Ví dụ truyền âm La quá trình truyền năng lượng

Qua bài giảng Sóng âm này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như :

Khái niêm sóng âm, nguồn âm, phân loại sóng âm.
Phân tích được bản chất sự truyền âm trong các môi trường.
Các đặc trưng vật lý của âm : Tần số, chu kỳ , cường độ – mức cường độ và đồ thị dao động âm.

Hôm nay chúng ta tìm hiểu bài Sóng âm, bài cuối cùng của chuyên đề Sóng cơ học. Vậy nhắc lại Sóng cơ là gì? Sóng cơ là dao động cơ được lan truyền. Còn sóng âm là gì?

Ví dụ: Khi ngồi trong lớp, nghe tiếng trống, tiếng trống do dùi trống va chạm vào bề mặt trống, bề mặt trống dao động, các lớp khí xung quanh cũng bị dao động nén giãn và lan truyền rộng ra trong không gian. Khi đến màng nhĩ của tai, dao động này sẽ đập vào mang nhĩ với một tần số nào đó, thì khi đó màng nhĩ nhận ra tần số đó, sau đó các dây thần kinh thính giác nhận được, đưa lên não và phân tích âm thanh đó là cái gì. Qua quá trình nghe nhiều lần, đi học,.. chúng ta biết tần số tương ứng đó nó có ý nghĩa là gì.

1. Sóng âm
* Định nghĩa: Sóng âm là những sóng cơ lan truyền trong môi trường vật chất (khí, lỏng, rắn).
* Phân loại: Chia thành 3 loại + Sóng hạ âm: f < 16 Hz. + Âm thanh: có f từ 16 Hz đến 20000 Hz. + Sóng siêu âm: f > 20000 Hz = 20 KHz.

⇒ Sóng hạ âm, âm thanh, sóng siêu âm có tính chất vật lý giống hệt nhau. Tai người phân biệt các sóng này là do cảm thụ riêng.

2. Sự truyền âm - Tốc độ truyền âm + Sóng âm không truyền được trong chân không. + Sóng âm truyền kém trong các chất: xốp, nhung, bông, vải. + Trong một môi trường xác định thì tốc độ truyền âm không đổi. * Tốc độ truyền âm phụ thuộc: tính đàn hồi, khối lượng riêng, và nhiệt độ của môi trường.

vrắn > vlỏng > vkhí

3. Nhạc âm - Tạp âm
* Nhạc âm: Là những âm có tần số xác định, đồ thị là những đường cong tuần hoàn phức tạp.
VD: Tiếng hát, tiếng đàn,... * Tạp âm: Là nhũng âm có tần số không xác định, đồ thị là những đường cong không tuần hoàn.

VD: Tiếng máy nổ,...

4. Các đặc trưng vật lý của âm
* Tần số âm: (f)
* Cường độ âm: (I); Là năng lượng âm truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm.

$I = \frac{E}{t.S}=\frac{P}{S}$

Đơn vị: W/m2

$I_{min} = 10^{-12}\ W/m^2;\ I_{max} = 10\ W/m^2$ $\rightarrow I_0 = 10^{-12}\ W/m^2$: Cường độ âm chuẩn Và f = 1000 Hz → Để thiết lập một thang bậc về cường độ âm người ta đưa ra khái niệm mức cường độ âm.

* Mức cường độ âm (L):

$L = \log \frac{I}{I_0} \ \ (B)$ Thường sử dụng: (dB) $\rightarrow L = 10 \log \frac{I}{I_0}$ $I_{min} = 10^{-12}\ W/m^2 \rightarrow L = 10 \log \frac{I}{I_0} = 0$ $I_{max} = 10\ W/m^2 \rightarrow L = 10 \log \frac{10}{10^{-12}} = 130\ (dB)$

* Đồ thị dao động âm: gắn liền với biên độ và tần số âm.

5. Đặc trung sinh lý của âm
* Độ cao của âm: là đặc trưng sinh lý của âm, gắn liền với tần số âm. Âm có tần số lớn gọi là âm cao hoặc bổng, âm có tần số thấp gọi là âm thấp hoặc trầm.
* Độ to của âm: phụ thuộc vào cường độ âm, tần số âm nhưng độ to của âm gắn liền với mức cường độ âm.
* Âm sắc: giúp tại người phân biệt được những âm có cùng độ cao (f) nhưng phát ra từ các nguồn nhạc âm khác nhau. Âm sắc gắn liền với đồ thị dao động âm.

6. Nguồn nhạc âm
* Dây đàn có hai đầu âm cố định: $\ell = k\frac{\lambda }{2} \Rightarrow k = \frac{v}{2f} \Rightarrow f = k\frac{v}{2 \ell }$ $\cdot \ k = 1 \Rightarrow f_1 = \frac{v}{2\ell}$: âm cơ bản $\Rightarrow \left\{\begin{matrix} k = 2 \Rightarrow f_2 = 2f_1\\ k = 3 \Rightarrow f_3 = 3f_1 \end{matrix}\right. \Rightarrow$ Các họa âm

* Ống sáo (một đầu cố định, một đầu tự do)

$\ell = (2k + 1) \frac{\lambda }{4} = (2k + 1) \frac{v}{4f} \Rightarrow f = (2k + 1) \frac{v}{4 \ell}$ $\cdot \ k = 0 \Rightarrow f_0 = \frac{v}{4\ell }$: âm cơ bản $\Rightarrow \left\{\begin{matrix} k = 1 \Rightarrow f_3 = 3f_0\\ k = 2 \Rightarrow f_5 = 5f_0 \end{matrix}\right. \Rightarrow$ Các họa âm

* Các công thức giải bài tập

• Cường độ âm: $I = \frac{P}{S} \Rightarrow P = I.S$ $P_1 = P_2 \Rightarrow I_1S_1 = I_2S_2$ $\Rightarrow I_1 . 4 \pi R_{1}^{2} = I_2 . 4 \pi R_{2}^{2}$ $\Rightarrow \frac{I_1}{I_2} = \left ( \frac{R_2}{R_1} \right )^2$ • Mức cường độ âm: $L = 10 \log \frac{I}{I_0} \ \ (dB)$ $\Rightarrow I = I_0.10^{\frac{L}{10}}$ • Công thức liên hệ:

$L_1 - L_2 = 10 \log \frac{I_1}{I_0} - 10\log \frac{I_2}{I_0} = 10\log \left (\frac{I_1}{I_2} \right )= 20\log \left (\frac{R_2}{R_1} \right )$

1/ Âm là gì?
Âm hay sóng âm là những sóng cơ lan truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí (không truyền được trong chân không). Sóng âm truyền trong môi trường chất khí, chất lỏng là sóng dọc, trong môi trường chất rắn thường là sóng ngang.

2/ Nguồn âm, tần số âm, vận tốc truyền âm

Nguồn âm là những nguồn dao động phát ra sóng âm.

Tần số âm là tần số của nguồn âm
Vận tốc truyền âm: vận tốc lan truyền dao động, năng lượng âm. Trong các bài toán đơn giản ta coi quá trình truyền âm tương đương với chuyển động thẳng đều. Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào môi trường truyền v$_{rắn}$ > v$_{lỏng}$ > v$_{khí }$

Vận tốc truyền âm được tính theo công thức

\[v=\dfrac{s}{t}\]

Trong đó:

v: vận tốc truyền âm (m/s)
s: quãng đường âm truyền đi được (m)
t: thời gian truyền (s)

3/ Phân loại âm:

Nhạc âm: là những sóng âm có tần số xác định (do nhạc cụ, tiếng nói, tiếng hát của người phát ra). Sóng âm mà tai con người có thể nghe được gọi là âm thanh có tần số nằm trong khoảng từ 16Hz đến 20kHz gọi là ngưỡng nghe của người.
Tạp âm (tiếng ồn): là những sóng âm có tần số không xác định.

Hình ảnh quay chậm lại quá trình nghệ sĩ đang kéo vilông làm cho sợi dây đàn rung lên, dao động từ dây đàn sẽ tạo ra âm thanh, âm thanh này lan truyền trong không khí với tốc độ khoảng 330m/s đến tai người. Trong tai có một màng mỏng (màng nhĩ) cũng rung lên theo lớp không khí trong tai với cùng tần số mà nhạc cụ phát ra từ đó mà ta có thể nghe được.

4/ Thang sóng âm:

Ngưỡng nghe của người nằm trong vùng từ 16Hz đến 20.000Hz bạn có thể nghe thử qua đoạn video dưới đây.

f < 16Hz: được gọi là vùng hạ âm.
f > 20kHz: được gọi là vùng siêu âm.

Một số loài động vật như chó, voi có thể nghe được sóng âm trong vùng hạ âm. Những nguồn phát ra hạ âm thường là những rung động nhỏ chính vì vậy trong đời sống đôi khi loài chó có thể phát hiện ra những nguy hiểm sắp xảy đến (như những chấn động sâu trong lòng đất).
Cá heo có thể phát ra sóng siêu âm và chúng có thể giao tiếp với nhau ở khoảng cách lên đến vài trăm m đến vài km.
Để xác định độ sâu của biển các tàu đo đạc phát sóng siêu âm, căn cứ vào thời gian phản xạ lại của sóng siêu âm và tốc độ truyền sóng siêu âm có thể tính được khoảng cách từ vị trí của tàu đến vật cản.

5/ Các đặc trưng vật lý của âm
a/ Tần số âm (f): là tần số dao động của nguồn âm, âm trầm (bass) có tần số nhỏ, âm cao (treble) có tần số lớn.
b/ Cường độ âm (I): tại một điểm được xác định bằng năng lượng của sóng âm truyền vuông góc qua một diện tích trong một đơn vị thời gian.

\[I=\dfrac{W}{s.t}=\dfrac{P}{4\pi d}\]

Mức cường độ âm L:

\[L=lg\dfrac{I}{I_{o}} (B)=10lg\dfrac{I}{I_{o}}(dB)\]

Trong đó

I: Mức cường độ âm (W/m2)
W: năng lượng của sóng âm (J)
t: thời gian truyền âm (s)
S: diện tích (m2)
P: công suất của nguồn âm (W)
d: khoảng cách từ điểm cần tính đến nguồn âm (m)
Io = 10$^{ - 12}$ (W/m2 ): cường độ âm chuẩn
L: mức cường độ âm (B đọc là ben)
1B = 10dB (dB: đề xi ben)

Ví dụ về mức cường độ âm thanh trong đời sống

Âm thanh trong thành phố thường là 70dB.
Một ban nhạc rock có âm thanh trung bình 110dB.
Phản lực cơ cất cánh, tiếng còi xe cứu hỏa có cường độ tới trên 140dB.
Hơi thở có cường độ là 10dB trong khi đó tiếng lá thu sào sạc rơi là 20dB.
Trong nhà, tiếng động bình thường là 40dB, nhưng khi hút bụi âm thanh lên tới 75dB
Âm thanh từ 160 → 170dB gây điếc hoàn toàn, dù chỉ một lần nghe.

c/ Đồ thị dao động âm (sóng âm):
Âm thanh phát ra trong không khí được thu lại và chuyển thành dao động của các cần rung hoặc dao động điện có cùng tần số

Cấu tạo cơ bản của một chiếc loa biến đao dộng cơ thành dao động điện

Hình ảnh máy kiểm tra nói dối ghi lại đồ thị âm thanh dao động của nhịp đập trái tim.

Đồ thị dao động âm của một nốt nhạc do dây đàn violon phát ra.
Khái niệm: Âm cơ bản và họa âm
Khi một sợi dây đàn ghi ta rung thì nó phát ra âm do trên dây có xảy ra hiện tượng sóng dừng. Nếu dây rung với một bó sóng thì dây phát ra âm có tần số fo thấp nhất gọi là âm cơ bản (còn gọi là họa âm thứ 1).
Khảo sát thực nghiệm cho thấy dây này còn phát ra các âm có tần số 2fo, 3fo, 4fo .... gọi là họa âm thứ 2, họa âm thứ 3, họa âm thứ 4, ... Các họa âm có biên độ khác nhau khiến đồ thị dao động âm của các nhạc cụ khi phát ra cùng một nốt nhạc cũng khác nhau. Sự khác nhau này phân biệt được bởi âm sắc của chúng.

6/ Các đặc trưng sinh lý của âm
a/ Độ cao của âm: gắn liền với tần số âm. Âm trầm có tần số nhỏ, âm cao có tần số lớn.
b/ Độ to của âm: gắn liền với mức cường độ âm (tức là cũng phụ thuộc vào cường độ âm).
c/ Âm sắc: có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm hoặc phổ của âm. Âm sắc giúp ta phân biệt được âm từ nguồn nào phát ra.
Ví dụ cùng một bản nhạc nhưng khi nghe ta có thể xác định được bản nhạc đó được chơi bằng nhạc cụ các loại nhạc cụ khác nhau ghitar, violông, piano ... vì âm sắc của các nhạc cụ này rất khác nhau.

Đồ thị dao động của âm có tần số thấp (âm trầm) và tần số âm cao
Vitas (Hoàng tử mang giọng ca cá heo) người đàn ông có có giọng cao nhất thế giới (tần số âm cực cao)