Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.19Kiến trúc của hệ thống mã hóa âm thanh
Âm thanh trong tự nhiên là một tín hiệu tương tự liên tục được đưa vào hệ thống thông qua một máy thu hoặc một micro có nhiệm vụ chuyển đổi áp xuất không khí (hoặc biên độ) thành tín hiệu điện (điện áp).
Tín hiệu điện được đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC. ADC xác định sự thay đổi điện áp và chuyển đổi cường độ điện áp thành giá trị số. Kết quả thu được tín hiệu số rời rạc đã được mã hóa.
Tín hiệu số được chuyển cho hệ thống kỹ thuật số để phân tích, lưu trữ, xử lí...
Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự DAC sẽ nhận tín hiệu số từ hệ thống kỹ thuật số chuyển đổi thành tín hiệu tương tự (tín hiệu điện áp).
Cuối cùng tín hiệu điện thông qua máy phát âm hoặc loa sẽ chuyển đổi thành áp suất không khí và âm thanh được hình thành lại.
2.2 Đặc trƣng của dữ liệu âm thanh
2.2.1 Dữ liệu âm thanh
Âm thanh là dao động sóng âm gây nên áp lực làm dịch chuyển các hạt vật chất trong môi trường đàn hồi, khiến tai người cảm nhận được các dao động này. Tai người nghe được tín hiệu trong khoảng tần số 20Hz đến 20KHz. Âm thanh tự nhiên là sự kết hợp giữa các sóng âm có tần số khác nhau. Tai người có ngưỡng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nghe từ 0dB đến ngưỡng bị đau, khoảng 120dB. Ngưỡng nghe tối thiểu là mức thấp nhất của biên độ mà tai người cảm nhận được âm thanh.
Hình 2.20Mô tả sóng âm
1. Tỉ lệ lấy mẫu: kích thước tệp sóng âm tuỳ thuộc vào tỉ lễ lấy mẫu (tần số lấy mẫu) khi ghi. Đó chính là số mẫu âm thanh lấy trong một giây để thể hiện sự kiện số hóa. Càng nhiều mẫu trong một giây, thể hiện số của âm thanh càng chính xác. Chẳng hạn, tỉ lệ lấy mẫu đối với âm trên đĩa CD là 44.100 mẫu trong một giây. Các mẫu có thể sinh chính xác tần số âm đến 20.500 Hz, phủ ngưỡng nghe của người dùng.
2. Kích thước mẫu: âm thanh có thể được làm mẫu với kích thước 8, 12, 16 hoặc 32 bit.
3. Mono/Stereo: âm thanh chỉ một đường, thể hiện âm thanh của một đối tượng, là âm mono; âm tập thể có hai đường âm độc lập, đan xen nhau, là âm stereo.
Dạng thức của âm thanh: phân loại dạng âm thanh dựa trên nhóm kích thước mẫu và phương pháp nén dữ liệu
Ngoài ra, liên quan đến âm thanh còn có các đặc trưng khác như (i) hiệu ứng che khuất âm thanh: hiện tượng mà ngưỡng nghe của âm tăng lên so với âm khác; (ii) hướng âm thanh: tai và não người có khả năng định hướng, tạo nên hiệu ứng âm thanh nổi; (iii) vang và trễ: hiện tượng âm được kéo dài, tuy nhiên nếu quá 50ms thì đó là tiếng vọng; (iv) âm nhạc: âm thanh với cao độ, âm sắc, nhịp điệu, nhằm gây cho tai cảm giác êm dịu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2.2 Các đặc trưng của âm thanh
2.2.2.1 Bản chất vật lí của âm thanh
Theo Whitaker, Benson 2002, âm thanh là nhiễu loạn về vật lí trên phương tiện truyền. Âm thanh truyền trong không khí gây tác động áp suất khác với áp suất khí quyển bình thường.
2.2.2.2 Sóng âm
Âm thanh có bản chất là dao động sóng cơ học được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kì, biên độ và vận tốc lan truyền. Đối với con người, âm thanh là sự giao động có tần số từ 20Hz đến 20000Hz của các phần tử không khí và lan truyền trong không khí va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích bộ não. Trong thực tế âm thanh có tần số cao hơn hay thấp hơn tần số mà tai người có thể nghe thấy, và có thể lan truyền trong mọi vật chất. Như vậy, âm thanh là sóng cơ học theo lưỡng tính sóng hạt của vật chất.
2.2.2.3 Pha
Pha, hay pha của sóng hay của chuyển động tuần hoàn nói chung là góc trong chuyển động tròn đều. Ví dụ, xét hàm số sin thể hiện một sóng đơn sắc, tại thời điểm cố định t, sau đây: f(t)=sin(2πFt+φ). Trong đó, t là thời gian, F là tần số, đại lượng 2πFt+φ là pha của hàm sóng, φ là pha ban đầu (tại thời điểm t=0), T=1/F được gọi là chu kì của sóng.
Hai hàm sóng được gọi là lệch pha nếu pha ban đầu của chúng khác nhau. Hai sóng cùng pha có độ lệnh pha bằng 0 sẽ cộng hưởng, hai sóng ngược pha có độ lệnh pha ban đầu bằng π sẽ triệt tiêu.
2.2.2.4 Phổ âm thanh
Theo từ điển Wikipedia 2010, mức độ trầm bổng của âm thanh hoặc nốt nhạc được chơi bởi một nhạc cụ, tạo ra bởi sự kết hợp của một số lượng những tần số vật lí âm thanh riêng biệt. Giá trị tần số thấp được gọi là tần số nền hay tần số cơ bản và cường độ mà tần số này sinh ra được sử dụng để đặt tên nốt nhạc. Chẳng hạn, nốt La (A) có tần số 440Hz. Những tần số khác được gọi là bội âm của tần số cơ bản, đó có thể là bội số hoặc thương số của tần số cơ bản.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi chuyển nhìn nhận âm thanh theo thời gian sang nhìn nhận theo tần số, người ta có khái niệm phổ tần số-biên độ.
2.2.2.5 Năng lƣợng âm thanh
Năng lượng sóng âm thay đổi theo nhiều phạm vi. Theo đánh giá của Whitaker, Benson 2002, Yamaha 1990 như sau:
Tỉ lệ năng lượng âm thanh, tức tỉ lệ áp suất tác động của âm thanh được so với (i) thay đổi theo dB ứng với năng lượng; (ii) thay đổi dB ứng với ấp suất âm thanh.
Cường độ âm thanh điển hình đối với một số nguồn:
Máy bay phản lực cách 10m, mức áp suất âm thanh 130-160dB, cường độ
103W/m2, tác động tức khắc, tác hại đến tai.
Ồn đô thị cách 15m, 70dB, 10-6
W/m2.
Tiếng thở, 10dB, 10-12W/m2, không nghe thấy.
2.2.2.6 Nhịp và phách
Phách là thay đổi đều đặn theo biên độ rung phức tạp, được tạo nên nhờ chồng các rung có cùng tần số và biên độ. Người ta nghe thấy thay đổi theo âm lượng với tần số âm cơ bản.
2.2.2.7 Cộng hƣởng
Cộng hưởng là hiện tượng xảy ra trong dao động cưỡng bức, khi một dao động được kích thích bởi một ngoại lực tuần hoàn có cùng tần số với dao động riêng của nó. Khi có sự cộng hưởng thì biên độ dao động đạt giá trị cực đại.
2.2.2.8 Formant
Một vùng phổ, tức các dòng phổ, thay đổi theo hưởng ứng cộng hưởng tần số, và hạng tần số với cực đại của độ rộng của vùng được gọi là formant. Formant là khía cạnh phân biệt các nguyên âm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.21Formant phân biệt ah, uh
2.3 Âm thanh, âm nhạc và tiếng nói
2.3.1 Tương quan âm thanh, âm nhạc và tiếng nói
Âm nhạc sẽ không tồn tại nếu không có âm thanh. Tất cả những gì có tính nhạc đều xuất phát từ âm thanh, nhưng ngược lại thì không đúng, có rất nhiều âm thanh không có tính nhạc. Giữa âm thanh có tính nhạc và âm thanh không có tính nhạc luôn có sự khác nhau. Tiếng nói cũng là âm thanh, nếu xét theo phương diện âm thanh có tính nhạc và âm thanh không có tính nhạc thì tiếng nói có một phần là âm thanh có tính nhạc và một phần là âm thanh không có tính nhạc.
Hình 2.22Sự tƣơng quan giữa âm thanh, âm nhạc và tiếng nói
Dạng sóng âm không có tính nhạc của cánh cửa khi sập lại không đều và giật, lúc đầu có biên độ lớn sau đó biên độ nhỏ dần, âm thanh gay gắt khó nghe.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sóng âm của đàn Guitar cũng có biên độ lúc đầu lớn sau đó nhỏ dần, đều đặn, khi nghe sẽ dịu và có tính nhạc rõ ràng.
Hình 2.24Sóng âm của dây đàn Guitar có tính nhạc
Như vậy, âm thanh có tính nhạc là sự rung của sóng âm một cách đều đặn. Khi nghe sóng âm đều đặn tai chúng ta phát hiện được tần số và nhận biết được cao độ của âm thanh. Chẳng hạn như tiếng hát, tiếng đàn, tiếng sáo... Những âm thanh này gọi là những âm có cao độ rõ ràng hay còn gọi là âm thanh có tính nhạc (tức âm nhạc). Âm thanh không có tính nhạc là sự hỗn độn của tần số dao động, nó không theo một trật tự đều đặn. Tai chúng ta vẫn nhận biết được âm thanh này nhưng không có tần số nào ổn định để có thể phân biệt được cao độ. Chẳng hạn như những âm thanh không có tần số nhất định như tiếng máy nổ, tiếng còi ô tô, tiếng sấm, tiếng hét... gọi là những âm không có độ cao rõ ràng hay còn gọi là tạp âm.
Hình 2.25Sóng của âm thanh có tính nhạc (a) và không có tính nhạc (b)
Nhiều âm thanh được hình thành từ sự kết hợp của cả âm thanh không có tính nhạc và âm thanh có tính nhạc giúp người nghe phân biệt được cao độ của nó và khi đó âm thanh này trở thành có tính nhạc. Ví dụ như sự kết hợp của trống và các nhạc cụ gõ phụ.
2.3.2 Ảnh hưởng của biên độ và tần số
Có hai thuộc tính của sự rung ảnh hưởng đến cách thức âm thanh vang lên đó là biên độ và tần số.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Biên độ (của sóng âm) là kích cỡ của rung và nó xác định mức độ to nhỏ (cường độ) của âm thanh, âm thanh rung động hơn có nghĩa là nó vang to hơn.
Hình 2.26Sóng có biên độ thấp (a) và biên độ cao (b)
Tần số (sóng âm) là tốc độ của rung, nó xác định ra cao độ của âm thanh, tần số lớn thì âm thanh cao và ngược lại tần số nhỏ thì âm thanh thấp. Tần số được đo bằng số vòng của sóng âm xảy ra trong một giây, đơn vị của tần số là Hertz (Hz).
Hình 2.27Sóng âm có tấn số thấp (a) và tần số cao (b)
Ví dụ: nốt A (La) ở quảng 4 có tần số là 440 Hz thường được dùng để làm chuẩn lên dây cho các nhạc cụ.
2.3.3 Âm sắc nhạc cụ, bồi âm
Khi một vật thể dao động, sóng âm của chúng khúc xạ ở những phần bằng nhau sinh ra bồi âm. Chẳng hạn, khi một dây dàn violon dao động, nó không chỉ rung toàn bộ dây đàn mà còn dao động ở từng phần 1/2 dây, 1/3 dây, 1/4 dây... Trong quá trình dao động chung của toàn bộ dây đàn, những dao động ở từng phần của dây đàn cũng tạo ra những âm cục bộ. Những âm này có độ cao khác nhau vì dao động của các sóng tạo ra chúng có tốc độ khác nhau. Tuy nhiên, tai chúng ta chỉ nghe được âm chính do dao động của toàn bộ dây đàn tạo ra, còn những âm này không nhận thấy được và chúng được gọi là âm bồi.
Có rất nhiều nhạc cụ và âm sắc khác nhau. Khi hai nhạc cụ cùng chơi một cao độ chúng cũng vang lên khác nhau về âm sắc. Điều này có nghĩa là nhạc cụ đã tạo ra một sóng âm mà được kết hợp từ nhiều tần số có liên quan (gọi là bồi âm). Tất cả các tần số hợp lại tạo nên âm sắc khác nhau, tiếng nói khác nhau của các nhạc cụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tần số thấp nhất thường là tần số chính, ta có thể nhận biết được cao độ của nó. Sự kết hợp các bồi âm khác cho ta một dạng sóng âm khác biệt, do đó cho ta sự khác biệt về âm sắc của nhạc cụ.
Đàn Piano và kèn trumpet hoặc guitar chứa những sự kết hợp bồi âm khác nhau và do đó ta sẽ nhận biết được tiếng của từng nhạc cụ, ngay cả khi chúng chơi cùng một nốt nhạc.
Hình 2.28Sự kết hợp bồi âm khác nhau
Khi ta nhân đôi tần số của một nốt nhạc thì cao độ của nó sẽ cao gấp đôi. Chúng ta vẫn thấy chúng vang lên giống nhau ở một góc độ nào đó, nhưng tần số của nó thì khác nhau. Hãy xem xét tần số 440 Hz, nó là nốt A nằm ở giữa bàn phím đàn piano. Tần số 880 Hz cao gấp đôi nhưng vẫn là nốt A và âm thanh nghe rất giống nhau, đôi khi khó phân biệt. Sóng âm sau đây sẽ cho ta thấy hai vòng của tần số 880 Hz lại bằng với khoảng cách của một vòng tần số 440 Hz.
Hình 2.29Sóng âm nốt A với tần số 440Hz và 880 Hz
Bảng 2.1 Tƣơng quan giữa cao độ và tần số
Nốt Tần số Nốt Tần số
A 440.00 Hz E 659.25 Hz
A#/Bb 466.16 Hz F 698.46 Hz
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn C 523.25 Hz G 783.99 Hz C#/Db 554.37 Hz G#/Ab 830.61 Hz D 587.33 Hz A 880.00 Hz D#/Eb 622.25 Hz 2.4 Nhạc cụ
Trong lịch sử phát triển của dân tộc Việt Nam đã sáng tạo nên rất nhiều loại nhạc cụ và thể loại âm nhạc để bộc lộ tâm tư tình cảm, để có thêm sự phấn chấn và sức mạnh trong lao động và chiến đấu, để giáo dục cho con cháu truyền thống của ông cha, đạo lý làm người, và để giao tiếp với thế giới thần linh trong tâm...
Ngày nay chúng ta còn lưu giữ một kho nhạc cụ dân tộc đủ loại từ những dạng đơn sơ nhất cho tới những dạng có sự phát triển khá cao với những kỹ thuật diễn tấu tinh tế. Có thể phân các nhạc cụ dân tộc thành bốn họ chính như: họ thân tự vang, họ màng rung, họ hơi và họ dây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.4.1 Họ thân tự vang
Một số nhạc cụ dân tộc Việt Nam thuộc họ thân tự vang: (1) Bẳng Tăng, (2) Mõ (gồm Mõ Trâu và Mõ Làng), (3) Ưng Quái, (4) T'rưng, Bahnar, (5) Thanh la, (6) Trống Đồng, (7) Tiu Cảnh, (8) Rôneathung, (9) Chũm choẹ, (10) Chuông chùa, (11) Ching Kramam, (12) Chiêng Honh, (13) Chùm Ma Hính, (14) Ân Toong, (15) Luống, (16) Đao- Đao, (17) Song loan, (18) Sênh tiền, (19) T'rưng...
2.4.2 Họ màng rung
Một số nhạc cụ dân tộc Việt Nam họ màng rung: (1) Trống mảnh, (2) Trống Chiến, (3) Trống Bồng, (4) Trống Xẩm, (5) Acưr, (6) Ghì nằng, (7) Trống Tang Sành, (8) Trống cái, (9) Trống cơm, (10) Trống Hagừnsít, (11) Blơng Bơng, (12) Hơ gơr, (13) Trống Paranưng, (14) Trống đế...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.4.3 Họ hơi
Một số nhạc cụ dân tộc Việt Nam họ hơi: (1) Bẳng bu, (2) Ky Pah, (3) Tâng coi, (4) Areng, (5) Đing đuk, (6) Đing Năm, (7) Đing Tác Ta, (8) Kupuốt, (9) M'buốt, (10) Pí Láo Nọi, (11) Pí Đôi, (12) Pí Me, (13) Pí Lao Luông, (14) Púa, (15) Sáo diều, (16) Sáo trúc, (17) Tiêu, (18) Bỉ đôi, (19) Kềnh, (20) Đing jơng (đing téc), (21) Ưng Quái, (22) Đing Tút, (23) Pí thiu, (24) Pí Tót, (25) Pí Tam Lay, (26) Kèn Xaranai, (27) Xi – u, (28) Pí Sên, (29) Ala hay Sáo Ala, (30) Kèn Bầu, (31) Khèn Bè (Kén Pé hoặc Pí Pe), (32) Klon-Pút, (33) Pí Lè, (34) Pí Pặp...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.32Nhạc cụ dân tộc: Họ hơi
2.4.4 Họ dây
Một số nhạc cụ dân tộc Việt Nam họ dây: (1) Goong Kram hay Goong Đer, (2) Kok-ta-lư, (3) Zèn xìn, (4) Tam Thập Lục, (5) Tàn Máng, (6) Đàn Tam, (7) Đàn Sến, (8) Đàn Hồ, (9) Cò Ke, (10) Broh, (11) Brố, (12) Poòng Păng, (13) Đing Goong, (14) Tâm Plưng, (15) Tính Then, (16) Abel, (17) Đàn Bầu, (18) Đàn Đáy, (19) Đàn Nhị, (20) Kanhi, (21) K'ný, (22) Đàn Nguyệt, (23) Đàn Tranh, (24) Đàn Tính, (25) Tỳ Bà...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.33Nhạc cụ dân tộc: Họ dây
2.5 Kết luận
Việc nghiên cứu các đặc trưng của dữ liệu đa phương tiện nói chung và dữ liệu âm thanh nói riêng sẽ tạo sự thuận lợi cho việc tổ chức lưu trữ và khai thác cơ sở dữ liệu đa phương tiện cũng như cơ sở dữ liệu âm thanh. Do đó, chương này của luận
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
văn đã tóm tắt những đặc trưng cơ bản nhất của dữ liệu âm thanh giúp ta có cái nhìn đầy đủ về dữ liệu âm thanh để chuẩn bị cho việc tổ chức và khai thác dữ liệu âm thanh.
Phần cuối chương là giới thiệu về một số nhạc cụ dân tộc, cho phép tìm hiểu về nhạc cụ nói chung và nhạc cụ dân tộc tại quê hương Thanh Hóa nói riêng cũng như nhạc cụ dân tộc Việt Nam nói chung.