Nguyên lý hoạt động của bộ phân tần Crossover - P.1

Hầu hết các hệ thống loa truyền thống đều có bộ phân tần (crossover) để đảm bảo mỗi củ loa chỉ hoạt động trong khoảng tần số phù hợp mà chúng được thiết kế. Bộ phân tần có chức năng chia đúng tần số cho mỗi củ loa theo yêu cầu thiết kế của củ loa đó.

Nắm bắt rõ được nguyên lý hoạt động của Crossover sẽ giúp bạn cải thiện chất lượng âm thanh đáng kể.

Nếu bộ giàn của bạn đã có phân tần chủ động hoặc phân tần bị động lắp sẵn rồi thì đôi khi bạn chẳng để ý đến nó làm gì. Tuy nhiên, việc tìm hiểu cơ chế hoạt động của crossover  cũng có nhiều điều rất lý thú, nó giúp chúng ta nâng cao hiệu năng của hệ thống, đồng thời tránh được những hư hại không đáng có cho bộ dàn. Dưới đây là một số điều bạn nên biết về crossover khi sử dụng chúng trong bộ dàn:

Nguyên tắc phân tách kênh 

Ngoại trừ nhà sản xuất loa Bose, rất nhiều hệ thống loa hiện nay sử dụng các củ loa không đồng nhất về kích thước, dải tần thiết kế nhằm tái tạo đầy đủ các dải âm tần. Ví dụ: hệ thống âm thanh trình diễn (PA: Public Address) đơn giản có thể gồm một củ bass/mid 12-inch hoặc 15-inch và đi kèm một củ treble kiểu kèn.

Những hệ thống âm thanh cỡ lớn hoặc hệ thống có thùng  loa sub riêng biệt có thể chia thành nhiều dải tần, trong đó các loa bass có thể đảm nhiệm dải tần từ 120Hz trở xuống. Điều này giúp cho các củ loa hoạt động đúng với phạm vi dải tần thiết kế. Trong toàn bộ dải âm tần thì năng lượng sóng âm tần số thấp (bass) lớn hơn đáng kể so với sóng âm tần số cao. Ví dụ với một loa sub 1000W thì loa mid chỉ cần khoảng 200-300W và loa treble 50-100W.

Mạch phân tần là một thiết bị trong hệ thống âm thanh, với mục đích chuyển tải đúng dải tần mong muốn tới củ loa tương ứng. Có hai loại mạch phân tần: chủ động và thụ động (lắp trong thùng loa, thường gặp trong các loa hi-fi truyền thống). Phân tần thụ động được lắp giữa loa và ampli, nghĩa là nó có nhiệm vụ chuyển tải toàn bộ năng lượng điện do ampli cung cấp cho các loa. Trong hệ thống loa hai đường tiếng, dải tần được chia thành 2 phần: phần tần số cao sẽ đi vào củ loa treble, phần tần số thấp đi vào củ loa mid/bass. Với hệ thống 3 đường tiếng, hệ thống cũng có 2 củ loa bass và treble như hệ thống 2 đường tiếng nhưng sẽ có thêm một củ loa phụ trách riêng cho phần mid và lúc này, bộ phân tần sẽ chia tín hiệu ra thành 3 dải tần riêng biệt khác nhau.

Phân tần không chỉ cải thiện chất lượng âm thanh của bộ giàn, nó còn có tác dụng bảo vệ củ loa treble khỏi các tần số thấp đi vào. Các củ loa mid và bass hầu như không bị hư hại do tác động của tín hiệu âm thanh tần số cao, tuy nhiên chất lượng tái tạo âm thanh tổng thể thì bị ảnh hưởng rõ rệt vì lúc này củ loa hoạt động với dải âm tần không đúng với thiết kế-chế tạo ban đầu.

Phân tần thụ động (được tích hợp sẵn trong các dòng loa)

Bộ phân tần crossover là một tổ hợp các mạch lọc tín hiệu điện thụ động. Trước hết ta quan niệm một bộ phân tần đơn giản nhất gồm các tụ điện, điện trở và cuộn các cuộn cảm. 

Mạch phân tần crossover thường được tích hợp sẵn trong các dòng loa thùng hiện nay

Bộ phân tần thụ động thường lắp bên trong các thùng loa, do đó tất cả những gì người ta phải làm là chọn một ampli thích hợp về công suất, trở kháng… để phối ghép với loa sao cho hợp lý. Với một hệ thống loa 3 đường tiếng, củ loa bass sẽ nhận tín hiệu điện từ mạch lọc tần số thấp (low-pass filter: chỉ cho các tần số thấp hơn điểm cắt đi qua), trong khi đó củ loa treble sẽ nhận các tín hiệu có tần số cao high-pass filter. Mạch lọc phải được thiết kế cẩn thận, chính xác để đạt được sự chuyển giao trơn tru giữa hai loại tín hiệu trên tại điểm cắt tần. Dải tần hoạt động của củ loa trung thì lại nằm ở khoảng giữa cho nên củ loa này đòi hỏi phải có cả hai mạch lọc ở trên để đảm bảo tín hiệu nhận được là ở dải trung. Kiểu kết hợp giữa low-pass filter và high-pass filter thường hay gọi là band-pass filter. Về lý thuyết, hiện chưa có mạch lọc nào có thể cắt tần hoàn hảo theo chiều thẳng đứng, trong khi đó các củ loa khác nhau lại hoạt động chồng lấn ở một số vùng dải tần tiếp giáp, cho nên đòi hỏi cao nhất của bộ phân tần là chuyển giao trơn tru các dải tần cho từng củ loa tương ứng.

Các dạng phân tần thụ động kể trên nhìn chung rất tiện dụng vì người sử dụng không phải can thiệp vào chúng, đáng tin cậy, và trong phần lớn các trường hợp chúng có giá thành khá hợp lý, ít nhất là cho các hệ thống có công suất nhỏ hoặc trung bình. Tuy vậy, khi hoạt động ở công suất lớn, các thành phần của bộ phân tần thụ động trở nên rất cồng kềnh và đắt tiền do chúng phải tải dòng điện thế lớn hơn. Ngoài ra, bản chất của bộ phân tần thụ động làm chúng tiêu phí năng lượng hữu ích. Một phần công suất của amply luôn bị hấp thụ bởi mạch phân tần thụ động thay vì được chuyển toàn bộ đến loa, do vậy, ta cần phải có amply công suất lớn hơn. Ngoài ra, trừ trường hợp các củ loa trong hệ thống nhiều đường tiếng của chúng ta có cùng độ nhạy (điều này hiếm khi đạt được), còn không thì củ loa có độ nhạy cao hơn luôn cần mức tín hiệu nhỏ hơn. Do vậy, để các củ loa khi kết hợp lại có thể tái tạo phẳng được toàn bộ dải tần, nhà thiết kế phải bỏ bớt một cách có chủ ý một phần công suất của amply bằng cách lắp thêm thành phần trở kháng để làm suy hao bớt mức tín hiệu đến củ loa có độ nhạy cao.

Độ dốc phân tần 

Bộ phân tần thụ động không thể đạt được độ dốc đáng kể tại điểm phân chia tần số nếu không làm tiêu phí phần công suất và không sử dụng các linh kiện đắt tiền. Ví dụ: mạch lọc đơn giản chỉ gồm trở và tụ chỉ đạt được độ dốc 6dB/octave, trong khi đó, sự kết hợp giữa tụ và cuộn cảm có thể tạo được độ dốc phân tần là 12dB/octave. Để đạt được độ dốc lớn hơn, nhiều tầng lọc phải được chồng lên nhau dẫn đến sự suy giảm nhiều hơn nữa hiệu suất của năng lượng điện. Chỉ số dB/octave càng cao, đáp ứng của mạch càng có độ dốc cao. Phân tần có độ dốc càng lớn thì các củ loa càng ít hoạt động chồng lấn tại vùng tần số gần tần số cắt, điều mà chúng ta luôn mong muốn. Nguyên nhân là sự chồng lấn quá lớn có thể dẫn đến vấn đề về pha do cả hai củ loa đều cố tái tạo tín hiệu khác nhau đôi chút tại cùng chồng lấn. 

Do hiện nay các amply rẻ hơn nhiều (và thường nhẹ hơn) so với trước đây, công suất của chúng không còn là vấn đề nghiêm trọng như trước, do vậy, các mạch phân tần thụ động có thể rất hiệu quả trong các hệ thống có công suất đến vài kilowatts.

Phân tần chủ động (là thiết bị được sản xuất chuyên phân tần số cho hệ thống loa)

Khác với phân tần thụ động, bộ phân tần chủ động chia tách dải tần trước khi chuyển sang các ampli. Mức tín hiệu dòng điện trong giai đoạn này không lớn nên phân tần chủ động không phải chịu mức năng lượng đáng kể, do vậy không cần các linh kiện lớn, cầu kì. Tuy vậy, điều này cũng đồng nghĩa với việc phải sử dụng các amply công suất cho mỗi khoảng tần số. Cụ thể, với hệ thống 3 đường tiếng ta cần 3 amply công suất riêng biệt.

Hiện nay những bộ xử lý tín hiệu âm thanh dạng kỹ thuật số bao gồm các tính năng như crossover, limiter,  canh delay đang dần thay thế dạng analog…

Do mạch phân tần chủ động chỉ làm việc ở mức tín hiệu audio nhỏ, các mạch lọc có thể được xây dựng và sử dụng các mạch điện tử tích cực thông thường tương tự như được sử dụng trong các bộ lọc tần số equalizer, vốn cho phép có được sự linh động hơn rất nhiều trong thiết kế. Và như vậy, thay vì phải tiêu phí năng lượng để chỉnh tín hiệu ra loa theo củ loa có độ nhạy thấp nhất, tín hiệu ra của mạch phân tần chủ động có thể được điều chỉnh để có được sự cân bằng tốt nhất giữa các củ loa. Điều này cho phép các nhà thiết kế lựa chọn củ loa dễ dàng hơn cũng như thiết kế được các mạch lọc có độ dốc cao hơn nên giảm được lượng tín hiệu ngoài giới hạn tần số hoạt động mà từng củ loa thường phải đảm nhận.

Bên cạnh đó, phân tần chủ động giảm nguy cơ gây hư hỏng cho loa treble. Trong trường hợp amply hoạt động ở ngưỡng xảy ra hiện tượng “clipping” – đây là trường hợp tín hiệu ra lớn hơn mức tối đa mà amply kiểm soát được, các sóng âm tần số thấp thông thường trở nên có dạng gần như sóng vuông chứa các các mức cao của các hài âm tần số cao. Sóng âm tần số thấp chứa các hài âm tần số cao này sẽ vượt qua mạch phân tần và đến loa treble tương tự như các tín hiệu tần số cao khác. Nếu có đủ năng lượng cao hoặc đủ thời gian, chúng có thể gây nóng cho cuộn dây của loa treble và gây cháy chúng.

Với bộ phân tần chủ động, do nằm trước amply nên các phần quá tải của phần bass sẽ vẫn được đưa sang amply của loa bass và đến loa bass. Loa mid và loa treble vẫn nhận được tín hiệu “sạch” từ các amply của chúng.

Loa siêu trầm trong các hệ thống âm thanh loại nhỏ 

Khi các thùng loa mid/treble được tăng cường bởi các thùng loa sub riêng (loa siêu trầm) thì các thùng bass này thường có sẵn mạch phân tần để đưa các tín hiệu có tần số cao hơn một mức nhất định (ví dụ 120Hz) đến loa chính còn phần thấp hơn đến phần amply của loa sub. Mạch phân tần trong loa chính sẽ chia tín hiệu cho củ loa bass/mid và củ loa treble. Thông thường, ta không cần điều chỉnh đáp ứng tần số ở dải trầm cho loa chính vì mạch phân tần trong loa siêu trầm đã làm việc này. Một lợi điểm phụ là chúng ta có thể dễ dàng hơn trong việc điều khiển phần trung âm còn lại. Tuy vậy, không phải loa siêu trầm nào cũng có mạch lọc cho loa chính, một số chỉ đơn thuần cho tín hiệu đi qua mà không lọc, trong trường hợp này, loa chính thường được trang bị mạch cắt âm ở tần số thấp.

Do nhiều loa siêu trầm được thiết kế để dùng đơn lẻ, do vậy tín hiệu cho chúng thường được tổng hợp thành mono, tuy vậy, tín hiệu được cho qua để đến loa chính vẫn được giữ nguyên ở dạng stereo. Đồng thời, loa siêu trầm cũng thường có phần chỉnh âm lượng cho riêng chúng để đảm bảo phần âm thanh trầm được cân bằng với toàn bộ dải âm còn lại. Điều này là cần thiết do lượng tiếng bass phụ thuộc vào tính chất âm học của phòng nghe và vào vị trí đặt loa siêu trầm. Việc sử dụng phân tần thụ động tích hợp trong loa siêu trầm hoặc dùng phân tần thụ động với amply công suất riêng biệt cho loa siêu trầm đều có thể đạt được cùng một hiệu quả như nhau. Nhìn chung, với các hệ thống nhỏ và trung bình thì phương pháp tích hợp phân tần thụ động vào loa là tiện lợi nhất cho dù ta phải cấp nguồn riêng biệt cho từng thùng loa.

Bảo vệ củ loa

Do loa có những giới hạn cả về cơ khí cũng như về nhiệt độ mà nếu bị vượt qua sẽ làm hỏng loa nên cần có những cơ cấu bảo vệ. Với hệ thống dùng phân tần thụ động, có thể dùng một số mẹo đơn giản như: mắc một bóng đèn điện thế thấp nối tiếp với loa treble (loa dễ hư hỏng nhất), khi đó, tín hiệu quá lớn sẽ đốt nóng dây tóc của bóng đèn và làm trở kháng của nó tăng lên, kết quả làm giảm lượng tín hiệu cấp vào loa treble. Tuy vậy, với hệ thống dùng phân tần chủ động, ta có thể dễ dàng thiết kế bộ phận giới hạn âm lượng để ngăn không cho amply phải hoạt động ở chế độ “clipping”. Các loa chủ động này vốn gồm mọi thứ được tích hợp trong thùng loa (có thể được lắp thêm các thiết bị theo dõi nhiệt độ ở amply và khi nhiệt độ tăng đến giới hạn nguy hiểm do quá tải, chúng sẽ giảm công suất hoặc tắt amply để bảo vệ hệ thống).

Hầu hết các hệ thống không đòi hỏi chúng ta phải biết chúng sử dụng loại phân tần nào, nhưng chúng ta sẽ có thể sử dụng chúng một cách hiệu quả hơn nếu chúng ta hiểu được sự khác nhau giữa hệ thống thụ động và chủ động đặc biệt là về vấn đề bảo vệ các củ loa. Chúc các bạn luôn thành công!