3 Thao tác:
Dynamic range trong hệ thống âm thanh thực tế
Hiếm khi những dynamic range và head room trình bày bởi một chương trình kết hợp chính xác đến khả năng của một hệ thống âm thanh nhất định. Thiết kế hệ thống âm thanh tốt nên tính đến các yêu cầu của chương trình tiêu biểu, nhưng ngay cả ở cái này cũng có những khó khăn và tài chính thực tế mà đôi khi phải kêu gọi sự thỏa hiệp. Làm thế nào sự thỏa hiệp như vậy có thể khả thi? Nó xảy ra ở tất cả các thời điểm. Nếu có một kế hoạch cho nó, kết quả của âm thanh nói chung sẽ được chấp nhận được tốt nhiều hơn nữa.
3.1 Tại sao không xây dựng một hệ thống âm thanh với Dynamic Range quá mức?
Có thể tăng dynamic range của hệ thống âm thanh bằng cách tăng mức độ âm thanh tối đa, hay bằng cách làm cho môi trường yên tĩnh hơn. Đôi khi có thể áp dụng phương pháp chữa tri sửa đổi âm thanh, và đây là một cách tiếp cận tốt cho show concert (không chỉ để tăng dynamic range nhưng để cắt giảm sự dư thừa tiếng vang dội). Vào những lúc khác, đặc biệt với hệ thống âm thanh lưu động, hầu như không có cách nào thiết thực để làm tăng mức độ tiếng noise chung quanh nhiều hơn. Vậy là có thể tùy chọn "tăng mức độ âm thanh".
Tăng mức độ âm thanh lên tối đa cho một hệ thống âm thanh sẽ làm các chi phí của hệ thống lên rất nhanh (trên thực tế, theo cấp số nhân). Đó là bởi vì mỗi khi tăng mức âm thanh lên 3 dB, đòi hỏi chính xác gấp hai lần khối lượng trong cả ampli lẫn loa. Chúng ta có thể giữ ampli và một loa nhạy cảm hơn ... không phải là một ý tưởng tồi, nhưng sau đó nó là một sự cá cược khá tốt khi xử dụng loa nhạy cảm. Bên cạnh đó, trong nhiều trường hợp, loa nhạy cảm sẽ lớn hơn và tốn kém hơn, và có thể không có đủ khoảng vật lý để gắn kết (hay tham gia với) loa như vậy. Có thể xử dụng loa định hướng cao hơn (thí dụ, loa horn với một góc phát tán hẹp), để tập trung công suất đang có vào một khu vực nhỏ hơn, và do đó cung cấp SPL cao hơn cho khu vực đó. Nếu không được, quay trở lại cho power amplifier nhiều hơn hay lớn hơn.
Không thể chi tiêu hàng ngàn đô la cho mỗi dB SPL tăng thêm trong các hệ thống âm thanh rất lớn. Cũng vì lý do này, ta thường cần tìm cách giảm nhu cầu về dynamic range. Ngoại trừ cho các hệ thống nhỏ, nơi mà một sự gia tăng 3 dB có nghĩa là thêm một bộ ampli và loa, nó thường quá tốn kém để xây dựng nhiều dynamic range hơn là cần absoutely.
3.2 Điều gì xảy ra khi hệ thống âm thanh không tương xứng?
Khi dynamic range của vật liệu chương trình vượt quá khả năng dynamic range của hệ thống âm thanh, một số sự kết hợp sau đây sẽ cho kết quả:
a) Chương trình peak sẽ bị distort do cliping và / hay loa bi bể, và / hay..
b) Sẽ không nghe được khoảng yên tĩnh bởi vì nó sẽ dưới âm thanh electronical và / hay sàn tiếng noise.
Chúng ta hãy tìm hiểu tại sao xảy ra chuyện này trong cùng một thiết lập âm thanh lý thuyết đã mô tả trong phần 1. Bạn có thể nhớ lại, trong tình huống đó mức âm thanh ở micro dao động từ 40 dB SPL đến 130 dB SPL, đại diện cho dynamic range của 90 dB. Mức tín hiệu tương ứng tại output của mixer dao động từ - 66 dBu (388 µV) đến 24 dBu (12,3 V), một lần nữa dynamic range là 90 dB. Cuối cùng, output của ampli tối thiểu là 0,25 µW đến 250 W, cũng là một dynamic range 90 dB.
Thí dụ: Giả sử rằng hệ thống âm thanh cho các show vừa mô tả được thực hiện bởi hai xe tải móc, và một cái chở các thiết bị điện tử bị pan xe trên đường cao tốc. Do đó, một hệ thống âm thanh địa phương (ít loa) phải được được thuê ở phút cuối cùng. Hệ thống âm thanh cho thuê được trang bị một mạch preamplifier micro noisier, và mixer có ít đường line output hơn so với thiết bị mắc kẹt trên đường cao tốc. Chúng ta may mắn, thuê đủ ampli công suất như nhau, và chúng ta vẫn có loa phóng thanh của mình. Vì vậy, chúng ta đo những thiết bị điện tử đi thuê và tìm thấy nó có một tiếng noise điện tử sàn là -56 dBu (1,23 mV), và mức độ output peak là 18 dBu (6,16 V). Dynamic range của hệ thống mới được lắp ráp này là bao nhiêu?
Để giải quyết vấn đề:
1) Dynamic range không tốt hơn so với liên kết yếu nhất (weakest link). Trong trường hợp này, chúng ta biết các mạch điện tử liên kết yếu (weak link).
Dynamic range...
= (Peak Level) - (Noise Floor)
= 18 dBu - (-56 dBu)
= 74dB
Dynamic range của hệ thống này chỉ được 74 dB.
2) Khi ban nhạc không thay đổi chương trình của mình, chúng ta biết chương trình vẫn có một dynamic range âm thanh là 90 dB, như trong hình 4.1. Rõ ràng là 16 dB của chương trình sẽ "bị mất" trong hệ thống âm thanh (90 dB - 74 dB = 16 dB).
Làm thế nào mà chương trình bị mất đi 16 dB? Có thể có các peak cliping cực đoan của chương trình, nơi mà output của mixer không thể tăng mức độ đủ để thực hiện theo các chương trình mức độ cao nhất. Khoảng yên tĩnh, tương ứng với mức tín hiệu thấp nhất, có thể bị chìm trong tiếng noise. Thông thường, các phần của sự khác biệt 16 dB của dynamic range giữa các hệ thống âm thanh và khu vực âm thanh tại micro này sẽ bị mất trong cả hai cách trên. Điều này minh họa tại sao, muốn có chất lượng cao, pro-sound cao cấp hay nhân bản âm nhạc, thì điều cần thiết là hệ thống âm thanh phải có mức độ noise thấp và công suất cao.
Cho đến giờ, chúng ta chỉ mô tả điện tử tuyến tính. Đó là, thay đổi 2dB cho mỗi mức độ của input, mức output cũng thay đổi bằng 2 dB. Điều này không phải bất kể như thế nào. Giả sử thay đổi 2dB cho mỗi mức độ của input, mà output thay đổi chỉ 1 dB. Điều gì sẽ xảy ra với dynamic range của chương trình? Nó sẽ được cắt giảm một nửa. Các dynamic range 90 dB sẽ trở thành 45 dB, như trong hình 2.
Trong thực tế, điều này là chính xác những gì có thể được thực hiện với một thiết bị xử lý tín hiệu đơn giản được gọi là compressor. Bằng cách đặt compressor cho một tỉ lệ compress tương đối nhẹ nhàng ở tỉ lệ 2:1, của thay đổi cấp độ input mỗi dB sẽ cho kết quả dB một nửa của sự thay đổi mức output. Compress như vậy thường có thể được chấp nhận, nhưng việc tái tạo âm nhạc quan trọng nhất, và trên thực tế, thường xử dụng tỷ lệ compress cao hơn nhiều.
Trong thí dụ ở mục 3.2, chúng ta chỉ cần có được chương trình từ năng động 90 dB xuống tới 74 dB. .. chỉ giảm dynamic range 16 dB. Có thể thiết lập compressor một tỉ lệ compress 1.21:1, nó sẽ ép từ 90 dB xuống tới 74 dB như trong hình 3. (Có thể yêu cầu một số điều chỉnh mức độ thực tế, cũng minh họa trong hình 3). Đây có lẽ là một ý tưởng tốt hơn nhiều so với xử dụng 02:01 bởi vì nó có thể lưu giữ nhiều các tác động âm thanh và âm thanh tự nhiên của chương trình trong khi vẫn cho phép nó phù hợp miễn cưỡng với hệ thống âm thanh.
Một số thiết bị cho phép compress được áp dụng trên một ngưỡng đã thiết lập, và tỉ lệ nén rất cao (khoảng từ 8:01 đến 20:01 hay thậm chí là vô cực:1). Các thiết bị này được biết đến là limiters, và hiệu ứng được gọi là limiting. Thuật ngữ này là thích hợp, vì một thiết bị giới hạn mức tăng output cao hơn bất kỳ, với compress vô hạn, hay cao hơn rất nhiều, với compress 10:01, bất kể tín hiệu input tăng hơn nữa. Thí dụ, giả sử ngưỡng được thiết lập tại 15 dBu, và tỉ lệ compress là 10:1. Vì vậy, miễn là input của compress dưới 15 dBu, mức output của limiter phù hợp chính xác với input của nó. Khi output tăng lên trên 15 dBu, output thay đổi rất ít. Ít bao nhiêu? ừm, với một tỉ lệ 10:1, sự thay đổi input 10 dB sẽ sinh ra thay đổi output 1 dB. Điều đó có nghĩa là một tín hiệu input 25 dBu sẽ làm cho output limiter tăng chỉ 1 dB đến16 dBu. Kể từ số ít, nếu có, nguồn input sẽ cung cấp nhiều đến 25 dBu trong bất kỳ hoàn cảnh nào, limiter về cơ bản đã hạn chế tất cả các tín hiệu input trên 16 dBu vì vậy nó không thể chuyển output cao hơn 16 dBu
Nhiều thiết bị có thể được thiết lập để compress hay limiting, và do đó được gọi là compressor / limiters.
Chúng ta đã thực hiện một giả định rộng rãi ở đây là compressor được chèn vào một nơi nào đó sau preamplifier micro của mixer và trước tầng output, và tất cả các vấn đề tiếng noise và head room trong mixer xảy ra sau compressor. Dĩ nhiên, các trường hợp không hoàn toàn giống nhau, khi preamplifier micro thường là một nguồn tiếng noise. Tuy nhiên, bộ khuếch đại tổng hợp trong mixer có thể được nút thắt cổ chai về head room, vì vậy xử dụng một compressor ở giai đoạn input thực tế có thể giúp đỡ. Mixer cũng thường có rất nhiều head room và dynamic range và để hạn chế dynamic range là hệ thống amplifier/loudspeaker. Trong trường hợp này, compress tại bất kỳ điểm nào trước các bộ ampli sẽ giúp đỡ.
Có một trường hợp đặc biệt, compression và trái ngược với nó là expansion được xử dụng để vượt qua giới hạn dynamic range trong một phần của hệ thống âm thanh. Đó là trường hợp xảy ra với một máy ghi âm analog, nơi mà dynamic range thường được giới hạn bởi tầng tiếng noise và mức độ distort của băngtừ hơn là điện tử. Có một phương pháp phổ biến được xử dụng để tránh tổn thất do bão hòa băng từ và tiếng rít. Nhiều máy phát băng và người tiêu dùng chuyên nghiệp đều được trang bị một hệ thống giảm tiếng noise, cũng được biết đến là một compander (như thiết kế bởi các công ty như Dolby laboratories, Inc và dbx, Inc).
Một hệ thống giảm tiếng noise compander cho phép các chương trình năng động ban đầu được duy trì trong suốt quá trình ghi âm và phát lại bằng cách compress chương trình dynamic range trước khi nó đi vào băng từ, và bổ sung mở rộng dynamic range như chương trình được lấy từ băng. Loại hệ thống này được minh họa trong hình 5.
Nhớ lại rằng head room là số lượng của mức độ (level) có sẵn trên các tín hiệu (danh định) trung bình cho peak trong chương trình.
Việc lựa chọn số lượng head room phụ thuộc vào loại vật liệu chương trình, ứng dụng, và ngân sách cho các amplifier. Đối với một ứng dụng âm nhạc, cao độ trung thực là việc xem xét cuối cùng, nhu cầu head room 15 dB đến 20 dB. Đối với các ứng dụng pro-sound, đặc biệt là với số lượng lớn amplifier, mà kinh tế đóng một vai trò quan trọng, head room đầy đủ thường là 10 dB. Trong các ứng dụng này, một compressor hay limiter có thể giúp giữ peak chương trình khi lựa chọn giá trị head room, và do đó tránh vấn đề cliping. Đối với tình hình khắc nghiệt (như trong một nhà máy), nơi nền âm nhạc và phát thanh phải nghe lớn hơn mức độ tiếng noise cao liên tục, nhưng mức tối đa phải được hạn chế để tránh các mức áp suất âm thanh cao nguy hiểm, số lượng head room nhỏ nhất là 5 dB hay 6 dB không phải là bất thường. Để đạt được như số lượng head room thấp, sẽ cần thiết một số lượng compress và / hay limiting, làm cho âm thanh phần nào không tự nhiên, nhưng cho phép được thông điệp thông qua cắt giảm.
(Biên dịch theo tài liệu của Yamaha)
