Sóng Âm Là Gì? Lý Thuyết Sóng Âm Và Bài Tập Minh Họa

Dương Trạng

7 tháng trước

Sóng Âm Là Gì? Lý Thuyết Sóng Âm Và Bài Tập Minh Họa

1. Sóng âm là gì?

Sóng âm là loại sóng cơ mà có thể lan truyền trong các môi trường như rắn, lỏng và khí. Khi sóng âm truyền đến tai người, nó gây dao động lên màng nhĩ và tạo ra khả năng phản ứng âm thanh, cho phép con người nghe được tiếng ồn. Trong môi trường lỏng và khí, sóng âm diễn ra dưới dạng sóng dọc, trong khi trong môi trường rắn, nó có thể là sóng dọc hoặc sóng ngang.

2. Phân loại sóng âm

2.1. Sóng âm nghe được

Sóng âm nghe được là những sóng có tần số trong khoảng từ 16Hz đến 20000Hz mà con người có thể cảm nhận được.

2.2. Sóng siêu âm

Sóng siêu âm là những sóng có tần số lớn hơn 20000Hz mà con người không thể cảm nhận được.

Sóng siêu âm có tần số 20000Hz.

2.3. Sóng hạ âm

Sóng hạ âm là những sóng có tần số nhỏ hơn 16Hz mà con người không thể cảm nhận được.

Sóng hạ âm có tần số 16Hz.

2.4. Nhạc âm và tạp âm

Nhạc âm là âm đại diện cho các nốt như Đồ, Rê, Mi, các nốt này có những âm thanh cụ thể và điệu nhất định. Tạp âm là âm có tần số không xác định (như tiếng ồn đường phố, tiếng chuông, tiếng còi).

3. Công thức tính sóng âm

Dưới đây là những công thức cơ bản của sóng âm:

Công thức cường độ âm:

$I = frac{P}{4 pi R^2}$

Công thức mức cường độ âm:

$L = lg frac{I}{I_{0}} (B)$

Công thức mở rộng:

$L_{A} – L_{B} = 20 lg frac{R_{B}}{R_{A}}$

Ở hai đầu cố định, tần số sóng âm do dây đàn phát ra sẽ được tính theo công thức: f = (kv)/(2l).

Khi k = 1, âm thanh phát ra là âm thanh cơ bản.
Khi k > 1, âm thanh phát ra là họa âm.

Ở một đầu cố định, một đầu tự do, ống sáo phát ra tần số sóng âm: f = (2k+1)*v/(4l)

Khi k = 0, âm thanh là âm thanh cơ bản.
Khi k > 0, âm thanh là họa âm.

⇒ Công thức để tính tần số âm cơ bản khi biết tần số hai họa âm liên tiếp là: f = (n + 1)f – nf

4. Đặc trưng vật lý của sóng âm

4.1. Tần số âm

Tần số âm là đặc trưng quan trọng của âm thanh.

4.2. Cường độ âm

Cường độ âm là năng lượng của sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian cụ thể, vuông góc với hướng truyền sóng.

Đơn vị cường độ âm là I, được tính bằng W/M2

– Cường độ âm thanh cụ thể: I, đơn vị: W/m2 (watt trên mét vuông)

– Công thức: $L(B)=log_{10} frac{I}{I_{0}}$

– Đơn vị: B (ben); 1B = 10dB (đề-xi-ben) hoặc $L(dB)=10.log_{10} frac{I}{I_{0}}$

4.3. Mức cường độ âm

Công thức tính mức cường độ âm là:

$L(B)=log_{10} frac{I}{I_{0}}$

Đơn vị là: B (ben), 1B = 10dB hoặc $L(dB)=10.log_{10} frac{I}{I_{0}}$

Một số mức độ của cường độ âm:

Nguồn âm

Mức độ âm

Tiếng thì thầm, lá rơi

Nơi im lặng

Nhạc nhẹ

Tiếng nói chuyện cách xa

Tiếng ồn ã trên đường

Phản lực cất cánh

130

4.4. Âm cơ bản và họa âm

• Mỗi nhạc cụ phát ra luôn có những âm thanh có tần số gấp đôi, gấp ba, gấp bốn,… của âm cơ bản có tần số f0.

• Âm cơ bản có tần số là f0, còn các họa âm thứ hai, thứ ba, thứ tư,… là các âm có tần số là 2f0, 3f0, 4f0,…

• Khi phát cùng một nốt nhạc, các họa âm có thể có biên độ khác nhau, được thể hiện trong đồ thị dao động âm và có âm sắc khác nhau.

• Đồ thị dao động là đặc điểm vật lý thứ ba của âm.

5. Sự truyền âm

a) Môi trường truyền âm

– Âm không truyền được trong chân không, nhưng có thể truyền qua các môi trường rắn, lỏng và khí.

– Những chất cách âm như bông, len không cho âm truyền qua.

b) Tốc độ truyền âm

– Âm truyền với một tốc độ cụ thể và hữu hạn trong từng môi trường khác nhau.

Tốc độ truyền âm của một số chất như sau:

Chất

V (m/s)

Không khí tại 0 độ

331

Không khí tại 25 độ

346

Hidro tại 0 độ

1280

Nước tại 15 độ

1500

Sắt

5800

Nhôm

6260

6. Đặc trưng sinh lý của sóng âm

– Độ cao của âm:

+ Khi tần số càng lớn, âm thanh càng cao. Khi tần số càng nhỏ, âm thanh càng thấp.

– Độ lớn của âm:

Không thể đo đạc độ lớn của âm bằng cách lấy mức cường độ âm.

Độ lớn của âm phụ thuộc vào cường độ âm, mức cường độ âm và tần số của âm.

+ Sử dụng cường độ âm lớn hơn, ta nghe thấy âm to hơn.

+ Ngưỡng nghe là cường độ âm nhỏ nhất mà tai cảm nhận được.

+ Ngưỡng đau là cường độ âm gây đau tai cho mọi tần số, đạt mức 10W/m2.

– Âm sắc:

+ Âm sắc khác nhau cho các nhạc cụ khác nhau. Khi các nhạc cụ khác nhau phát ra cùng một tần số, tai có thể phân biệt âm thanh của từng nhạc cụ khác nhau.

+ Đồ thị dao động âm có dạng khác nhau khi âm có cùng tần số được phát ra bởi các nhạc cụ khác nhau có cùng chu kỳ.

⇒ Âm sắc là đặc trưng sinh lý của âm thanh khi phân biệt các nguồn âm. Đồ thị dao động âm liên quan mật thiết đến âm sắc.

7. Câu hỏi thường gặp về sóng âm

7.1. Sóng âm không truyền được trong môi trường nào?

Sóng âm không thể truyền qua môi trường chân không.

7.2. Sóng âm là sóng dọc hay sóng ngang?

Loại sóng âm có thể là sóng dọc hoặc sóng ngang tùy thuộc vào môi trường truyền sóng.

7.3. Sóng siêu âm là gì? Sóng siêu âm có hại không?

Sóng siêu âm là những sóng âm rung động với tần số cao hơn ngưỡng sóng âm có thể phát hiện bằng tai người.

Sóng siêu âm có nhiều lợi ích nhưng cũng đi kèm với một số hạn chế. Nó có thể gây hại cho sức khỏe như:

Việc gây vô sinh cho nam giới trong 6 tháng.
Ảnh hưởng đến sức khỏe sinh sản của phụ nữ mang bầu.
Ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của thai nhi.
Có thể biến đổi DNA và ảnh hưởng đến gen di truyền.
Gây ảnh hưởng đến thính giác con người khi tần số âm lớn hơn 20KHz.

8. Bài tập về sóng âm

8.1. Bài tập ví dụ

1. Tần số âm cơ bản của sáo là 420Hz. Người này có thể nghe được tần số âm cao nhất của sáo là bao nhiêu nếu ngưỡng nghe của người là 20000 Hz?

Giải:

Tần số âm cơ bản của sáo là fn = n*f = 420n (nN)

Đồng thời có:

$f_{n} leq 20000 Rightarrow 420n leq 20000 Rightarrow n leq 47,6 Rightarrow n_{max} = 47$

Do đó, tần số âm cao nhất mà người này có thể nghe được là: 47 * 420 = 19740 Hz

2. Mức độ âm thanh giảm còn 1/4 so với ban đầu khi người tiến xa nguồn âm thêm 20m nữa. Khoảng cách ban đầu từ người đến nguồn âm là bao nhiêu?

Giải:

Giả sử khoảng cách ban đầu là d.

Ta có:

$(frac{I}{I_{0}})^{2} = frac{1}{4} Rightarrow frac{R_{1}}{R{2}} = frac{1}{2} Rightarrow frac{d}{d+20} = frac{1}{2} Rightarrow d = 40$

Đáp án: Khoảng cách ban đầu từ người đến nguồn âm là 40m.

3. Nếu mức cường độ âm tăng thêm 2 Ben, cường độ âm tăng gấp bao nhiêu lần?

Giải:

Từ công thức $L(B) = 10 log_{10} frac{I}{I_{0}}$ và $L(B+dB) = 10 log_{10} frac{I+dI}{I_{0}}$

=> $L(B+dB) – L(B) = 10 log_{10} (frac{I+dI}{I_{0}}) – 10 log_{10} (frac{I}{I_{0}})$

=> $L(B+dB) – L(B) = 10 log_{10} (frac{I+dI}{I} . frac{I}{I_{0}})$

=> $L(B+dB) – L(B) = 10 log_{10} (frac{I+dI}{I_{0}})$

Vì $dB = 2$, nên ta thu được:

=> $20 = 10 log_{10} (frac{I+dI}{I_{0}})$

Từ đó, ta có:

$frac{I+dI}{I_{0}} = 10^{2}$

Ở đây, I + dI là cường độ âm tăng thêm, I là cường độ âm ban đầu

Đáp án: Cường độ âm tăng gấp 100 lần.

4. 2 nhạc cụ khác nhau phát ra âm thanh khác nhau ở điểm nào?

Giải:

2 nhạc cụ khác nhau sẽ khác nhau ở âm sắc.

Đáp án: Âm sắc là yếu tố khác nhau giữa 2 nhạc cụ.

5. Tai con người có thể cảm nhận sóng cơ học từ bao nhiêu Hz cho đến tần số đủ lớn?

Giải:

Tai người có thể cảm nhận sóng cơ học từ 20Hz đến 20kHz, với chu kỳ 2ms.

Đáp án: 20Hz

6. Nếu cường độ âm chuẩn giảm 10 lần so với cường độ âm, cường độ âm có giá trị là bao nhiêu?

Giải:

Giả định cường độ âm ban đầu là I, theo yêu cầu đề bài, ta muốn tìm cường độ âm khi bị giảm 10 lần.

=> $I^{10} = frac{I}{10}$

=> $I^{10} = frac{1}{10}$

Do đó, cường độ âm có giá trị là 0.1

Đáp án: 0.1

7. Khi cách nguồn âm 10m, mức cường độ âm là 24dB. Vậy mức cường độ âm bằng không nếu cách nguồn âm 1m?

Giải:

Đề bài yêu cầu tìm cách cường độ âm bằng không, khi nguồn âm cách 1m.

Từ công thức $L(B) = 10 log_{10} frac{I}{I_{0}}$

=> $24dB = 10 log_{10} frac{I}{I_{0}}$

=> $frac{I}{I_{0}} = 10^{2.4}$

=> $frac{I}{I_{0}} = 251.18864316$

Đáp án: Cách cường độ âm bằng không là 251.18864316

8. Điểm A cách nguồn âm 5m và điểm B cách nguồn âm 20m trên cùng một đường thẳng. Nếu mức độ âm tại A là 60dB, mức độ âm tại B là bao nhiêu?

Giải:

Giả sử mức độ âm tại B là L.

Từ công thức $L(B) = L(A) + 20 log_{10} frac{R_{B}}{R_{A}}$

=> $L(B) = 60dB + 20 log_{10} frac{20}{5}$

=> $L(B) = 60dB + 20 log_{10} 4$

=> $L(B) = 60dB + 20 * 0.602$

=> $L(B) = 60dB + 12.04dB$

=> $L(B) = 72.04dB$

Đáp án: Mức độ âm tại B là 72.04dB

9. Đầu ống thuỷ tinh hình trụ có chiều dài 1m. Sóng âm với tần số 660Hz lan truyền trong không khí với vận tốc 330m/s. Để đạt được hiện tượng cộng hưởng sóng âm trong ống, phải điều chỉnh chiều dài ống là bao nhiêu?

Giải:

Để đạt hiện tượng cộng hưởng sóng âm trong ống, ta cần điều chỉnh chiều dài ống sao cho đạt được điều kiện cộng hưởng sóng âm. Điều kiện cộng hưởng sóng âm trong ống là ống co dạng với một nửa đồng nghĩa chuẩn bị cho sóng dọc đứng.

Ở đây, có (frac{lambda}{2} = 15cm)

Vận tốc sóng truyền trong không khí là (330m/s).

Tìm chiều dài ống cần điều chỉnh:

Ẩn (lambda) và chiều dài ống ((l)) vào công thức tần số sóng âm:

(f = frac{v}{lambda} Rightarrow lambda = frac{v}{f} = frac{330}{660} = 0.5m)

Vậy chiều dài ống cần điều chỉnh là (0.5m).

Đáp án: (l = 0.5m)

10. So sánh các cấu trúc sóng âm.

Giải:

Cấu trúc sóng âm là một trong những đặc trưng cơ bản của sóng âm. Cấu trúc sóng âm cũng là một trong những yếu tố quyết định âm sắc.

Đáp án: Không thể kết luận

Trên đây là toàn bộ kiến thức về sóng âm mà VUIHOC chia sẻ với các bạn học sinh. Hi vọng rằng, bài viết này đã giúp các bạn nắm vững kiến thức và giải các bài tập Vật lý dễ dàng hơn. Để đọc thêm nhiều kiến thức Vật Lý bổ ích khác, các bạn học sinh hãy truy cập Vuihoc.vn ngay bây giờ nhé!