đối của không khí. Nhiệt độ càng cao thì âm thanh truyền cáng nhanh. Ở nhiệt độ 20 0 C, tốc độ âm thanh tương ứng C≈ 340 m/s. Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 3 P P P 0 P P ~ P t P Nếu sóng âm là các dao động điều hòa thì trong một chu kì T, sóng âm sẽ lan truyền được một khoảng chính bằng bước sóng ánh sángλ. λ=c.T hay c= λ.f (f : tần số sóng âm) Nếu coi dải tần tai người có thể nghe được là từ 20Hz đến 20.000Hz thì b ư ớc sóng tương ứng sẽ là: λ max =340/20=17m λ min =340/20.000=1.7cm Khi có nguồn âm tác động, áp suất không khí sẽ biến thiên, tăng hoặc giảm trên đường truyền âm so với áp suất tĩnh của không khí. Hiệu giữa áp suất khi có nguồn âm và áp suất t ĩnh c ủa không khí tại một điểm trong trường âm gọi là áp suất âm thanh hay thanh áp và ký hiệu là P. P=P ~ -P 0 Trong đó: P : Thanh áp N/m 2 (Pa) P ~ : Áp suất không khí tức thời tại một điểm P 0 : Áp suất t ĩnh c ủa không khí Hình 1.2 Biểu diễn thanh áp Độ lớn của thanh áp thường được biểu diễn theo đơn vị tương đối, tính bằng dB: N(dB) = p(dB) = 20lg 0 P P Trong đó p 0 là thanh áp tại ngưỡng nghe được, bằng 2.10 -5 N/m 2 . Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 4 Khi sóng âm tác động, các phần tử không khí sẽ dao động quanh vị trí cân bằng của nó với một vận tốc nhất định được gọi là tốc độ dịch chuyển hay tốc độ dao động v. Tốc độ dịch chuyển là một đại lượng véctơ được đo bằng m/s và nhỏ hơn tốc độ âm thanh. Tốc độ dịch chuyển của phần tử không khí tại điểm x: 0 1 dp v dt dx Trong đóρ 0 là khối lượng riêng của không khí (0.00128 mg/cm 3 ) Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua một diện tích S trong thời gian một giây. Công suất âm thanh P a có thể tính bằng công thức: P a =pSv Trong đó: p : Thanh áp S : Diện tích âm thanh đi qua v : Tốc độ dao động của một phần tử không khí tại đó Cường độ âm thanh hay thanh lực I là công suất âm thanh trên một đơn vị diện tích S: p l pv S Trong trường hợp hướng lan truyền của sóng âm khó xác định, hay không xác định được thì ta sử dụng đại lượng đặc trưng khác là mật độ năng lượng âm thanh: I=ε.C hayε=I/C Mật độ năng lượng âm thanh là đại lượng vô hướng và được đo bằng Jun/m 3 . 1.1.2.Mức tín hiệu âm thanh Khi xét những dao động âm thanh ta chỉ cần quan tâm đến giá trị hiệu dụng mà không cần quan tâm đến giá trị tức thời của nó. Điều này là do thính giác chỉ có thể ghi nhận được năng lượng trung bình của âm thanh trong một khoảng thời gian nhất định. Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 5 (1-1) Năng lượng trung bình trong khoảng thời gian T có thể xác định theo biểu thức: 1 1 t t t 2 T 1 t 1 E (t ) e (t)dt T Trong đó: E(t 1 ) : Năng lượng âm thanh trung bình T : Khoảng thời gian tính giá trị trung bình t 1 : Thời điểm đang xét φ(t) : Giá trị biến thiên tức thời của tín hiệu t t 1 T e : Hàm trọng lượng Hình 1.3 Dạng của mức tín hiệu Mức tín hiệu được đo bằng một thiết bị riêng, nhằm thực hiện thuật toán (1-1), gồm một bộ chỉnh lưu, một bộ tích phân và thường gọi là bộ chỉ thị mức tín hiệu. Từ biểu thức (1-1) thấy rằng giá trị E(t 1 ) phụ thuộc vào thời điểm chọn t 1 , nên mức động c ũng ph ụ thuộc vào t 1 .Mức tìn hiệu âm thanh được biểu diễn bằng dB so với ngưỡng nghe và được đo bằng máy tự ghi. Một trong những phương pháp nghiên cứu những tính chất thống kê của tín hiệu là xác định quy luật phân bố của nó. Máy phân tích tín hiệu có thể đo được thời gian mà tín hiệu không vượt qua một giá trị cho trước nào đó. Tổng thời gian tín hiệu vượt quá Un nào đó được xác định bằng tổng các khoảng thời gian. dB t 5dB Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 6 τ ∑ =τ 1 +τ 2 +τ 3 +… Hình 1.4 Xác suất phân bố mức tín hiệu Nếu ứng với mỗi tín hiệu Un tìm đư ợc thời gian là τ ∑ thì có thể dễ dàng xác định được dồ thị phân bố mức tín hiệu. Nếu thời gian khảo sát là T thì τ ∑ /T là tần suất mức tín hiệu vượt quá giá trị Un. n 0 Un N 20 lg (dB) U Trong đó : N n là mức tín hiệu gần. U 0 là mức tín hiệu có tần suất bằng 0,5. Mức tín hiệu nhỏ nhất có tần suất bằng 1, mức tín hiệu lớn nhất có tần suất bằng 0. Nếu n→∞ thì tần suất sẽ tiến tới xác suất W. Trong k ĩ thu ật thường dùng khái niệm tín hiệu gần cực đại và tín hiệu gần cực tiểu. Tín hiệu gần cực đại N max là tín hiệu có xác suất rất lớn, gần bằng 1. Hiệu của mức tín hiệu gần cực đại và mức tín hiệu gần cực tiểu gọi là dải động của tín hiệu D và biểu diễn bằng dB. Đây là một thông số rất quan trọng của tín hiệu. Mỗi thiết bị điện thanh đều được tính toán với một dải động nhất định. τ 2 τ 1 τ 3 U5 U4 U3 U2 U1 0 Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 7 Dưới đây là dải động của một số nguồn tín hiệu: Dạng tín hiệu Dải động D(dB) Lời nói 25-35 Ca kịch 40-50 Dàn nhạc nhỏ 45-55 Dàn nhạc giao hưởng 65-70 Tín hiệu điện thanh (tín hiệu điện) 40 Dải động của tín hiệu truyền nhờ hệ thống điện thanh thường nhỏ hơn dải động của âm thanh rất nhiều, vì những hạn chế của hệ thống điện thanh. Việc thu hẹp dải động sẽ làm giảm chất lượng âm thanh. 1.1.3.Phổ tín hiệu âm thanh Trong khoảng thời gian hết sức ngắn, có thể coi phổ tín hiệu âm thanh là rời rạc. Nếu tăng thời gian T lên vô cùng thì những tín hiệu điều hòa sẽ mang tính chất lien tục. Nếu tín hiệu không điều hòa là hàm φ(t) thì phổ của nó đặc trưng bởi hàm phức S(ω) Giữa hàm φ(t) và S(ω) liên quan với nhau bởi biến đổi Furie: j t 1 (t) S( )e d 2 j t S( ) S( )e dt Trong đó S(ω) là mật độ phổ. Mật độ phổ trong một thời điểm t nào đó được xác định theo biểu thức: T j t r 0 S ( ) (t)e dt Khái niệm về phổ bao gồm phổ biên độ và phổ pha, nhưng pha của tín hiệu âm thanh gần như không ảnh hưởng đến sự thụ cảm của thính giác Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 8 nên có thể bỏ qua. Trong thực tế thường xét đến phổ công suất tín hiệu vì nó không liên quan đến pha của các dao động điều hòa. Mật độ phổ công suất là công suất của tín hiệu trong một đoạn tần số rất hẹp: 0 P( ) G( ) lim Viết dưới dạng tích phân công suất của tín hiệu trong dải tần từ ω 1 đến ω 2 : 2 1 P( ) G(x)d Công suất trung bình của tín hiệu trong khoảng thời gian T được xác định theo biểu thức: T 2 tb 0 P (t)dt Nếu tăng khoảng thời gian T đến giá trị t 0 nào đó mà công suất tiến tới một giá trị giới hạn nhất định thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu dừng. Vì những khảo sát thực nghiệm chỉ có thể tiến hành trong một khoảng thời gian T nhất định nên phổ đó là phổ tức thời. Để khảo sát phổ của tín hiệu âm thanh, toàn bộ dải tần của tín hiệu được chia thành những đoạn hẹp nhờ các bộ lọc thông dải nhỏ hơn 1 octa. Nếu lấy trung bình kết quả các thực nghiệm đối với những tín hiệu lời nói và âm nhạc, sẽ được đồ thị phân bố Những tín hiệu cần khảo sát Các bộ lọc thông dải ω 1 -ω 2 ;ω 1 -ω 2 Khối tích phân Khối bình ph ương Khối hiển thị Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 9 Hình 1.5 Mật độ phổ của tín hiệu âm thanh Hình 1.5 cho thấy mật độ phổ của tín hiệu âm thanh tập trung chủ yếu trong dải tần từ 100 đến 3000Hz. Trong các tính chất ngẫu nhiên của tín hiệu âm thanh, hàm tương quan có ý ngh ĩa đ ặc biệt. Nếu hai đại lượng ngẫu nhiên x và y liên quan với nhau theo một quan hệ nhất định, ngh ĩa l à y=f(x) và khi bi ết giá trị của x thì ta c ũng có th ể tính được giá trị của y.Nếu x và y chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố liên quan khác thì x có thể hoàn toàn không phụ thuộc vào y, ta gọi là hàm không phụ thuộc, hoặc x ảnh hưởng đến những khả năng có thể của y ta gọi là hàm tương quan. Nếu có hai hàm tương quan x và y, khi tăng giá trị của x, giá trị của y c ũng tăng th ì g ọi là hàm đồng biến, giạ trị của y giảm thì gọi là hàm nghịch biến. Trong trường hợp khuếch âm ngoài trời hay trong phòng kín, thính giả có thể nghe được cùng lúc cả tín hiệu bức xạ lẫn tín hiệu phản xạ của nguồn âm, có ngh ĩa l à tín hi ệu f(x) từ nguồn âm bức xạ cộng với tín hiệu f(t- x) phản xạ trở lại sau một khoảng thời gian trễ t. Công suất trung bình của tín hiệu : 2 t 1 2 tb t T 1 P (t) f t f t dt P P 2R T 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 25 50 100 200 400 800 1600 3200 6400 Đồ án tốt nghiệp TRỊNH HOÀNG NAM KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH 10 Trong đó: t 2 1 t T 1 P f(t) dt T t 2 2 t T 1 P f(t ) dt T t 2 t T .f tR 1 f(t ) dt T R gọi là hàm tương quan nếu R=0 thì p τ =p 1 +p 2 Khi khảo sát tín hiệu âm thanh bằng thực nghiệm ta thường gặp 2 trường hợp sau: +Nếu tăng khoảng thời gian T, công suất trung bình P 1 ,P 2 và hàm tương quan R ( τ ) đều tiến tới một giá trị tới hạn nào đó không phụ thuộc vào thời điểm t mà chỉ phụ thuộc vào τ, những tín hiệu đó gọi là những tín hiệu đồng nhất.Thời gian lấy trung bình nhỏ nhất T=T 0 cần thiết để đạt được giá trị tới hạn được gọi là thời gian đồng nhất. Thực nghiệm cho thấy thời gian đồng nhất của tiếng nói khoảng 3 phút còn thời gian đồng nhất của nhạc giao hưởng là 10 phút. +Nếu tăng thời gian T, các đại lượng P 1 ,P 2 và R ( τ ) không tiến tới một giá trị nào thì những tín hiệu đó gọi là tín hiệu không đồng nhất. Khi cộng 2 tín hiệu đồng nhất ta có thể viết: P T =2[p 1 +R ( τ ) ]=2p 1 [1+ρ(τ)] Trong đóρ(τ)] 1 0 R R p R là hệ số tương quan hay độ kết hợp Khi τ =0 thì hệ số kết hợp cực đại f(0) 0 0 R 1 R . Trong trường hợp này công suất tăng lên 4 lần P τ =4P 1 . Ngh ĩa l à khi đó 2 tín hi ệu sẽ kết hợp hoàn toàn, toàn bộ giá trị tức thời 2 tín hiệu biến thiên như nhau và cùng dấu nên công suất tổng cộng sẽ tăng lên. Nếu trong khoảng thời gian τ t ăng lên thì hệ số kết hợp ρ giảm xuống, khi τ t ăng đ ến một giá trị nào đó th ì hệ số kết hợp ρ=0, h àm đ ồng nhất bị triệt tiêu và P=2P 1. Có thể giải thích rằng những giá trị tức thời của hai tín hiệu biến thiên như nhau nhưng ngược dấu nên công suất triệt tiêu [...]... nhạc khí ,các nhóm nhạc khí hoặc quãng âm của chúng , cho dù chúng bị pha trộn với phản âm của phòng ; nó tạo điều kiện cho sự cảm thụ về một cấu trúc âm nhạc tổng thể Độ nét thể hiện sự trong sang của âm nhạc khi biểu diễn trong một phòng hòa nhạc cũng tương t ự như độ rõ của tiếng nói ( nhất là độ rõ của từ ) khi tiếng nói được trình diễn ( thí dụ kịch nói ) trong một nhà hát Trong biểu diễn âm nhạc. .. bass ) Trong các phòng nhỏ , sóng đứng tạo ra hiện tượng cộng hưởng phòng , làm cho âm thanh của phòng rất xấu 2.1.2.3.Hiện tượng hấp thụ âm thanh Đặc điểm âm học của một phòng phụ thuộc vào hai yếu tố : hình dạng , kích thước và cách xử lý âm thanh các bề nmawtj trong phòng cùng với thể tích của phòng , đặc tính hấp thụ âm thanh ( hay đặc tính hút âm ) của vật liệu được sử dụng trong phòng sẽ giải quyết... giọng nữ cao ,… Trong các phòng hòa nhạc hay nhà hát , âm thanh từ sân khấu đến người nghe ở cuối phòng còn bị suy giảm năng lượng do sự hấp thụ của khan giả ngồi trước Những tần số cao bị hấp thụ nhiều hơn , nên ở các dãy cuối phòng âm thanh có thể tối hơn phía trước Bằng giải pháp xử lý trần để lái các phản âm tới các hang ghế cuối phòng sẽ làm cho âm sắc ít biến đổi 2.1.2.2.Trường phản âm 2.1.2.2.a... đối với một nhạc khí nào đó trong dàn nhạc nhà hát nhạc – vũ k ịch , có khi chỉ thường xảy đối với một vài nốt nhạc của nhạc khí đó ; vì dàn nhạc phải ngồi dưới hố nhạc trước sân khấu , trực âm dễ bị che khuất và suy giảm năng lượng nhiều - Tăng cường năng lượng cho nguồn âm Những phản xạ với độ trễ nhỏ hơn 50 ms có thể làm tăng mức âm lên một vài dB và nâng cao độ rõ cho tiếng nói hoặc âm nhạc Vượt... song của âm thanh - Lý thuyết âm hình học : Theo lý thuyết này trường âm được xét dưới dạng tổng cộng của các tia âm ( song âm thay bằng các tia âm ) Các tia âm dựng theo quy luật quang hình học cho phép xác định điểm tới của âm trên các bề mặt của phòng 2.3.2 Thiết kế âm học theo nguyên lý âm hình học 1 Nguyên lý âm hình học: Khi âm thanh tới một bề mặt có kích thước là a xảy ra các hiện tượng sau... thì âm thanh sẽ phản xạ ra nhiều hướng , gọi là tán xạ Trong một phòng nếu có kích thước của các bề mặt phản xạ lớn nhỏ khác nhau , soa cho âm thanh tán xạ với mọi dải tần số , ta sẽ có một trường âm tán xạ , và như vậy tại mọi điểm trong không gian sẽ có âm lượng và âm sắc như nhau Trong các phòng hòa nhạc ta cần tạo nên những phản âm định hướng với mục tiêu rõ ràng : ở vùng sân khấu cần cho các nhạc. .. chất lượng âm học cuẩ phòng khan giả như kích thước , hình dạng vủa phòng , các giải pháp kết cấu , cách gia công các bề mặt trong phòng v.v… Một phòng có chất lượng âm học tốt nếu thỏa mản các yêu cầu sau: +Có đủ năng lượng âm trên mọi chỗ ngồi của khan giả(mọi chỗ ngồi có độ rõ tốt) +Âm vang của phòng phải phù hợp với mọi kích thước của phòng và chức năng của phòng +Tạo được trường âm thanh hoàn... động sấu (tiếng dội, hội tụ âm ) +Có một cấu trúc thích hợp về thời gian cũng như m ức âm giữa âm trực tiếp và âm phản xạ Tóm lại : Chất lượng âm học của phòng khan giả được đánh giá: a Độ rõ b Độ khuếch tán của trường âm: phụ thuộc vào khả năng phản xạ khuếch tán âm thanh các bề mặt trong phòng Một phòng được coi là có độ khuếch tán lý tưởng khi tại các điểm trong phòng đo âm thanh đến từ mọi hướng với... điệu của một đoạn nhạc) xảy ra đồng thời hoặc kế tiếp nhau Cảm giác không gian là khả năng hình dung đư ợc độ lớn và cách xử lý âm thanh trong một phòng Cảm giác không gian được tạo nên bởi những khái niệm cơ bản như: mức độ cuốn hút người nghe và khung cảnh âm thanh, độ lớn hay kích thước của phòng , độ vang và quang cảnh âm thanh của phòng Độ nét hay độ trong sang khi biểu diễn âm nhạc biểu thị khả... phòng +Âm thanh phát ra rõ rang và âm sắc không đổi +Sự cân bằng âm vang của các nhóm nhạc cụ tại mọi chỗ ngồi trong phòng Việc đánh giá chủ quan cho phép kết luận được chất lượng âm học của phòng nhưng không tìm ra phương pháp thi ết kế 1 phòng có chất lượng âm học tốt TRỊNH HOÀNG NAM 31 KHOA KINH TẾ KỸ THUẬT ĐIÊN ẢNH Đồ án tốt nghiệp a Đánh giá chất lượng âm học của phòng khan giả theo khách quan: Có
