Sóng âm là gì? Sóng âm chia làm mấy loại?

Cập nhật vào 10/08/2024 bởi An Tâm Cách Nhiệt

Sóng âm là gì? Một khái niệm không quá xa lạ với chúng ta từ thời học phổ thông trong môn vật lý. Cùng Cách Nhiệt An Tâm tìm hiểu về sóng âm nhé!

Sóng âm là gì?

Âm thanh là các dao động cơ học của các phân tử, hạt nguyên tử hay các hạt notron làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng âm. Âm thanh giống như nhiều sóng, được phân biệt bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền.

Sóng âm là sóng cơ học có tần số khoảng 16- 20.000Hz, và sóng âm chỉ có thể lan truyền trong môi trường vật chất: rắn, lỏng, khí. Sóng âm không truyền được trong môi trường chân không.

Sóng âm chia làm mấy loại?

Sóng âm được phân thành 2 loại dựa theo: Đặc điểm tần số và Độ lớn tần số.

Phân loại sóng âm theo đặc điểm tần số 

• Nhạc âm là gì? Nhạc âm là những âm có tần số đã được xác định. Nhạc âm do các nhạc cụ phát ra, tiếng nói, tiếng hát của con người được gọi là nhạc âm.
• Tạp âm (Tiếng ồn) là những âm không có tần số xác định, là những âm thanh gây nhiễu loạn. Ví dụ như: tiếng còi xe bus, tiếng hoạt động của máy móc,…

Phân loại âm theo tần số

• Hạ âm là những âm có tần số < 16Hz
• Người ta có thể nghe được âm có tần số: Từ 16– 20.000Hz
• Siêu âm: Tần số > 20.000Hz

Tần số âm thanh mà tai con người có thể nghe được

• Âm thanh mà con người có thể nghe được có tần số từ 16 đến 20.000 Hz và gây ra cảm giác âm ở tai người.
• Hạ âm là những sóng âm có tần số < 16 Hz, tai người không thể nghe được.
• Siêu âm là những âm có tần số > 20.000 Hz, con người không thể nghe được.

Sự truyền âm của sóng âm

Quá trình truyền âm là quá trình làm lan truyền dao động của sóng âm.

• Trong cùng một môi trường thì âm truyền đi với tốc độ không đổi
• Đối với sóng âm tốc độ truyền sóng (Vận tốc truyền âm) phụ thuộc vào tính chất của môi trường (bản chất, tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ,…). Trong đó tốc độ của âm thanh trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng và trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí:  v_rắn > v_lỏng> v_khí. Các chất liệu không cho sóng âm truyền qua hay khả năng truyền qua ít thì gọi là vật liệu cách âm. Các chất liệu mà sóng âm truyền qua được nhưng 1 phần sóng âm bị tiêu hao (chuyển sang 1 dạng năng lượng khác) được gọi là vật liệu tiêu âm.
• Khi sóng âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số f (và do đó chu kỳ) của sóng không đổi.

Các đặc trưng vật lý của âm

• Tần số âm là tần số dao động mà nguồn âm tạo ra. Âm trầm sẽ có tần số nhỏ, âm cao sẽ có tần số lớn.
• Cường độ âm I tại 1 điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tải qua 1 đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền âm trong 1 đơn vị thời gian.
• Mức cường độ âm được đo bằng lôgarit (L) thập phân của tỉ số giữa cường độ âm đang xét và cường độ âm chuẩn I_o. Cường độ âm chuẩn I_o được lấy bằng 10^{– 12} W/m² ~ 0.000000000001 W/m². Trong đó L có đơn vị là ben (B). Người ta thường dùng đơn vị là đề xi ben (dB): 1B = 10dB.
• Đồ thị dao động âm và phổ của âm Giả sử ta dùng 1 micrô để ghi lại 1 sóng âm. Tín hiệu điện do micrô này tạo ra cho ta hình ảnh của 1 đồ thị dao động âm đang xét.

Các Âm cơ bản và họa âm

Khi một sợi dây đàn ghi ta rung thì nó phát ra âm vì trên dây có xảy ra hiện tượng sóng dừng.

Nếu dây rung với 1 bó sóng thì dây phát ra âm có tần số sóng âm thấp nhất (tần số f_min đã biết trong bài Sóng dừng). Ta còn gọi tần số này là tần số f_o và gọi là âm cơ bản (còn gọi là họa âm thứ 1).

Khảo sát thực nghiệm cho thấy dây đàn còn phát ra các âm có tần số 2f_o, 3f_o, 4f_o …. lần lượt gọi là họa âm thứ 2, thứ 3, thứ 4, … Các họa âm có biên độ khác nhau khiến đồ thị dao động âm của các nhạc cụ khi phát ra cùng 1 nốt nhạc cũng khác nhau. Có thể phân biệt được bởi sự khác nhau âm sắc của chúng.

Các đặc trưng sinh lý của âm

• Độ cao của âm tỷ lệ thuận với tần số âm. Âm trầm sẽ có tần số nhỏ, âm cao có tần số lớn. Chú ý: Chúng ta không thể nói: Sóng Âm có tần số 800 Hz cao gấp đôi sóng âm có tần số 400 Hz
• Độ to của âm tỷ lệ thuận với mức cường độ âm.
• Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm, phổ của âm. Hai nhạc cụ khác nhau phát ra cùng 1 nốt nhạc, cùng độ cao, cùng cường độ sẽ chắc chắn khác nhau về âm sắc. Tham khảo thêm về mật độ khối lượng µ của 1 số vật liệu (Dùng để tính vận tốc truyền sóng ngang trên dây đàn ghi ta)

Công thức sóng âm

Công thức về cường độ âm:

Công thức mức cường độ âm:

Hoặc:

Công thức mở rộng:

Tần số sóng âm do dây đàn phát ra (hai đầu cố định): f=(kv)/(2l). Nếu k = 1 thì âm phát ra gọi là âm cơ bản; nếu k > 1 thì âm phát ra gọi là họa âm.

Tần số sóng âm do ống sáo phát ra (một đầu cố định, một đầu tự do): f=(2k+1)*v/(4l). Nếu k = 0 thì âm phát ra gọi là âm cơ bản; nếu k > 0 thì âm phát ra gọi là họa âm.

Công thức tìm tần số âm cơ bản khi biết tần số của hai họa âm liên tiếp: f=(n+1)f-nf