2. Head Room (khoảng trống bên trên)
2.1 Định nghĩa
Các mức dòng tín hiệu trung bình (average line level) trong hệ thống âm thanh vừa mô tả trong phần 1 là +4 dBu (1,23 V), tương ứng với một mức độ âm thanh trung bình là 110 dB SPL ngay tại micro. Đây là cấp độ trung bình thường được gọi là cấp chương trình danh định (nominal). Sự khác biệt giữa mức độ danh định và cao nhất (đỉnh-peak) trong một chương trình là head room. Với các mức độ tại micro, chúng ta hãy tính toán head room cần thiết cho hệ thống âm thanh cho show đã mô tả trước đây.
Head room...
= (Peak Level) - (Nominal Level)
= 130 dB SPL - 110 dB SPL
= 20dB
Một lần nữa, head room là luôn luôn thể hiện bằng dB, đơn giản chỉ vì nó đơn thuần là mô tả một tỷ lệ, không phải là mức độ tuyệt đối; head room là 20 dB, không phải là 20 dB SPL. Tương tự, head room điện là 20 dB, theo tính toán ở đây:
Head room...
= (Peak Level) - (Nominal Level)
= 24 dBu - (+4 dBu)
= 20dB
Một lần nữa, head room là 20 dB, không phải là 20 dBu. Cung cấp amplifier được vận hành ngay dưới mức cắt (clipping level) của nó tại đỉnh tối đa (maximum peak) 250 watt, và ở các cấp độ danh định là 2,5 watt, sau đó nó cũng hoạt động với head room là 20 dB. Làm thế nào để chúng ta biết như vậy? Hãy tính toán nó:
dB = 10 log (P1 + P0)
= 10 log (250 + 2,5 watt)
= 10 log (100)
= 10 x 2
= 20 dB
Hình 1 minh hoạ head room và dynamic range trong một hệ thống âm thanh tiêu biểu, cho cả âm thanh lẫn electric. Các tỷ lệ S/N có thể thấy trên hình này đề cập đến tỷ lệ tín hiệu đến noise (Signal-To-Noise), đại diện cho sự khác biệt giữa mức sàn danh định và tiếng noise. Nó được hiển thị để bạn có thể nhìn thấy cách đặc tả này có liên quan đến dynamic range và head room. Nó có, tuy nhiên, một trong những khía cạnh khó khăn cho mối quan hệ giữa head room, tỷ lệ S/N và dynamic range là: bạn có thể luôn không thêm tỷ lệ S/N đến head room và hãy đưa ra dynamic range.
Những trình bày mới nhất có vẻ như mâu thuẫn với định nghĩa của chúng ta, nhưng không phải vậy, nếu bạn đọc thật kỹ. Bạn thấy, dynamic range là sự khác biệt giữa các phần lớn nhất và yên tĩnh nhất của các chương trình tín hiệu (program signal). Chương trình có thể là một sóng sine, voice, hay vài sự nhận thức tín hiệu âm nhạc. Các chương trình tín hiệu như vậy thường có thể được phân biệt rõ ràng ngay cả khi mức độ của nó chỉ là một vài dB dưới sàn (floor) tiếng noise của hệ thống âm thanh! Sau hết, tiếng noise có khá nhiều ngẫu nhiên, là tín hiệu band rộng, ngược lại chương trình được cấu trúc và, nói tương đối, là tín hiệu band hẹp.
Các tỷ lệ S/N, mặt khác, bắt đầu tại sàn tiếng noise và đi đến một mức độ danh định tùy tiện. Nếu điều này được cộng thêm cho head room, từ đó mức độ danh định sẽ đi đến mức tối đa, số dB có thể được ít hơn so với dynamic range... nếu cho phép khả năng của một tín hiệu nhận biết đó là dưới sàn tiếng noise.
Vấn đề là làm thế nào để quyết định có bao nhiêu dB dưới sàn tiếng noise có thể được phân biệt. Nó tùy thuộc rất nhiều vào các chương trình cụ thể, bản chất của tiếng noise, và người nghe. Đó là một suy nghĩ an toàn, và dễ dàng hơn để đo lường, để đi với giả định ban đầu của chúng ta mà dynamic range bắt đầu ở tầng tiếng noise ... ngay cả khi nó không phải là kỹ thuật chính xác ở tất cả các thời điểm, nó luôn lặp lại.
2.2 Tại sao Headroom quan trọng?
Head room, đặc điểm kỹ thuật, cho chúng ta biết điều gì đó về khả năng của hệ thống âm thanh có thể xử lý đỉnh (peak) của chương trình lớn. Với hai hệ thống âm thanh mà cả hai hoạt động ở mức độ danh định đó, hệ thống với head room lớn hơn sẽ có thể xử lý đỉnh cao to hơn trước khi distort, hủy hoại chính nó. Nhu cầu head room sẽ thay đổi với bản chất của thiết bị và mục đích vận hành hệ thống âm thanh.
Một hệ thống âm thanh để phóng thanh trong một môi trường như nhà máy lớn có thể cần phải có một mức độ âm thanh danh định rất cao (để khắc phục tiếng noise của máy móc), nhưng nó không cần nhiều head room hơn một vài dB... có lẽ nhiều nhất là 6 dB. Điều này là bởi vì tất cả điều nó làm là nhân bản giọng nói, hay âm thanh cấp cứu, và nó có thể được kiểm soát để duy trì mức độ âm thanh trong một giải rất hẹp. Trong thực tế, nếu hệ thống phóng thanh hoạt động ở mức độ danh định 110 dB SPL, 6 dB của khoảng không sẽ mang lại đỉnh 116 dB SPL. Đây chỉ là một vài dB dưới ngưỡng đau tai. Nếu cho head room bằng 20 dB như trong hệ thống concert đã mô tả trước đây được áp dụng ở đây, nó sẽ đạt đỉnh 130 dB SPL, và các công nhân có thể sẽ kiện vì bị ảnh hưởng thiệt hại tai sau tiếng thông báo phóng thanh đầu tiên.
Mặt khác, một hệ thống âm thanh nhằm hoàn thiện dàn nhạc giao hưởng có thể cần phải có head room nhiều hơn 20 dB. Điều này là do mức trung bình của dàn nhạc có thể rất thấp ... nói là 90 dB, nhưng trên những đỉnh lớn của nhạc cụ tympani, tiếng búng dây violin, hay vài nhạc cụ khác thực sự có thể đạt tới 120 dB SPL (nếu chỉ trong giây lát). Đó là head room đại diện cho 30 dB. Nếu hệ thống âm thanh chỉ có head room 20 dB, những đỉnh ngắn sẽ bị distort. Có lẽ điều này sẽ được chấp nhận trong một show rock lớn, nhưng một tai nghe nhạc cổ điển có thể nhận ra ngay điều này vì nó nghe có vẻ như là sự biến dạng tạm thời không tự nhiên, và hệ thống âm thanh cũng có thể bị chê bai bởi những diễn viên, nhạc trưởng, và / hay khán giả.
Điều này có nghĩa rằng cần các power amplifier và loa nhiều hơn cho một buổi hòa nhạc giao hưởng hơn cho một buổi hòa nhạc rock? Không phải ở tất cả. Cùng một số lượng thiết bị, hay có thể ít hơn, sẽ đủ để đáp ứng và có thể thiết lập để cung cấp head room thêm 10 dB.
Hãy nhớ rằng, 10 dB là tương đương với công suất nhiều hơn 10 lần, vậy làm thế nào bạn có thể có được head room nhiều hơn 10 dB từ cùng một hệ thống? Ừm, nếu bạn đọc kỹ, bạn sẽ thấy chúng ta mô tả chính xác cùng yêu cầu cao điểm 120 dB SPL... trong trường hợp này. Chúng ta chỉ cần head room nhiều hơn. Nếu chúng ta không nâng lên mức tối đa, chúng ta có thể làm giảm mức danh định ... đó là chính xác những gì đã được thực hiện. Chúng ta đã chuyển từ 100 dB SPL sang 90 dB SPL danh định, trong đó đã cho chúng ta phần head room thêm 10 dB. Trên thực tế, chúng ta chắc chắn sẽ có một hệ thống âm thanh cực kỳ tốt với một khả năng peak chỉ 117 dB SPL cho dàn nhạc (head room 27 dB), vì vậy chúng ta có thể không cần một nửa số lượng ampli và loa (hãy ghi nhớ rằng, 3 dB là một nửa công suất của toàn bộ hệ thống).
(....3. Thao tác.....)
(Biên dịch theo tài liệu của Yamaha)
