Đi tìm nguyên nhân cháy loa tweeter (kỳ 2)

Trong kỳ này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về điều kiện để gây quá tải ampli cũng như hình dạng một số dạng sóng ở dải tần số nhất định.

Điều kiện gây ra quá tải

Khi ampli bị quá tải, méo tín hiệu sẽ xuất hiện. Điều này sẽ thể hiện ra từ nhiều khía cạnh, nhưng trong phạm vi bài viết chúng ta quan tâm đến hai yếu tố là sự xuất hiện hài âm và cắt giảm độ động – cả độ động thực cũng như tương quan mức đỉnh –trung bình. Lấy ví dụ từ kỳ trước là ampli giới hạn công suất cao nhất ở mức 100 watt, tương quan mức đỉnh –  trung bình (khoảng cách về mặt âm lượng giữa công suất đỉnh và công suất trung bình) là 10dB, như vậy công suất trung bình của ampli là 10 watt. Giả sử gây quá tải ampli bằng cách tăng thêm 3dB, như vậy công suất trung bình hiện tại là 20 watt (do tăng 3dB thì phải tăng gấp đôi công suất), và lúc này ở công suất đỉnh sẽ xén ngọn tín hiệu. Ở nhiều hệ thống, mức này nhìn chung chưa thể hiện ra chất âm. Thế nhưng với những người nhạy cảm với âm thanh, họ sẽ phát hiện ra méo tiếng và độ chi tiết, lượng thông tin được thể hiện.

Lúc này, cả tweeter và woofer buộc phải nhận mức công suất cao hơn gấp đôi mức mà chúng thường nhận, đồng thời năng lượng này cũng trở nên liên tục hơn do tín hiệu bị power-amp nén lại. Bên cạnh đó còn có hài âm được tạo ra từ tín hiệu bị xén ngọn, khiến tweeter nhận mức năng lượng thực tế có thể cao gấp 3 lần so với mức năng lượng khi tín hiệu chưa xén ngọn. Công suất đỉnh vẫn duy trì như cũ do bị giới hạn bởi điện áp nguồn của ampli.

Giờ, ta sẽ thử gây quá tải ampli thêm 10dB. Lúc này mức công suất trung bình lên đến 100 watt (thêm 10dB là gấp 10 lần công suất). Woofer sẽ phải chịu mức công suất liên tục 100 watt, trong khi ở tweeter con số này là 15 watt. Với mức năng lượng này, có khả năng chỉ có chưa đến 1% được chuyển đổi thành âm thanh (1% đại diện cho độ nhạy 92dB/W/m), còn lại chuyển thành nhiệt. Dầu tản nhiệt Ferrofluid có thể giúp làm mát một chút, nhưng nhìn chung không có hi-fi tweeter nào được thiết kế để chịu mức công suất ấy, dù khoảng thời gian có ngắn đến mức nào đi chăng nữa.

Để hiểu vì sao tweeter không chịu được con số 15 watt ấy, hãy thử xem xét trường hợp của một điện trở quấn dây (wirewound resistor) 10 watt. Loại điện trở này có kích thước rất lớn, được làm từ vật liệu gốm để có thể chịu được nhiệt tốt. Giờ, hãy thử để dòng điện công suất 10 watt đi qua điện trở liên tục và kiểm tra xem nó nóng đến mức nào. Quay lại với tweeter, với thiết kế thùng loa phổ thông như hiện nay, luồng khí lưu thông quanh cuộn voice coil của tweeter rất ít. Nhìn chung, nhiệt gần như không thể thoát ra ngoài. Cuộn voice coil sẽ nhanh hóng bị quá nhiệt, và chất kết dính để dính dây đồng vào ống cuộn, bản thân ống cuộn, thậm chí lớp men tráng để cách điện cũng bị hỏng. Khi ấy, tweeter chắc chắn sẽ bị hỏng luôn.

Đối với woofer, trừ phi được thiết kế để nhận công suất liên tục 100 watt hay cao hơn, kết cục của nó vẫn là quá nhiệt và hỏng. Chỉ khác ở chỗ thời gian để bị hỏng sẽ lâu hơn do có lưu thông không khí quanh voice coil và bản thân voice coil cũng lớn, chịu nhiệt tốt hơn. Dù vậy, cứ duy trì quá tải ampli như vậy thì hỏng woofer sẽ là điều không thể tránh khỏi.

Ví dụ về dạng sóng

Các đồ thị trong phần này sẽ được dùng để minh họa cho các nhận định của phần trên. Bảng dưới đây thể hiện kết quả của quá trình chạy mô phỏng. Dù vậy, ở ngoài đời thực, kết quả thu được cũng giống như vậy. Dạng sóng sử dụng trong mô phỏng được tạo thành từ các tần số sau:

Tần số ( Hz ) Biên độ đỉnh ( V ) Biên độ tương đối (dB)
160 10 0
400 10 0
1k0 8 -2.0
2k0 7 -3.1
3k5 6 -4.4
5k0 5 -6.0
9k0 3 -10.5
13k0 2 -14.0

Lưu ý rằng dạng sóng trong mô phỏng này không dùng để tái tạo lại âm thanh của bất cứ nhạc cụ hay đoạn nhạc nào. Nó chỉ là một loạt các tần số kết hợp với nhau tạo thành dạng sóng. Điều quan trọng ở đây là khả năng dùng các tín hiệu này để minh họa mức tương đối của một loạt dải tần số bị ảnh hưởng do xén ngọn tín hiệu như thế nào. Tương quan mức đỉnh – trung bình của tín hiệu là 8.56dB. Như đã nói ở kỳ trước, con số tương quan này nằm trong phạm vi mà chúng ta thường thấy ở bản nhạc thông thường, và vì không có tần số nào dưới 160Hz, ví dụ này có thể áp dụng cho các hệ thống sử dụng driver midrange – tweeter kết hợp với một subwoofer rời.

Tín hiệu (cả lúc thông thường cũng như khi bị xén ngọn) sẽ đi qua một bộ phân tần thụ động Linkwitz-Riley 12dB/quãng tám, tần số cắt là 3kHz. Đây là các thông số điển hình, thường thấy ở loa thụ động phổ thông. Các bộ lọc thụ động bậc thấp hơn, với tần số cắt thấp hơn sẽ cho kết quả không được khả quan.

Ampli mô phỏng sử dụng các đồ thị được giới thiệu dưới đây sẽ có nguồn cấp điện áp ±30V, như vậy công suất trung bình là 56 watt ở trở kháng 8 Ohm. Khi ampli bắt đầu xén ngọn tín hiệu, công suất lớn hơn sẽ bắt đầu đi vào cả woofer và tweeter. Đáng ngạc nhiên là lượng công suất thừa ra ấy không hẳn là do hài âm gây ra. Hài âm chỉ có tác động rất ít ở đây mà thôi.

Đầu tiên, đầu vào của ampli được thiết lập sao cho xuất hiện biên điện áp (voltage swing) tối đa, nhưng không gây xén ngọn tín hiệu. Điện áp đầu ra của ampli đo được là 11.2V RMS, tương quan mức điện áp đỉnh – trung bình là 8.56dB. Độ khuếch đại tăng thêm 6dB để xuất hiện “xén ngọn nhẹ” và thêm 6dB nữa (tổng cộng 12dB) để xuất hiện “xén ngọn mức trung bình”

do thi cac dang song

Đồ thị trên thể hiện dạng sóng ở mức ngay trước khi có xén ngọn tín hiệu. Vạch màu đỏ là tín hiệu toàn dải, màu xanh lá là tín hiệu cho tweeter và màu xanh dương là tín hiệu cho woofer. Chú ý rằng tín hiệu tweeter là tín hiệu liên tục không có đoạn ngắt nghỉ. Đây là điều rất quan trọng khi xét tiếp các dạng sóng tiếp theo.

do thi cac dang song 1

Đồ thị trên thể hiện phổ của dạng sóng tổng hợp, điện áp ampli ở mức ngay trước khi có xén ngọn tín hiệu. Đây là mức tham chiếu, phổ âm thể hiện tần số tại mức điện áp đặt trước của nó. Điện áp hiệu dụng của tín hiệu tweeter là 3.7V, so với 11.2V điện áp hiệu dụng của tín hiệu toàn dải trước khi cắt tần.

do thi cac dang song 3

Đồ thị trên thể hiện phổ của tín hiệu cho tweeter. Có thể thấy nó phản ánh các mức tương ứng, với dải trầm bị suy giảm do hệ thống phân tần.

(Hết kỳ 2)

Đi tìm nguyên nhân cháy loa tweeter (kỳ 1)

Đi tìm nguyên nhân cháy loa tweeter (kỳ 3)

Đi tìm nguyên nhân cháy loa tweeter (kỳ 4)
Bạn có thể tham khảo sản phẩm khác tại đây

Bí mật của thùng loa kim loại

Nguyễn Hào