8. Những chữ viết tắt trong luận văn
4.5. Chủ đề 4: Sóng âm Nguồn nhạc âm
4.5.1. Lý thuyết chung
a/ Sóng âm Sự truyền âm:
Sóng âm là những sóng cơ học truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn (không truyền trong chân không).
Trong chất khí và chất lỏng, sóng âm là sóng dọc. Trong chất rắn, sóng âm gồm cả sóng ngang và sóng dọc.
Những kết luận về sóng cơ đều có thể áp dụng cho sóng âm (phương trình sóng, các đại lượng đặc trưng của sóng, sóng dừng, giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ, khúc xạ).
Vận tốc truyền âm:
Trong mỗi môi trường đồng tính thì âm truyền đi với vận tốc không đổi.
Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi, mật độ và nhiệt độ của môi trường truyền âm (vrắn > vlỏng > vkhí).
Khi sóng âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì vận tốc và bước sóng thay đổi nhưng tần số và chu kỳ của sóng không đổi.
Phân loại âm:
Nhạc âm Tạp âm
– Những âm có tần số xác định.
– Đồ thị dao động có dạng hình sin hoặc cos.
– Ví dụ: Âm thanh do các nhạc cụ phát ra, tiếng nói và tiếng hát của con người.
(Đồ thị dao động của âm phát ra từ violon)
– Những âm không có tần số xác định.
– Đồ thị dao động là những đường cong không tuần hoàn.
– Ví dụ: Âm thanh do tiếng gõ vào tấm kim loại phát ra.
(Đồ thị dao động của âm phát ra khi gõ vào tấm kim loại)
75
Âm nghe được, siêu âm, hạ âm:
Hạ âm (Infrasound) Âm nghe được
(Audible frequencies) Siêu âm (Ultrasound)
f < 16 Hz
– Tai người không nghe được.
– Một số loài vật có thể cảm nhận được hạ âm như voi, rắn, sứa biển, …
16 Hz ≤ f ≤ 20000 HZ – Gây ra cảm giác âm ở tai người.
– Giọng nói, giọng hát của con người là âm nghe được.
f > 20000 Hz – Tai người không nghe được.
– Một số loài vật có thể phát ra sóng siêu âm như dơi, cá voi, …
Đặc trưng vật lý (khách quan) của âm:
Tần số âm f: Tần số của sóng âm cũng là tần số dao động của nguồn âm.
Cường độ âm I:
– Là năng lượng sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.
S P S.t W W/m I 2
– Trong đó: W (J) là năng lượng truyền âm, P (W) là công suất phát âm của nguồn, S (m2) là diện tích mặt vuông góc với phương truyền âm (với sóng cầu thì S là diện tích mặt cầu S = 4πr2).
– Chú ý: Nếu năng lượng được bảo toàn => W = I1S1 = I2S2 =>
2 1 2 1 2 2 1 r r S S I I Mức cường độ âm L:
– Là đại lượng đo bằng loga thập phân của tỉ số giữa cường độ âm I tại điểm đang xét và cường độ âm chuẩn I0 (I0 = 10-12 W/m2 ứng với tần số f = 1000 Hz)
– Là đại lượng dùng để so sánh độ to của âm nghe được có cường độ I với độ to của âm chuẩn có cường độ I0, được định nghĩa theo công thức:
0 I I lg B L hoặc 0 I I 10lg dB L
76 – Chú ý: Từ 0 I I 10lg L => 10 L 010 I I => 1 2 1 2 I I 10lg L L ΔL
Đồ thị dao động âm và phổ của âm
– Khi dùng một micrô để ghi lại một âm, tín hiệu điện do micrô này tạo ra cho ta hình ảnh của đồ thị dao động âm đang xét.
– Giả sử ta có một âm hình sin có tần số fo. Gọi x là li độ của tín hiệu điện do micrô tạo ra thì đồ thị dao động âm của âm này là đường biểu diễn của hàm x theo thời gian t còn phổ của âm này là đường biểu diễn của hàm x theo tần số f.
– Ví dụ:
+ Hai hình dưới đây mô tả đồ thị dao động âm “a” và phổ của âm này do một người nói vào micro:
+ Hai hình dưới đây mô tả đồ thị dao động âm của một nốt nhạc và phổ của âm này do dây đàn violon phát ra:
77
Âm cơ bản và họa âm:
– Một nhạc cụ khi phát ra một âm có tần số f (âm cơ bản hay họa âm thứ nhất) thì đồng thời cũng phát ra các họa âm có tần số 2f, 3f, 4f, … (các họa âm thứ hai, thứ ba, thứ tư, …).
– Các họa âm có biên độ khác nhau khiến đồ thị dao động âm của các nhạc cụ khi phát ra cùng một nốt nhạc cũng khác nhau. Sự khác nhau này phân biệt được bởi âm sắc của chúng.
Đặc trưng sinh lí (chủ quan) của âm
Độ cao:
– Độ cao là một đặc trưng sinh lí của âm mô tả cảm giác về sự trầm bổng khác nhau của âm.
– Độ cao gắn liền với tần số âm, âm càng cao thì tần số càng lớn.
– Âm cao (âm bổng) là âm có tần số âm lớn. – Âm thấp (âm trầm) là âm có tần số âm nhỏ.
Âm sắc:
– Âm sắc là một đặc trưng sinh lí của âm, giúp ta phân biệt âm do các nguồn khác nhau phát ra.
– Âm sắc khác nhau khi dạng đồ thị dao động của âm hoặc phổ của âm khác nhau (do sự tổng hợp âm cơ bản và các họa âm) => Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm hoặc phổ của âm.
Độ to:
– Độ to là đặc trưng sinh lí của âm mô tả cảm giác về các âm to nhỏ khác nhau, gắn liền với mức cường độ âm L. Dưới đây là giản đồ mô tả khả năng nghe của một người và độ mất thính giác cho mỗi tai gọi là đồ thị nghe:
78
– Âm thanh nhỏ nhất (ứng với giá trị cường độ âm I bé nhất, thông thường khoảng 10-12 W/m2) mà tai người có khả năng nghe được gọi là ngưỡng nghe.
– Âm thanh lớn nhất (ứng với giá trị cường độ âm I nào đó đủ lớn thông thường khoảng 10 W/m2) mà tai người nghe cảm thấy nhức nhối, đau đớn gọi là ngưỡng đau.
– Âm thanh mà tai người nghe được nằm trong khoảng ngưỡng nghe và ngưỡng đau gọi là miền nghe được.
b/ Nguồn nhạc âm
Nguồn nhạc âm thường gặp là đàn dây và kèn hơi (như ống sáo). Khi phát ra âm, dây đàn và cột khí trong ống sáo đều tạo ra sóng dừng.
Dây đàn hai đầu cố định:
Có sóng dừng trên dây đàn hai đầu cố định khi chiều dài l của dây thỏa mãn điều kiện: l = k
2 λ = 2k 4 λ (k N*)
– Với k = 1 ta có âm cơ bản ứng với tần số
2l v f .
– Với k = 2, 3,… ta có các họa âm bậc 2, bậc 3,… ứng với các tần số f' = kf.
Ống sáo:
Có sóng dừng trong một ống sáo một đầu kín, một đầu hở khi chiều dài l của dây thỏa mãn điều kiện: l = (k + 2 1 ) 2 λ = (2k + 1) 4 λ (k N)
– Với k = 0 (2k + 1 = 1) ta có âm cơ bản ứng với tần số
4l v f .
– Với k = 1, 2,… (2k + 1 = 3, 5,…) ta có các họa âm bậc 3, bậc 5,… ứng với các tần số f' = (2k + 1)f.
Hộp cộng hưởng:
Hộp cộng hưởng thường là một hộp rỗng có một đầu hở; khi cột khí trong hộp dao động với một tần số phù hợp với kích thước của hộp thì trong hộp xảy ra sóng dừng và cường độ âm được tăng lên rõ rệt, ta gọi là có cộng hưởng âm.
Mỗi hộp đàn có hình dạng và kích thước khác nhau có thể cộng hưởng với một số họa âm nhất định, tạo ra một âm tổng hợp có âm sắc riêng.
79