Sóng âm là gì?

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

1. Một số khái niệm cơ bản

- Sóng âm: Sóng âm là những sóng cơ truyền trong môi trường khí, lỏng, rắn.

Tần số của sóng âm là tần số âm.

- Nguồn âm: Một vật phát dao động phát ra âm là một nguồn âm. Tần số của âm phát ra bằng tần số của nguồn âm.

- Âm nghe được có tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz và gây ra cảm giác âm trong tai con người.

- Hạ âm: Những sóng cơ học tần số nhỏ hơn 16Hz gọi là sóng hạ âm, tai người không nghe được. Một số loài vật như voi, chim bồ câu…. nghe được hạ âm.

- Siêu âm: Những sóng cơ học tần số lớn hơn 20000Hz gọi là sóng siêu âm, tai người không nghe được.

Một số loại như dơi, chó, cá heo... có thể nghe được siêu âm.

Tai người không nghe được hạ âm và siêu âm.

- Môi trường truyền âm: Âm truyền được qua các chất rắn, lỏng, khí

Âm hầu như không truyền được qua các chất xốp như bông, len... Những chất đó được gọi là chất cách âm. Chúng thường được dùng để ốp vào tường và cửa các nhà hát, phòng ghi âm.....

- Tốc độ truyền âm: Sóng âm truyền trong mỗi môi trường với tốc độ hoàn toàn xác định.

Trong chất rắn, sóng âm là sóng ngang và sóng dọc. Trong chất khí và chất lỏng sóng âm chỉ là sóng dọc.

2. Các đặc tính vật lý của âm.

Những âm có một tần số xác định, thường do các nhạc cụ phát ra, gọi là các nhạc âm. Những âm như tiếng búa đập, tiếp sấm, tiếng ồn… không có tần số xác định được gọi là tạp âm. Ta chỉ xét nhưng đặc trưng vật lý của nhạc âm.

▪ Tần số âm: Tần số của của sóng âm cũng là tần số âm.

▪ Cường độ âm: $I=\frac{\text{W}}{t.S}=\frac{P}{S}$  (đơn vị W / m²).

Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng âm tải qua đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

▪ Cường độ âm tại một điểm cách nguồn một đoạn R: $\text{I}\,\text{=}\frac{\text{P}}{\text{4 }\!\!\pi\!\!\text{ }{{\text{R}}^{\text{2}}}}$ ( đơn vị W / m²).

Với W (J), P(W) là năng lượng, công suất phát âm của nguồn, S (m²) là diện tích mặt vuông góc với phương truyền âm (với sóng cầu thì S là diện tích mặt cầu $S=\text{ }4\pi {{R}^{2}}$)

▪  Mức cường độ âm: 

$L(B)=\log \frac{I}{{{I}_{0}}}\Rightarrow \frac{I}{{{I}_{0}}}={{10}^{L}}$ Hoặc $L(dB)=10\log \frac{I}{{{I}_{0}}}$ 

$\Rightarrow {{L}_{2}}-{{L}_{1}}=\log \frac{{{I}_{2}}}{{{I}_{0}}}-\log \frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{0}}}=\log \frac{{{I}_{2}}}{{{I}_{1}}}\Leftrightarrow \frac{{{I}_{2}}}{{{I}_{0}}}={{10}^{{{L}_{2}}-{{L}_{1}}}}$.

Với ${{\text{I}}_{\text{0}}}\text{=1}{{\text{0}}^{\text{-12}}}\text{ W}/{{m}^{2}}$ gọi là cường độ âm chuẩn ở $\text{f = 1000 Hz}$. 

Đơn vị của mức cường độ âm là Ben (B), thường dùng đềxiben (dB): 1B = 10dB. 

▪ Âm cơ bản và họa âm : Sóng âm do một nhạc cụ phát ra là tổng hợp của nhiều sóng âm phát ra cùng một lúc. Các sóng này có tần số là f, 2f, 3f..... Âm có tần số f là họa âm cơ bản, các âm có tần số 2f, 3f.... là các hoạ âm thứ 2, thứ 3, .... Tập hợp các hoạ âm tạo thành phổ của nhạc âm nói trên.

▪ Đồ thị dao động âm : của cùng một nhạc âm do các nhạc cụ khác nhau phát ra thì hoàn toàn khác nhau.

3. Các nguồn âm thường gặp:

▪ Dây đàn: Tần số do đàn phát ra (hai đầu dây cố định $\Rightarrow $ hai đầu là nút sóng).

Ta có: $\text{f = k}\frac{\text{v}}{\text{2}\ell }\left( \text{k}\in \mathbb{N}\text{*} \right)$

Ứng với k = l suy ra âm phát ra âm cơ bản có tần số ${{\text{f}}_{\text{1}}}\text{=}\frac{\text{v}}{\text{2}\ell }$

k = 2, 3, 4....có các hoạ âm bậc 2 (tần số 2f₁ ), bậc 3 (tần số 3f₁)...

▪ Ống sáo: Tần số do ống sáo phát ra (một đầu bịt kín (nút sóng), một đầu để hở (bụng sóng) suy ra (một đầu là nút sóng, một đầu là bụng sóng).

Ta có: $\text{f =}\left( \text{k+0,5} \right)\frac{\text{v}}{\text{2}\ell }\text{( k}\in \mathbb{N}\text{)}$

Ứng với $\text{k = 0}$$\Rightarrow $âm phát ra âm cơ bản có tần số ${{\text{f}}_{\text{1}}}=\frac{v}{4\ell }$

k = 2, 3, 4... có các hoạ âm bậc 3 (tần số 3f₁ ), bậc 5 (tần số 5f₁)........ 

4. Độ cao

- Độ cao của âm là một đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với tần số của âm.

- Âm nghe càng thanh (cao) khi tần số càng lớn. Âm nghe càng trầm (thấp) khi tần số càng nhỏ. Chú ý rằng, tần số 880 Hz gấp đôi 440 Hz nhưng không thể nói âm có tần số 880 Hz cao gấp đôi âm có tần số 440 Hz được.

5. Độ to

- Độ to của âm là một khái niệm nói về đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với đặc trưng vật lí mức cường độ âm.

- Tuy nhiên ta không thể lấy mức cường độ âm làm số đo độ to của âm được.

­- Độ to của âm phụ thuộc vào cường độ âm, mức cường độ âm và tần số của âm.

6. Âm sắc

- Các nhạc cụ khác nhau phát ra các âm có cùng một độ cao nhưng tai ta có thể phân biệt được âm của từng nhạc cụ, đó là vì chúng có âm sắc khác nhau.

Ví dụ: Một chiếc đàn ghita và một chiếc đàn violon hay một chiếc kèn sacxophon cùng phát ra một nốt la, ở cùng một độ cao. Khi nghe ta dễ ràng phân biệt âm nào do đàn ghi ta, âm nào do violon và âm nào do kèn phát ra là do âm sắc.

- Âm có cùng một độ cao do các nhạc cụ khác nhau phát ra có cùng một chu kì nhưng đồ thị dao động của chúng có dạng khác nhau.

- Vậy, âm sắc là một đặc trưng sinh lí của âm, giúp ta phân biệt âm do các nguồn khác nhau phát ra. Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm.