Sóng âm truyền tốt nhất trong môi trường nào

Sóng âm là một trong những sóng cơ bản, thường xuyên xuất hiện trong đề thi Vật lý THPT dưới dạng câu hỏi trắc nghiệm và lý thuyết đơn giản. Việc nắm bắt được khái niệm cơ bản về sóng âm và khả năng truyền âm của nó qua các môi trường. Bạn chắc chắn đã có những điểm câu dễ cho đề thi THPT quốc gia. Ở bài viết hôm nay, hãy cùng nhau tìm hiểu những lý thuyết cơ bản về sóng âm và khi sóng âm truyền từ môi trường không khí vào môi trường nước thì các đại lượng nào sẽ giữ nguyên, các đại lượng nào sẽ thay đổi.

Sóng âm là gì?

Sóng âm được định nghĩa là sóng cơ lan truyền trong môi trường vật chất [rắn, lỏng, khí]. Sống âm không truyền được trong môi trường chân không.

Phân loại âm:

Nhạc âm được xác định là những âm có tần số xác định. Âm thanh có thể do các nhạc cụ phát ra, tiếng nói, tiếng hát của con người là các nhạc âm.
Tạp âm được xác định là những âm không có tần số xác định.

Âm nghe được, siêu âm, hạ âm

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

Các âm mà ta nghe được trong không gian này có cùng cường độ âm. Tuy nhiên, tai ta sẽ nghe âm thanh to và rõ những âm có tần số trong phạm vi trên dưới 1000 Hz. Với âm thấp hơn 500 Hz hoặc cao hơn 5000 Hz ta nghe nhỏ hơn. Nguyên nhân do khả năng nghe của tai ta với những tần số này kém hơn, đồng thời khả năng đáp ứng của các thiết bị [mạch khuếch đại, loa….] cũng kém hơn.

Tai ta không phải lúc nào cũng nghe được tất cả các âm từ 16 Hz đến 20000 Hz mà còn phụ thuộc vào các yếu tố đặc tính cấu tạo sinh lý của tai [như màng nhĩ, …] nên khả năng nhận được cảm giác âm của từng người khác nhau có thể khác nhau.

Hạ âm là những âm có tần số nhỏ hơn 16 Hz, tai người bình thường không nghe được.
Siêu âm là những âm có tần số lớn hơn 20000 Hz, tai người bình thường không nghe được. Thường là âm thanh giao tiếp của dơi hoặc cá heo.

Khi sóng âm truyền từ môi trường không khí vào môi trường nước thì

Quá trình truyền âm cũng được gọi là quá trình làm lan truyền dao động âm. Quá trình truyền âm là một quá trình sóng nên có các đặc điểm cơ bản:

Trong môi trường đồng tính thì âm truyền đi với vận tốc không đổi.
Tốc độ truyền âm có sự phụ thuộc vào tính chất của môi trường [bản chất, tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ, ..]. Tóm lại tốc độ truyền âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng, trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí: V rắn > V lỏng> V khí. Những vật liệu không cho sóng âm truyền qua hay khả năng truyền qua là ít gọi là vật liệu cách âm. Những vật liệu mà sóng âm truyền qua được nhưng một phần sóng âm bị tiêu hao mất [chuyển sang dạng năng lượng khác] được gọi là vật liệu tiêu âm.
Khi sóng âm được truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số [và do đó chu kỳ] của sóng không đổi.

Âm cơ bản và họa âm

Ví dụ 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 cường độ một bó sóng thì dây phát ra âm có tần số thấp nhất [tần số f min trong bài Sóng dừng]. Ta đặt tên cho tần số này là tần số fo và gọi là âm cơ bản [còn gọi là họa âm thứ 1].

Qua khảo sát thực nghiệm cho thấy dây này còn phát ra các âm có tần số 2fo, 3fo, 4fo …. Lần lượt gọi là họa âm thứ 2, họa âm thứ 3, họa âm thứ 4, … Các họa âm có biên độ khác nhau sẽ khiến đồ thị dao động âm của các nhạc cụ khi phát ra cùng một nốt nhạc cũng khác nhau. Sự khác nhau này giúp người nghe phân biệt được bởi âm sắc của chúng.

Những kiến thức về sóng âm là vô cùng cần thiết trong việc giải quyết và phân biệt được các bài toán về sóng cơ và sóng âm khác nhau. Tính toán được các đại lượng và bài toán liên quan. Đặc biệt, khi sóng âm truyền từ môi trường không khí vào môi trường nước thì tần số và chu kỳ của sóng không đổi.

Sóng âm là những sóng cơ học, được truyền đi trong môi trường rắn, lỏng, khí. Khi đến tai người, sóng âm sẽ làm cho màng nhĩ dao động, gây ra cảm giác cảm thụ âm. Trong môi trường lỏng và khí thì sóng âm là dạng sóng dọc, còn trong môi trường rắn thì nó có thể là sóng dọc hoặc sóng ngang.

Mô tả sóng âm là gì?

Sóng âm không truyền đi được trong môi trường chân không.

Tần số của sóng âm: được gọi là tần số âm.

Nguồn âm: là những vật dao động phát ra âm thanh.

Ví dụ: khi ta gảy một cây đàn ghita, ta sẽ thấy dây đàn phát ra âm thanh. Khi đó, dây đàn chính là nguồn âm, còn âm thanh từ dây đàn truyền đến tai ta chính là sóng âm.

Nguồn âm và sóng âm từ cây đàn ghita phát ra

2. Phân loại sóng âm

2.1. Phân loại theo đặc điểm tần số

Nhạc âm: là những âm có tần số xác định như tiếng nói, tiếng hát, âm thanh do các loại nhạc cụ phát ra… làm ta có cảm giác dễ chịu.
Tạp âm: những loại âm thanh không có tần số xác định, ví dụ như tiếng ồn khi đứng giữa đám đông, tiếng còi xe, tiếng máy móc làm việc…

2.2. Phân loại theo độ lớn tần số

Hạ âm: tần số nhỏ hơn 16Hz
Âm nghe được: từ 16Hz – 20.000Hz
Siêu âm: tần số lớn hơn 20.000Hz

3. Đặc tính sóng âm nghe được, siêu âm, hạ âm

Âm nghe được rõ nhất: có tần số từ 16Hz – 20.000Hz: các âm mà ta nghe được có cùng cường độ âm, làm màng nhĩ trong tai ta rung động, người ta thường gọi đó là âm thanh. Tuy nhiên, ta chỉ nghe rõ âm ở tần số dưới 1000Hz.
Âm nghe được không rõ: Thấp hơn 500Hz hoặc cao hơn 5000Hz thì tai ta nghe nhỏ hơn do không bắt kịp những tần số này. Do đó tùy thuộc vào các đặc điểm sinh lý và cấu tạo mà khả năng cảm thụ sóng âm ở mỗi người có thể giống hoặc khác nhau.

Sóng âm nghe được và khả năng cảm thụ âm ở tai mỗi người sẽ khác nhau

Hạ âm: có tần số dưới 16Hz. Tai ta không nghe được. Tuy nhiên có một số loài như voi, chim bồ câu… lại nghe được sóng hạ âm.
Siêu âm: có tần số lớn hơn 20.000Hz, tai ta cũng không thể nghe được. Một số loài vật đặc biệt như dơi, chó, cá heo có thể nghe được.

4. Sự truyền âm của sóng âm

Môi trường truyền âm: âm truyền được trong các chất rắn, lỏng, khí và không truyền được qua môi trường chân không. Âm cũng không truyền được qua các chất xốp như bông, len,… Vì vậy mà chúng được xem như vật liệu cách nhiệt dùng trong xây dựng và đời sống: ốp tường, trần cho phòng karaoke, nhà hát…

Một số vật liệu cách âm như rockwool

Một số vật liệu cách âm như glasswool

Tốc độ truyền âm: điều này sẽ phụ thuộc vào tính chất của môi trường, bao gồm: bản chất cấu tạo, tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ… Khi sóng âm truyền qua không khí, mỗi phân tử không khí dao động quanh vị trí cân bằng theo phương trùng với phương truyền sóng.
Nói chung, tốc độ truyền âm trong chất rắn lớn hơn chất lỏng, và trong chất lỏng lớn hơn chất khí: Vrắn > Vlỏng > Vkhí. Khi sóng âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số của sóng không đổi.

5. Những đặc trưng vật lý của sóng âm

Tùy thuộc vào nguồn phát ra âm thanh mà đặc tính của sóng âm sẽ có những đặc trung vật lý khác nhau. Điển hình rõ nhất là: Những sóng âm có tần số nhất định thường phát ra từ các nhạc cụ gọi là nhạc âm, còn những âm như tiếng ồn ào xe cộ, đường phố, máy móc,…sẽ gọi là tạp âm.

5.1. Tần số âm

Đây là tần số dao động của nguồn âm. Đối với loại âm trầm có tần số nhỏ, âm cao có tần số lớn.

5.2. Cường độ âm

Sóng âm lan đến đâu sẽ làm cho phần tử môi trường dao động. Như vậy sóng âm mang theo năng lượng.

Một số ví dụ về sóng âm và năng lượng của âm thanh

Sonar là chỉ sự lan truyền âm thanh để tìm đường di chuyển, liên lạc hoặc phát hiện các đối tượng khác ở phía đối diện, ví dụ như dơi hoặc cá heo thường dùng Sonar để phát hiện ra con mồi, hoặc tàu ngầm khi ở dưới đáy biển sẽ phát ra Sonar để phát hiện ra các loại vật thể trôi nổi hoặc chìm sâu bên trong bùn cát đáy… Một số sách tiếng Việt còn dịch Sonar nghĩa là sóng âm phản xạ.

Returning sound waves là sự dội ngược lại của sóng âm.

Công thức tính Cường độ âm của sóng âm:

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

Ta xét một âm truyền qua diện tích S theo phương vuông góc. W là lượng năng lượng mà sóng âm truyền qua S trong t giây, khi đó cường độ âm I là:

I=WS.t

Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông, ký hiệu W/m2

Nếu có một nguồn âm kích thước nhỏ phát ra sóng âm đồng khắp mọi hướng. Gọi P là công suất nguồn âm, biên độ sóng không đổi thì tại điểm M cách nguồn âm một đoạn d có cường độ âm là:

I=P4d2

5.3. Mức cường độ âm

Để thiết lập một thang bậc về cường độ âm, người ta đưa ra khái niệm về mức cường độ âm. Mức cường độ âm là đại lượng đo bằng logarit thập phân của tỉ số giữa cường độ âm đang xét và cường độ âm chuẩn lo

L = lg [IIo]

L là mức cường độ âm tại điểm đang xét, đơn vị ben [B]

6. Âm cơ bản và họa âm

Khi một nhạc cụ phát ra âm có tần số fo thì bao giờ nhạc cụ đó cũng phát ra một loại tần số 2fo, 3fo, 4fo…gọi là các họa âm thứ hai, thứ ba, thứ tư. Biên độ của nó lớn nhỏ tùy thuộc vào từng loại nhạc cụ. Tập hợp các họa âm sẽ tạo thành phổ của nhạc âm.

Tổng hợp các đồ thị dao động của họa âm trong một nhạc âm ta được đồ thị dao động của nhạc âm đó. Đồ thị dao động của cùng một nhạc âm do các nhạc cụ khác nhau phát ra thì hoàn toàn khác nhau. Đây cũng được xem là đặt tính vật lý thứ ba của sóng âm.

Đồ thị dao động của sóng âm do một loại nhạc âm gây ra

7. Đặc trưng sinh lí của âm

Độ cao: Cảm giác về sự trầm bổng của âm được mô tả bằng khái niệm độ cao của âm. Thực tế thấy được âm có tần số càng lớn thì nghe càng cao, âm có tần số càng nhỏ thì nghe càng thấp. Vậy, độ cao của âm là một đặc trưng sinh lý gắn liền với tần số âm.
Độ to: gắn liền với mức cường độ âm. Nó chỉ là một khái niệm nói về đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với đặc trưng vật lí mức cường độ âm.
Âm sắc: có sự liên quan mật thiết giữa âm sắc và đồ thị dao động âm. Đồng thời, nó còn là đặc trưng sinh lí, giúp phân biệt âm từ các nguồn khác nhau phát ra.

Trên đây là những lý thuyết tổng hợp về sóng âm là gì? Và những đặc tính của sóng âm trong từng loại môi trường và các tính chất vật lý của nó. Hy vọng bài viết này cung cấp cho bạn những thông tin bổ ích về sóng âm nhé!