Sóng âm một khái niệm không quá xa lạ với chúng ta từ thời học phổ thông trong môn vật lý. Sóng âm trong ứng dụng đời sống nó có gì khác?
1. Sóng âm là sóng cơ lan truyền trong môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí). Sống âm không truyền được trong chân không.
2. Phân loại âm
a) Nhạc âm là những âm có tần số xác định. Âm thanh do các nhạc cụ phát ra, tiếng nói, tiếng hát của con người là các nhạc âm.
b) Tạp âm là những âm không có tần số xác định.
3. Âm nghe được, siêu âm, hạ âm
a) Âm nghe được có tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz và gây ra cảm giác âm ở tai người.
Âm 200 Hz
Âm 400 Hz
Âm 800 Hz
Âm 5000 Hz
Âm 10000 Hz
Các âm mà ta nghe được trong các đoạn ghi âm này có cùng cường độ âm. Tuy nhiên, tai ta nghe to và rõ những âm có tần số trong phạm vi trên dưới 1000 Hz. Thấp hơn 500 Hz hoặc cao hơn 5000 Hz ta nghe nhỏ hơn do khả năng nghe của tai ta với những tần số này kém hơn, đồng thời khả năng đáp ứng của thiết bị (mạch khuếch đại, loa....) cũng kém hơn.
Tai ta không phải luôn luôn nghe được tất cả các âm từ 16 Hz đến 20000 Hz mà còn phụ thuộc vào đặc tính cấu tạo sinh lý của tai (như màng nhỉ, ...) nên khả năng nhận được cảm giác âm của những người khác nhau có thể khác nhau. Đoạn video sau đây phát ra âm có tần số tăng liên tục từ 20 Hz đến 20000 Hz. Bạn nghe được những âm có tần số trong phạm vi nào? Hãy thử nhé (Chú ý:Không mở âm lượng quá lớn và hạn chế nghe bằng headphone hoặc earphone vì âm thanh ở tần số 1000 Hz sẽ rất lớn).
b) Hạ âm là những âm có tần số nhỏ hơn 16 Hz, tai người không nghe được.
c) Siêu âm là những âm có tần số lớn hơn 20000 Hz, tai người không nghe được.
4. Sự truyền âm
Quá trình truyền âm cũng là quá trình làm lan truyền dao động âm. Quá trình truyền âm là một quá trình sóng nên:
Trong mỗi môi trường đồng tính thì âm truyền đi với tốc độ không đổi
Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất của môi trường (bản chất, tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ, ..). Nói chung tốc độ âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng, trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí: vrắn > vlỏng> vkhí.
Khi sóng âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số (và do đó chu kỳ) của sóng không đổi.
5. Các đặc trưng vật lý của âm
a) Tần số âm là tần số dao động của nguồn âm. Âm trầm có tần số nhỏ, âm cao có tần số lớn.
b) 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.
Xét một âm truyền qua một diện tích S (có dạng hình học đối xứng) theo phương vuông góc với diện tích S. Gọi W là lượng năng lượng mà sóng âm này tải qua S trong t giây thì cường độ âm tại tâm đối xứng của S là
Trong đó I là cường độ âm tại điểm đang xét, đơn vị là oát trên mét vuông (W/m2)
Nếu có một nguồn âm kích thước nhỏ (gọi là nguồn điểm) phát ra sóng âm đồng đều theo mọi hướng. Gọi P là công suất của nguồn âm và giả sử biên độ sóng âm không đổi khi truyền đi thì tại điểm M cách nguồn âm này đoạn d có cường độ âm là
c) Mức cường độ âm L là đại lượng đo bằng lôgarit thập phân của tỉ số giữa cường độ âm đang xét và cường độ âm chuẩn Io.
Cường độ âm chuẩn Io được lấy bằng 10 - 12 W/m2.
Trong đó L là mức cường độ âm tại điểm đang xét, đơn vị là ben (B)
Người ta thường dùng ước đơn vị của B là đề xi ben (dB) : 1 B = 10 dB.
d) Đồ thị dao động âm và phổ của âm
Giả sử ta dùng một micrô để ghi lại một âm. Tín hiệu điện do micrô này tạo ra cho ta hình ảnh của đồ thị của dao động âm đang xét.
Giả sử ta có một âm hình sin có tần số fo. Gọi x là li độ của tín hiệu điện do micrô tạo ra.
Mời bạn xem hình sau đây:
Đồ thị dao động âm của âm này là đường biểu diễn của hàm x theo thời gian t (hình trên)
Phổ của âm này là đường biểu diễn của hàm x theo tần số f (hình dưới)
Dưới đây là minh họa đồ thị dao động âm và phổ của một số âm:
Đồ thị dao động của âm "a" do tác giả của bài viết trên Wikibooks nói vào micrô:
Nguồn: http://vi.wikibooks.org
Và đây là phổ của âm này:
Nguồn: http://vi.wikibooks.org
Đồ thị dao động âm của một nốt nhạc do dây đàn violon phát ra
Nguồn: http://vi.wikibooks.org
Và đây là phổ của âm này:
Nguồn: http://vi.wikibooks.org
Đồ thị dao động âm của tiếng trống cơm
Nguồn: http://vi.wikibooks.org
Và đây là phổ của âm này
Nguồn: http://vi.wikibooks.org
6. 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 thấp nhất (tần số fmin đã biết trong bài Sóng dừng). Ta hãy gọi tần số này là tần số fo và 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.
7. 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.
Chú ý:Không thể nói:Âm có tần số 800 Hz cao gấp đôi âm có tần số 400 Hz (Mời bạn nghe lại các âm ở đầu bài).
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.
Hai nhạc cụ khác nhau phát ra cùng một nốt nhạc, cùng độ cao, cùng cường độ sẽ chắc chắn khác nhau về âm sắc.
Tài liệu tham khảo thêm:
Bài viết về Âm học (trên Wikibooks)
Ôn tập sóng cơ và sóng âm của Thầy Dương Văn Tính
Ôn tập sóng cơ và sóng âm của Thầy Bùi Lê Phú Quốc
Tài liệu Ôn tập Vật lý 12 của Thầy Lê Văn Hùng, THPT chuyên Lê Quý Đôn, Quảng Trị
Xem thêm tài liệu về ghita (Tiếng Anh)
Xem thêm tài liệu về ghita trên Wikipedia (Tiếng Việt)
Số liệu về lực căng tiêu chuẩn của các loại dây đàn ghita (tính theo đơn vị pound)
Số liệu về chiều dài cần đàn và lực căng của mỗi dây đàn ghita (Tiếng Anh - Tài liệu dành cho Giáo Viên)
Bảng tính độ lớn lực căng dây của đàn ghi ta (Online)
Tham khảo thêm về mật độ khối lượng của một số vật liệu (Dùng để tính vận tốc truyền sóng ngang trên dây đàn ghi ta)
