CƠ BẢN VỀ CỦ LOA ĐIỆN ĐỘNG

1 Giới thiệu:

Chào các bạn: trong hệ thống nghe nhìn có lẽ loa và micro là bộ phận kém phát triển nhất. Ra đời từ hơn 100 năm qua thật sự nó chẳng có thay đổi gì đang kể. Nó gần như là 1 huyền thoại, mọi người nói về nó rất nhiều nhưng kết quả thường rất mông lung.

Loa có thực sự khó đến vậy không? Câu trả lời của mình là nó gồm nhiều cái rất đơn giản, nhưng vì quá nhiều nên thực sự tìm ra câu trả lời cho nó thật sự là quá khó.

Trên thế giới các công ty thật sự có thể thiết kế ra nó rất ít( thiết kế chứ không phải sản xuất ứng dụng). Phần lớn các cty này nằm ở các nước Bắc Âu nơi mà ngành khoa học có nhiều điều kiện để phát triển như Scanpeak, Seas. Các ngành khoa học để phát triển 1 củ loa theo mình ít nhất là 3 ngành gồm: Điện từ trường; âm học; cơ học vật liệu. Và cả tâm sinh lý học nữa( nếu có điều kiện mình sẽ nói rõ hơn).

Loa thực sự rất tệ, Chắc ít có thiết bị nào có thể tệ hơn nó được vì sao vậy.

Củ loa còn được gọi là Transducer (bộ chuyển đổi năng lượng).

Nó chuyển từ tín hiệu điện (từ máy khuếch đại) thành chuyển động cơ (cuộn dây động voice coil) sau đó thông 1 màng bức xạ (màng loa cone) thay đổi áp suất không khí tạo nên âm thanh. Các thiết bị tệ về hiệu suất như bình acqui (Điện↔Hoá) hay tấm Pin mặt trời (Quang↔Điện) cũng tốt hơn nó gấp nhiều lần vì nó phải qua trung gian là cơ học (Điện-Cơ-Âm).

Ví dụ 1 cái loa có độ nhạy là 95dB( hiệu suất rất cao đó), đưa vào đó 100W điện ta thu được khoảng 3W âm thanh, 97W còn lại chỉ để nhún nhảy màng loa và đốt nóng cuộn dây động thôi, quá hao phí.! Hầu hết các loa có hiệu suất khoảng 1% thôi đó các bạn.
Với 1 thiết bị có cấu tạo kém cỏi như vậy nhưng chúng ta buộc lòng phải sử dụng vì hiện nay chưa ai nghĩ ra cách nào hay hơn cả, chắc phải 50 năm nữa, có thể lúc đó ta có cách nào đó thay đổi trực tiếp áp suất không khí từ điện mà không cần phải hệ cơ học nào hết.

Nghe nản quá! Chẳng muốn nghiên cứu về nó nữa! Nhưng có lẽ vì tình yêu âm nhạc (ai mà không yêu nó chứ) mà các kỹ sư vẫn miệt mài nghiên cứu và cho ra nhưng sản phẩm lấy hết hồn vía chúng ta chỉ từ 1% nhỏ nhoi đó. Dám chắc 100% các kỹ sư thiết kế loa mê nhạc dữ lắm. Họ dùng khoa học để phục vụ cho nghệ thuật, tôi coi họ như thánh sống vậy rất đáng quí trọng. Hiểu thêm 1 chút về loa tôi không biết có giúp chút gì cho việc nghe nhạc không, hay có thể Diy 1 cái loa cho riêng mình không? Nhưng vì tài liệu về loa ở Việt Nam quá ít và cả ngàn câu hỏi trên diễn đàn nên hi vọng bài viết này sẽ gíup 1 ít cho các bạn. Loa không thuộc về các chuyên gia nó là của tất cả mọi người yêu âm nhạc, tôi nghĩ là vậy.

2. Cấu tạo củ loa:

2.Chức năng của các thành phần:

a. Frame (Khung sườn loa):

Dùng để gắn các thành phần, loại cao cấp thì bằng nhôm đúc, bình thường thì bằng sắt dập đôi khi còn được làm bằng nhựa. Đối với các loa bổng và một số loa trung khung sườn thường kín (bít luôn đằng sau) khung sườn cũng là chổ cho các hãng thi thố tài năng, như loa bổng của B&W khung sườn phía sau làm bằng thủy tinh có hình dạng vỏ ốc giúp triệt tiêu hoàn toàn âm thanh từ phía sau màng loa. Khung sườn loa cho biết loa đó cao cấp cỡ nào còn về âm thanh không ảnh hưởng nhiều lắm chỉ mong sao nó đừng có bề mặt quá lớn gây phản xạ trực tiếp lại màng loa.

b. Surround, edge (viền nhún):

Các loa ngày xưa thì thường cùng chất liệu giấy với màng loa hoặc vải (xếp gấp lại) với loại này thì viền tương đối cứng và ảnh hưởng trực tiếp đến thông số kỹ thuật của loa, loại viền này nếu bị rách nên dán lại, không nên cắt ra chế lại bằng viền cao su mút thông dụng. Ngày nay khuynh hướng thiết kế viền nhún càng mềm dẻo và bền là được, với loại này chẳng may bị mục hay rách bạn có thể thay thế mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng (do độ cứng không đáng kể). Viền loa không phát ra âm thanh nó chỉ có tác dụng giữ kín hơi và độ mềm dẻo. Tuy nhiên nếu thay thế không đúng loại âm thanh sẽ rất khác nhau. Nhìn vào viền loa nếu có kinh nghiệm bạn có thể nhận biết loa âm thanh như thế nào dùng vào việc gì ví dụ như viền gân vải có thể dùng loa trầm hoặc trung trầm, viền mút mềm đa phần dùng làm loa trầm, viền cao su dày nên chỉ dùng cho Sub điện.

c. Spider, Damper (màng nhện):

Là thành phần cực kỳ quan trọng và lao động nặng nhọc nhất trong củ loa, khi đưa tín hiệu điện vào,loa di chuyển nhưng phải luôn quay về vị trí cân bằng để thực hiện cho những tín hiệu theo sau. Nó hoạt động như 1 cái lò xo, độ cứng của nó tuỳ vào ý đồ nhà thiết kế, ngoài ra nó còn giúp cho cuộn dây hoạt động đúng tâm. Độ động của củ loa phụ thuộc rất lớn vào độ nảy của màng nhện(lò xo) này. Màng nhện cấu tạo với hình dạng( các nếp gấp) khác nhau, vật liệu khác nhau sẽ cho âm thanh khác nhau. Việc sản xuất màng nhện tương tự như luyện thép, phải sử lý keo và thời gian hấp nhiệt để đạt được độ cứng độ dẻo mong muốn. Loa nếu sử dụng quá lâu, công suất quá lớn sẽ làm lão hoá (mỏi) màng nhện khiến âm thanh không còn rõ nét và ầm ì . Màng nhện quyết định chất lượng củ loa về độ bền âm thanh theo thời gian. Màng nhện bị rách bị hư sẽ là 1 tai hoạ nếu bạn không thể tìm được đúng loại. Các loa cao cấp yêu cầu phải có thời gian chạy rà chính là 1 phần tôi luyện cho màng nhện được hoạt động tối ưu.

Magnet (nam châm):

thường có 3 loại Alnocol, Ferrite, neodymium:
Alnicol: là vật liệu dùng trong các loa ngày xưa (1940-1965), đây là loại có từ trường rất mạnh ngày nay ít còn được dùng do rất mắc, loại này tuy tốt nhưng nếu hoạt động liên tục ở công suất cao sẽ dẫn tới sự truyền nhiệt độ từ cuộn dây vào nam châm làm cho nó giảm lực và không tự phục hồi, loại ferrite khi nguội lại có khả năng tự phục hồi từ trường.

Để cuộn dây hoạt động tối ưu nó cần được đặt trong 1 miền từ trường cao, miền này chính là khe từ nhỏ hẹp chỉ vài mm. Để tập trung thông lượng từ trường tại đây người ta dùng những miếng sắt dẫn từ. Kết hợp với nam châm gọi chung là mạch từ.

Cấu tạo mạch từ (gồm nam châm và các miếng sắt dẫn từ) của nam châm alnicol (thường là mạch nội từ) tốt về âm thanh hơn so với cấu trúc mạch từ ferrite do có ít khoảng trống trong mạch khi hệ dao động ít gây ra tạp âm.

Ferrtie: có lực từ yếu hơn alnicol ( cùng khối lượng)là loại dùng phổ biến nhất nó rẻ và khó bị khử từ khi hoạt động ở công suất cao. Thường mạch từ của Ferrite là loại ngoại từ.
Neodymium: Là sự kết hợp các ưu điểm của 2 loại trên, từ mạnh và khó bị khử từ. Ngoài ra do nhỏ gọn nó còn được dùng trong các loa xe hơi, micro v.v. Ngày nay do giá thành đã giảm khá nhiều các hãng loa danh tiếng cũng đã sản xuất rất nhiều loa sử dụng vật liệu này.
Vật liệu từ không ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh, nam châm ferrite cũng cho lực từ mạnh nhưng sẽ cồng kềnh, các vật liệu từ mạnh do nhỏ gọn sẽ có được cấu trúc mạch từ tối ưu hơn cho âm thanh.

Nam châm là loại vật liệu đặc biệt nó có thể bị khử từ khi nhiệt độ quá cao, nếu bị làm rớt cấu trúc của nó cũng thay đổi, nó không như cục sắt thông thường đâu.

Nếu cần dùng âm thanh công suất lớn (loa sân khấu), bạn nên chọn củ loa có vòng ổn định từ (bằng nhôm hay đồng) trên Top plate hoặc miếng chụp trên pole Piece. Nó có tác dụng hạn chế dòng điện xoáy bảo đảm loa hoạt động liên tục ở công suất cao.

Cuộn dây động (Voice coil):

Cấu tạo gồm lõi (bobin) là ống hình trụ dùng quấn dây lên đó, nó được đặt trong khe hở từ, các loa cao cấp khe từ này rất khít với cuộn dây động vì đây là nơi tập trung năng lượng từ. Khe từ càng nhỏ mật độ từ càng cao. Các loa thông thường để cho an toàn khe từ có thể rộng hơn đôi chút tuỳ vào chất lượng.

Lõi để quấn dây phải làm bằng chất liệu không từ tính, phải thật nhẹ, phải cứng chắc và phải chịu được nhiệt độ cao đôi khi lên đến 250 độ C. Hiện nay đa số dùng Nhôm làm lõi vì nó có công suất chịu đựng cao và rẻ tiền, loại nữa là giấy cũng khá tốt nhưng công suất kém hơn. Loại cao cấp thì có Nomex. Cuộn dây làm bằng vật liệu khác nhau sẽ cho thông số củ loa khác nhau, còn về mặt âm thanh chỉ trừ loại bằng Nhôm tuy có công suất cao nhưng âm thanh thì có đôi chút vấn đề, do tần số công hưởng của vật liệu này nằm trong ngưỡng nghe.

Dây quấn:

loại thông dụng là dây tròn, ngoài ra còn có dây vuông và dây bầu dục. Do khoảng trống của loại dây tròn tương đối lớn điều này gia tăng khối lượng, các loại kia thì tối ưu hơn. Đối với loa đây là điều quan trọng. Vấn đề sử dụng dây vuông chỉ là thời gian, do nó tiết kiệm tới hơn 20%. Trong thời buổi cái gì cũng đắt đỏ trước sau gì các cục biến áp cũng phải dùng dây vuông thôi.

Dây quấn thông dụng nhất là đồng, bằng nhôm phủ đồng bên ngoài , loại bằng nhôm thì có khối luợng nhẹ nhưng khó hàn và điện trở riêng cũng cao hơn đồng, loại bằng bạc thì quá tốt rồi nhưng cũng khó gắn kết và mắc nữa.

Thành phần keo trong cuộn dây động là quan trọng nhất, keo cũng phải nhẹ, phải chịu nhiệt độ cao phải chắc nữa. Đa số keo trong đây là loại đặc dụng khó kiếm ở Việt Nam.
Cuộn dây động làm việc theo 2 dạng thông dụng nhất: loại có cuộn dây lú ra ngoài ( Overhung Voice Coil) và loại nằm hoàn toàn trong khe từ ( Underhung Voice Coil):

Hầu hết các loa dùng kiểu cuộn dây nằm tràn ra ngoài (overhung voice coil) do nó giảm được khá nhiều nhiệt năng dẫn đến tăng công suất. Loại nằm hoàn toàn trong khe từ được dùng trong các loa công suất trung bình nhưng độ trung thực rất cao đặc tính kiểm soát rất tốt và tuyến tính trong giới hạn công suất. Nhìn sơ qua các bạn đã thấy sự mắc tiền của nó, ngoài vật liệu nhiều hơn các tính chất của vật liệu cũng đòi hỏi rất khắt khe. Nó phải mắc gấp 3,4 lần loại thông thường. Kỹ thuật này thường dùng trong các loa bổng và các loa dòng Ultra Hiend.

Ngoài ra còn có loại voice coil dạng kéo đẩy với 2 miếng sắt dẫn, nhằm triệt tiêu độ méo,
loại có 2 cuộn dây riêng biệt dùng cho loa Sub Stereo.

Số lớp dây quấn thông dụng là 2 hoặc 4, số lớp này tùy vào ý đồ thông số kỹ thuật mà người kỹ sư mong muốn, dây lớn dây nhỏ cũng vậy. Không nên mở rộng khe từ để quấn dây to, hay quấn nhiều lớp hơn, vì khối lượng của voice coil phải tương ứng với mật độ từ trong khe. Khi quấn dây to hay nhiều lớp khối lượng tăng mà năng lượng từ không đủ sẽ dẫn đến giảm hiệu suất, vì vậy âm thanh sẽ bé hơn đặc biệt ở dãi tần cao, gây lầm lẫn là tăng âm trầm.Do hiệu suất giảm nên cuộn dây sẽ nóng lên không tốt cho loa và cả máy khuếch đại.

Cuộn dây bị cháy có thể quấn lại được, chất lượng tuỳ thuộc vào độ tinh xảo tay nghề ( cái này thì Việt Nam mình rất khéo), chỉ cần sử dụng đúng keo chất lượng thì có thể nói là bảo đảm, vì hầu hết các công đoạn ráp loa đều làm bằng tay cả.

Sẵn tiện đây nói thêm về râu loa ( tisel wire), việc hàn dây này phải thật nhanh và chính xác thời gian tối đa là 3 giây cho 1 mối hàn (càng nhanh càng tốt), đặc biệt dây nối từ cuộn dây động tới râu. Nguyên do để lâu dây đồng sẽ cháy giòn khi hoạt động bị gãy thì rất đáng tiếc. Các bạn diy loa nếu gắn socket thì không sao, nếu hàn trực tiếp lên đó cũng lưu ý việc này.
Màng loa (cone paper) :

Hãy tưởng tượng khi chưa gắn màng loa vào bạn đưa tín hiệu nhạc vào, loa nhún nhảy như là động cơ bình thường, nó sẽ không phát ra âm thanh. Muốn có âm thanh bạn cần thay đổi áp suất không khí bằng cách gắn vào đó 1 màng loa đây là cái duy nhất phát ra âm thanh mà chúng ta nghe được, các phần trước đó được hiểu như bộ lái điều khiển bằng tín hiệu điện. Nói nôm na sự truyền động từ cuộn dây giống như cái dùi của 1 anh đánh trống và anh này được điều khiển bằng tín hiệu điện vậy thôi. Vậy thì màng trống( màng loa) bằng vật liệu nào sẽ cho ra âm thanh kiểu đó, trống da nghe khác trống nilon chứ. Để thiết kế 1 củ loa khi chưa có màng loa các chương trình máy tính ngày nay dễ dàng thực hiện được bằng cách dịch ngược các thông số yêu cầu. Lý thuyết thiết kế ở đây là điện ,từ và cơ học.

Nguồn: sưu tầm