GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT THIẾT KẾ HỆ THỐNG ÂM THANH

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Chủ biên: Nguyễn Anh Tú GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG ÂM THANH Hà Nội - 2012 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện tử, thông tin truyền thông ngày phát triển nhanh chóng, có tiến khác đời sống xã hội trở thành công cụ quan trọng cách mạng khoa học kỹ thuật trình độ cao Song song với việc phát minh thiết bị nghe – nhìn phục vụ cho việc giải trí nhu cầu thưởng thức sống đòi hỏi cao hơn, “Hệ thống âm thanh” đòi hỏi cấp thiết nhu cầu thưởng thức Tuy nhiên, đưa hệ thống vào vận hành, sau thời gian hệ thống có cố Vậy khắc phục cố cách nào? Được hướng dẫn Tổng cục dạy nghề, Trường cao đẳng Công nghiệp nghề Hà Nội, khoa Điện - Điện tử tiến hành biên soạn giới thiệu giáo trình đào tạo sửa chữa “Hệ thống âm thanh” với nhìn tổng quan khắc phục cố hệ thống âm dân dụng Trong q trình biên soạn giáo trình, có sơ suất chuyên môn nghiệp vụ Rất mong đóng góp ý kiến chuyên gia, giáo viên đồng nghiệp đọc để ban biên tập hoàn thiện Ban biên tập cảm ơn quan liên quan, đơn vị, cá nhân tham gia biên soạn giáo trình Hà Nội, Ngày tháng năm 2012 T.M Ban biên tập Nguyễn Anh Tú Tuyên bố quyền Tài liệu loại giáo trình nội dùng nhà trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên học sinh, sinh viên nên nguồn thơng tin tham khảo Tài liệu phải trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội in ấn phát hành Việc sử dụng tài liệu với mục đích thương mại khác với mục đích bị nghiêm cấm bị coi vi phạm quyền Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm ơn thông tin giúp cho nhà trường bảo vệ quyền Địa liên hệ: Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội 131 – Thái Thịnh – Đống Đa – Hà Nội Điện thoại: (84-4) 38532033 Fax: (84-4) 38533523 Website: www.hnivc.edu.vn NỘI DUNG TỔNG QUÁT VÀ PHÂN BỐ THỜI GIAN: Thời gian Số Tên mô đun TT Tổng Lý số thuyết Thự c hành Khái niệm chung hệ thống âm 06 00 Mạch điện khối nguồn cung cấp 12 06 Sửa chữa mạch ổn áp tuyến tính 18 04 16 Mạch khuếch đại đầu vào 01 05 Mạch khuếch đại pha trộn 01 05 Mạch khuếch đại đảo pha 01 05 12 04 08 Mạch ECHO - khuếch đại tín hiệu ECHO Kiểm tra* 1 Mạch phân đường tín hiệu STEREO 12 04 08 Mạch điều chỉnh âm sắc 24 06 18 10 Mạch tiền khuếch đại công suất 01 05 11 Mạch khuếch đại công suất 24 06 18 12 Hệ thống loa 01 05 13 Sửa chữa hệ thống chuyển mạch 01 05 02 04 15 Micro 02 04 Hiện tượng, nguyên nhân phương 16 pháp chẩn đoán hư hỏng hệ thống 12 02 10 168 48 120 14 Sửa chữa mạch điều khiển chức vi xử lý 1 âm Cộng; * Ghi chú: Thời gian kiểm tra tích hợp lý thuyết với thực hành tính vào thực hành BÀI – KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG ÂM THANH Mục tiêu bài: Học xong học viên có khả năng: Về kiến thức: - Hiểu rõ nguồn gốc đặc tính âm - Hiểu rõ tiêu kỹ thuật hệ thống âm Về kỹ năng: - Phân loại loại hệ thống âm - Trình bày xác vị trí, cấu tạo, chức nhiệm vụ, tiêu kỹ thuật khối hệ thống âm Về thái độ: - Rèn luyện khả nhận biết khối máy thực tế thông qua sơ đồ khối - Rèn luyện tính kiên trì, cẩn thận người thợ sửa chữa điện tử - Rèn luyện tác phong công nghiệp vệ sinh an toàn lao động NỘI DUNG CỦA BÀI: 1.1 – Khái niệm chung âm 1.1.1 – Nguồn gốc âm Khi ta tác động lực vào dây đàn dây đàn rung nên phát tiếng Tiếng đàn ngân dài dây đàn hết rung âm tắt Khi ta gõ vào mặt trống, mặt trống rung nên phát tiếng Khi mặt trống hết rung tiếng trống Như vậy: Âm vật thể rung động, phát tiếng lan truyền khơng khí Làn sóng âm từ vật thể rung động phát ra, lan truyền không gian, tới tai người làm rung động màng nhĩ theo nhịp điệu rung động vật thể phát tiếng Nhờ đó, tai người nghe âm Âm truyền lan chất khí, rắn, lỏng truyền lan môi trường chân không Một số loại truyễn dẫn âm loại vải, vật liệu có tính chất mềm, xốp bông, cỏ, dạ…Tất loại vật liệu gọi chung chất hút âm Các vật liệu thường làm vật liệu lót tường phòng âm để hút âm nhằm giảm tiếng vang Trong trình truyền lan, gặp phải vật chướng ngại Tường, Núi đá, Cây… phần lớn âm bị phản xạ ngược trở lại, phần tiếp tục truyền lan phía trước, phần nhỏ lượng âm cọ sát với vật chướng ngại, biến thành nhiệt tiêu tán 1.1.2 – Đặc tính âm  Tần số: Tần số âm số lần dao động khơng khí truyền dẫn âm giây Đơn vị đo tần số Héc (Hz) VD: Khi ta chơi đàn ghita, gẩy nốt Mi dây đàn rung nên 330 lần giây Ta gọi tần số âm Mi 330Hz Tần số biểu thị độ cao âm thanh, Trong đó: - Tiếng trầm có tần số thấp - Tiếng (tiếng bổng) có tần số cao Ứng với tần số dao động F có chu kỳ dao động T bước sóng  Trong đó: - Chu kỳ dao động âm quãng thời gian âm dao động lần Chu kỳ ký hiệu T, với đơn vị giây Ta có: - Bước sóng âm khoảng truyền lan âm tương ứng với chu kỳ dao động Bước sóng âm tương ứng âm tần từ 21.25m đến 0.017m Bước sóng có ký hiệu , với đơn vị mét Ta có: =C*T Trong đó: C: Tốc độ truyền lan âm khơng khí (C = 340m/s) T : Chu kỳ âm Tuy nhiên thực tế âm phát âm đơn mà âm phức Âm phức bao gồm âm đơn số âm hài có tần số gấp 2, 3, 4…lần âm đơn Trong dải âm tần, người ta chia : - Tiếng trầm nằm dải tần từ 16Hz đến 300Hz - Tiếng trung nằm dải tần từ 300Hz đến 3000Hz - Tiếng nằm dải tần từ 3000Hz đến 20000Hz Tiếng nói người thường có tần số từ 80Hz đến 8000Hz Các nốt nhạc bát độ thứ có tần số là: Đồ – 262Hz, Rê – 294Hz, Mi – 330Hz, Pha – 349Hz, Son – 392Hz, La – 440Hz, Si – 494Hz  – Áp suất âm thanh: Áp suất âm hay gọi áp Âm truyền lan đến đâu làm thay đổi áp suất khơng khí Áp suất âm tạo điểm gọi áp điểm Thanh áp kí hiệu p, đơn vị đo áp bar 1bar áp tác động lên diện tích 1cm2 với lực 1đin, 1bar 1đin/cm2 Thanh áp tỉ lệ với bậc hai công suất âm thanh, ta tăng công suất lên lần áp tăng lên lần, tăng cơng suất lên lần áp tăng lên lần  – Công suất âm thanh: Công suất âm lượng âm qua diện tích S thời gian giây Công suất âm ký hiệu P tính theo cơng thức sau: P=p*S*V Trong đó: p: Thanh áp V: Tốc độ dao động phần tử khơng khí diện tích lượng âm qua S: Diện tích lượng âm qua  – Sự phản xạ, khúc xạ sóng âm thanh: Sóng âm với bước sóng , đường truyền lan gặp vật chắn có kích thước d xảy trường hợp sau đây:  Trường hợp 1:   d Hình 1.1: Sự phản xạ, khúc xạ sóng âm (trường hợp   d) Trong trường hợp này, sóng âm trườn qua vật chắn Hiện tượng người ta gọi tượng sóng uốn vịng  Trường hợp 2:   d Hình 1.2: Sự phản xạ, khúc xạ sóng âm (trường hợp   d) Trong trường hợp phần sóng âm phản xạ trở lại phần xuyên qua vật chắn truyền vào môi trường truyền âm Như vậy, tượng sóng âm gặp vật chắn đổi hướng gọi tượng khúc xa phản xạ Hiện tượng phản xạ khúc xạ sóng âm tuân theo định luận phản xạ, khúc xạ ánh sáng (Định luật phản xạ: Góc tới góc phản xạ nhau, tia tới tia phản xạ nằm mặt phẳng)  – Trường âm: Trường âm mơi trường vật chất mà sóng âm truyền lan Có hai loại trường âm:  Trường âm tự do: môi trường truyền âm khơng gian mở, khơng có tường bao vật chắn  Trường âm tán xạ: môi trường truyền âm khơng gian kín, có tường bao quanh vật chắn (Nhà ở, phòng hát, phòng thu…) Trường âm tán xạ có hai thành phần trực âm (Sóng âm trực tiếp) phản âm (sóng âm phản xạ), phản âm thành phần vơ phức tạp  – Vang trễ: Vang đặc tính âm phịng kín Vang tượng kéo dài âm sau tắt nguồn âm Thời gian vang (E) đại lượng vật lý sử dụng để xác định mức độ vang phòng Đơn vị đo thời gian vang giây (s) Hình 1.3: Đồ thị biểu diễn thời gian ngân vang Trong phịng kín nguồn âm S, người nghe vị trí cách nguồn âm S khoảng M, sóng âm đến tai người nghe hai đường:  Âm xạ trực tiếp từ S đến M  Âm phản xạ lên tường vật cản Có thể tồn n bậc phản xạ, qua lần phản xạ lượng âm bị suy giảm thời gian đến tai người chậm Q trình mơ tả sau: Hình 1.4: Q trình phản xạ sóng âm Khoảng cách từ trực âm đến tia phản xạ gọi thời gian trễ () Nếu  > 50ms tai người nhận biết khoảng cách trực âm tia phản xạ Thời gian vang xác định từ thời điểm ngắt nguồn âm đến lượng âm giảm xuống ngưỡng 60dB 1.1.3 – Sự cảm thụ tai người âm thanh: Tai người bình thường nghe âm dải tần số từ 20Hz đến 20.000Hz, có người có khả nghe âm tần số cao thấp 10 Người ta phân biệt khoảng 130 mức áp khác nhau, mức cách 1dB Tai người nhạy cảm với âm dải tần số từ 500Hz đến 5000Hz Ở khoảng tần số cần nguồn âm có áp nhỏ tai người nghe rõ khơng khoảng tần số cao hay thấp có áp lớn 1.2 – Khái quát hệ thống âm 1.2.1 – Chức năng, nhiệm vụ Hệ thống âm gồm có Micro, Ampli, đường dây, loa…u cầu hệ thống âm cung cấp âm đồng đảm bảo chất lượng khu vực truyền âm 1.2.2 – Phân loại - Phân loại theo mục đích sử dụng  Hệ thống âm dân dụng  Hệ thống âm chuyên dụng - Phân loại dựa vào kết cấu phần tử linh kiện chủ yếu hệ thống âm  Hệ thống âm dùng Ampli Transistor điện tử  Hệ thống âm dùng Ampli Transistor  Hệ thống âm dùng Ampli vi mạch - Phân loại theo cách mắc tải hệ thống âm  Hệ thống âm với tải mắc nối tiếp  Hệ thống âm với tải mắc song song 1.3 – Sơ đồ khối hệ thống âm 1.3.1 – Sơ đồ khối chức nhiệm vụ khối hệ thống âm mono  – Sơ đồ khối: 11 Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ thống âm mono  – Nhiệm vụ khối:  Khối 1: Mạch phân áp đầu vào: Tín hiệu đầu vào từ nhiều đường khác nên mức tín hiệu chúng lớn – bé khác Do cần phải có mạch phân áp đầu vào tín hiệu đưa vào máy tăng âm đồng  Khối 2: Mạch khuếch đại điện áp âm tần: Tín hiệu đầu vào có biên độ điện áp thấp nên cần phải qua mạch khuếch đại điện áp âm tần nhằm khuếch đại điện áp âm tần đầu vào đủ lớn lên để phục vụ cho tầng sau  Khối 3: Các mạch bổ trợ: mạch điều chỉnh âm sắc, âm lượng, mạch tăng thời gian ngân vang, mạch lọc phân đường tiếng cho loa, mạch bảo vệ loa…nhằm nâng cao chất lượng , tăng tính độ bền cho máy  Khối 4: Mạch khuếch đại trung gian (tiền khuếch đại): nhằm khuếch đại tín hiệu âm tần đủ lớn theo yêu cầu tầng khuếch đại cơng suất âm tần làm việc bình thường  Khối 5: Mạch khuếch đại cơng suất âm tần: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm tần đủ lớn theo yêu cầu để phát loa Mạch thường dùng 12 Transistor công suất mắc đẩy kéo làm việc chế độ AB nhằm làm cho công suất lớn với hiệu suất cao (mạch sử dụng IC cơng suất)  Khối 6: Mạch nguồn: Dùng để biến đổi điện xoay chiều đầu vào thành điện chiều nhằm cung cấp lượng cho tầng làm việc 1.3.2 – Sơ đồ khối chức nhiệm vụ khối hệ thống âm Stereo  - Sơ đồ khối: Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống âm Stereo  – Nhiệm vụ khối:  Khối 1: Mạch phân áp đầu vào: Tín hiệu đầu vào từ nhiều đường khác nên mức tín hiệu chúng lớn – bé khác Do cần phải có mạch phân áp đầu vào tín hiệu đưa vào máy tăng âm đồng 13  Khối 2.1 2.2: Mạch khuếch đại điện áp âm tần cho kênh Trái (L) kênh phải (R): Tín hiệu đầu vào có biên độ điện áp thấp nên cần phải qua mạch khuếch đại điện áp âm tần nhằm khuếch đại điện áp âm tần đầu vào đủ lớn lên để phục vụ cho tầng sau  Khối 3.1 3.2: Các mạch bổ trợ cho kênh L kênh phải R: mạch điều chỉnh âm sắc, âm lượng, mạch tăng thời gian ngân vang, mạch lọc phân đường tiếng cho loa, mạch bảo vệ loa…nhằm nâng cao chất lượng , tăng tính độ bền cho máy  Khối 4.1 4.2: Mạch khuếch đại trung gian (tiền khuếch đại) cho kênh L kênh phải R: nhằm khuếch đại tín hiệu âm tần đủ lớn theo yêu cầu tầng khuếch đại cơng suất âm tần làm việc bình thường  Khối 5.1 5.2: Mạch khuếch đại công suất âm tần cho kênh L kênh phải R: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm tần đủ lớn theo yêu cầu để phát loa Mạch thường dùng Transistor công suất mắc đẩy kéo làm việc chế độ AB nhằm làm cho cơng suất lớn với hiệu suất cao (mạch sử dụng IC công suất)  Khối 6: Mạch nguồn: Dùng để biến đổi điện xoay chiều đầu vào thành điện chiều nhằm cung cấp lượng cho tầng toàn hệ thống làm việc 1.4 – Các tiêu kỹ thuật hệ thống âm Tính kỹ thuật hệ thống âm nói riêng thiết bị nói chung cho ta biết chất lượng chúng Để đánh giá chất lượng hệ thống âm thanh, người ta thường vào tiêu tham số sau đây: Hệ số khuếch đại hiệu suất Đặc tuyến tần số Đặc tuyến biên độ Dải động mức tạp nhiễu Méo không đường thẳng Trong đó, đại lượng giá trị dịng điện, điện áp, công suất, đo mức danh định Giá trị hiệu dụng biểu thị từ viết hoa thơng số đơi kèm theo ký hiệu vms 14 Khi biết giá trị vài tham số ta tìm giá trị khác theo công thức sau đây: - Tại đầu vào có mối quan hệ: Uvào = Ivào * Rvào P vào = Ivào * Uvào = I2vào * Rvào = U2vào / R vào - Tại đầu có mối quan hệ: Ura = Ira * Rra Pra = Ira * Ura = I2ra * Rra = U2ra / Rra 1.4.1 - Hệ số khuếch đại hiệu suất  Hệ số khuếch đại tính tỉ số điện áp điện áp vào Ký hiệu : K Đơn vị đo: số lần Công thức: K = Ura / Uvào Hoặc tính K theo đơn vị Decibel (dB) Ta có: K(dB) = 20lgK(số lần) Trong trường hợp cho biết K(dB), muốn đổi K(số lần), ta tính theo cơng thức: K = 10K(dB)/20 Ví dụ1: Cho Ura = 80V Uvào = 0,05V Theo đề ta có: K = Ura / Uvào = 80 / 0,05 = 1600 (lần) Và tìm được: K(dB) = 20lg1600 = 20 * 3,2 = 64dB Ví dụ 2: Cho K(dB) = 38(dB) Từ kiện đề ta có: K = 1038 / 20 = 101,9 = 80 (lần) Nếu tải không trở, có nghĩa mang tính cảm kháng dung kháng pha điện áp khơng pha với điện áp vào 15 Bởi vậy, hệ số khuếch đại lúc tính bằng: K = a + jb Biên độ là: Góc lệch pha điện áp với điện áp vào là: φ = aretang b/a Chú ý: - Hệ số khuếch đại dịng điện cơng suất tính tốn tương tự điện áp - Khi ghép n tầng khuếch đại với hệ số khuếch đại tương ứng K1, K2…K n, hệ số khuếch đại tổng cộng khuếch đại là: K∑ = K1 * K2 * K3 * … * Kn Hoặc: K∑(dB) = K1(dB) + K2(dB) +…+ Kn(dB)  Hệ số hiệu dụng hay hiệu suất (η) biểu thị tỉ số công suất có ích đưa tải (Pra) với cơng suất tiêu thụ lượng nguồn (P0) η = Pra / P0 Ví dụ: Hiệu suất mạch điện công suất làm việc chế độ A 0,25 (tức 25%), nghĩa lượng cung cấp 100% chuyển thành cơng có ích 25% Tương tự vậy, mạch khuếch đại công suất làm việc chế độ B đạt hiệu suất từ 70 – 80% 1.4.2 - Đặc tuyến tần số: Đặc tuyến tần số đường cong biểu diễn mối quan hệ hệ số khuếch đại (K) mạch điện biến đổi theo tần số làm việc, từ đầu đến cuối dải tần Hình 1.7: Đặc tuyến tần số 16 Chú ý: Do mạch điện có linh kiện điện kháng tụ nối tầng, tụ tạp tán, tụ phân đường…nên hệ số khuếch đại bị suy giảm phía tần số thấp phía tần số cao gây nên méo tần số, đó:  Hệ số méo tần thấp là: MT = KTB / KT  Hệ số méo tần cao là: MC = KTB / KC Trong đó: KTB hệ số khuếch đại lấy chuẩn tần số 400Hz 1000Hz 1.4.3 - Đặc tuyến biên độ, dải động tạp nhiễu:  Đặc tuyến biên độ: Là đường biểu diễn mối quan hệ điện áp điện áp vào lấy tần số cố định dải âm tần U = f (Uvào) Phạm vi làm việc đặc tuyến biên độ phải đường thẳng Nếu Uvào lớn gây tải bão hòa cho mạch khuếch đại Nếu U vào q nhỏ, nằm ngồi đoạn thẳng tạp âm xuất đầu Trường hợp khơng có tín hiệu vào đầu có tạp âm riêng tầng khuếch đại UN Hình 1.7: Đặc tuyến biên độ  Dải động tín hiệu (DS): Là tỉ số trị số cực đại cực tiểu điện áp vào để đặc tuyến biên độ đường thẳng DS = UVmax / UVmin  DS (dB) = 20lgDS 17 Để điều chỉnh dải động mạch khuếch đại cho thích hợp dùng chiết áp vặn tay mạch tự động điều chỉnh âm lượng (ALC: Automatic Level Control)  Tạp nhiễu: Là tín hiệu khơng mong muốn xuất đầu vào làm giảm chất lượng tín hiệu đầu Tạp nhiễu hệ thống âm do: - Tạp nhiễu điện - từ trường bên - Tạp âm nhiệt - Tạp âm riêng linh kiện mạch điện - Tạp âm hiệu ứng micro - Tạp âm độ gợn sóng nguồn chỉnh lưu cung cấp điện… Chống tạp nhiễu điện từ trường cách dùng bọc kim loại, biến áp nguồn mô tơ phải đặt cách xa mạch vào, đường sức từ phải vng góc nhau… Giảm tạp âm tiếng ù cách chọn tụ lọc có giá trị đủ lớn lọc thật kỹ cho tầng khuếch đại micro tiền khuếch đại Mức gợn sóng khơng vượt q 1mV Giảm tạp nhiễu hiệu ứng micro đệm cao su nỉ mạch điện micro để máy tăng âm Ngồi cần phải có hiểu biết trang âm, cách bố trí loa cho thích hợp Tạp âm nhiệt phụ thuộc vào dải nhiệt độ, dải tần số làm việc, điện trở vào điện trở tạp âm riêng Tranziro Tạp âm nhiệt gây tác động rõ rệt tầng đầu Phần tử tạo nên tạp âm điện trở vào điện trở tạp âm riêng Transistor Tạp âm tầng đầu phụ thuộc vào dải tần tín hiệu điện trở vào, tính theo cơng thức: Trong đó: fC , fT tần số cao thấp tương ứng với mức 0,707 đặc tuyến tần số, lấy fT = Fmin , fC = fmax cho kết nằm sai số cho phép ví dụ: Cho fC = 10.000Hz 18 fT = 50Hz Rvào = 600Ω Ta có: Nếu chọn: RVào = 5KΩ UTN = 0,65µV Rvào = 10KΩ U TN = 0,92µV Kết luận: - Tạp âm nhiệt tăng theo hàm số mũ bậc ½ dải tần số tín hiệu điện trở vào - Điện áp tạp âm nhiệt loại dao động lộn xộn, khơng có chu kỳ 1.4.4: Méo khơng đường thẳng: Là méo dạng tín hiệu đầu so với dạng tín hiệu đầu vào mạch khuếch đại Nguyên nhân gây méo không đường thẳng phần tử không đường thẳng mạch gây nên, đặc tính vào đặc tính Transistor khơng tuyến tính Ngồi cịn đặc tính đường cong từ hóa lõi sắt biến áp gây nên Méo không đường thẳng thể hiện, thành phần tần số đầu xuất tần số “lạ” khơng có mặt đầu vào, sóng hài nw với n = 1,2,…và có biên độ tương ứng U nm Hệ số méo khơng đường thẳng tính theo công thức: Ở hệ thống âm thông thường, méo không đường thẳng cho phép nằm phạm vi từ (5 – 7)%, cao cấp từ (1 – 2)%, loại máy có độ trung thực cao méo đạt từ 1% đến 0,01% 19 Câu hỏi tập: Câu Hãy trình bày đặc tính âm Câu Hãy so sánh giống khác hệ thống âm Mono hệ thơng âm Stereo Câu Hãy trình bày tiêu kỹ thuật hệ thống âm Bài tập Biết mạch điện có: Ura = 120V Uvào = 0,04V Hãy xác định hệ số khuếch đại mạch điện Kiểm tra, đánh giá Điểm chuẩn Nội dung Kiến thức: - Hiểu rõ nguồn gốc đặc tính âm - Hiểu rõ tiêu kỹ thuật hệ thống âm - Phân loại loại hệ thống âm - Trình bày xác vị trí, cấu tạo, chức nhiệm vụ, tiêu kỹ thuật khối hệ thống âm - Xác định hệ số khuếch đại mạch điện cụ thể 20 2