MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ GIÁM SÁT ÂM – Phần 1

1.   Máy đo mức âm

Hình 1: Sơ đồ khối máy đo mức âm cơ bản

Máy đo mức âm là một dụng cụ được thiết kế phỏng theo tai người, dùng để đo áp suất âm. Có rất nhiều dụng cụ đo âm khác nhau, nhưng về nguyên tắc mỗi dụng cụ đều gồm 3 phần: microphone, phần xử lý tín hiệu, thiết bị xuất. Microphone làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu âm sang tín hiệu điện. Tín hiệu này rất yếu, được khuếch đại bởi bộ tiền khuếch đại. Sau đó tín hiệu có thể được cho qua một hệ thống định lượng, đó là một mạch điện được thiết kế để “cảm nhận” độ lớn của âm như tai người. Cùng một nguồn âm nhưng dùng hệ thống định lượng khác nhau, máy sẽ hiển thị mức áp suất âm khác nhau. Có một số hệ thống định lượng tiêu chuẩn là “A”, “B”, “C”, “Z”, “Lin”.

Dải tần đo được thường rất rộng, có những phần không cần thiết. Để hạn chế dải tần cần đo, người ta dùng một bộ lọc, bộ lọc chỉ cho những tần số nằm trong băng tần chọn trước đi qua, băng tần này thường có độ rộng 1 octave hoặc 1/3 octave. Nhờ vậy đồ thị tần số sẽ chi tiết hơn (âm được phân tích ra nhiều tần số hơn).

Ví dụ băng tần đó có tần số từ f1 đến f2 , nếu f2 = 21.f1 thì băng đó là 1 octave, nếu f2 = 21/3.f1 thì băng đó là 1/3 octave. Như vậy một bộ lọc 1 octave có tần số chính giữa là 1 kHz sẽ cho qua tần số từ 707 – 1414 Hz

Hình 2: Bộ lọc 1 octave

Sau khi lọc, tín hiệu lại được khuếch đại, rồi tính giá trị RMS (máy đo dạng số). Giá trị RMS là một giá trị trung bình đặc biệt quan trọng, nó liên quan trực tiếp đến lượng năng lượng của âm đang đo.

Cuối cùng là bộ phận hiển thị, hiển thị mức âm theo dB (dùng hệ thống định lượng “Lin”), hay theodB(A) (dùng hệ thống định lượng “A”)… Bộ phận hiển thị có thể là dạng tương tự (kim quay) hay dạng số (màn hình hiện số).

a.      Microphone và bộ tiền khuếch đại

Một microphone luôn luôn phải đi đôi với một bộ tiền khuếch đại. Bộ tiền khuếch đại phải được chọn lựa thích hợp để nó không ảnh hưởng mạnh đến đặc tính riêng của microphone.

 

Hình 3: Bộ tiền khuếch đại của hãng B &K

 

Hình 4: Một số bộ tiền khuếch đại và cáp nối của hãng B &K 

Đặc tính của microphone:

 

Microphone được thiết kế nhiều kích thước khác nhau cho các mục đích khác nhau, mỗi loại đều có đặc tính riêng. Một số đặc tính quan trọng của microphone khi lựa chọn là: độ nhạy, dải tần số đo được, mức áp suất âm đo được… Để dễ so sánh, ta có thể dựa vào kích thước của chúng, có 4 kích thước là:1", 1/2", 1/4", 1/8".

· Dải tần đo được và độ nhạy

 

Hình 5: So sánh dải tần và độ nhạy của bốn loại microphone

Để so sánh độ nhạy và dải tần đo được của bốn loại microphone trên (theo kích thước), chúng được đem ra đo âm có cùng một áp suất là 1Pa. Điện áp đầu ra của bốn microphone này khác nhau (H.5). Dễ thấy rằng microphone có kích thước lớn nhất cho điện áp đầu ra cao nhất (nghĩa là độ nhạy cao nhất), trái lại, microphone có kích thước nhỏ sẽ đo được dải tần rộng hơn. Trừ một số loại microphone 1/2” hiện đại có độ nhạy tương đương loại 1" tiêu chuẩn (50mV/Pa), còn dải tần đo được thì trải rộng toàn bộ dải tần nghe được, loại này dùng trong hầu hết các ứng dụng, các loại khác thường chỉ dùng cho một ứng dụng đặc biệt nào đó.

·  Mức áp suất âm đo được

Mức áp suất âm đo được của bốn loại trên cũng tùy thuộc vào kích thước của chúng. Loại 1" hay 1/2" dùng để đo áp suất âm thấp, còn loại 1/4" hay 1/8" thì dùng để đo áp suất âm cao. Với loại microphone 1" đặc biệt, kèm theo bộ tiền khuếch đại thích hợp, cho phép đo được áp suất âm thấp đến –2,5 dB(= 15 µPa) nghĩa là 2,5 dB dưới ngưỡng nghe. Còn loại 1/4" đặc biệt cho phép đo áp suất âm cao đến 194 dB.

·  Vùng hoạt động

Phối hợp dải tần đo được và dải áp suất âm đo được của một microphone ta sẽ có được vùng hoạt động của microphone đó. Vùng hoạt động của một microphone có thể vượt qua dải tần số mà tai người nghe được, còn áp suất âm có thể từ rất nhỏ cho đến rất cao (vượt ngưỡng đau).

 

Hình 6: Vùng hoạt động

                                                            

Hình 7: Một số microphone của hãng B&K

· Một số yếu tố ảnh hưởng đến microphone

Gió, mưa, nhiệt độ, áp suất… có thể cản trở việc đo âm hoặc giảm độ chính xác. Các thiết bị phụ trợ như chắn gió, chắn mưa… rất hữu ích trong nhiều trường hợp (như đo âm ngoài trời chẳng hạn). Còn ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất thì thường được trình bày trong tài liệu đi kèm của microphone. Cũng cần chú ý rằng khi đưa microphone vào vùng âm, microphone sẽ làm biến đổi vùng âm, do có hiện tượng phản xạ (khi âm gặp bề mặt của microphone).

b.      Bộ định lượng âm

Tai người nghe một âm nào đó to hay nhỏ không chỉ phụ thuộc vào áp suất của âm (dB), mà còn phụ thuộc vào tần số. Nghĩa là cùng một áp suất âm, nhưng tần số khác nhau thì tai người nghe sẽ thấy lớn nhỏ khác nhau. Đơn vị “Phon” được dùng để biểu thị mức độ to nhỏ của một âm mà tai người nghe thấy. Giá trị Phon thay đổi theo tần số, ở tần số 1Kz thì giá trị Phon và dB bằng nhau. 

Hình 8: Đường cong Fletcher-Munson

Quan hệ giữa tần số và giá trị Phon được biểu diễn bằng các đường cong Fletcher-Munson (gọi theo tên người đưa ra các đường cong này). Giá trị dB thực sự sẽ được sửa đổi (cộng hoặc trừ đi một lượng tùy hệ thống định lượng nào được sử dụng) trước khi hiển thị ra màn hình.

 

Hình 9: Đường cong định lượng

Đường thẳng nằm ngang biểu diễn cho hệ thống định lượng Lin (một số tài liệu còn gọi là Z), viết tắt của Linear – tuyến tính. Hệ thống này không thay đổi gì cả, nghĩa là giá trị dB thật sự đo được bao nhiêu thì hiển thị bấy nhiêu.

Hệ thống định lượng “A” hiện nay được sử dụng phổ biến nhất. Các hệ thống định lượng còn lại ít dùng, thường chỉ dùng trong những ứng dụng đặc biệt (ví dụ như “D” dùng trong đo đạc tiếng ồn máy bay).

c.      Bộ lọc và đồ thị tần số

Khi thể hiện tần số của tín hiệu âm lên đồ thị, mức độ chi tiết của tín hiệu đó tùy thuộc vào bộ lọc được dùng. Bộ lọc 1/3 octave sẽ cho kết quả chi tiết hơn bộ lọc 1 octave. Điều này có thể hiểu đơn giản là ta “phóng lớn” hay “thu nhỏ” đồ thị tần số.

 

Hình 10: So sánh giữa 1 octave và 1/3 octave

d.      Các bộ đáp ứng thời gian

 

Hình 11: Minh họa bộ đáp ứng thời gian “F” và “S”

Hầu hết âm cần đo có độ lớn thay đổi theo thời gian. Nếu sự thay đổi diễn ra quá nhanh, các thiết bị hiển thị dạng tương tự (như kim quay) cũng dao động rất nhanh, việc đọc kết quả khi đó khó mà chính xác được. Muốn đọc được kết quả, ta phải “làm chậm” dao động của kim, bằng cách hạn chế lực (dùng ma sát chẳng hạn). Nhưng như vậy các đồng hồ đo dùng cách hạn chế lực khác nhau sẽ cho kết quả khác nhau, không thống nhất. Vì vậy, hai bộ đáp ứng thời gian đã được tiêu chuẩn hóa: “F” (Fast) và “S” (Slow). Tín hiệu thay đổi đột ngột ở đầu vào sẽ được bộ đáp ứng “giảm tốc độ”. Tốc độ thay đổi giảm nhiều hay ít tùy thuộc vào hằng số thời gian của bộ đáp ứng. “F” có hằng số thời gian là 125 ms, dùng để đo những âm thay đổi không quá nhanh. Còn “S” có hằng số thời gian là 1s, chậm gấp 8 lần “F”, dùng để đo những âm thay đổi nhanh.

Như đã nói, giá trị RMS là một giá trị trung bình liên quan đến năng lượng của âm. Có thể hiểu RMS là “giá trị hiệu dụng” của âm. Đo giá trị RMS của các xung va đập khi dùng hằng số thời gian “F”, “S” sẽ không tương xứng, vì vậy một số máy còn có hằng số thời gian “I” (Impulse), dùng riêng cho việc đo những xung va đập diễn ra rất nhanh (như tiếng gõ bàn phím, tiếng búa đập), “I” có hằng số thời gian là 35ms.

e.      Hiệu chuẩn thiết bị đo

Máy đo mức âm cần được hiệu chuẩn để đảm bảo độ chính xác của kết quả. Tốt nhất là nên hiệu chuẩn trước và sau khi sử dụng. Dụng cụ hiệu chuẩn tạo ra áp suất âm chuẩn để đồng hồ đo có thể chỉnh theo.

 

Hình 12: Hiệu chuẩn máy đo mức âm

· Hiệu chuẩn dùng âm tham chiếu bên ngoài

Hiệu chuẩn bằng âm là cách được ưa thích nhất, vì như vậy cả microphone, bộ tiền khuếch đại, và các bộ phận khác cũng được kiểm tra. Để thực hiện hiệu chuẩn bằng âm, cần lắp dụng cụ hiệu chuẩn vào microphone sao cho thật khít. Sau đó khởi động dụng cụ hiệu chuẩn. Dụng cụ này sẽ tạo ra âm chuẩn, được đo và hiển thị giá trị lên màn hình (hay kim chỉ) của máy đo. Người ta chỉ cần điều chỉnh giá trị hiển thị trên máy đo sao cho trùng với mức âm tạo ra bởi dụng cụ hiệu chuẩn.

Có hai dụng cụ phục vụ cho việc hiệu chuẩn bằng âm: pittông-phôn và một loại khác được gọi là máy hiệu chuẩn âm. Tất nhiên về nguyên tắc thì chúng đều là dụng cụ phát ra âm tiêu chuẩn cho máy đo tham chiếu.

 

Hình 13: Cấu tạo hai thiết bị hiệu chuẩn

Pittông-phôn tạo ra một âm có áp suất 124 dB ở tần số 250 Hz nhờ hai pittông nhỏ được điều khiển bằng một động cơ. Để đạt được kết quả hiệu chuẩn chính xác cao khi dùng pittông-phôn, cần chú ý đến ảnh hưởng của áp suất khí quyển. Bằng cách dùng một khí áp kế (thường kèm theo pittông-phôn) để đo áp suất khí quyển, rồi dựa theo tài liệu hướng dẫn riêng của dụng cụ kiểm tra đó để có điều chỉnh thích hợp.

Máy hiệu chuẩn âm có một loa nhỏ phát ra âm có áp suất 94 dB (~1 Pa) ở tần số 1 kHz.

·  Hiệu chuẩn dùng tín hiệu tham chiếu có sẵn trong máy

Một số dụng cụ đo mức âm có phần tạo tín hiệu tham chiếu có sẵn trong máy, có thể dùng để kiểm tra. Tuy nhiên, phần này nằm sau microphone và bộ tiền khuếch đại, tín hiệu tham chiếu không đi qua hai phần đó, nghĩa là chúng không được kiểm tra. Vì vậy, đây không phải là cách kiểm tra thay thế cho việc kiểm tra bằng âm ở trên. Nó chỉ hữu dụng cho việc kiểm tra nhanh, đặc biệt trong trường hợp đầu ra của máy đo mức âm được nối với các thiết bị khác (như máy ghi băng từ chẳng hạn).

Nói chung việc hiệu chuẩn các thiết bị đo là rất quan trọng. Cần tham khảo tài liệu đi kèm của từng dụng cụ đo cũng như dụn gcụ kiểm tra để có hướng dẫn cụ thể và chính xác.



c) Lắp microphone vào pittông-phôn

Hình 14: Các thiết bị kiểm tra của hãng B&K

(Còn tiếp)

Phạm Ngọc Tuấn – Nguyễn Văn Hiền

*

*

Top