Hệ thống âm thanh vòm ảo hoạt động thế nào

Hệ thống âm thanh vòm ảo tạo ra những hiệu ứng như của một hệ thống âm thanh vòm thực sự nhưng sử dụng ít loa và cáp hơn.

Khi nghĩ đến rạp tại gia, hầu hết mọi người đều nghĩ tới những gì hoành tráng, như một màn hình cỡ lớn với một hệ thống hoàng loạt loa. Tuy nhiên, những thiết bị đồ sộ không phải lúc nào cũng phù hợp với tất cả mọi người. Rất nhiều gia đình không thể có đủ không gian cho chúng, hay nếu có thì họ lại không muốn phòng khách của mình dày đặc những dây nhợ, hoặc đơn giản hơn, họ chỉ muốn thưởng thức và rất ngại các thảo tác căn chỉnh, treo, sắp đặt hàng loạt các loại loa.

Đây chính là lúc mà hệ thống âm thanh vòm ảo thực hiện chức năng của mình.

Hệ thống âm thanh vòm ảo tạo ra hiệu ứng như một hệ thống vòm thực sự. Ảnh: Technabob.

Hệ thống âm thanh vòm ảo tạo ra những hiệu ứng như của một hệ thống âm thanh vòm thực sự, nhưng sử dụng ít loa và cáp hơn. Chúng thường tồn tại dưới hai dạng chính – hệ thống loa vòm 2.1 và hệ thống loa thanh (hay còn gọi là soundbar hoặc digital sound-projection). Trong hầu hết các trường hợp, hệ thống âm thanh vòm 2.1 chỉ sử dụng hai loa trước và thêm một loa siêu trầm đặt ở trong phòng. Hai loa trước có nhiệm vụ tái tạo hiệu ứng vòm như thể nó đến từ một hệ thống loa 5.1 thực sự. Còn hệ thống loa thanh lại đi theo hướng sử dụng một dải loa con xếp theo hàng (thường là ngang) để tái tạo âm thanh. Các loa thanh này có thể có hoặc không bao gồm loa siêu trầm.

Không tính tới cách thức sắp xếp, về cơ bản, hai hệ thống này hoạt động cùng theo một nguyên tắc: sử dụng kỹ thuật chỉnh sửa sóng âm khiến cho chúng có vẻ như đến từ nhiều loa hơn. Kỹ thuật này xuất phát từ một nghiên cứu về tâm thính học (psychoacoustics), hay cách thức con người tiếp nhận âm thanh.

Dưới đây là chi tiết về cách thức tiếp nhận âm thanh từ hệ thống loa vòm ảo, cũng như những gì cần lưu ý khi mua những hệ thống này.

Tiếp nhận âm thanh

Hệ thống âm thanh vòng ảo tận dụng các tính chất cơ bản của loa, của sóng âm và của quá trình nghe của người. Một loa, về cơ bản, là một thiết bị biến xung điện tử thành âm thanh. Quá trình này được thực hiện nhờ một màng loa hình nón chuyển động vào ra với tốc độ cao, từ đó kéo hoặc đẩy không khí xung quanh sinh ra âm thanh.

Khi các sóng âm này tới tai người, người nghe sẽ nhận biết đó là âm thanh nhờ một loạt quy trình nối tiếp nhau. Trước tiên, sóng phản xạ với vành tai (hay tai ngoài), sau đó đi vào bên trong ống tai, tại đó tác động làm dịch chuyển màng nhĩ. Các rung động màng nhĩ sẽ tác động tới sợi thần kinh trong ốc tai, chuyển tín hiệu tới não dưới dạng xung thần kinh. Não bộ sẽ biên dịch các xung này thành âm thanh.

Não bộ thông qua loạt quá trình biên dịch, giúp con người nhận biết ý nghĩa âm thanh. Nếu âm thanh là loạt từ nói, não sẽ đặt chúng cạnh nhau giúp ta hiểu được câu. Nếu âm thanh là bài hát, não bộ có thể phân tích từ, âm thanh họăc giai điệu, giúp bạn nhận biết được cái gì nổi bật, đồng thời cũng giúp nhận biết liệu bài hát đó đã được nghe bao giờ hay chưa hay có tương tự với các bài khác hay không.

Bên cạnh việc biên dịch ý nghĩa âm thanh, não bộ cũng sử dụng rất nhiều tín hiệu âm để giúp bạn xác định âm thanh đến từ đâu. Khả năng nhận diện và định vị nguồn âm là một khả năng vô cùng quan trọng. Nó giúp loài vật định vị được thức ăn, tránh được các động vật ăn thịt và tìm được động loại. Nó giúp bạn xác định liệu có người nào bám theo bạn hay chỉ đơn giản là tiếng gõ cửa là từ cửa nhà bạn hay cửa nhà hàng xóm.

Tín hiệu âm và âm thanh vòm ảo

Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi một mình trong một căn phòng rất yên tĩnh và đột nhiên có một âm thanh bất chợt vang lên, chẳng hạn một đồng tiền xu vừa rơi xuống sàn nhà. Thông thường mọi người sẽ gần như ngay lập tức quay đầu về phía nguồn âm đó. Việc quay về hướng âm thanh dường như là một bản năng – bởi gần như ngay lập tức, não bộ đã xác định được vị trí phát âm. Và nói chung, ngay kể cả với những người chỉ nghe bằng một tai, não bộ vẫn có thể định vị được.

Khả năng định vị nguồn âm bắt nguồn từ năng lực phân tích của não đối với các thuộc tính âm. Một trong số các thuộc tính đó là sự khác nhau giữa âm thanh mà tai phải nghe được và âm thanh tai trái nghe được. Hay có những thuộc tính liên quan tới sự tương tác giữa sóng âm với đầu và thân người. Kết hợp tất cả các thuộc tính sẽ tạo nên những tín hiệu âm khác nhau, qua đó não dùng để xác định chính xác nguồn âm đến từ đâu.

Hãy tưởng tượng đồng xu rơi trong một phòng học yên tĩnh ở đâu đó phía bên phải của bạn. Do sóng âm dịch chuyển vật lý qua không khí – một quá trình đòi hỏi thời gian – nó sẽ đến tai phải của bạn trước một vài phần giây so với tai trái. Thêm vào đó, âm thanh đến tai trái cũng bị giảm đi chút ít về mặt âm lượng do tính tiêu hao của sóng âm và một phần bị nhiễu do các âm bị hấp thụ và phản xạ qua tóc, đầu. Sự khác biệt về âm lượng giữa tai trái và tai phải gọi là khác biệt mức độ âm nội tại (interaural level difference_ILD), còn độ trễ thời gian giữa hai tai được gọi là sự khác biệt thời gian âm nội tại (interaural time difference _ITD).

Cách tiếp nhận âm thanh ở người. Ảnh: Howstuffworks.

Sự khác biệt về thời gian và mức độ âm thanh giữa hai tai tạo cho não một ý tưởng rõ ràng về việc âm thanh đến từ phía trái hay phải. Tuy nhiên, những sự khác biệt này không thể hiện được âm thanh đến từ phía trên hay phía dưới. Đó là bởi vì kể cả khi có sự thay đổi về độ cao, quãng đường âm thanh đi tới tai có thể vẫn không thay đổi. Hoặc ở một số trường hợp, nếu chỉ dựa vào sự khác biệt giữa thời gian và mức độ cũng khó có thể xác định liệu âm thanh đến từ phía trước hay phía sau nếu quãng đường chúng đến tai là bằng nhau. Mô hình này thường được mô tả là mô hình nón nhiễu (cone of confusion), trong đó nếu chỉ dựa vào các thông số ILD và ITD sẽ không thể xác định được nguồn âm đến từ đâu.

Một vấn đề cần lưu ý nữa là các thông số ILD và ITD đòi hỏi con người phải nghe bằng hai tai. Tuy nhiên, thực tế cho thấy kể cả những người chỉ nghe bằng một tai, não bộ vẫn có thể định vị nguồn âm nhờ các phản xạ âm nội tại trong mỗi tai.

Khi một sóng âm tới cơ thể người, nó sẽ bị phản xạ cả với đầu và vai. Ngay cả khi đến tai, một phần sóng âm cũng bị phản xạ với vành tai ngoài của người. Mỗi phản xạ đều tạo nên những thay đổi dù nhỏ trong sóng âm. Các sóng phản xạ này giao thoa với nhau, tạo thành các phần sóng âm to nhỏ khác nhau, làm thay đổi âm lượng và chất lượng âm thanh. Các thay đổi này được biết đến với khái niệm HRTF (head-related transfer functions). Không giống như thông số ILD hay ITD, góc độ từ đó âm thanh tới tai người dù cao hay thấp sẽ thể hiện sự khác biệt thông qua các phản xạ âm khác nhau trên bề mặt cơ thể. Phản xạ này cũng khác nhau giữa các âm thanh đến từ trước và sau cơ thể.

Những thông số HRTF tuy nhỏ nhưng có những tác động phức tạp tới hình dạng của sóng. Não bộ sẽ biên dịch các sự khác biệt về hình dạng sóng này, từ đó phân tích để định vị được nguồn âm.

Nghiên cứu phản xạ sóng âm.

Vành tai ngoài của người có nhiều bề mặt có thể phản xạ sóng âm. Hầu hết bề mặt này đều cong. Một số có thể hướng âm thanh về phía bề mặt khác trong tai, khiến cho sóng âm va đập xung quanh tai vài lần trước khi tới được màng nhĩ. Các tương tác sóng âm với mặt người, đầu, tóc và thân cũng rất phức tạp. Vì thế, các nhà khoa học đã nghiên cứu thông số HRTF ảnh hưởng tới cách thức tiếp nhận âm thông qua các thí nghiệm với nhiều nguồn âm, nhiều microphone và sự trợ giúp từ các phần mềm máy tính.

Trong một số trường hợp, các nhà nghiên cứu gắn trực tiếp rất nhiều microphone siêu nhỏ lên bề mặt ngoài thân của người làm thí nghiệm. Hoặc trong một số trường hợp khác, họ thay vì sử dụng người sẽ sử dụng một ma-nơ-canh được thiết kế như một mẫu người thật. Ma-nơ-canh dùng trong nghiên cứu âm thanh này còn được được biết đến với tên gọi KEMAR (Knowles Electronic Manikin for Acoustic Research) và vẫn được sử dụng trong nghiên cứu âm học tại phòng lab của Đại học công nghệ Masachusset.

Các microphone siêu nhỏ khi được gắn lên cơ thể thực hiện nghiên cứu chỉ có một nhiệm vụ duy nhất là thu âm. Máy tính sau đó sẽ phân tích những khác biệt âm thanh nhỏ nhất tại từng điểm khác nhau theo nguồn hoặc đo sự khác nhau của cùng một âm thanh trên từng phần khác nhau của cơ thể. Cuối cùng, các thông tin này sẽ được quy về một thuật toán hoặc tập các thuật toán. Thuật toán này về cơ bản là tập nguyên tắc mô tả các thông số HRTF và các yếu tố khác có ảnh hưởng tới hình dạng sóng âm. Khi áp dụng chúng với các sóng âm, thuật toán sẽ làm thay đổi hình dạng của sóng âm, gán cho nó một thuộc tính tương tự như thể nó đã được tương tác thật với cơ thể người.

Thuật toán vì thế đóng vai trò là trung tâm của hệ thống âm thanh vòm ảo. Tổng kết lại, quá trình này diễn ra như sau:

1. Các nhà nghiên cứu sử dụng microphone thu và nghiên cứu âm thanh từ một hệ thống 5.1 tiêu chuẩn. Thông thường nghiên cứu sẽ dùng ma-nơ-canh với các hình dạng cơ thể khác nhau, các kích cỡ hình dáng tai khác nhau, từ đó xác định cách thức tiếp nhận âm thanh chung của những người khác nhau.

2. Với sự trợ giúp của máy tính, các nhà nghiên cứu phát triển một thuật toán có thể tái tạo các âm thanh này.

3. Sau đó các nhà nghiên cứu áp dụng thuật toán mô phỏng 5.1 này lên hệ thống chỉ có 2 loa, tái tạo lại một trường âm với âm hình giống như với những âm được phát ra từ hệ thống 5.1 thực sự.

Nói cách khác, quá trình mô phỏng tín hiệu lên trên sóng âm nhằm đánh lừa não bộ rằng các âm này được đến từ một nguồn 5.1 chứ không phải chỉ có 2.1.

Công cụ và kỹ thuật sử dụng trong hệ thống âm thanh vòm ảo.

Bên cạnh sự tương tác giữa sóng âm với cơ thể người, các hệ thống âm thanh vòm ảo còn sử dụng một số công cụ và kỹ thuật khác để tái tạo âm thanh 5.1 kênh. Một số hệ thống, nhất là trong các hệ thống loa thanh thường dùng âm phản xạ giữa các bức tường trong phòng nghe. Ví dụ, để tạo các âm đến từ phía sau, âm thanh sẽ được phản xạ lại tường sau trước khi đến tai người nghe. Các hệ thống này thường đòi hỏi người nghe nhập các thông số kích thước căn phòng hoặc căn chỉnh vị trí đặt loa thông qua việc sử dụng các mocrophone nếu không muốn các phản xạ này bị lệch góc.

Các hệ thống sử dụng 2 loa lại thường tích hợp chức năng triệt tiêu giao thoa (crosstalk cancellation). Về cơ bản, đây là phương thức sử dụng sóng ngược để triệt tiêu các tác động không mong muốn giữa các âm chuyên cho tai trái và các âm chuyên cho tai phải. Điều này tránh tình trạng tai này lại phải nghe tín hiệu của tai kia, dễ làm mất đi âm hình mô phỏng trường âm 5.1.

Các thuật toán và giao thức triệt tiêu giao thoa được trợ giúp nhờ một bộ xử lý trung tâm, thường được bố trí trên các receiver/amlifier. Các thiết bị này chủ yếu gồm chip xử lý âm thanh có thể áp dụng thuật toán lên sóng âm theo thời gian thực. Các amplifier này sẽ nhận âm thanh từ các nguồn như đầu vệ tính hoặc DVD, áp thuật toán, điều chỉnh âm lượng cũng như chất lượng cần thiết trước khi gửi các tín hiệu này tới loa. Ở một số hệ thống, các receiver/amplifier có thể được tích hợp vào ngay trong thùng loa.

Nhược điểm lớn nhất của một hệ thống âm thanh vòm ảo đó là trường âm chỉ là giả lập chứ không phải đến từ các loa thật, vị trí thật. Vì thế để không gian ảo phát huy tác dụng, người nghe phải ngồi đúng vị trí điểm ngọt và nhìn thẳng vào màn hình. Ngồi quá xa điểm ngọt có thể khiến âm thanh trở nên không thật. Ngay trong quá trình nghe cũng có thể xuất hiện một số hiện tượng ngắt quãng, giao thoa giả tạo nhất là khi âm thanh dịch chuyển từ bên này sang bên kia hay từ trước ra sau. Bên cạnh đó, do âm thanh đến chủ yếu từ 2 loa nên trường âm thường không uy lực và kém tác động hơn các trường âm được tạo từ hệ thống âm thành vòm thực sự.

Ngoài ra, nếu chuẩn bị mua một hệ thống âm thanh vòm ảo, người mua cần lưu ý một số thông tin sau:

- Kích cỡ, hình dạng phòng: Do các loa này tận dụng lợi thế của tương phản âm, các hệ thống loa thanh thường không hoạt động tốt trong các phòng quá rộng họăc có không gian mở hoặc các phòng có hình dạng bất thường.

- Hiệu ứng mong muốn: Đừng quá kỳ vọng một chất âm hoàn hảo tạo mọi nơi trong phòng với các hệ thống âm thanh vòm ảo.

- Loa siêu trầm: Các hệ thống âm thanh vòm ảo dựa trên 2.1 thường gồm cả loa siêu trầm. Tuy nhiên các hệ thống loa thanh lại thường không có, vì thế để cải thiện âm trầm, tốt nhất bạn nên đầu tư thêm một loa siêu trầm.

- Yêu cầu cài đặt: Rất nhiều hệ thống loa âm thanh vòm ảo cho phép bạn chỉ cần cắm là chạy. Tuy nhiên tùy từng trường hợp mà một số hệ thống phải căn chỉnh trước khi hoạt động hoàn hảo.

- Giá cả: Thông thường các hệ thống loa vòm ảo có mức giá khá dễ chịu so với các bộ 5.1 hay 7.1. Tuy nhiên không phải là không có những hệ thống âm thanh vòm ảo chỉ 2.1 nhưng mức giá cũng không hề khiêm tốn, có thể tới 1.500 USD tới 2.000 USD hoặc hơn.

Theo Số Hóa