Sóng âm — Tính chất, tốc độ truyền âm & decibel

Sóng âm là những dao động truyền qua vật chất như không khí, nước hoặc chất rắn. Nếu bạn cần hình dung nhanh, hãy tập trung vào ba ý chính: tần số, bước sóng và tốc độ truyền. Chúng liên hệ với nhau bởi

$$v = f\lambda$$

Ở đây, $v$ là tốc độ truyền sóng, $f$ là tần số và $\lambda$ là bước sóng. Decibel, viết là dB, không cho biết âm truyền nhanh đến mức nào. Chúng mô tả mức âm theo một thang logarit.

Sóng âm là gì

Sóng âm cần có môi trường để truyền. Nó có thể truyền qua chất khí, chất lỏng và chất rắn, nhưng không thể truyền trong chân không. Các hạt của môi trường không đi từ nguồn âm đến tai bạn. Chúng dao động quanh vị trí cân bằng trong khi nhiễu loạn truyền qua chúng.

Trong không khí, khi màng loa chuyển động ra ngoài, nó tạo ra một vùng nén. Khi chuyển động vào trong, nó tạo ra một vùng áp suất thấp hơn gọi là vùng dãn. Mẫu áp suất lặp lại đó chính là thứ mang âm thanh đi.

Những tính chất quan trọng nhất của sóng âm

Tần số. Tần số cho biết có bao nhiêu dao động xảy ra trong mỗi giây. Nó được đo bằng hertz, với $1\ \mathrm{Hz} = 1\ \mathrm{s^{-1}}$. Tần số cao hơn thường tương ứng với âm cao hơn.

Bước sóng. Bước sóng là khoảng cách giữa các điểm tương ứng trên hai chu kỳ liên tiếp, chẳng hạn từ một vùng nén đến vùng nén kế tiếp.

Biên độ. Biên độ liên quan đến độ lớn của sự biến thiên áp suất hoặc chuyển động của các hạt. Biên độ lớn hơn thường có nghĩa là âm mạnh hơn.

Tốc độ truyền. Tốc độ truyền cho biết nhiễu loạn di chuyển nhanh đến đâu trong môi trường. Nó chủ yếu do môi trường và trạng thái của môi trường quyết định.

Các ý này có liên hệ với nhau. Nếu tốc độ giữ nguyên mà tần số tăng, thì bước sóng phải giảm.

Điều gì quyết định tốc độ âm thanh

Tốc độ âm thanh không phải là một hằng số phổ quát. Nó phụ thuộc vào vật liệu và, trong nhiều trường hợp, còn phụ thuộc vào các điều kiện như nhiệt độ.

Trong không khí khô ở khoảng $20^\circ\mathrm{C}$, tốc độ âm thanh xấp xỉ

$$343\ \mathrm{m/s}$$

Giá trị đó chỉ là một xấp xỉ cho điều kiện này. Trong không khí ấm hơn, âm truyền nhanh hơn. Trong chất lỏng và nhiều chất rắn, âm thường truyền nhanh hơn trong không khí vì môi trường truyền các vùng nén hiệu quả hơn.

Trong nhiều bài toán nhập môn, bạn sẽ được cho sẵn tốc độ hoặc được yêu cầu dùng một giá trị chuẩn gần đúng. Khi giá trị đó đã được xác định, $v = f\lambda$ là hệ thức chính để tính toán.

Ví dụ có lời giải: Tìm bước sóng của sóng âm

Giả sử một âm thoa phát ra âm có tần số $680\ \mathrm{Hz}$ trong không khí ở khoảng $20^\circ\mathrm{C}$. Dùng $v = 343\ \mathrm{m/s}$ cho tốc độ âm thanh. Bước sóng là bao nhiêu?

Bắt đầu từ

$$\lambda = \frac{v}{f}$$

Thay các giá trị vào:

$$\lambda = \frac{343}{680}\ \mathrm{m}$$ $$\lambda \approx 0.504\ \mathrm{m}$$

Vậy bước sóng xấp xỉ $0.50\ \mathrm{m}$.

Ví dụ này cho thấy rất rõ mối đánh đổi chính. Trong cùng một môi trường, tốc độ giữ nguyên, nên khi tăng tần số thì bước sóng buộc phải ngắn hơn. Nếu tần số tăng gấp đôi, bước sóng sẽ giảm còn một nửa.

Decibel có ý nghĩa gì trong âm thanh

Decibel đo mức âm theo một thang logarit. Với mức cường độ âm, một định nghĩa thường dùng là

$$\beta = 10 \log_{10}\left(\frac{I}{I_0}\right)$$

trong đó $I$ là cường độ và $I_0$ là cường độ tham chiếu.

Điểm then chốt là logarit. Một thay đổi về decibel không biểu thị một thay đổi tuyến tính về cường độ. Nếu cường độ âm tăng lên $10$ lần, thì mức âm tăng thêm $10\ \mathrm{dB}$.

Đó là lý do các giá trị decibel có thể mô tả một dải cường độ âm rất rộng mà không cần dùng những con số khổng lồ. Cũng vì thế, bạn không nên xem các giá trị dB như các phép đo tuyến tính thông thường hoặc dùng chúng để so sánh tốc độ truyền sóng.

Những lỗi thường gặp với sóng âm

Nghĩ rằng âm có thể truyền trong chân không

Không thể. Âm cần một môi trường vật chất.

Cho rằng âm to hơn thì truyền nhanh hơn

Trong các bài toán sóng thông thường, âm to hơn nghĩa là biên độ lớn hơn, không phải tốc độ truyền sóng lớn hơn.

Nhầm lẫn giữa tần số và tốc độ

Tần số do nguồn quyết định. Tốc độ do môi trường và trạng thái của môi trường quyết định. Khi âm đi vào một môi trường mới, tần số giữ nguyên, còn bước sóng thường thay đổi.

Xem decibel như một thang tuyến tính

Thang dB là thang logarit. Một thay đổi nhỏ về mặt số học trong dB có thể tương ứng với một thay đổi vật lý lớn về cường độ.

Sóng âm được ứng dụng ở đâu

Các khái niệm về sóng âm rất quan trọng trong âm nhạc, âm học phòng, chẩn đoán hình ảnh siêu âm, sonar, địa chấn học, thiết kế loa và kiểm soát tiếng ồn. Những câu hỏi cơ bản vẫn lặp đi lặp lại: sóng truyền nhanh đến đâu, điều gì quyết định bước sóng của nó, nó mạnh đến mức nào, và môi trường làm thay đổi điều bạn quan sát ra sao?

Thử một bài tương tự

Hãy tự thử một phiên bản khác bằng cách giữ nguyên âm $680\ \mathrm{Hz}$ nhưng thay đổi giả thiết về nhiệt độ không khí, hoặc giữ nguyên tốc độ và chọn một tần số khác. Đây là cách đơn giản để thấy khi nào bước sóng thay đổi và khi nào thì không.