Bài 4: Sóng 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: \(L_1 - L_2 = 10 \log \frac{I_1}{I_0} - 10\log \frac{I_2}{I_0} = 10\log \left (\frac{I_1}{I_2} \right )= 20\log \left (\frac{R_2}{R_1} \right )\)