ÂM THANH: LỊCH SỬ, ĐẶC ĐIỂM, CÁCH NÓ ĐƯỢC SẢN XUẤT, CÁC LOẠI - VẬT LÝ - 2026

Các âm thanh được định nghĩa là một sự lo lang cho tuyên truyền trong một môi trường như không khí, xen kẽ nó tạo ra nén và mở rộng trong đó. Những thay đổi về áp suất và mật độ không khí này truyền đến tai và được não bộ hiểu là cảm giác thính giác.

Âm thanh đã đồng hành cùng cuộc sống kể từ khi ra đời, tạo thành một phần công cụ mà động vật phải giao tiếp với nhau và với môi trường của chúng. Một số người cho rằng thực vật cũng lắng nghe, nhưng trong mọi trường hợp, chúng có thể cảm nhận được những rung động của môi trường ngay cả khi chúng không có thiết bị thính giác như động vật bậc cao.

Hình 1. Vỡ rào cản âm thanh

Ngoài việc sử dụng âm thanh để truyền đạt thông qua lời nói, người ta còn sử dụng nó như một cách biểu đạt nghệ thuật thông qua âm nhạc. Tất cả các nền văn hóa, cổ xưa và gần đây, đều có những biểu hiện âm nhạc dưới mọi hình thức, qua đó họ kể những câu chuyện, phong tục, niềm tin tôn giáo và cảm xúc của họ.

Lịch sử

Do tầm quan trọng của nó, nhân loại bắt đầu quan tâm đến việc nghiên cứu bản chất của nó và tạo ra âm học, một nhánh vật lý dành riêng cho các đặc tính và hành vi của sóng âm thanh.

Được biết, nhà toán học nổi tiếng Pythagoras (569-475 TCN) đã dành một thời gian dài để nghiên cứu sự khác biệt về độ cao (tần số) giữa các âm thanh. Mặt khác, Aristotle, người đã suy đoán về tất cả các khía cạnh của tự nhiên, khẳng định một cách chính xác rằng âm thanh bao gồm sự giãn nở và nén lại trong không khí.

Sau đó, kỹ sư La Mã nổi tiếng Vitruvius (80-15 trước Công nguyên) đã viết chuyên luận về âm học và các ứng dụng của nó trong việc xây dựng nhà hát. Chính Isaac Newton (1642-1727) đã nghiên cứu sự lan truyền của âm thanh trong môi trường rắn và xác định công thức cho tốc độ truyền của nó.

Theo thời gian, các công cụ toán học tính toán đã có thể thể hiện đầy đủ tất cả sự phức tạp của hành vi sóng.

Đặc tính âm thanh (thuộc tính)

Ở dạng đơn giản nhất, sóng âm có thể được mô tả như một sóng hình sin, lan truyền trong thời gian và không gian, giống như thể hiện trong hình 2. Ở đó, người ta quan sát thấy rằng sóng là tuần hoàn, tức là nó có một một cách tự lặp lại theo thời gian.

Là sóng dọc, phương truyền và phương chuyển động của các hạt trong môi trường dao động là như nhau.

Thông số sóng âm thanh

Hình 2. Âm thanh là sóng dọc, nhiễu lan truyền theo cùng một hướng mà các phân tử trải qua sự dịch chuyển của chúng. Nguồn: Wikimedia Commons.

Các tham số của sóng âm là:

Chu kỳ T: là thời gian cần thiết để lặp lại một pha của sóng. Trong Hệ thống Quốc tế, nó được đo bằng giây.

Chu kỳ : là phần sóng nằm trong chu kỳ và bao phủ từ điểm này đến điểm khác có cùng độ cao và cùng độ dốc. Nó có thể đi từ thung lũng này sang thung lũng tiếp theo, từ sườn núi này sang sườn núi tiếp theo hoặc từ điểm này đến điểm khác đáp ứng đặc điểm kỹ thuật được mô tả.

Bước sóng λ : là khoảng cách giữa đỉnh này và đỉnh khác của sóng, giữa thung lũng này với thung lũng khác, hay nói chung là giữa điểm này và điểm tiếp theo có cùng độ cao và độ dốc. Là chiều dài nó được đo bằng mét, mặc dù các đơn vị khác thích hợp hơn tùy thuộc vào loại sóng.

Tần số f : được định nghĩa là số chu kỳ trên một đơn vị thời gian. Đơn vị của nó là Hertz (Hz).

Biên độ A: ứng với độ cao cực đại của sóng đối với trục hoành.

Âm thanh được tạo ra và lan truyền như thế nào?

Âm thanh được tạo ra khi một vật ngâm trong môi trường vật chất bị rung, như thể hiện ở dưới cùng của Hình 2. Màng căng của loa bên trái rung và truyền nhiễu qua không khí cho đến khi tiếp cận người nghe.

Khi nhiễu loạn lan truyền, năng lượng được truyền đến các phân tử trong môi trường, các phân tử này tương tác với nhau, thông qua sự giãn nở và nén. Bạn luôn cần một phương tiện vật chất để truyền âm thanh, có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí.

Khi sự xáo trộn trong không khí đến tai, áp suất không khí thay đổi làm cho màng nhĩ rung động. Điều này làm phát sinh các xung điện được truyền đến não qua dây thần kinh thính giác, và một khi ở đó các xung được chuyển thành âm thanh.

Tốc độ âm thanh

Tốc độ của sóng cơ trong một môi trường nhất định tuân theo mối quan hệ sau:

Ví dụ khi lan truyền trong một chất khí như không khí, tốc độ âm thanh có thể được tính là:

Khi nhiệt độ tăng, tốc độ âm thanh cũng vậy, vì các phân tử trong môi trường sẵn sàng dao động hơn và truyền dao động qua chuyển động của chúng. Mặt khác, áp lực không ảnh hưởng đến giá trị của nó.

Mối quan hệ giữa bước sóng và tần số

Chúng ta đã thấy rằng thời gian để sóng hoàn thành một chu kỳ là một chu kỳ, trong khi quãng đường đi được trong khoảng thời gian đó bằng một bước sóng. Do đó tốc độ v của âm thanh được xác định là:

Mặt khác, tần suất và chu kỳ có liên quan với nhau, một cái là nghịch đảo của cái kia, như thế này:

Dẫn đến:

Dải tần số nghe được ở người là từ 20 đến 20.000 Hz, do đó bước sóng âm nằm trong khoảng từ 1,7 cm đến 17 m khi thay các giá trị trong phương trình trên.

Các bước sóng này có kích thước bằng các vật thể thông thường, ảnh hưởng đến sự truyền âm thanh, vì là sóng nên nó bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ khi gặp vật cản.

Trải qua nhiễu xạ có nghĩa là âm thanh bị ảnh hưởng khi nó gặp chướng ngại vật và khe hở có kích thước gần bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng của nó.

Âm thanh trầm có thể lan truyền tốt hơn trong khoảng cách xa, đó là lý do tại sao voi sử dụng sóng hạ âm (âm thanh tần số rất thấp, tai người không nghe được) để liên lạc trên lãnh thổ rộng lớn của chúng.

Ngoài ra khi có nhạc trong phòng gần đó, âm trầm được nghe tốt hơn âm trầm, vì bước sóng của nó có kích thước tương đương với cửa ra vào và cửa sổ. Mặt khác, khi ra khỏi phòng, các âm cao dễ bị mất và do đó không nghe được nữa.

Âm thanh được đo như thế nào?

Âm thanh bao gồm một loạt các lực nén và các tác động hiếm hoi của không khí, theo cách mà nó lan truyền, âm thanh gây ra sự tăng và giảm áp suất. Trong Hệ thống quốc tế, áp suất được đo bằng pascal, được viết tắt là Pa.

Điều xảy ra là những thay đổi này rất nhỏ so với áp suất khí quyển, trị giá khoảng 101.000 Pa.

Ngay cả những âm thanh to nhất cũng tạo ra dao động nhỏ nhất là 20-30 Pa (ngưỡng đau), một con số khá nhỏ so với. Nhưng nếu bạn có thể đo được những thay đổi đó, thì bạn có cách đo âm thanh.

Áp suất âm thanh là hiệu số giữa áp suất khí quyển có âm thanh và áp suất khí quyển không có âm thanh. Như chúng ta đã nói, âm thanh lớn nhất tạo ra áp suất âm thanh là 20 Pa, trong khi âm thanh yếu nhất gây ra khoảng 0,00002 Pa (ngưỡng âm thanh).

Vì phạm vi của áp suất âm thanh trải dài một số lũy thừa của 10, thang đo logarit nên được sử dụng để chỉ ra chúng.

Mặt khác, bằng thực nghiệm, người ta xác định rằng mọi người cảm nhận được những thay đổi của âm thanh cường độ thấp rõ ràng hơn những thay đổi có cùng cường độ nhưng ở âm thanh cường độ cao.

Ví dụ, nếu áp suất âm thanh tăng thêm 1, 2, 4, 8, 16…, thì tai sẽ cảm nhận được cường độ tăng 1, 2, 3, 4…. Vì lý do này, thuận tiện để xác định một đại lượng mới được gọi là mức áp suất âm thanh (Mức áp suất âm thanh) L _P , được định nghĩa là:

Trong đó P _o là áp suất tham chiếu được lấy làm ngưỡng nghe và P ₁ là áp suất hiệu dụng trung bình hoặc áp suất RMS. RMS hay áp suất trung bình này là những gì mà tai nhận thấy là năng lượng trung bình của tín hiệu âm thanh.

Decibel

Kết quả của biểu thức trên cho L _P , khi được đánh giá cho các giá trị khác nhau của P ₁ , được tính bằng decibel, một đại lượng không thứ nguyên. Biểu thị mức áp suất âm thanh như thế này rất thuận tiện, vì logarit chuyển đổi các số lớn thành các số nhỏ hơn, dễ quản lý hơn.

Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, người ta ưu tiên sử dụng cường độ âm thanh để xác định decibel hơn là áp suất âm thanh.

Cường độ âm thanh là năng lượng truyền trong một giây (công suất) qua một bề mặt đơn vị được định hướng vuông góc với phương truyền sóng. Giống như áp suất âm thanh, nó là một đại lượng vô hướng và được ký hiệu là I. Đơn vị của I là W / m ² , nghĩa là công suất trên một đơn vị diện tích.

Có thể chứng minh rằng cường độ âm tỉ lệ với bình phương của áp suất âm:

Trong biểu thức này, ρ là mật độ của môi trường và c là tốc độ của âm thanh. Khi đó mức cường độ âm L _I được xác định là:

Nó cũng được biểu thị bằng decibel và đôi khi được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp β. Giá trị tham chiếu mà tôi _o là 1 x 10 ^-12 W / m ² . Do đó, 0 dB đại diện cho giới hạn dưới của thính giác con người, trong khi ngưỡng đau là 120 dB.

Vì nó là thang đo logarit, cần phải nhấn mạnh rằng sự khác biệt nhỏ về số decibel tạo ra sự khác biệt lớn về cường độ âm thanh.

Máy đo mức âm thanh

Máy đo mức âm thanh hay decibelmeter là một thiết bị dùng để đo áp suất âm thanh, chỉ số đo bằng decibel. Nó được thiết kế để phản hồi lại nó giống như cách mà tai người sẽ làm.

Hình 3. Máy đo mức âm thanh hoặc decibelmeter được sử dụng để đo mức áp suất âm thanh. Nguồn: Wikimedia Commons.

Nó bao gồm một micrô để thu tín hiệu, nhiều mạch hơn với bộ khuếch đại và bộ lọc, chịu trách nhiệm biến đổi đầy đủ tín hiệu này thành dòng điện và cuối cùng là một thang đo hoặc màn hình để hiển thị kết quả đọc.

Chúng được sử dụng rộng rãi để xác định tác động của một số tiếng ồn đối với con người và môi trường. Ví dụ như tiếng ồn trong nhà máy, công nghiệp, sân bay, tiếng ồn giao thông và nhiều thứ khác.

Các loại âm thanh (hạ âm, siêu âm, đơn âm, âm thanh nổi, đa âm, đồng âm, âm trầm, âm bổng)

Âm thanh được đặc trưng bởi tần số của nó. Theo những gì mà tai người có thể thu được, tất cả các âm thanh được phân thành ba loại: âm thanh mà chúng ta có thể nghe thấy hoặc phổ nghe được, những âm thanh có tần số dưới giới hạn dưới của phổ nghe được hoặc sóng hạ âm và những âm thanh nằm trên phổ nghe được. giới hạn trên, được gọi là siêu âm.

Trong mọi trường hợp, vì sóng âm thanh có thể chồng chéo tuyến tính nên những âm thanh hàng ngày, mà đôi khi chúng ta hiểu là duy nhất, thực sự bao gồm các âm thanh khác nhau có tần số khác nhau nhưng gần nhau.

Hình 4. Các dải tần và phổ âm. Nguồn: Wikimedia Commons.

Phổ âm thanh

Tai người được thiết kế để thu nhận một loạt các tần số: từ 20 đến 20.000 Hz. Nhưng không phải tất cả các tần số trong phạm vi này đều được cảm nhận với cùng một cường độ.

Tai nhạy cảm hơn ở dải tần từ 500 đến 6.000 Hz, tuy nhiên, có những yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng cảm nhận âm thanh, chẳng hạn như tuổi tác.

Sóng siêu âm

Chúng là những âm thanh có tần số nhỏ hơn 20 Hz, nhưng việc con người không nghe được không có nghĩa là các loài động vật khác không thể nghe được. Ví dụ, voi sử dụng chúng để liên lạc, vì sóng hạ âm có thể truyền đi một khoảng cách xa.

Các loài động vật khác, chẳng hạn như hổ, sử dụng chúng để làm con mồi bị choáng. Sóng hồng ngoại cũng được sử dụng để phát hiện các vật thể lớn.

Siêu âm

Chúng có tần số lớn hơn 20.000 Hz và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Một trong những ứng dụng đáng chú ý nhất của siêu âm là như một công cụ của y học, cả chẩn đoán và điều trị. Hình ảnh thu được bằng sóng siêu âm không xâm lấn và không sử dụng bức xạ ion hóa.

Siêu âm cũng được sử dụng để tìm lỗi trong cấu trúc, xác định khoảng cách, phát hiện chướng ngại vật trong quá trình điều hướng và hơn thế nữa. Động vật cũng sử dụng sóng siêu âm, và trên thực tế, đó là cách sự tồn tại của nó được phát hiện.

Dơi phát ra xung âm thanh và sau đó giải thích tiếng vang mà chúng tạo ra để ước tính khoảng cách và xác định vị trí con mồi. Về phần mình, chó cũng có thể nghe được siêu âm và đó là lý do tại sao chúng phản ứng với tiếng còi của chó mà chủ nhân của chúng không thể nghe thấy.

Âm thanh đơn âm và âm thanh lập thể

Hình 4. Trong một phòng thu âm, âm thanh được điều chỉnh một cách thích hợp bởi các thiết bị điện tử. Nguồn: Pixabay.

Âm thanh đơn âm là tín hiệu được ghi bằng một micrô hoặc kênh âm thanh. Khi nghe bằng tai nghe hoặc còi âm thanh, cả hai tai đều nghe được chính xác như nhau. Ngược lại, âm thanh nổi ghi lại tín hiệu bằng hai micrô độc lập.

Các micrô được đặt ở các vị trí khác nhau để chúng có thể nhận áp suất âm thanh khác nhau của nội dung bạn muốn ghi.

Sau đó, mỗi tai nhận một trong những tập hợp tín hiệu này, và khi não thu thập và giải thích chúng, kết quả sẽ thực tế hơn nhiều so với khi nghe âm thanh đơn âm. Do đó, nó là phương pháp được ưa chuộng khi nói đến âm nhạc và phim ảnh, mặc dù âm thanh đơn âm hoặc đơn âm vẫn được sử dụng trên radio, đặc biệt là cho các cuộc phỏng vấn và hội thoại.

Đồng âm và đa âm

Nói về mặt âm nhạc, đồng âm bao gồm cùng một giai điệu được chơi bởi hai hoặc nhiều giọng nói hoặc nhạc cụ. Mặt khác, trong phức điệu có hai hoặc nhiều giọng nói hoặc nhạc cụ có tầm quan trọng như nhau tuân theo giai điệu và thậm chí cả nhịp điệu khác nhau. Bản hòa tấu kết quả của những âm thanh này là hài hòa, chẳng hạn như âm nhạc của Bach.

Âm trầm và âm bổng

Tai người phân biệt các tần số nghe được là cao, thấp hoặc trung bình. Đây là những gì được gọi là cao độ của âm thanh.

Các tần số cao nhất từ ​​1600 đến 20.000 Hz được coi là âm sắc, dải từ 400 đến 1600 Hz tương ứng với âm có âm trung và cuối cùng, tần số trong khoảng 20 đến 400 Hz là âm trầm.

Âm trầm khác với âm bổng ở chỗ âm thanh trước được cho là sâu, tối và bùng nổ, trong khi âm thanh sau nhẹ, rõ ràng, vui tai và xuyên suốt. Ngoài ra, tai giải thích chúng có cường độ mạnh hơn, không giống như âm thanh trầm, tạo ra cảm giác ít cường độ hơn.

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. 2005. Sóng và Vật lý lượng tử. Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Chỉnh sửa bởi D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Ngày 6. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Ghi chú về âm học âm nhạc. Được khôi phục từ: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 1. Thứ 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Âm học. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.