JBL là một công ty sản xuất thiết bị âm thanh được thành lập bởi James Bullough Lansing vào năm 1946 và hiện nay thuộc sở hữu của tập đoàn Harman International. JBL là tên viết tắt của James Bullough Lansing người sáng lập thương hiệu loa JBL.
GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ÂM THANH CHO HỘI TRƯỜNG LỚN
1. Tiêu chuẩn áp dụng
– TCXD175: 2005: Mức ồn cho phép trong công trình công cộng.
– TCVN 4510: 1988: Yêu cầu kỹ thuật về âm thanh kiến trúc – studio âm thanh
– TCVN 4511: 1988: Yêu cầu kỹ thuật về âm thanh xây dựng – studio âm thanh
– TCVN 6697-2000: Thiết bị hệ thống âm thanh
– TCVN 9365-2012: Nhà văn hóa thể thao – Nguyên tắc cơ bản thiết kế
– Tiêu chuẩn lắp đặt điện IEC tập XXIV, XXV.
Tài liệu tham khảo:
– Sách Tính toán thiết kế âm học kiến trúc – Nhà xuất bản Xây dựng
– Phần mềm JBL VRX Line Array Calculator của hãng JBL
2. Yêu cầu kỹ thuật
Âm thanh thường dùng trong hội trường là âm thanh hội nghị, hội thảo và biểu diễn nghệ thuật, do đó đòi hỏi chính của hệ thống âm thanh đó là độ ổn định, không rú rít, âm thanh tới người nghe cần chính xác và rõ ràng. Mặt khác để phục vụ biểu diễn nghệ thuật thì âm thanh cũng phải có đáp ứng dải tần rộng từ âm trầm đến âm bổng và áp lực âm thanh phải lớn. Trong hội trường cũng cần đánh giá độ đồng đều âm thanh tránh tình trạng nghe quá to khi ngồi gần và quá nhỏ khi ngồi xa.
3. Thuyết minh thiết kế
3.1. Đánh giá độ ổn định và độ rõ âm thanh
Với thiết kế nhỏ gọn, liền khối theo công nghệ line array, với nhiều chủng loại loa của cùng một hãng được thiết kế tại các vị trí khác nhau phục vụ cho các vùng âm khác nhau dựa trên tính toán của phần mềm, sử dụng bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số, âm ly và bàn trộn âm kỹ thuật số để quản lý âm thanh. Tất cả những điều này cho phép hệ thống âm thanh hoạt động một cách đơn giản, đồng bộ và ổn định.
Đáp tuyến tần số âm thanh của hệ thống từ 31Hz-20kHz đáp ứng mọi dải tần âm thanh con người có thể nghe được, cho phép phản ánh mọi âm thanh một cách chính xác và rõ ràng.
3.2. Tính toán độ nhạy
Để đánh giá độ trung thực của loa với tín hiệu âm thanh được khuếch đại từ nguồn âm ta sử dụng tiêu chí SEN – độ nhạy hoặc còn gọi là áp lực âm thanh của công suất 1W/1m. Tùy theo loại hình nghệ thuật để chọn SEN cho phù hợp. Với các thể loại âm nhạc được phát ra từ CD, MD, DVD hay các thể loại nhạc như Rock, Pop sử dụng các nhạc cụ điện tử có tín hiệu đầu vào lớn nên không cần chọn loa có SEN lớn, thông thường chỉ cần loa có SEN từ 90 dB – 95dB. Đối với các thể loại âm nhạc khác sử dụng các nhạc cụ truyền thống cần chọn loa có SEN lớn sẽ có tác dụng làm cho âm thanh của nhạc cụ được phân biệt rõ ràng trên toàn bộ âm vực của từng loại nhạc cụ, cũng như lời ca của nghệ sỹ. Như vậy do hội trường thường xuyên diễn ra các chương trình hội họp và biểu diễn ca nhạc với âm nhạc nền phát ra từ CD và giọng nói nên có thể chọn loa có SEN ≥ 90dB.
Ở đây ta chọn loa có thông số SEN như sau:
- Loa biểu diễn chính toàn dải Line Array JBL VRX932LA-1: SEN = 95dB, SPL max = 130dB.
- Loa biểu diễn chính siêu trầm Line Array JBL VRX918S: SEN = 95dB, SPL max = 130dB.
- Loa kiểm tra JBL SRX812: SPLmax=129dB @ 3200W, SEN=129-10lg3200=93.9dB
- Loa SideFill toàn dải JBL PRX825 : SPLmax=138dB @1500W, SEN=138-10lg1500=106dB
- Loa Sidefill siêu trầm JBL VRX915S: SEN = 91dB, SPL max = 126dB.
- Loa tầng lửng JBL EON610: SPLmax=124dB @1000W, SEN=124-10lg1000=94dB.
Như vậy toàn bộ thiết bị âm thanh của hệ thống đều đạt được tiêu chuẩn về độ nhạy
3.3. Tính độ phủ âm
Để đảm bảo âm thanh được bao phủ toàn bộ khu vực bố trí chỗ ngồi của hội trường ta cần sử dụng kết hợp nhiều chủng loại loa và lắp đặt ở các vị trí khác nhau theo công năng sử dụng từng loại loa. Ta cũng cần chọn loại loa có góc mở âm thanh phù hợp.
Loa biểu diễn chính được thiết kế sử dụng kết hợp giữa loại loa Line Array và loa Sidefill hai bên sân khấu. Loa Line array có khả năng truyền âm thanh đi xa được treo ở độ cao trên 6.4m, loa Sidefill có tác dụng bổ sung âm thanh các khu vực gần sân khấu nơi thường có các đại biểu, lãnh đạo tham dự.
Hệ thống loa Line array bao gồm loa siêu trầm đẳng hướng, loa toàn dải có góc phủ theo chiều ngang là 100°, theo chiều dọc là 15°, mỗi loa sẽ được điều chỉnh hướng để đảm nhiệm phủ một vùng âm đảm bảo âm thanh được phủ đồng đều khắp khán phòng. Hệ loa biểu diễn chính có vùng phủ âm chủ yếu cho tầng 1. Vì lí do hội trường có chiều dài và chiều rộng lớn, thay vì thiết kế 2 dãy loa Line array tập trung trước miệng sân khấu như các hệ thống thông thường, ở đây chúng tôi đưa ra giải pháp sử dụng 4 dãy loa Line Array, 2 dãy loa Line Array phía trước miệng sân khấu và 2 dãy loa Line Array ở giữa khán phòng, mỗi dãy loa gồm 2 loa siêu trầm, 4 loa toàn dải đủ khả năng đáp ứng áp lực âm thanh trên 90dB trong phạm vi bán kính dưới 30m, được bố trí xen kẽ nhau sẽ đảm bảo phủ âm thanh khắp khán phòng. Với thiết kế này có rất nhiều ưu điểm như sau:
- Âm thanh được bao phủ đồng đều trong toàn khu vực khán phòng với độ chênh lệch âm thanh giữa các vị trí khác nhau không quá 10dB và với mức chênh này, kỹ thuật viên hoàn toàn có thể hiệu chỉnh bằng cách tăng giảm công suất bộ khuếch đại một cách dễ dàng để đảm bảo độ chênh về âm thanh trong khán phòng không vượt quá 6dB theo tiêu chuẩn âm học.
- Âm thanh được phát ra đồng thời từ các loa sẽ không có hiện tượng bị trễ đối với những người ngồi ở cuối khán phòng.
- Thiết kế loa Line Array đảm bảo tính thẩm mỹ mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật
Hệ thống loa Sidefill gồm loa siêu trầm đẳng hướng, loa toàn dải có góc mở 90°. Các loa có chất lượng và công suất lớn sẽ đảm bảo âm thanh cho khu vực quan trọng nhất của khán phòng.
Ngoài ra hệ thống loa còn được bổ sung nhiều loại loa để bù âm nhiều vùng âm mà loa biểu diễn chính chưa phủ hết như: loa kiểm tra cho khu vực sân khấu biểu diễn có góc phủ 90°x50° gồm 4 chiếc được bố trí phía trước sân khấu, loa toàn dải cho tầng lửng có góc phủ 110° gồm 16 chiếc được bố trí cho 16 khu vực khán giả nhỏ trên tầng lửng.
Với thiết kế và bố trí đã được tính toán thể hiện tại bản vẽ AT06, AT07 về độ phủ âm thanh trong khu vực khán phòng tầng 1 và tầng 2, ta nhận thấy hệ thống âm thanh có độ phủ âm đồng đều và tại mọi vị trí.
3.4. Tính toán áp lực âm thanh
Chúng tôi lựa chọn sử dụng hệ thống loa Line Array treo hai bên sân khấu. Các loa được bố trí sao cho có hướng phủ tới toàn bộ vị trí khán giả như trên bản vẽ AT03, AT04, AT05, AT06, AT07. Các loa có SPL cực đại tại mục 3.2.
Về số lượng loa: hệ thống sử dụng nhiều chủng loại loa có số lượng và bố trí như đã thể hiện trong các bản mặt bằng, mặt cắt, sơ đồ nguyên lý.
Để tính toán áp lực âm thanh hay còn gọi là cường độ âm thanh cho thiết kế, nhà thầu sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng của hãng sản xuất loa đối với hệ thống loa biểu diễn chính đó là phần mềm JBL VRX Line Array Calculator của hãng JBL. Cấu hình sử dụng và kết quả tính toán trên phần mềm thể hiện dưới dây cho thấy:
- Độ chênh lệch cường độ âm thanh tại cùng một tần số giữa các vị trí gần nhất (màu xanh lục, màu xanh dương), xa nhất (màu cam) và ở giữa khán phòng (màu xanh lá cây, màu tím, màu xám) không quá 10dB
- Cường độ âm thanh thấp nhất đối với tần số 31Hz là 90dB (màu cam – vị trí xa nhất), đối với các tần số khác đều trên 90dB
- Tần số đáp ứng của hệ thống âm thanh từ dải tần 31Hz đến 20kHz đảm bảo cho mọi yêu cầu kỹ thuật âm thanh cho phát biểu và biểu diễn ca nhạc.
Bằng cách sử dụng Phần mềm JBL VRX Line Array Calculator của Hãng JBL, các phương pháp tính toán, cấu hình và kết quả đề xuất được thể hiện theo các Bảng dưới đây:
CẤU HÌNH TREO LOA LINE ARRAY CỦA MỘT BÊN
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SPL TẠI TẦN SỐ 31Hz)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SPL TẠI TẦN SỐ 80Hz)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SPL TẠI TẦN SỐ 1000Hz)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SPL TẠI TẦN SỐ 2000Hz)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SPL TẠI TẦN SỐ 4000Hz)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SPL TẠI TẦN SỐ 8000Hz)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SPL TẠI TẦN SỐ 10000Hz)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SUY GIẢM SPL TẠI TẦN SỐ 31, 80, 1000, 2000Hz)
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC ÂM THANH (BẢN ĐỒ SUY GIẢM SPL TẠI TẦN SỐ 2000, 4000, 8000, 10000Hz)
Theo tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN175 : 2005, Giá trị của mức ồn tối đa cho phép trong các công trình công cộng cho trong bảng 2, mục 1.1.2, và phụ lục 2 – Bảng phân loại không gian nhà công cộng theo tiện nghi âm thanh và tiêu chuẩn mức ồn nền đối với Phòng khán giả nhà hát (kịch, nhạc vũ kịch, tuồng, chèo, cải lương, rối nước), nhà văn hoá, câu lạc bộ, hội trường đa năng, khi nghe âm thanh trực tiếp tương ứng với đường NR=30, mức ồn tương đương là LTĐ=35dB, khi nghe qua điện thanh tương ứng với NR=40, LTĐ=45dB, dải động là 40-60dB. Theo quy định của tiêu chuẩn này, đối với các phòng có yêu cầu chất lượng âm thanh cao như các phòng khán giả nhà hát, hội trường, hội thảo…, mức ồn cho phép lấy theo giá trị NR, ở đây là NR=40. Như vậy áp lực âm thanh của hệ thống điện thanh thấp nhất phải đạt từ 80-100dB cho tiếng nói và âm nhạc. Mức không đồng đều của trường âm trên toàn diện tích truyền âm là 5-10dB.
Với kết quả tính toán như trên, áp lực âm thanh của hệ thống từ 90-117dB tại các dải tần số từ 31Hz-20kHz đã đáp ứng tiêu chuẩn về cường độ âm thanh; độ chênh về cường độ âm thanh của hệ thống không quá 10dB đã đáp ứng tiêu chuẩn độ đồng đều của trường âm. Có sự chênh lệch mức âm là do âm thanh bị suy giảm khi khoảng cách xa. Mức âm thấp nhất của hệ thống điện thanh vẫn cao hơn so với yêu cầu âm học của khán phòng nên đạt tiêu chuẩn thiết kế.
Đây là các mức âm cực đại của các loa tạo nên trên các vùng âm. Trên thực tế để đảm bảo hoạt động ổn định và liên tục của các thiết bị và độ đồng đều âm thanh, các kỹ thuật viên sẽ điều chỉnh áp lực âm thanh ở mức vừa phải khoảng 100dB đối với các chương trình ca nhạc và 90dB đối với các chương trình hội nghị. Việc điều chỉnh áp lực âm thanh tổng được thực hiện dễ dàng nhờ bàn trộn âm kỹ thuật số và điều chỉnh áp lực âm thanh từng vùng bởi các bộ khuếch đại âm thanh để đảm bảo các thiết bị loa tạo ra áp lực âm thanh đồng đều và hoạt động liên tục được ổn định.
3.5. Tính toán bộ khuếch đại công suất và dây dẫn tín hiệu
Để có một hệ thống âm thanh chất lượng thì việc lựa chọn bộ khuếch đại công suất (Amplifier) hết sức quan trọng. Các âm ly khuếch đại công suất là loại cao cấp, đồng bộ cùng hãng sản xuất với hệ thống loa.
Đối với các Line array loa toàn dải, Line array siêu trầm, loa kiểm tra là các loại loa có trở kháng 8 Ohm, có công suất liên tục/ Program/ Peak đều là 800W/1600W/3200W. Để đảm bảo các loa hoạt động bình thường, hết công suất, đảm bảo tính kinh tế và an toàn cần phối hợp trở kháng giữa các loa bằng cách ghép song song 2 loa thành 1 cặp loa có trở kháng 4 Ohm, công suất 1600W/3200W/6400W. Ta cần dùng 1 kênh của bộ khuếch đại có công suất từ 3000 – 6000W @ 4 Ohm. Như vậy ở đây ta cần tất cả 7 bộ công suất Crown MA12000i có công suất 2x4500W @ 4 Ohm để khuếch đại cho 16 loa Line Array toàn dải, 8 loa Line Array siêu trầm và 4 loa kiểm tra.
Đối với loa siêu trầm sidefill là loại loa có trở kháng 4 Ohm, có công suất liên tục/ Program/ Peak là 800W/1600W/3200W, ta sẽ ghép 2 loa thành 1 cặp loa có trở kháng 2Ohm, công suất 1600W/3200W/6400W. Như vậy ta sẽ cần thêm 1 bộ công suất Crown MA12000i có công suất 2x3750W@2Ohm để khuếch đại cho 4 loa siêu trầm Side fill.
Đối với các loa sử dụng bộ khuếch đại công suất, do khoảng cách từ bộ khuếch đại công suất đến loa là tương đối xa do đó ta phải lựa chọn loại cáp loa có tiết diện lớn, trở kháng thấp để tránh suy hao tín hiệu trên đường truyền. Căn cứ vào khoảng cách thực tế, chúng tôi lựa chọn loại cáp loa chuyên dụng có tiết diện 2x4mm2 sẽ đáp ứng mọi yêu cầu kỹ thuật đưa ra.
Tín hiệu trước khi đưa vào bộ khuếch đại công suất sẽ được xử lý bằng bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số có tác dụng điều chỉnh EQ, lọc, phân tần, điều khiển qua máy tính giúp đảm bảo an toàn và tối ưu cho hệ thống loa.
Đối với các loa toàn dải side fill, loa cho tầng lửng là loại loa đã được hãng tích hợp sẵn bộ khuếch đại công suất nên ta sẽ không cần phải phối hợp trở kháng mà chỉ cần cấp tín hiệu thẳng từ bàn điều khiển tới các loa. Mặt khác việc truyền tín hiệu trên đường cáp tín hiệu có chống nhiễu có ưu điểm là ít gây suy giảm tín hiệu trên đường truyền, từ đó cho âm thanh tối ưu. Chúng tôi lựa chọn loại cáp tín hiệu Micro 2×0,22AWG có bọc chống nhiễu.
Việc cấp điện cho các bộ khuếch đại công suất sẽ được sử dụng cáp Cu/PVC 3x4mm2, đối với loa side fill và loa cho tầng lửng sử dụng cáp điện Cu/PVC 3×2.5mm2. Cáp điện nguồn tổng 4x16mm2 và cáp tiếp địa 1x10mm2 sẽ được lấy từ tủ điện tổng hội trường về tủ điện âm thanh. Toàn bộ các thiết bị được bảo vệ chống quá áp, quá dòng bằng các MCB. Bàn điều khiển âm thanh, bộ xử lý tín hiệu và các Micro được nối với bộ lưu điện để bảo vệ trong các trường hợp gặp sự cố điện đột ngột.