SGK Vật Lí 12 - Bài 10. Đặc trưng vật lí của âm
Đặc trụng vật lí của âm __' • ... ______ • . Hằng ngày, luôn có những âm đủ loại, êm tai cũng như chói tai, lọt vào tai chúng ta. Vậy âm là gì, nó truyền như thế nào ? Và ta phân biệt các âm khác nhau dựa trên những đặc điểm gì ? Á B Hình 10.1 Sợi dây đàn căng giữa hai điểm h và B. a) Óng sáo ; b) Thổi một dòng khí qua miệng sáo thì có âm phát ra. Hình 10.3 Ằm thoa. RI Hãy chỉ ra bộ phận dao động phát ra âm trong các dụng cụ này. I - ÂM. NGUỒN ÂM Âm là gì ? Theo nghĩa hẹp, âm là những sóng truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn khi đến tai ta sẽ làm cho màng nhĩ dao động, gây ra cảm giác âm. Sóng này gọi là sóng âm. Về sau, khái niệm sóng âm đã được mở rộng cho tất cả những sóng cơ, bất kể chúng có gây ra được cảm giác âm hay không. Như vậy sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn. Tần số của sóng âm cũng là tần số âm . Nguồn âm Ở THCS, ta đã biết: Âm do các vật dao động phát ra. Trên Hình 10.1,10.2 và 10.3 có vẽ ba dụng cụ phát âm tiêu biểu : dây đàn, ống sáo và cái âm thoa. RI Vậy, một vật dao động phát ra âm là một nguồn âm. Tần số của âm phát ra bằng tần số dao động của nguồn âm. Âm nghe được, hạ âm, siêu âm Những âm có tác dụng làm cho màng nhĩ trong tai ta dao động, gây ra cảm giác âm gọi là âm nghe được. Người ta còn dùng thuật ngữ âm thanh chỉ âm mà ta nghe được. Hình 10.5 Rút không khí trong chuông ra thì tiếng chuông điện nhỏ dấn, rối hầu như mất hẳn. Thật ra, lúc trong chuông là chân không hoàn toàn, ta vẫn còn nghe thấy tiếng chuông reo rất nhỏ. Giải thích thế nào và chứng minh cách giải thích đó thế nào ? Hãy nêu một vài dẫn chứng chứng tỏ rằng âm truyền với một tốc độ hữu hạn. Âm nghe được có tần số nằm trong khoảng từ 16 Hz đến 20 000 Hz. Âm có tần số nhỏ hơn 16 Hz, thì tai người không nghe được và gọi là hạ âm. Tuy nhiên, một số loài vật như voi, chim bồ cậu... lạí “nghe” được hạ âm. Âm có tần số lớn hơn 20 000 Hz thì tai người cũng không nghe được và gọi là siêu âm. Một số loại như dơi, chó, cá heo... có thể “nghe” được siêu âm. Có thể làm một thí nghiệm đơn giản để minh hoạ các loại âm nói trên bằng dụng cụ vẽ trên Hình 10.4. Dùng một êtô kẹp chặt đầu một lưỡi cưa mỏng, có chiều dài /, rồi bật mạnh cho lưỡi cưa dao động. Chú ý rằng chiều dài l của lưỡi cưa càng lớn thì tần số dao động càng nhỏ. Khi / nhỏ hơn một giá trị nào đó, ta mới nghe được âm do lưỡi cưa phát ra. Sự truyền âm Môi trường truyền âm Ở lớp 7, ta đã biết: âm không truyền được trong chân không (xem thí nghiệm ở Hình 10.5), Í55P Âm truyền được qua các chất rắn, lỏng và khí. Âm hầu như không truyền được qua các chất xốp như bông, len... Những chất đó được gọi là chất cách âm. Chúng thường được dùng để ốp vào tường và cửa các nhà hát, phòng ghi âm... Tốc độ truyền âm Sóng âm truyền trong mỗi mồi trường với một tốc độ hoàn toàn xác định. Bảng 10.1 cho ta tốc độ truyền âm trong một số chất. Khỉ 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, làm cho áp suất không khí tại mỗi điểm cũng dao động quanh giá trị trung bình nào đó. Chất V (m/s) Không khí ở o°c 331 Không khí ở 25°c 346 Hiđrỏ ở o°c 1 280 Nước, nước biển ở 15°c 1 500 Sắt 5 850 Nhôm 6 260 Nguồn âm í(dB) Lá rơi, tiếng thì thầm cách 1 m 10 vườn vắng vẻ, phòng im lặng 20 Nhạc nhẹ, tiếng ổn trong nhà ở 40 Tiếng nói chuyện cách 1 m 60 Tiếng ổn ngoài phố 80 Máy bay phản lực lúc cất cánh 130 Bảng 10.1 Tốc độ truyền âm trong một số chất Bảng 10.2 Một vài mức cường độ âm Trong bảng này, khi đo mức cường độ âm của các âm khác nhau, người ta đo lẫn lộn cả cường độ của những âm nghe thấy được cũng như của các hạ âm và siêu âm. - NHŨNG ĐẶC TRUNG VẬT LÍ CỦA ÂM Những âm có một tần số xác định, thường do các nhạc cụ phát ra, gọi là các nhạc âm. Những âm như tiếng búa đập, tiếng sấm, tiếng ồn ở đường phố, ở chợ... không có một tần số xác định thì gọi là các tạp âm. Dưới đây, ta chỉ xét những đặc trưng vật lí tiêu biểu nhất của nhạc âm. Tần sô âm Tần số âm là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng nhất của âm. Cường độ âm và mức cường độ âm Cường độ âm Sóng âm lan đến đâu thì sẽ làm cho phần tử của môi trường ở đó dao động. Như vậy, sóng âm mang theo năng lượng. 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 sóng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông, kí hiệu là w/m2. Mức cường độ âm Để thiết lập một thang bậc về cường độ âm, người ta đưa ra khái niệm mức cường độ âm. Giả sử ta lấy làm chuẩn cường độ ỈQ của âm rất nhỏ mà tai ta vừa đủ nghe được. Mức của cường độ Iq được lấy là mức 0. Âm có cường độ I = 10/o được lấy làm mức 1 ; âm có cường độ I = 100/() được lấy làm mức 2... ta hãy xét Bảng 10.3. Bảng 10.3 Cường độ I /„ 10/0 100/0 1000/o _Ị_ A) 1 10 100 1000 ig/- y0 0 1 . 2 3 a) Âm thoa Hình 10.6 Đổ thị dao động của ba âm thanh cùng tần số và biên độ, do ba dụng cụ khác nhau phát ra. Ta thấy đại lượng lgy- phản ánh đúng khái niệm mức cường độ âm mà ta đã đề ra. Do đó, ta có định nghĩa sau : Đại lượng L = lg — gọi là mức cường độ âm của Iq âm I (so với âm /g). Cường độ âm ở mức 1 lớn gấp hàng chục lần /0 ; cường độ âm ở mức 2 lớn gấp hàng trăm lần /q. .. Đáng lẽ phải lấy /0 nằm ở ngưỡng nghe, tức là cường độ của âm vừa đủ để tai có thể nghe thấy, nhưng người ta lại lấy âm ỈQ là âm chuẩn có tần số 1 000 Hz và có cường độ /0 = 10-12 w/m2, chung cho mọi âm có tần số khác nhau. Đơn vị của mức cường độ âm là ben, kí hiệu B. Âm có mức cường độ 2 B sẽ có cường độ là 1 = 100/0= 10_1°W/m2. * Đơn vị ben lớn, nên trong thực tế, người ta thường dùng đơn vị đêxiben (dB) : ldB=±B Công thức tính mức cường độ âm theo đơn vị đêxiben sẽ là : L(dB) = 101g-^ y0 Âm cơ bản và hoạ âm Khi cho một nhạc cụ phát ra một âm có tần số/0 thì bao giờ nhạc cụ đó cũng đồng thời phát ra một loạt âm có tần số 2/0 ; 3/0 ; 4/0... có cường độ khác nhau. Âm có tần số/o gọi là âm cơ bản hay hoạ âm thứ nhất. Các âm có tần số 2/0 ; 3/0 ; 4/0... gọi là các hoạ âm thứhai, thứ ba, thử tư... Biên độ của các hoạ âm lớn, nhỏ không như nhau, tuỳ thuộc vào chính nhạc cụ đó. Tập hợp các hoạ âm tạo thành phổ của nhạc âm nói trên. ĩ v " s Hình 10.7 Cách bố trí để ghi đổ thị dao động của âm bằng một dao động kí. M: micro; A fi lối vào cùa dao động kí; 1,2,3 núm điều chỉnh ;5: nguồn âm. Phổ của cùng một âm (như âm la chẳng hạn) do các nhạc cụ khác nhau phát ra thì hoàn toàn khác nhau. Tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các hoạ âm trong một nhạc âm ta được đồ thị dao động của nhạc âm đó. Đồ thị dao động của cùng một nhạc âm (như âm la chẳng hạn) do các nhạc cụ khác nhau phát ra thì hoàn toàn khác nhau. Trên Hình 10.6a, b, c vẽ đồ thị dao động của cùng một âm do ba nhạc cụ khác nhau phát ra : âm thoa (a), sáo (b) và kèn săcxô (c). Vậy có thể nói : Đặc trưng vật lí thứ ba của âm là đồ thị dao động của âm dó. Người ta ghi đồ thị dao động của âm bằng thiết bị vẽ ở Hình 10.7. Sóng âm là những sỏng cơ truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn. Nguồn âm là các vật dao động. Tần sô dao động của nguọn cũng là tần sô' củá sóng âm. Âm nghe được (âm thanh) có tẩn số từ 16 Hz đến 20 000 Hz. Âm có tẩn số dưới 16 Hz gọi là hạ âm. Siêu âm là âm có tần số trên 20 000 Hz. Nhạc âm là âm có tần số xác định. Âm không truyền được trong chân không. Trong mỗi môi trường, âm truyền với một tốc độ xác định. vể phương diện vật lí, âm được đặc trưng bằng tần số, cường độ (hoặc mức cường độ) và đồ thị dao động của âm. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP tâ Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất không ? Sóng âm là gì ? Nhạc am là gì ? Trong ba môi trường rắn, lỏng và khí, âm truyền nhanh nhất trong môi trường nào, chậm nhất trong môi trường nào ? Cường độ âm được đo bằng gì ? ▼ Chọn câu đúng. Siêu âm là âm có tần số lớn. có cường độ rất lớn. c. có tần số trên 20 000 Hz. D. truyển trong mọi môi trường nhanh hơn âm. Chọn câu đúng. Cường độ âm được đo bằng oát trên mét vuông. oát. c. niutơn trên mét vuông. D. niutơn trên mét. Một lá thép dao động với chu kì T = 80 ms. Âm do nó phát ra có nghe được không ? Một siêu âm có tẩn số 1 MHz. Sử dụng Bảng 10.1, hãy tính bước sóng của siêu âm này tròng không khí ở o°c và trong nước ở 15°c. Để đo tốc độ âm trong gang, nhà vật lí Pháp Bi-Ô đã dùng một ống bằng gang dài 951,25 m. Một người đập một nhát búa vào một đầu ống gang, một người ở đẩu kia nghe thấy hai tiếng gõ, một truyền qua gang và một truyền qua không khí trong ống gang ; hai tiếng ấy cách nhau 2,5 s. Biết tốc độ âm trong không khí là 340 m/s, hãy tính tốc độ âm trong gang.