Tìm hiểu đặc trưng vật lý của âm - Vật lý lớp 12

Trong thế giới đầy rẫy các hiện tượng vật lý hấp dẫn, đặc trưng vật lý của âmđứng như một minh chứng kinh điển cho sự đơn giản mà sâu sắc trong việc hiểu biết và ứng dụng các nguyên lý vật lý cơ bản. Bài viết này sẽ đưa bạn đi sâu vào thế giới của đặc trưng vật lý của âm, từ cơ sở lý thuyết đến các ứng dụng thực tế, giúp bạn khám phá và hiểu rõ hơn về một trong những hiện tượng vật lý thú vị và cơ bản nhất.

Khái niệm về âm?

Âm là một dạng năng lượng được tạo ra bởi sự rung động của các vật thể. Khi một vật thể rung động, nó tạo ra các sóng âm truyền qua môi trường xung quanh, chẳng hạn như không khí, nước hoặc chất rắn. Khi các sóng âm này đến tai chúng ta, chúng sẽ được biến đổi thành tín hiệu điện mà não bộ có thể hiểu và nhận biết là âm thanh.

Âm thanh có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, bao gồm:

• Cường độ: Âm thanh to hay nhỏ được xác định bởi cường độ của nó, được đo bằng đơn vị decibel (dB).
• Tần số: Âm thanh cao hay thấp được xác định bởi tần số của nó, được đo bằng đơn vị Hertz (Hz).
• Âm sắc: Âm thanh của các nhạc cụ khác nhau có thể được phân biệt bởi âm sắc của nó, được xác định bởi các thành phần tần số khác nhau của âm thanh.

Phân loại âm thanh

Loại âm than	Tần số	Đặc điểm	Ví dụ
Hạ âm	Nhỏ hơn 20 Hz	Con người không nghe thấy, cảm nhận như rung động	Tiếng sấm sét ở xa, tiếng động cơ máy móc lớn
Âm thanh	20 Hz – 20 kHz	Con người có thể nghe thấy	Tiếng nói chuyện, tiếng nhạc, tiếng ồn giao thông
Siêu âm	Lớn hơn 20 kHz	Con người không nghe thấy, sử dụng trong y tế, công nghiệp, quân sự	Sóng siêu âm y tế, dò tìm vật thể dưới nước, kiểm tra chất lượng sản phẩm

Lưu ý:

• Giới hạn tần số âm thanh nghe được của con người có thể thay đổi theo độ tuổi và sức khỏe thính giác.
• Một số loài động vật có thể nghe thấy tần số âm thanh ngoài phạm vi nghe được của con người.

Sự truyền âm

Môi trường truyền âm

Âm thanh có thể truyền qua các môi trường:

• Chất rắn: Âm thanh truyền tốt nhất trong môi trường rắn. Ví dụ: khi gõ vào một thanh kim loại, ta có thể nghe thấy âm thanh truyền đi xa.
• Chất lỏng: Âm thanh truyền tốt trong môi trường lỏng. Ví dụ: khi ta úp mặt xuống nước, ta vẫn có thể nghe thấy tiếng động từ bên ngoài.
• Chất khí: Âm thanh truyền kém nhất trong môi trường khí. Ví dụ: khi ta ở trong một căn phòng kín, ta có thể nghe thấy tiếng nói của người khác từ xa.

Lý do:

• Các phân tử trong môi trường rắn liên kết chặt chẽ hơn so với môi trường lỏng và khí, do đó âm thanh truyền đi nhanh hơn và ít bị mất năng lượng hơn.
• Các phân tử trong môi trường lỏng cũng liên kết chặt chẽ hơn so với môi trường khí, do đó âm thanh truyền đi nhanh hơn và ít bị mất năng lượng hơn.
• Các phân tử trong môi trường khí liên kết lỏng lẻo, do đó âm thanh truyền đi chậm hơn và dễ bị mất năng lượng hơn.

Tốc độ truyền âm

Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào môi trường truyền âm.

• Trong môi trường rắn, tốc độ truyền âm nhanh nhất. Ví dụ: tốc độ truyền âm trong thép là 5960 m/s.
• Trong môi trường lỏng, tốc độ truyền âm chậm hơn so với môi trường rắn. Ví dụ: tốc độ truyền âm trong nước là 1480 m/s.
• Trong môi trường khí, tốc độ truyền âm chậm nhất. Ví dụ: tốc độ truyền âm trong không khí là 340 m/s.

Ví dụ:

• Khi ta gõ vào một thanh kim loại, ta sẽ nghe thấy âm thanh truyền đi nhanh hơn so với khi ta gõ vào một miếng bông gòn.
• Khi ta úp mặt xuống nước, ta sẽ nghe thấy tiếng sấm sét gần hơn so với khi ta ở trên bờ.
• Khi ta ở trong một căn phòng kín, ta sẽ nghe thấy tiếng chuông cửa vang lên gần như ngay lập tức.

Tốc độ truyền âm trong một số chất:

Chất	Tốc độ truyền âm (m/s)
Không khí (20°C)	343
Nước (20°C)	1480
Thép	5960
Nhôm	6320
Gỗ	4000
Cao su	1500

Những đặc trưng vật lí của âm

Tần số của âm: Là số dao động âm trong một giây.

Đơn vị: Hertz (Hz).

Âm có tần số càng cao thì nghe càng cao.

Ví dụ:

• Âm thanh có tần số 261 Hz tương ứng với nốt C4 trong âm nhạc.
• Tiếng dơi có tần số từ 20kHz đến 120 kHz, nằm ngoài dải tần số nghe được của con người.

Cường độ âm: Là năng lượng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích.

Đơn vị: W/m².

Cường độ âm càng lớn thì âm nghe càng to.

Mức cường độ âm: Là đại lượng đo độ to của âm trên thang logarit.

Đơn vị: dB.

Mức cường độ âm L = 10log(I/I₀) = 10log(0.0796 W/m² / 10⁻¹² W/m²) = 89.97 dB, với I là cường độ âm và I₀ là cường độ âm chuẩn (10⁻¹² W/m²).

Công thức: I = P/4πr²

Trong đó: 

• I: Cường độ âm (W/m²)
• P: Công suất âm thanh (W)
• r: Khoảng cách từ nguồn âm đến điểm M (m)

Ví dụ:

• Tiếng thì thầm: 20 dB.
• Tiếng nói bình thường: 60 dB.
• Tiếng máy bay cất cánh: 120 dB.

Đồ thị dao động của âm

Về cơ bản, âm thấp nhất được tạo ra bởi nhạc cụ, hay còn gọi là âm cơ bản, mang tần số thấp nhất. Trong quá trình phát âm, nhạc cụ không chỉ tạo ra âm với tần số cơ bản f0 mà còn tạo ra loạt âm phụ có tần số là các bội số của f0, được gọi là các họa âm. Cụ thể, một họa âm thứ k có tần số được tính bằng kf0, với k là hệ số bội.

Mặc dù các nhạc cụ khác nhau có thể tạo ra họa âm với tần số giống hệt nhau, nhưng biên độ của chúng lại khác biệt, cho phép ta phân biệt giữa các âm sắc khác nhau. Điều này chủ yếu là do mỗi nhạc cụ có một đặc trưng vật lý riêng biệt của âm, được biểu diễn qua đồ thị dao động âm.

Đồ thị dao động âm là hợp thành của các dao động từ tất cả họa âm trong một âm nhạc cụ thể. Nó là một đường cong phức tạp, mang đặc điểm chu kì đặc trưng, phản ánh sự phức tạp và đa dạng của âm sắc mà nhạc cụ đó tạo ra.

Như vậy, thông qua nội dung đã trình bày trên bạn đã có được cái nhìn tổng quan về đặc trưng vật lý của âm. Để khám phá thêm những kiến thức thú vị về vật lý, mời bạn ghé thăm vatly.edu.vn và tham khảo thêm nhiều bài viết khác.