Chủ đề 30. Sóng âm – Đặng Việt Hùng

CHỦ ĐỀ 30: SÓNG ÂM I LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI Một số khái niệm - Sóng âm: Sóng âm sóng truyền mơi trường khí, lỏng, rắn Tần số sóng âm tần số âm - Nguồn âm: Một vật phát dao động phát âm nguồn âm Tần số âm phát tần số nguồn âm - Âm nghe có tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz gây cảm giác âm tai người - Hạ âm: Những sóng học tần số nhỏ 16Hz gọi sóng hạ âm, tai người khơng nghe Một số loài vật voi, chim bồ câu… nghe hạ âm - Siêu âm: Những sóng học tần số lớn 20000Hz gọi sóng siêu âm, tai người khơng nghe Một số loại dơi, chó, cá heo nghe siêu âm Tai người không nghe hạ âm siêu âm - Môi trường truyền âm: Âm truyền qua chất rắn, lỏng, khí Âm khơng truyền qua chất xốp bơng, len Những chất gọi chất cách âm Chúng thường dùng để ốp vào tường cửa nhà hát, phòng ghi âm - Tốc độ truyền âm: Sóng âm truyền mơi trường với tốc độ hồn tồn xác định Trong chất rắn, sóng âm sóng ngang sóng dọc Trong chất khí chất lỏng sóng âm sóng dọc Các đặc tính vật lý âm Những âm có tần số xác định, thường nhạc cụ phát ra, gọi nhạc âm Những âm tiếng búa đập, tiếp sấm, tiếng ồn… khơng có tần số xác định gọi tạp âm Ta xét đặc trưng vật lý nhạc âm ▪ Tần số âm: Tần số của sóng âm tần số âm ▪ Cường độ âm: I = W P = (đơn vị W / m2) t.S S Cường độ âm I điểm đại lượng đo lượng mà sóng âm tải qua đơn vị diện tích đặt điểm đó, vng góc với phương truyền sóng đơn vị thời gian ▪ Cường độ âm điểm cách nguồn đoạn R: I = P ( đơn vị W / m2) 4πR Với W (J), P(W) lượng, công suất phát âm nguồn, S (m2) diện tích mặt vng góc với phương truyền âm (với sóng cầu S diện tích mặt cầu S = 4πR ) ▪ Mức cường độ âm: L( B ) = log I I I ⇒ = 10 L Hoặc L(dB ) = 10 log I0 I0 I0 ⇒ L2 − L1 = log I2 I I I − log = log ⇔ = 10 L2 − L1 I0 I0 I1 I0 Với I0 =10-12 W / m gọi cường độ âm chuẩn f = 1000 Hz Đơn vị mức cường độ âm Ben (B), thường dùng đềxiben (dB): 1B = 10dB ▪ Âm họa âm : Sóng âm nhạc cụ phát tổng hợp nhiều sóng âm phát lúc Các sóng có tần số f, 2f, 3f Âm có tần số f họa âm bản, âm có tần số 2f, 3f hoạ âm thứ 2, thứ 3, Tập hợp hoạ âm tạo thành phổ nhạc âm nói ▪ Đồ thị dao động âm : nhạc âm nhạc cụ khác phát hồn tồn khác Các nguồn âm thường gặp: ▪ Dây đàn: Tần số đàn phát (hai đầu dây cố định ⇒ hai đầu nút sóng) Ta có: f = k v ( k ∈ *) 2l Ứng với k = l suy âm phát âm có tần số f1 = v 2l k = 2, 3, có hoạ âm bậc (tần số 2f1 ), bậc (tần số 3f1) ▪ Ống sáo: Tần số ống sáo phát (một đầu bịt kín (nút sóng), đầu để hở (bụng sóng) suy (một đầu nút sóng, đầu bụng sóng) Ta có: f = ( k+0,5 ) v ( k∈ ) 2l Ứng với k = ⇒ âm phát âm có tần số f1 = v 4l k = 2, 3, có hoạ âm bậc (tần số 3f1 ), bậc (tần số 5f1) Độ cao - Độ cao âm đặc trưng sinh lí âm gắn liền với tần số âm - Âm nghe (cao) tần số lớn Âm nghe trầm (thấp) tần số nhỏ Chú ý rằng, tần số 880 Hz gấp đôi 440 Hz khơng thể nói âm có tần số 880 Hz cao gấp đơi âm có tần số 440 Hz Độ to - Độ to âm khái niệm nói đặc trưng sinh lí âm gắn liền với đặc trưng vật lí mức cường độ âm - Tuy nhiên ta lấy mức cường độ âm làm số đo độ to âm - Độ to âm phụ thuộc vào cường độ âm, mức cường độ âm tần số âm Âm sắc - Các nhạc cụ khác phát âm có độ cao tai ta phân biệt âm nhạc cụ, chúng có âm sắc khác Ví dụ: Một đàn ghita đàn violon hay kèn sacxophon phát nốt la, độ cao Khi nghe ta dễ ràng phân biệt âm đàn ghi ta, âm violon âm kèn phát âm sắc - Âm có độ cao nhạc cụ khác phát có chu kì đồ thị dao động chúng có dạng khác - Vậy, âm sắc đặc trưng sinh lí âm, giúp ta phân biệt âm nguồn khác phát Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm II VÍ DỤ MINH HỌA Dạng 1: Các câu hỏi lí thuyết Sóng âm Ví dụ 1: Một sóng âm truyền từ khơng khí vào nước thì: A Tần số bước sóng thay đổi B Tần số khơng thay đổi, cịn bước sóng thay đổi C Tần số thay đổi, cịn bước sóng khơng thay đổi D Tần số bước sóng khơng thay đổi Lời giải: Sóng âm truyền qua mơi trường tần số song khơng thay đổi Vận tốc song thay đổi nên bước sóng λ = v thay đổi Chọn B f Ví dụ 2: Khi nói sóng âm, phát biểu sau sai? A Sóng có tần số nhỏ 16Hz gọi sóng hạ âm B Sóng hạ âm khơng truyền chân khơng C Sóng có tần số lớn 20000Hz gọi sóng siêu âm D Sóng siêu âm truyền chân khơng Lời giải Sóng âm khơng truyền chân khơng Chọn D Ví dụ 3: Điều sau sai nói sóng âm? A Sóng âm sóng học truyền mơi trường vật chất rắn, lỏng, khí B Sóng âm sóng học dọc C Sóng âm không truyền chân không D Vận tốc truyền âm mơi trường phụ thuộc vào nhiệt độ Lời giải Sóng âm sóng ngang, sóng đọc, tuỳ thuộc vào mơi trường sóng truyền qua Chọn B Ví dụ 4: Chọn câu sai câu sau Sóng âm: A khơng truyền chân không B truyền môi trường rắn, lỏng, khí C Có vận tốc truyền phụ thuộc nhiệt độ D Chỉ có sóng âm có tần số khoảng từ 16Hz đến 2000Hz truyền khơng khí Lời giải: Sóng âm truyền ba mơi trường rắn lỏng khí khơng truyền chân khơng Chọn D Ví dụ 5: Hãy chọn kết luận : A Sóng âm không truyền nước B Cường độ âm lượng sóng âm truyền qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian C Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường D Sóng âm truyền chân khơng Lời giải Vận tôc truyền âm phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Cường độ âm I điểm đại lượng đo lượng mà sóng âm tải qua đơn vị diện tích đặt điểm đó, vng góc với phương truyền sóng đơn vị thời gian Chọn C Ví dụ 6: Độ cao âm phụ thuộc yếu tố nguồn âm.? A Pha dao động B Tần số C Biên độ dao động D Tất yếu tố Lời giải: Độ cao âm phụ thuộc vào tần số Chọn B Ví dụ 7: Tai ta cảm nhận âm khác biệt nốt nhạc Đô, Rê, Mi, Fa, Sol, La, Si chúng phát từ nhạc cụ định âm khác : A biên độ âm B cường độ âm C tần số âm Lời giải: Do âm khác tần số âm Chọn C Ví dụ 8: Âm sắc đặc tính sinh lí âm phụ thuộc vào A tần số B biên độ C biên độ tần số D cường độ âm D âm sắc Lời giải: Âm sắc liên quan mật thiệt đến đồ thị dao động âm phụ thuộc vào biên độ tần số âm Chọn C Ví dụ 9: Hai âm có độ cao, chúng có đặc điểm đặc điểm sau ? A Cùng tần số B Cùng biên độ C Cùng bước sóng môi trường D Cả đáp án A C Lời giải: Hai âm có độ cao có tần số Mặt khác λ = v nên mơi trường có bước sóng Chọn D f Ví dụ 10: Cường độ âm lượng âm: A Truyền qua đơn vị diện tích đặt vng góc phương truyền âm, đơn vị W / m2 B Truyền đơn vị thời gian, đơn vị W / m2 C truyền đơn vị thời gian qua đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền âm, đơn vị W / m2 D truyền đơn vị thời gian qua đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền âm, đơn vị J / s Lời giải: Cường độ âm lượng âm truyền đơn vị thời gian qua đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền âm, đơn vị W / m2 Chọn A Ví dụ 11: Trong q trình truyền sóng âm khơng gian đẳng hướng từ nguồn điểm khơng có hấp thụ âm, lượng sóng truyền tới điểm sẽ: A giảm tỉ lệ với khoảng cách đến nguồn B giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách đến nguồn C giảm tỉ lệ với lập phương khoảng cách đến nguồn D khơng đổi Lời giải: Năng lượng sóng truyền tới điểm giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách đến nguồn Chọn B Ví dụ 12: [ Trích đề thi chuyên Hạ Long – Quảng Ninh] Âm đàn bầu phát A Có âm sắc phụ thuộc vào dạng đồ thị dao động âm B Nghe cao biên độ âm lớn C Có độ cao phụ thuộc vào hình dạng kích thước hộp cộng hưởng D Nghe trầm tần số âm lớn Lời giải: Âm sắc phụ thuộc vào dạng đồ thị dao động âm Chọn A Dạng 2: Xác định đại lượng đặc trưng sóng âm (Tần số, bước sóng, vận tốc) - Bước 1: Tóm tắt đề: Đề cho gì?, hỏi gì? Và đổi đơn vị sang đơn vị hợp pháp - Bước 2: Xác lập mối quan hệ đại lượng cho đại lượng tìm thơng qua công thức: - Cộng hưởng âm: Hai đầu nút sóng cộng hưởng âm : l = k λ (k ∈ ∗ ) Số bụng sóng = số bó sóng = k Số nút sáng = k+1 Một đầu nút sóng cịn đầu bụng sóng: l = (k+0,5) λ (k ∈ ) Số bó (bụng) sóng nguyên = k; Số bụng sóng = số nút sóng = k+1 Tốc độ truyền sóng: v = fλ = λ T - Bước 3: Suy biểu thức xác định đại lượng tìm theo đại lượng cho kiện - Bước 4: Thực tính tốn để xác định giá trị đại lượng tìm lựa chọn câu trả lời Ví dụ 1: Một ống sáo dài 75 cm, đầu bịt kín đầu hở, biết vận tốc truyền âm khơng khí 340 m/s Xác định tần số lớn mà ống sáo phát mà người bình thường nghe được? (Kết gần đến số sau dấu phẩy) A 19,72 kHz B 19,94 kHz C 20,06 kHz HD giải: Trong ống sáo có đầu bịt kín đầu để hở Ta có: l = (k + 0,5) λ = (k + 0,5) v (k + 0,5) v ⇒f= 2f 2l Để người bình thường nghe : f ≤ 20000 Hz ⇒ (k + 0,5) v ≤ 20000 ⇒ k ≤ 87,7 ⇒ k max = 87 2l Do tần số lớn : f max = 19,83 kHz Chọn D D 19,83 kHz Ví dụ 2: Cho hai nguồn sóng âm kết hợp A, B đặt cách m dao động pha Di chuyển đoạn AB, người ta thấy có vị trí âm có độ to cực đại Cho biết tốc độ truyền âm khơng khí 350 m/s Tần số f nguồn âm có giá trị thoả mãn A 350 Hz ≤ f ≤ 525 Hz B 175 Hz < f < 626,5 Hz C 350 Hz < f < 525 Hz D 175 Hz ≤ f < 262,5 Hz Lời giải: Gọi O trung điểm nguồn suy O cực đại ( Do nguồn pha ) Khoảng cực đại AB i = λ Để có cực đại AB bên có cực đại suy khoảng cách từ nguồn đến O là: λ < d