Một trong những bộ chuyển điện thành tín hiệu âm thanh thường thấy nhất trong tai nghe là driver dạng động (dynamic driver). Về cơ bản nó là một phiên bản thu nhỏ của phần driver lớn thường thấy trong các dàn loa. Có rất nhiều dạng driver cho tai nghe tuy nhiên trong khuôn khổ mục này chúng ta chỉ đề cập đến driver dynamic

Hình bên trên mô tả một tai nghe được tháo rời thành các thành phần riêng biệt với pad tai và bọc driver được lược bỏ. Vật thể sáng bóng có hình tròn chính là màng loa - cũng giống như chóp loa của một chiếc loa thông thường. Tín hiệu điện đi qua tai nghe làm màng âm dịch chuyển ra vào, tạo ra âm thanh đến tai chúng ta.

Để hiểu hơn về cách thức hoạt động của dây dẫn, tín hiệu điện, và các nam châm làm màng âm di chuyển, trước hết ta cần hiểu rõ một số kiến thức cơ bản về nguyên lý điện từ. Nào ta cùng bắt đầu.

Lực điện động (Electro-Motive Force)

Một driver động chuyển hóa tín hiệu điện đại diện cho âm thanh thành một chuyển động dạng cơ của màng âm, giúp nén và chế hòa phần khí phía trước nó tạo ra một sóng âm tương đương với sóng điện ban đầu ( Analog ). Nói đơn giản hơn, khi ta cho dòng điện chạy qua dây dẫn nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh dây dẫn đó tương đương với điện lượng và hướng của dòng điện ban đầu. Nếu ta đặt dây dẫn đó vào một từ trường khác, từ trường có sẵn xung quanh dây dẫn sẽ phản ứng với từ trường mới và làm cho dây chuyển động. Đây cũng là nguyên lý hoạt động cơ bản của các motor điện… thật ra, dây dẫn và nam châm lắp đặt trong driver tai nghe cũng chính là motor của nó.

Ở dưới cùng trong hình bên trên mô tả một dây dẫn trong từ trường của nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của nam châm vĩnh cửu là một mảnh thép dầy hoặc bất cứ vật liệu nào có thể nhiễm từ vĩnh viễn. Dây dẫn được nối với một đầu của pin và có dòng điện đi qua. Tác động giữa từ trường của nam châm vĩnh cửu và từ trường phát ra từ dây dẫn sẽ làm cho dây chuyển động.

Hình trên cùng bên trái là cận cảnh của các cực từ (xanh lá) với luồng từ di chuyển giữa chúng (đỏ). Đường màu xanh dương mô tả một mặt cắt của dây dẫn điện với dòng điện có hướng di chuyển ra phía bạn, và luồng từ xung quanh dây dẫn (đỏ).

Các luồng từ (các đường từ lực màu đỏ) có những định luật như sau:

1. Các luồng từ thông không bao giờ tiếp xúc với nhau.
2. Các luồng từ luôn đi theo hướng ít nghịch nhất.
3. Nếu luồng từ bị bẻ cong trái với hướng ít nghịch nhất như ví dụ #1, chúng sẽ bị tác động bởi một lực cơ học theo hướng ít nghịch nhất (hướng ngược lại).

Do từ trường đi quanh dây dẫn, luồng từ của từ trường lớn hơn thường cũng sẽ di chuyển quanh dây dẫn theo cùng hướng với từ trường nhỏ. Điều này làm cho số lượng luồng từ đi xung quanh phía bên phải dây dẫn cao hơn số lượng luồng từ ở phía bên trái. Ta có thể tưởng tượng các luồng từ này cũng giống như các sợi dây cao su, luôn muốn trở về đường di chuyển ít nghịch nhất. Do đó các luồng từ này sẽ có xu hướng đẩy ngược lại từ trường của dây dẫn, làm cho nó di chuyển về phía bên trái như trong hình. Dĩ nhiên nếu ta tăng hay giảm lưu lượng điện trong dây dẫn, lực và chuyển động trong dây cũng sẽ tăng hay giảm theo, và nếu ta đảo dòng điện trong dây dẫn, nó cũng sẽ di chuyển theo hướng ngược lại. Cho một tín hiệu âm thanh đi qua dây dẫn, nó sẽ di chuyển qua lại một cách chính xác nhất theo tín hiệu điện đã được tạo ra.

Hình bàn tay (phía trên bên phải) biểu hiện “Luật Tay Trái” của Flemings áp dụng đối với lực điện động. Ngón trỏ chỉ hướng của luồng từ (hướng Bắc đến Nam), ngón giữa chỉ hướng dòng điện trong dây dẫn (dương đến âm), và ngón cái chỉ hướng của lực tác động lên dây dẫn.

Với các kiến thức như trên, bây giờ chúng ta sẽ cùng nghiên cứu cách tạo ra một motor để kết nối với chóp loa, hay trong trường hợp này là một màng âm, và tạo ra âm thanh.

Cấu tạo driver động (dynamic driver)
Đầu tiên, ta nới rộng xung quanh phần nam châm hình chữ “C” để tạo thành một khoảng trống hình tròn giữa hai cực nam – bắc, đặt vào khoảng trống đó một dây dẫn theo hình tròn mang tín hiệu âm thanh – ta gọi đây là cuộn cảm (voice coil).

Hình bên trên là một nam châm hình chữ “C” có dạng tròn, được cắt đi một phân khúc để bạn có thể thấy hoạt động bên trong. Cuộn cảm được thể hiện bằng hình vẽ một dây dẫn đơn màu xanh dương, tuy nhiên đối với một tai nghe thật, cuộn cảm có thể được cuốn hàng trăm, thậm chí hàng ngàn vòng. Hình dưới là hình thật của driver V-Moda Crossfade LP với màng âm được lược bỏ.

Khi dòng điện đi qua, dây dẫn sẽ di chuyển ra ngoài hay vào trong phạm vi của nam châm tùy theo hướng di chuyển của dòng điện (như trong hình). Sau đây ta cùng nghiên cứu kỹ hơn về cuộn cảm và màng âm.

Thông thường thì màng âm của tai nghe có cấu tạo gồm một hoặc nhiều lớp nhựa ép sát vào nhau và tạo khối qua xử lý nhiệt. Phần chính giữa được gọi là vòm, còn phần bên ngoài được gọi là các phần rẽ cong(flexure). Phần rẽ cong được cố định vào cạnh ngoài driver, và được nối với cuộn cảm ở nơi tiếp xúc giữa phần rẽ cong và vòm. Các nếp gấp nhỏ trên mặt rẽ cong giúp nó có thể biến dạng dễ dàng hơn một chút khi di chuyển ra hay vào, đồng thời cũng giữ chắc thêm ngăn ngừa các chuyển động lỗi hỏng. (Chế độ ngăn ngừa các rung động pittông khi hoạt động ở tần số cao).

Tuy có rất nhiều chất liệu và hình dáng được sử dụng trong cấu tạo màng loa cho driver của tai nghe, nhưng cấu tạo sau đây có thể được xem như một điển hình cho tất cả các loại driver động. Bỏ qua một số ngoại lệ, cấu tạo chung của driver động gồm:

1. Cuộn cảm trên màng âm/chóp.
2. Khe từ tính hình tròn.
3. Dao động pittông (vào/ra theo đường thẳng)

Ta cùng xem qua kỹ hơn mạch từ tính của driver trong một tai nghe thật. Nam châm được tạo ra bằng cách đặt các chất liệu theo một từ trường tuyến tính trong một cuộn dây lớn. Tuy nhiên với với ví dụ nam châm hình chữ “C” như trên hình cắt khúc, ta sẽ không đạt được hiệu ứng từ tính nào cả vì hình dạng đó không thể hoạt động được. Thay vào đó hệ thống nam châm trong driver tai nghe thường được cấu tạo với dạng đệm kẹp ở giữa và đi qua các cực bằng thép. Nam châm dạng đệm có hai cực nằm ở trên và dưới. Các luồng từ sẽ len lỏi giữa hai cực và đi qua các chỗ hở một cách dễ dàng hơn.

Nam châm dạng đệm như trên được thiết kế bằng cách trước tiên từ tính hóa một phía của một ống dài, sau đó cắt nó thành đệm dày hoàn chỉnh. Hầu hết nam châm hiện nay đều được sản xuất từ các vật liệu đất gốm quí hiếm – thường là samarium-cobalt và neodymium-iron-boron – và cực tốt.

Như vậy, cuộn cảm trong khe từ khiến cho màng loa chuyển động, tạo thành âm thanh phát ra phía trước màng đi đến tai chúng ta. Tuy nhiên còn một vấn đề phát sinh, đó là âm thanh phát ra cũng bị dội về phía sau màng âm vào cấu trúc motor, tạo ra cộng hưởng âm làm ảnh hưởng đến chuyển động của màng âm gây ra méo tiếng không mong muốn. Sau đây chúng ta cùng đề cập đến vấn đề này.

Thông khí và điều phối âm.
Để giải quyết vấn đề âm thanh bị giữ lại phía sau màng loa, lỗ thông khí và biện pháp giảm âm cũng được kèm theo driver. Có hai khu vực phía sau màng âm nơi âm thanh bị lưu lại:

1. Phía sau vòm và bị giữ bởi cuộn cảm.
2. Phía sau phần rẽ cong ở giữa cuộn cảm và phần dính với mép ngoài của màng loa

Lượng khí phía sau vòm được điều khiển bởi một lỗ thông khí trung tâm (còn gọi là bass port). Tuy không có trong hình nhưng lỗ thông khí này thường được nhồi một miếng bọt thoáng để giảm bớt âm đi.

Lượng khí phía sau phần rẽ cong được thông bởi một loạt các lỗ trong vòng tròn dưới phần rẽ cong. Biện pháp giảm âm được thực hiện thông qua việc che các lỗ này bằng giấy xốp, đôi khi che cả các lỗ trên giấy.

Lượng giảm âm ở mỗi khu vực này là yếu tố tiên quyết quyết định khả năng kiểm soát cộng hưởng của từng khu vực tương ứng của driver, và cùng lúc ảnh hưởng đến độ cân bằng trở kháng âm học giữa các định mức tăng giảm hiệu suất của màng loa.

Do lượng khí thật sự rất nhỏ nên trong các driver rẻ tiền, ở tần số cao thường cho ra âm lỗi cao nhất. Tuy nhiên có một điều khá thú vị là các lỗi âm học sẽ cản trở chuyển động của cuộn cảm, khiến cho các tần số lỗi này bị thay đổi theo ở từng lượng trở kháng nhất định.

Các cộng hưởng phía sau driver sẽ hình thành các trở kháng âm học trên driver tại các tần số bị cộng hưởng. Sự thay đổi trở kháng âm học này tạo ra sự thay đổi trở kháng cơ học trong chuyển động của màng âm, và sự thay đổi trở kháng cơ học trong chuyển động của màng âm lại có thể bị xem như là sự thay đổi trở kháng điện của tín hiệu truyền tải tại tần số cao. Vì lí do này đôi khi ta có thể nhận biết được lỗi cộng hưởng của driver khi đo đạc mức trở kháng của tai nghe trong giới hạn từ 2kHz đến 8kHz.

Bên trên là hai loạt biểu đồ so sánh giữa độ méo âm tai nghe (biểu đồ dưới), trở kháng điện và độ hồi đáp pha (biểu đồ trên). Các hình bên trái biểu thị một driver khá tốt với rất ít thay đổi trong trở kháng và pha, độ méo cũng rất nhỏ trong phạm vi 2kHz đến 8kHz. Các hình bên phải biểu thị một driver rẻ tiền với mức trở kháng và pha khá loạn, và mức méo âm với ngưỡng quá cao trong cùng mức tần số như trên.

Tổng kết.
Driver động cho tai nghe có một motor nhỏ dùng nam châm vĩnh cửu với một khe dạng vòng, một cuộn cảm đặt trong khe tạo ra chuyển động tuyến tính đến phía trước và sau khi có tín hiệu âm thanh điện học đi qua. Màng loa được gắn vào cuộn cảm giúp nén và chế hòa khí thông qua chuyển động, từ đó tạo ra âm thanh đến ta chúng ta.

Âm thanh cũng đi ngược về phía sau màng âm, bị giữ lại một lượng nào đó và tạo ra cộng hưởng âm học. Driver dynamic cho tai nghe được thiết kế với các lỗ thông khí với chất liệu giấy xốp hoặc bọt biển bên trong để điều chỉnh và giảm lượng âm lưu lại bên trong driver.