Nghiên cứu kỹ thuật âm thanh số

1
Học viện kỹ thuật quân sự
Họ và tên: nguyễn thị thu hiền
Khoá: 1
Hệ đào tạo dân sự
Chuyên ngành: điện tử viễn thông
mã số:20.00
Nghiên cứu âm thanh kỹ thuật số

Bộ quốc phòng Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam
2
Học viện kỹ thuật quân sự
Họ và tên: nguyễn thị thu hiền
Khoá: 1
Hệ đào tạo dân sự
Chuyên ngành: điện tử viễn thông
mã số:20.00
Nghiên cứu âm thanh kỹ thuật số
Học viện KTQS Độc lập Tự do Hạnh phúc
Khoa vô tuyến điện tử


Phê chuẩn
Độ mật:.
Số:.
Chủ nhiệm khoa
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
Họ và tên: Nguyễn Thị Thu Hiền. Lớp: Điện tử viễn thông.
Ngành: Vô tuyến điện tử. Chuyên ngành: Thông tin.
1. Tên đề tài:
Nghiên cứu âm thanh kỹ thuật số.

2. Các số liệu ban đầu:
Các tài liệu về Audio và Video số, tài liệu truyền hình.
3. Nội dung bản thuyết minh:
Phần mở đầu.
Chơng 1: Tín hiệu âm thanh.
Chơng 2: Tín hiệu Audio số.
Chơng 3: Nén tín hiệu Audio số.
Chơng 4: Các tiêu chuẩn nén tín hiệu Audio số.
4. Số lợng nội dung các bản vẽ:
Bản vẽ gồm:
5. Cán bộ hớng dẫn:
Họ và tên: Tiến sỹ Vơng Tuấn Hùng.
Cấp bậc: Thợng tá.
Chức vụ: Giảng viên chính.
Ngày giao Ngày hoàn thành
Hà nội, ngày tháng năm 2007
Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hớng dẫn
3
Thợng tá tiến sỹ: Vơng Tuấn Hùng
Học viên thực hiện
Mục lục
Chơng 1. Tín hiệu âm thanh.
1.1. Tổng quan về âm thanh. 10
1.1.1. Nguồn gốc âm thanh. 10
1.1.2. Các đại lợng vật lý của âm thanh. 13
1.1.2.1.Định nghĩa sóng âm. 13
1.1.2.2. Tần số. 14
1.1.2.3. áp suất. 15
1.1.2.4. Công suất. 16
1.1.2.5. Cờng độ 17

1.2. Thính giác. 17
1.2.1.Cảm thụ về tần số của tai. 17
1.2.2.Cảm thụ về biên độ của tai. 19
4
1.2.3 Một số hiệu ứng che lấp của tai. 21
1.2.4. Tiếng nói. 23
1.3. Âm nhạc 25
1.3.1. Cao độ. 25
1.3.2. Âm sắc. 26
1.3.3. Nhịp điệu. 27
1.4. Biến đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện và ngợc lại 27
Chơng 2. Xử lý tín hiệu số.
Tín hiệu âm thanh số là gì? 29
Tại sao phải xử lý tín hiệu âm thanh theo công nghệ số? 33
Ưu nhợc điểm của công nghệ. 35
ý nghĩa của tín hiệu âm thanh số. 35
2.1. Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital (A/D). 36
2.1.1. Điều chế xung biên. 36
2.1.2. Định luật lấy mẫu. 36
2.1.3. Tần số lấy mẫu. 39
2.1.4. Bộ lọc thông thấp đầu vào. 40
2.1.5. Mạch lấy mẫu và giữ mẫu. 43
2.1.6. Lợng tử hoá. 45
2.1.7. Mã hoá, mã kênh và ghép kênh. 53
2.1.8. Các tần số lấy mẫu chuẩn. 58
2.2. Chuyển đổi tín hiệu từ digital sang analog(D/A). 58
2.2.1. Biến đổi D/A. 58
2.2.2. Lấy mẫu ở tần số cao 60
2.2.3 Nắn dạng tạp âm. 63
2.3. Những hạn chế của các bộ biến đổi A/D và D/A. 65

Chơng 3. Nén tín hiệu Audio số. 67
3.1. Cơ sở về nén audio. 67
3.2. Kỹ thuật nén số liệu audio. 68
3.2.1. Nén không tổn hao. 69
3.2.2. Nén có tổn hao. 70
5
Chơng 4. Các tiêu chuẩn nén tín hiệu audio số 72
4.1. Nén tín hiệu audio theo tiêu chuẩn MPEG 72
4.2. chuẩn nén MPEG 1. 73
4.2.1 Đặc điểm mức I. 79
4.2.2. Đặc điểm mức II 80
4.2.3. Đặc điểm mức III. 81
4.3. Chuẩn nén MPEG 2. 83
4.4. Ưu điểm của hai tiêu chuẩn nén MPEG: 85
4.5. Tiêu chuẩn AC 3 trong hệ thống DTV.
86
4.5.1 Nén audio bằng tiêu chuẩn AC-3. 86
4.5.2. Mã hoá. 88
4.5.3. Các hoạt động chi tiết của tiêu chuẩn AC-3 90
4.5.3.1 Bộ lọc băng chuyển đổi. 91
4.5.3.2 Biểu diễn dòng số liệu audio xoá . 93
4.5.3.3. Bít chỉ định. 94
4.5.3.4. Dòng bít cơ sở và cú pháp. 95
4.5.4. Các đặc tính của AC-3 96
Kết luận 97
6
c¸c thuËt ng÷ viÕt t¾t
A/D - Analog to digital convert
ADPCM – Adaptive diffferential pulse code modulation
EBU – European broadcast union

SNR – Signal and noise rate
CD – Compact disk
CD-Rom CD – read only memory
MPEG – Moving picture expert group
ISO – Internation standard organization
HDTV – High definition television
ISDN – Intergated service digital network
7
Lời nói đầu
Những năm gần đây với những tiến bộ vợt bậc của khoa học kỹ thuật đặc
biệt là lĩnh vực điện tử - tin học, trong đó công nghệ số ngày càng chiếm lĩnh sâu
rộng vào các ngành nghề trong xã hội. Âm thanh số là một lĩnh vực nền tảng
trong quá trình hoàn thiện và phát triển công nghệ số. Âm thanh số là bớc đầu
tiên trong việc phát triển các lĩnh vực truyền thông công nghệ cao, truyền thông
không dây, truyền hình số
Mặc dù là một mảng nhỏ trong hệ thống truyền thông nhng là phần rất
thiết yếu và không thể thiếu nên việc nghiên cứu và tìm hiểu về âm thanh số là rất
quan trọng . Vì vậy em đã lựa chon và tìm hiểu nghiên cứu đề tài về âm thanh số.
Lĩnh vực âm thanh phát triển từ tơng tự (analog) sang số (digital) trải qua
một quá trình hoàn thiện lâu dài và ngày càng cho chất lợng tốt hơn.
Vì vậy việc áp dụng những công nghệ mới nhất vào lĩnh vực âm thanh,
hình ảnh sẽ giúp cho các lĩnh vực phát thanh truyền hình, điện ảnh, sản xuất băng
đĩa và các nghành dân dụng khác nâng cao chất lợng và đa dạng hoá loại hình
dịch vụ.
Chơng 1. Tín hiệu âm thanh
1. 1. Tổng quan về âm thanh.
1.1.1. Nguồn gốc âm thanh.
Định nghĩa âm thanh.
8
Âm thanh là những biến đổi áp suất nhanh xảy ra trong không khí sau

nhiều quá trình tự nhiên gây nên. Tiếng gió thổi trên cành cây, tiếng sóng biển vỗ
bờ, tiếng chim kêu v.v tất cả đều là âm thanh tự nhiên. Nhiều hệ thống do con
ngời chế tạo cũng tạo ra những biến đổi áp suất tơng tự đôi khi là có chủ định,
song đôi khi là do khách quan. Một dàn nhạc tạo ra những âm thanh có chủ định
với mục đích thởng thức âm nhạc trong khi âm thanh của một động cơ phản lực
phát ra khi cất cánh lại đợc coi là do khách quan gây nên.
Tai con ngời phản ứng lại với những biến đổi áp suất trong không khí ở
phạm vi tần số khoảng từ 30Hz đến 15.000Hz sau đó đa đến não và đó chính là
âm thanh. Độ lớn hay biên độ dao động của những biến đổi áp suất này tạo nên
cảm giác về tiếng ồn.
Âm thanh chuyển động trong không khí theo quy tắc truyền sóng vì vậy
ngời ta có thể nghe thấy một âm thanh phát ra từ khoảng cách khá xa và những
biến đổi áp suất âm thanh đợc gọi là sóng âm. Trong mọi trờng hợp, sóng âm là
sóng tơng tự.
Sóng âm chuyển động trong không khí với vận tốc xấp xỉ bằng 345 m/s ở
nhiệt độ phòng và mực nớc biển. Theo lý thuyết về sóng, mối liên hệ giữa tần số f
và bớc sóng là:
= v/f
Ví dụ: bớc sóng của một tần số 440 Hz là khoảng 0,784m.
Rất nhiều các tính chất khác của sóng âm thanh có tầm quan trọng đối với
việc thiết kế các thiết bị âm thanh. Sóng âm sẽ phản xạ với những bề mặt cứng
(những bề mặt không hấp thụ sóng âm) tạo nên hiệu ứng về tiếng vọng và sự
vang âm. Sóng âm thanh bị nhiễu xạ - chúng có thể xuyên qua các lỗ hổng, các
khe hở và đến từng ngóc ngách. Sóng âm thanh cũng có thể bị khúc xạ, nó sẽ bị
bẻ cong khi vận tốc truyền thay đổi ở những khu vực khác nhau với nhiệt độ và
mật độ không khí khác nhau. Tầm quan trọng của những hệ quả này là hàm điều
kiện môi trờng và bớc sóng; về mặt toán học, việc tạo ra những đờng truyền sóng
âm thanh trong một môi trờng thực tiễn khá phức tạp.
9
Âm thanh tự nhiên không chỉ liên quan đến hai yếu tố là nguồn phát và ng-

ời nghe, bởi vì sóng âm luôn phản xạ với các đồ vật xung quanh môi trờng. Ngời
nghe tiếp nhận âm thanh phản xạ ngay sau khi âm thanh đó đợc phát ra. Ngời ta
gọi các yếu tố có liên quan đến âm thanh này là môi trờng âm thanh. Môi trờng
rất quan trọng đối với việc tái tạo lại âm thanh bằng hệ thống điện tử.
Một trong những yếu tố chủ yếu của môi trờng âm thanh đợc tạo ra do
hiện tợng phản xạ, thờng xảy ra ở những không gian kín (nh phòng hoà nhạc). Do
tốc độ giới hạn của âm thanh, sóng âm đợc truyền đi trong một phòng kín mất
nhiều thời gian để đến đợc tai ngời hơn là âm thanh trực tiếp và đợc gọi là những
âm trễ. ở mức cực điểm sẽ gây ra hiện tợng tiếng vọng, tức là một phản xạ đơn bị
trễ mà có thể nghe thấy sự lặp lại của âm thanh trớc. Chúng ta có thể nhận thấy
rõ tiếng vọng xảy ra khi sự trễ âm phản xạ lớn hơn khoảng 50ms, tơng đơng với
một khoảng cách là 17m. Tiếng vọng rõ nhất với những âm thanh có thời gian trễ
lớn hơn, ví dụ nh tiếng vọng xảy ra trong một thung lũng.
ở những khu vực không gian hẹp hơn, có thể có rất nhiều phản xạ mà
không một phản xạ nào có thể bị trễ hoặc khác biệt hẳn tới mức gọi là tiếng
vọng. Tuy nhiên, âm thanh vẫn tiếp tục truyền đi trong phòng cho đến khi nó biến
mất hoàn toàn do có hiện tợng hấp thụ âm, và gọi là hiện tợng tiếng vang.
Hiện tợng tiếng vang tạo ra cảm giác về không gian, rất quan trọng trong
quá trình mô phỏng âm thanh. Ví dụ nếu việc mô phỏng âm thanh không thu đợc
tiếng vang (trờng hợp máy thu đặt gần, hoặc thậm chí đặt trực tiếp máy thu ngay
tại nguồn âm), âm thanh sẽ trở thành âm chết. Điều này có thể khắc phục bằng
cách đa vào những tiếng vang nhân tạo (thờng xử lý bằng kỹ thuật số). Các chơng
trình truyền hình gốc (cha đợc biên tập) thờng đợc thực hiện ở những điều kiện
âm chết này với mục đích là tiếng vang nhân tạo sẽ đợc đa vào trong quá trình
biên tập. Điều này giúp biên tập viên có thể kiểm soát đợc âm thanh.
Tiếng vang đợc lợng tử hoá trong khoảng thời gian đủ để nó phá huỷ
1/1000 âm gốc. Đối với phòng thiết kế riêng cho phòng hội thảo, thời gian vang
của âm thích hợp nhất là 1 giây. Với một phòng hoà nhạc, thời gian dài hơn một
chút, lên đến khoảng 2 giây.
10

Việc đo âm bằng các thiết bị nh micro hay loa cần phải đợc thực hiện trong
một môi trờng hoàn toàn cách âm để tách các đặc tính của chúng ra khỏi các đặc
tính của môi trờng. Một loại phòng đặc biệt đợc gọi là phòng cách âm đợc thiết
kế cho mục đích này. Loại phòng này hấp thụ tất cả các âm thanh thâm nhập vào
chu vi của nó, vì vậy hiện tợng phản xạ sẽ không xảy ra. Về cơ bản đây là một
không gian chết. Khi nói trong căn phòng này, ngời ta hầu nh không thể nghe
đợc giọng nói của chính mình.
âm thanh truyền lan đợc trong các chất rắn, lỏng, khí nhng không lan
truyền đợc trong chân không.
Một số chất truyền dẫn âm rất kém, các chất dẫn âm kém thờng là loại
mềm xốp nh bông dạ, cỏ khô. Các chất này gọi là chất hút ẩm, đợc dùng để lót t-
ờng các rạp hát, phòng chiếu phim để hút ẩm, giảm tiếng vang.
Vận tốc truyền lan của của âm thanh phụ thuộc vào chất truyền âm. Ví dụ:
Không khí là 340 m/s.
Nớc là 1480 m/s.
Sắt là 5000 m/s.
Trong không khí, tốc độ truyền lan phụ thuộc vào nhiệt độ và đợc tính theo
công thức: C 331,45
( )
sm
T
/
273
0
T
0
: là nhiệt độ tuyệt đối của không khí.
Vậy nhiệt độ càng cao âm thanh truyền càng nhanh.
Thờng chọn: C = 340 m/s, tốc độ tơng ứng với T
0

= 290
0
K (17
0
C).
Trong hành trình truyền lan nếu gặp phải tờng núi đá, v.v thì phần lớn
năng lợng nhỏ tiếp tục truyền lan về phía trớc. Còn phần nhỏ nữa của năng lợng
âm bị cọ sát với vật chớng ngại biến thành nhiệt năng tiêu đi.
1.1.2. Các đại lợng vật lý của âm thanh.
11
1.1.2.1. Định nghĩa sóng âm.
Sóng âm là sự biến đổi các tính chất của môi trờng đàn hồi khi năng lợng
âm truyền qua.
Môi trờng mà sóng âm truyền đi gọi là trờng âm thanh. Nguyên nhân tạo
nên sóng âm là do dao động của vật thể trong trờng âm thanh. Chủ yếu xét trong
môi trờng là không khí. Âm thanh truyền trong không khí là do sự dao động nén
giãn của các phần tử khí tạo thành sóng dọc (phơng di chuyển của sóng dao động
trùng phơng truyền âm).
1.1.2.2. Tần số.
Tần số của một đơn âm là số lần dao động của không khí truyền dẫn âm
trong một giây đồng hồ. Khi ta gẩy nốt mi của đàn thì dây sẽ rung 330 lần trong
một giây. Ta gọi tần số của âm mi là 330 Hz.
Đơn vị của tần số là Hec (Hz): 1 Kilohec = 1000 Hz.
Tần số biểu thị độ cao của âm thanh: tiếng trầm có tần số thấp, tiếng bổng
có tần số cao. Tai ngời có thể nghe thấy đợc các tần số thấp tới 16 Hz và tần số
cao tới 20 000 Hz. Dải tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz gọi là dải tần âm thanh
(gọi tắt là âm tần).
Âm có tần số dới 16 Hz gọi là hạ âm. Những âm có tần số trên 20.000 Hz
gọi là siêu âm. Dòng điện có tần số trong khoảng 16 Hz 20.000 Hz gọi là
dòng điện âm tần.

ứng với mỗi tần số f có chu kì dao động T, là một bớc sóng . Chu kì của
dao động âm thanh là thời gian âm đó dao động đợc 1 lần. Chu kì ký hiệu là T
(đơn vị s): T =
f
1
Bớc sóng của âm thanh ký hiệu là có đơn vị là m.
Ta có:
= c.T là tốc độ truyền lan của âm thanh trong không khí.
12
c = 340 m/s
Vậy bớc sóng của âm thanh chính là khoảng truyền lan của âm thanh tơng
ứng với một chu kì dao động. Bớc sóng của âm thanh tơng ứng trong dải tần là từ
21,25 m 0,017 m.
Trên thực tế một âm phát ra thờng không phải là một đơn âm mà là một âm
phức. âm phức này bao gồm âm đơn và một âm hài có tần số gấp 2, 3, 4 lần âm
đơn.
Trong dải âm tần chia ra:
Tiếng trầm: 16 300 Hz.
Tiếng vừa: 300 3000 Hz.
Tiếng bổng (thanh): 3000 20.000 Hz.
Tiếng nói của ngời thờng có tần số từ 80 12.000 Hz.
1.1.2.3. áp suất.
Sự thăng giáng trên và dới áp suất khí quyển do sóng gây ra, áp suất âm
thanh gọi tắt là thanh áp. Kí hiệu P (x, y, z, t). áp suất có đơn vị là Pa (Pascal).
1 Pa = 1 N/m
2
; bar, 1 bar = 10
6
dyne/cm
2

.
áp suất âm thanh quan trọng đối với kỹ thuật điện tử nằm trong khoảng từ
tiếng ồn yếu nhất vốn có thể gây nhiễu cho ghi âm tới những âm mạnh nhất mà
màng loa có thể phát ra, khoảng này xấp xỉ 10
6
. Do đó để thuận tiện, các áp suất
âm thanh thờng đợc vẽ trên thang loga, là mức áp suất âm thanh đợc biểu thị theo
deciben (dB).
Deciben, đơn vị dùng cho nhiều mục đích trong kỹ thuật điện tử bắt nguồn
từ kỹ thuật âm tần trong điện thoại và đợc gọi theo tên của A.G.Bell. Bởi vì nó ở
thang loga nên cần giá trị chuẩn để so sánh giống nh ở những ngành khác của kĩ
thuật điện tử, áp suất chuẩn đối với âm thanh không khí tơng ứng với 0dB, đợc
định nghĩa nh áp suất âm thanh 20Pa. Đó là áp suất âm thanh chuẩn P
0
. Nh vậy
mức áp suất âm thanh L
0
theo deciben tơng ứng với áp suất âm thanh P đợc định
nghĩa.
13
Lp = 20 log
dB
P
P

0
áp suất chuẩn P
0
xấp xỉ áp suất âm thanh nghe đợc yếu nhất ở 2000 Hz.
Do đó phần lớn các giá trị dB của mức áp suất âm thanh đều có dấu (+).
1.1.2.4. Công suất.
Công suất âm thanh là năng lợng âm thanh đi qua một diện tích S trong
thời gian 1 giây. Công suất âm thanh có thể tính bằng công thức:
P = P.s.V
Trong đó: P: thanh áp
V: tốc độ dao động của phần tử không khí tại đó.
s: diện tích.
Công suất âm thanh tính theo W. Sau đây là một số âm thanh của một số
nguồn âm (số liệu này có tính chất tham khảo).
Máy bay phản lực: 10.000 W.
Búa máy: 1 W.
Ôtô vận tải phóng nhanh: 0,12 W.
1.1.2.5. Cờng độ.
Cờng độ âm thanh (I) là công suất âm thanh đi qua một đơn vị diện tích là
1 cm
2
:
vP
S
P
I .==

Ba đại lợng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cờng độ âm thanh gắn

liền với nhau:
SvPSIP
==
Cả ba đều biểu thị độ lớn nhỏ của âm thanh. âm thanh có năng lợng càng
lớn thì công suất, cờng độ và áp suất âm càng lớn.
14
1.2. Thính giác.
Tai ngời là một máy thu âm đặc biệt có thể cảm thụ đợc tần số, biên độ
khác nhau của âm thamh.
1.2.1. Cảm thụ về tần số của tai ngời.
Ngời bình thờng có thể nghe đợc âm thanh trong dải tần số từ 20hz đến
15000 hz, có ngời nghe đợc âm thanh có tần số cao hơn, có ngời lại chỉ nghe đợc
các tần số thấp hơn. Ngời già nghe tiếng thanh kém hơn ngời trẻ. Kí hiệu quốc tế
Hz (hezt) đợc dùng cho tần số nghe đợc cũng nh phần còn lại của miền tần số.
Các giới hạn tần số nghe đợc chỉ xấp xỉ bởi vì ở dới 20hz các cảm giác, xúc giác
hoà lẫn với cảm giác nghe trên giới hạn đó.
Ngời ta phân biệt đợc 130 mức thanh áp khác nhau, mỗi mức cách nhau
1db. Tai ngời nghe nhạy với các tần số trong khoảng 500hz đến 5000hz; ở
khoảng tần số này chỉ cần nguồn âm có thanh áp nhỏ nghe cũng đợc rõ không
kém gì ở các khoảng tần số cao hay thấp có thanh áp lớn.
Tai ngời còn có thể phân biệt đợc những âm sắc khác nhau. Âm sắc là sắc
thái riêng của âm thanh, giúp ta phân biệt đợc các nguồn âm khác nhau. Hai loại
nhạc cụ dạo một bản nhạc nh nhau nhng nghe khác nhau vì âm sắc khác nhau.
Tai ngời lại có khả năng u tiên nghe rõ các tiếng mà mình nghe quen.
Chẳng hạn ngời nghe tiếng Việt nam khi thuyết minh phim rõ hơn tiếng ngoại
quốc. Ngời ta còn có thể xác định đợc hớng âm thanh truyền tới nhờ có hai tai.
Vì vậy ta có thể nghe đợc âm thanh lập thể.
Các thông số về tần số:
Dải tần 16 - 20.000hz là phạm vi tần số âm mà tai ngời có thể cảm thụ đợc
gọi là âm tần.

f<16hz không cảm nhận đợc Hạ âm .
f>20khz gọi là siêu âm.
Cảm thụ dải tần thể hiện độ cao của âm: cao thấp hay trầm bổng. Nếu cho
tần số tăng liên tục thì ngời ta thấy cứ mỗi khi tần số tăng lên gấp đôi tai ngời lại
15
cảm nhận đợc 1 bậc của độ cao. vì vậy ngời ta thấy lấy log
2
làm đơn vị đo độ
cao thấp gọi là octave. Số octave tơng ứng với tần số f đợc xác định nh sau:
n
oct
= log
2
0
f
f
= 3,34log
0
f
f
(octave).
f
0
: tần số chuẩn. ví dụ chọn f
0
=20hz thì có bảng cảm nhận tần số.
f
n
(hz) 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160
n(oct) 0

3
1
3
2
1 1
3
1
1
3
2
22
3
1
2
3
2
3
200 250 315 630 1000 1250 2000 3150 5000 10000
3
3
1
3
3
2
4 5
5
3
2
6 6
3

2
7
3
1
8
9
1.2.2. Cảm thụ về biên độ của tai ngời.
Cảm thụ về biên độ thể hiện độ to-nhỏ của âm thamh, thờng gọi là âm l-
ợng. âm lợng không chỉ phụ thuộc vào biên độ mà còn phụ thuộc vào tần số, vào
điều kiện tác động. ví dụ khi tác động lâu một âm thanh có biên độ không đổi thì
âm lợng giảm đi.
Nguỡng nghe đợc: là mức thanh áp hiệu dụng nhỏ nhất của một đơn âm
mà tai ngời cảm nhận đợc, dới mức này thì tai không nghe thấy. Ngỡng nghe đợc
phụ thuộc vào tần số, lứa tuổi ngời nghe, biện pháp bố trí nguồn âm ngời ta lấy
16
âm 1000hz là đơn âm chuẩn, lúc đó ngỡng nghe đợc tiêu chuẩn là P
e
ng
=2.10
5
N/m
2
.
Ngỡng chói tai: là mức thanh áp hiệu dụng lớn nhất của một đơn âm mà tai
ngời cảm nhận đợc nhng cha bị tổn thơng. Ngời ta cũng lấy thanh áp điều hoà
1000hz là P
e

ch
=20 N/m

2
gọi là ngỡng chói tai tiêu chuẩn.
Đơn vị âm lợng: trong thực tế ta thấy âm lợng đo bằng dB nó có định nghĩa
đối với sóng âm phẳng điều hoà nh sau:
N
dB
=10lg
0
I
I
=10lg
0


=20lg
0


=20lg
0
P
P
[dB].
I: cờng độ

: mật độ
v: vận tốc pha
P: công suất
Mức ngỡng lấy: I
0

=10
12
W/m
2
;

0
=3.10
15
J/m
3
;v
0
=5.10
8
m/s; P
0
=2.10
5
N/m
2
thì gọi là mức tuyệt đối của âm thanh.
Ví dụ âm lợng của ngỡng chói tai là 120dB.
Ngoài ra còn có đơn vị là Ben.
N
Ben
= lg
0
I
I

= lg
0


= lg
0


[Ben]
1 Ben = 10 dB.
Trong kĩ thuật thông tin các mức điện (điện áp, công suất) cũng đo bằng
dB. Nó đợc định nghĩa nh sau:
[dBW] =10lg
][
][
0
WP
WP
= 10lg
W
WP
1
][
17
[dBV] = 20lg
][
][
0
VU
VU

= 20lg
V
VU
1
][
[dBm] = 10lg
][
][
0
mWP
mWP
= 10lg
mW
WP
1
][
Thờng dùng đầu vào của 1 đờng dây có trở kháng đặc tính (sóng)

=600

trong mạng thông tin điện thoại với điểm vào có mức công suất 0dBm ứng với
1mW; lúc đó theo công thức: P = 1mW = I
0

=

2
0
U
sẽ tính đợc U

0
= 0.775 V
0
=
1,29mA nên mức điện đợc định nghĩa là:
(dB)
mW
= dBm = 10lg
1
][mWP
;
(dB)
v
= 20lg
775,0
][VU
;
(dB)
mA
= 20lg
29,1
][mWI
.
Từ dB ta có thể chuyển sang Nepe (logarit tự nhiên) :
1 Nepe = 8,686 dB

8,7dB
1 dB = 0,115 Nepe.
1.2.3. Một số hiệu ứng của tai ngời.
a. Hiệu ứng che lấp ( lấn át).

Trong môi trờng truyền âm nếu có âm thanh nền (tạp âm nhiễu) truyền thì
ngỡng nghe thấy sẽ bị nâng lên (độ nhạy thính giác giảm). Ngời ta đánh giá hiệu
ứng này bằng mức che lấp M:
M = N
'
0
- N
0
N
0
: Ngỡng nghe đợc khi không có tạp âm (2.10
5
N/m
2
).
18
N
'
0
: Ngỡng nghe đợc khi có tạp âm.
Đặc điểm của ngỡng che lấp là : tần số thấp che lấp tần số cao, âm thanh
mạnh che lấp âm thanh yếu.
b. Hiệu ứng phi tuyến.
Giả sử cho một đơn âm tác động lên tai ngời. Sau đó cho nhiễu có cùng tần
số nh vậy tác động rồi mở rộng dải tần số nhiễu về hai phía thì ngời ta nhận thấy:
Khi mở rộng dải tần số của

F thì mức che lấp M tăng lên. Đến lúc nào
đấy M đạt M
GH

khi

F đạt

F
GH
. Lúc đó ngay cả tăng

F >

F
GH
thì M vẫn là
M
GH
. Trong khoảng 20 - 16000hz có 24 dải giới hạn của thính giác. Chính cấu
trúc dải giới hạn của thính giác làm cơ sở cho tính phi tuyến của thính giác. Các
thực nghiệm sau đây thể hiện tính phi tuyến của thính giác;
* Cho đơn âm tần số tác động với múc 100 dB thì ngoài f
1
còn nhận đợc 2
f
1
ở mức 88dB , 3 f
1
ở mức 74dB.
* Cho đơn âm f
1
=const tác động đồng thời với f
2

biến thiên tuỳ ý thì tai sẽ
cảm nhận đợc âm phách F =
12
ff
khi f
2
xấp xỉ bằng f
1
, 2f
1
, 3 f
1
.
* Cho hai đơn âm f
1
và f
2
tác động , tần số của hai âm này ở hai dải giới
hạn khác nhau thì tai ngời cảm nhận đợc mf
1
- nf
2
với f
1
- f
2
có âm lợng đủ lớn.
c. Hiệu ứng quán tính.
Hởng ứng của thính giác đối với tác động âm không phải là ngay tức thì
mà là có trễ. Khi âm bắt đầu chừng 200ms thì thính giác mới xác định đợc âm l-

ợng của nó. Khi âm tắt, cảm giác về âm còn kéo dài thêm chừng 150 200ms.
Thính giác cũng không phân biệt đợc khoảng ngỡng bé hơn 50ms giữa 2 đơn âm
giống nhau đi liền kề.
19
d. Hiệu ứng hai tai.
Khoảng cách hai tai là bớc sóng

của tần số 2000hz. Do chênh lệch pha,
do nhiễu xạ và che chắn bởi đầu ngời, vành tai nên sóng âm truyền từ một nguồn
đến tai có khác nhau. Kết quả là con ngời có khả năng định hớng nguồn âm
thanh với sai góc khoảng 3
0
- 4
0
.
e. Hiệu ứng stereo.
Hiệu ứng phân biệt đợc vị trí không gian của hai hay nhiều nguồn ở nơi
thu tạo ra cảm giác của ngời nghe về đặc tính không gian của bên phát từ đó cố
gắng tái tạo lại trờng âm thanh ở nơi nghe (nơi đặt máy thu) nh ở nơi phát (biểu
diễn phòng thu studio). Truyền đạt nh vậy gọi là stereo. So với mono,
stereo tạo ra cảm giác không gian âm thanh tốt hơn (tất nhiên là không bằng
nghe trực tiếp tại sân khấu).
1.2.4. Tiếng nói.
Tiếng nói đợc cơ quan phát âm của con ngời phát ra (phát âm: không khí
dây thanh đới thanh quản khoang miệng) trong dải tần số nghe thấy của
tai ngời, tiếng nói đợc phân thành:
Âm hữu thanh: tần số cơ bản do thanh đới dao động phát ra (đa ra thanh
quản) gọi là tần số âm cơ bản: 70 450hz; nam tần số trung bình 50hz; nữ tần
số trung bình 150hz. tuy nhiên cũng tuỳ theo từng giọng;
Nam trầm: 80 350hz

Nam trung: 100 400hz
Nam cao: 250 1200hz
Nữ thấp: 160 600 hz
Nữ cao: 250- 1200hz
Âm vô thanh: có bản chất tạp âm, kết quả của sự hụt hơi qua các khe trong
khoang miệng (môi, mũi, răng, lợi) quyết định bởi hốc cộng hởng đợc hình thành
và điều khiển rất tinh vi nhờ con ngời thông qua hệ thống các cơ trong khoang
miệng.
20
Cấu tạo phoocman: khi tiếng nói ngoài tần số cơ bản là f
0
còn tạo ra các
thành phần hài. Tuỳ theo sự hoạt động của các cơ quan trong khoang miệng (tuỳ
theo ngôn ngữ) mà các hài sẽ có biên độ khác nhau, tạo nên các vùng năng lợng
có các điểm cực đại cực tiểu xác định gọi là các vùng phoocman. Ngôn ngữ khác
nhau sẽ có phoocman khác nhau:
Tiếng Việt có 2
ữ
5 phoocman khác nhau.
Tiếng Nga có 1
ữ
4 vùng phoocman.
Năng lợng của các vùng phoocman 200 - 8600hz tập trung ở 300
3400hz.
Năng lợng phổ tiếng nói chủ yếu ở vùng tần số 300 3400Hz , đặc biệt là
80h 2000hz tập trung 94% công suất năng lợng tiếng nói. Vì thế có thể coi dải
tần tiêu chuẩn của tín hiệu thoại là 300 3400hz.
1.3. Âm nhạc.
Các âm thanh theo chu kì ở những tần số nào đó rất dễ chịu đối với thính
giác và khi đợc kết hợp theo một cách phù hợp sẽ tạo ra hiện tợng đợc gọi là âm

nhạc. Mọi ngời đều đã học những nguyên lý cơ bản của âm thanh ở các cấp học
và hầu hết chúng ta đều có một vài khả năng đánh giá âm nhạc.
Mặc dù đi sâu vào kỹ thuật hoặc các khía cạnh thẩm mĩ khác của âm nhạc
không thuộc phạm vi đề tài song ở đây xin đợc đề cập đến một vài tính năng của
âm nhạc có liên quan đến quá trình tái tạo âm thanh điện tử.
1.3.1. Cao độ.
Hầu hết nhạc đợc phân chia theo nốt nhạc, đây là những kí hiệu nhỏ của
âm thanh ở những tần số riêng. Tần số này gọi là cao độ của nốt nhạc. Cao độ có
thể đợc hiển thị nh một tần số bằng hz hoặc hiển thị bằng nốt nhạc trên khuông
nhạc phơng tây đợc viết trên một khuông nhạc chia đều bao gồm các nốt nhạc
cách đều nhau theo tỉ lệ 2
12
1
(1,05946). Hầu hết chúng ta đều dễ dàng nhận biết sự
21
khác nhau về cao độ ở 1
4
1
của giá trị này và có thể phát hiện một nốt nhạc nằm
ngoài giai điệu nếu nó vợt quá sai số so với phạm vi cơ bản. Một ngời còn có khả
năng phát hiện sai số này khi nghe chính nốt nhạc - đây đợc coi là cao độ hoàn
hảo.
Cao độ của một nốt nhạc có thể ổn định trong suốt bản nhạc hoặc có thể
thay đổi theo một vài cách. Một thay đổi có chủ định gọi là ngân. ở một số loại
nhạc sẽ có thể sử dụng luyến âm để quét cao độ từ nốt nhạc này sang nốt khác
hoặc uốn cao độ, dạng thức có thể áp dụng cho bất cứ sự thay đổi độ cao nào.
Các nhạc sĩ tạo ra cao độ với độ chính xác tuyệt đối để làm thoả mãn của
những ngời nghe có cao độ hoàn hảo và tạo ra những thay đổi có chủ định là hết
sức quan trọng. Cao độ cần phải có ổn định ngắn hạn để ngời nghe thấy phách
động, cả hai yêu cầu này đều nằm trong chu kì quét hệ thống điện tử. Đây muốn

nói đến sự chính xác và ổn định của chu kì quét.
1.3.2. Âm sắc.
Nốt nhạc bao gồm một tần số cơ bản, một vài sóng hài của nó, những tần
số này có liên quan và sự biến điệu (có thể xảy ra) của biên độ và tần số của 1
hay nhiều thành phần khác. Sự kết hợp này tạo ra cảm giác mà chúng ta gọi là âm
sắc. Đây là đặc tính phân biệt âm thamh của những nhạc cụ khác nhau khi những
nhạc cụ này chơi ttrên cùng một nốt. Khó có thể diễn đạt bằng lời những sắc thái
khác nhau của một âm sắc song điều quan trọng ở đây là một hệ thống mô phỏng
âm thanh cần phải tạo ra các thành phần mà sự thay đổi âm sắc xảy ra trong quá
trình tái tạo âm thanh đặt ra yêu cầu phải có độ rộng băng tần lớn nhất. Âm nhạc
thờng có thể nhận biết đợc khi sử dụng dải băng tần có độ rộng nhỏ khoảng
5000hz. Tuy nhiên nh thế chất lợng của âm sắc có thể sẽ bị mất đi khá nhiều. Độ
rộng băng tần đầy đủ ít nhất phải ở 15000hz. Đây là tiêu chuẩn khi sản xuất âm
nhạc.
1.3.3. Nhịp điệu.
Tốc độ chơi của 1 chuỗi nốt nhạc đợc gọi là nhịp điệu. Nhịp điệu không cần
phải chính xác nh cao độ. Thay đổi nhịp điệu có thể làm thay đổi bản nhạc, có
22
thể chơi nhanh hơn hoặc chậm hơn mà độ cao không đổi. Vì vậy rất nhiều nhạc
sỹ phải đa sự thay đổi nhịp điệu vào để tạo ra điểm nhấn hoặc cảm giác âm nhạc.
Trong 1 hệ thống âm nhạc số có lấy mẫu nhịp điệu cũng phải đợc mô phỏng với
độ chính xác nh cao độ.
1.4. Nguyên lý biến đổi âm thanh thành tín hiệu điện và
ngợc lại .
Âm thanh không thể trực tiếp truyền đi trong một khoảng cách quá xa. Vì
vậy để truyền âm thanh một hệ thống thiết bị sẽ đợc biến đổi năng lợng thành tín
hiệu điện, các tín hiệu này sẽ đợc truyền đến phía thu, tại đó thực hiện biến đổi
năng lợng tín hiệu điện thành âm thanh ban đầu.
Thiết bị biến đổi năng lợng âm thanh thành năng lợng điện sử dụng trong
micro. Nguyên lý làm việc của micro là sử dụng các tính chất điện từ, hay tính

chất cơ học để tạo ra dòng điện tơng ứng với sự biến đổi của áp lực do âm thanh
gây ra trên màng micro.
Âm thanh sau khi đợc biến đổi thành tín hiệu điện sẽ đợc lu trữ hay truyền
dẫn, phục vụ các chức năng nhất định.
Quá trình tái tạo lại âm thanh từ tín hiệu điện đợc thực hiện bởi thiết bị
biến đổi điện - âm thanh gọi là loa. Dao động do dòng điện âm tần kích thích làm
rung động màng loa theo đúng dao động của nguồn âm ban đầu và tái tạo lại đợc
âm thanh tơng ứng.
Sự phối hợp âm thanh sẽ tạo nên các hiệu quả đáp ứng yêu cầu của ngời
nghe.
Tín hiệu điện mang thông tin của âm thanh gọi là tín hiệu audio. Tín hiệu
audio đợc truyền đi cùng tín hiệu video trong hệ thống truyền hình. Tại phía thu,
tín hiệu audio và video đợc tách riêng để tái tạo lai âm thanh và hình ảnh tơng
ứng.
Có nhiều phơng pháp biến đổi năng lợng âm thanh thành năng lợng điện,
sử dụng trong micro. Nguyên lý làm việc của các micro là sử dụng các tính chất
điện từ hay tính chất cơ học để tạo ra dòng điện tơng ứng với sự biến đổi của áp
lực do âm thanh gây ra trên màng micro.
23
Chơng 2. Xử lý tín hiệu âm thanh số
Âm thanh số.
Tín hiệu âm thanh chuyển từ mono sang stereo là một bớc nhảy vọt về chất
lợng. Tuy nhiên quá trình xử lý, lu trữ và chuyển tải thông tin âm thanh theo công
nghệ analog vẫn còn những hạn chế về chất lợng kỹ thuật do khả năng giới hạn
của chính công nghệ đó.
Với kĩ thuật số digital công nghệ âm thanh không những đã vợt qua tất cả
các giới hạn chất lợng mà còn mở ra một chân trời mới nhiều hứa hẹn.
24
Âm thanh số là gì?
ở dạng gốc tín hiệu âm thanh (chính xác hơn là tín hiệu âm tần) là tín hiệu

tơng tự (analog) tức là tín hiệu có đờng biểu diễn tần số và biên độ liên tục. Nói
cách khác tín hiệu analog có thể xác định tại một thời điểm bất kì và có vô số các
giá trị tức thời khác nhau.
Tín hiệu âm thanh số (digital) là những mẫu đợc lấy ra từ tín hiệu gốc
analog và số hoá theo mã qui định. Vì thế nó là những tín hiệu rời rạc. Xét mặt
thời gian cũng nh giá trị, mỗi mẫu rời rạc đợc biểu diễn bằng một mã nhị phân,
việc xử lý các mẫu nhị phân rời rạc đó tuân theo quy luật của kĩ thuật số gọi là
phơng pháp xử lý tín hiệu âm thanh số.
Mạch xử lý tín hiệu âm thanh số bao gồm chủ yếu các mạch trữ, mạch
chuyển tiếp và mạch thuật toán.
Tại sao phải xử lý tín hiệu âm thanh số ?
Phơng pháp xử lý bằng công nghệ tơng tự thờng có những hạn chế về dải
tần, dải động, độ méo, độ yếu, suy giảm chất lợng khi sao chép thông tin. Để
thấy rõ nhợc điểm của công nghệ analog ta cần xem những thiết bị xử lý và
chuyển tải thông tin analog ảnh hởng tới tín hiệu âm thanh ở những góc độ nào.
Để xét vấn đề trên ta có thể đơn giản một hệ thống thông tin bằng một mô hình
đơn giản. Trờng hợp đơn giản nhất một hệ truyền dẫn chỉ gồm 1 đờng cáp tín
hiệu và phức tạp hơn nhiều khi là cả một kênh phát thanh qua hệ thống vệ tinh.
R
E
Hình2.1. Mô hình hệ truyền tín hiệu âm thanh đơn giản.
25
Nhiễu
LoaMicro
Khuếch đại