7. Cấu trúc của khóa luận
2.2.3. Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm
TBTN trên cho phép chúng tôi có thể tiến hành được các TN sau đây khi dạy học các kiến thức về sóng âm:
- Thí nghiệm ghi lại đồ thị biểu diễn dao động âm được phát ra từ các nguồn âm khác nhau (nguồn nhạc âm, âm thoa, dây đàn, kèn, thanh đới…; tiếng ồn, tiếng gõ vào miếng sắt).
- Thí nghiệm khảo sát đặc điểm của sóng âm (dải tần nghe được của tai người).
- Thí nghiệm về sự phụ thuộc của độ cao vào tần số âm.
- Thí nghiệm về sự phụ thuộc của độ to vào tần số và mức cường độ âm.
- Thí nghiệm về sự phụ thuộc của âm sắc vào dạng đường biểu diễn dao động âm.
- Thí nghiệm về hiện tượng giao thoa sóng âm.
- Thí nghiệm về tính tuần hoàn theo không gian của quá trình truyền sóng âm, từ đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí.
33 Máy phát âm tần Dao động kí điện tử DC Dao động kí điện tử DC
- Thí nghiệm về hiện tượng sóng dừng trong ống không khí, từ đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí.
Sau đây, tôi xin trình bày chi tiết các TN có thể tiến hành với TBTN
2.2.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát dao động âm của các nguồn âm khác nhau
- Mục đích thí nghiệm:
Ghi lại dạng đồ thị biểu diễn dao động âm của một số nguồn âm, từ đó phân biệt được nguồn nhạc âm và tạp âm.
- Cơ sở lí thuyết:
Biến đổi dao động cơ thành dao động điện nhờ micro, đưa tín hiệu từ micro vào dao động kí điện tử, hình ảnh thu được trên màn hình của dao động kí chính là đồ thị biểu diễn dao động âm.
- Bố trí:
+ Hộp cảm biến được gắn trên giá, đầu thu được nối với kênh CH1 của dao động kí.
+ Nguồn âm là loa: Nối loa với máy phát âm tần.
a. Nguồn âm là loa b. Nguồn âm là âm thoa Hình 3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm kháo sát dao động âm với các nguồn âm khác nhau
- Tiến trình thí nghiệm
+ Cho dao động kí điện tử và máy phát âm tần nối với loa hoạt động.
+ Lần lượt cho các nguồn âm (âm thoa, loa, tiếng gõ của thanh kim loại vào miếng sắt....) hoạt động rồi đưa micro đến gần nguồn âm, quan sát dạng đồ thị tương ứng biểu diễn dao động của các nguồn âm trên màn hình dao động kí.
- Kết quả
+ Nguồn nhạc âm (âm thoa, loa): đồ thị dao động là đường cong biến thiên tuần hoàn có dạng hình sin, có tần số xác định.
+ Nguồn tạp âm (tiếng gõ của thanh kim loạivào miếng sắt): đồ thị dao động là đường con biến thiên không tuần hoàn và không có tần số xác định.
34
Máy phát âm tần
-
+
a. Loa b. Âm thoa c. Tiếng gõ kim loại Hình 4. Dạng đồ thị đường biểu diễn dao động âm ứng với các nguồn âm khác nhau - Lưu ý:
+ Cần đưa các nguồn âm đến gần micro để tín hiệu thu được là rõ nét.
+ Đối với trường hợp nguồn âm là âm thoa thì cần đặt âm thoa sao cho hai nhánh của âm thoa nằm trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt của micro.
2.2.3.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát các đặc điểm của sóng âm
- Mục đích thí nghiệm:
Khảo sát dải tần cảm nhận (nghe) được của tai người. - Cơ sở lí thuyết:
Tai người chỉ có thể cảm nhận (nghe) được các âm có tần số nằm trong một giới hạn nào đấy (khoảng nghe được của tai người), đối với các âm nằm ngoài khoảng đó, tai người không thể cảm nhận được.
- Tiến trình thí nghiệm:
+ Gắn loa lên giá thí nghiệm, nối loa với phát phát âm tần.
+ Cho máy phát âm tần hoạt động, từ từ vặn núm điều chỉnh FREQUENCY và các nút điều chỉnh hệ số nhân, thay đổi tần số phát ra từ 0-20Hz và lớn hơn 20kHz.
Hình 5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát dải tần nghe được của tai người
+ Dùng tai cảm nhận âm phát ra từ loa. - Kết quả thí nghiệm:
Chỉ cảm nhận được âm phát ra từ loa trong khoảng tần số từ 20-20000Hz, ngoài khoảng này, tai không có cảm nhận gì.
35
+ Tùy vào độ tốt (thính) của tai mà khoảng nghe được của mỗi người là khác nhau, đối với người tai tốt thì dải tần nghe được cỡ 20-20000Hz, thông thường khi điều chỉnh đến cỡ 16000Hz thì tai chúng ta đã không nghe (cảm nhận) được âm phát ra từ loa.
+ Loa sử dụng trong thí nghiệm phải phát ra được âm trong dải tần nghe được của tai người.
2.2.3.3. Thí nghiệm 3. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của độ cao vào tần số âm.
- Mục đích thí nghiệm:
Thông qua thí nghiệm rút ra sự phụ thuộc độ cao của âm vào tần số âm phát ra. - Tiến trình thí nghiệm
+ Lắp sơ đồ thí nghiệm như hình 3a, nguồn âm được nối với máy phát âm tần, nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí.
+ Nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí. Đặt micro của cảm biến cách nguồn một khoảng vừa phải.
+ Cho các thiết bị hoạt động, thay đổi tần số của âm phát ra bằng cách vặn núm điều chỉnh FREQUENCY.
+ Dùng tai cảm nhận âm phát ra, đồng thời quan sát đồ thị dao động âm thu được trên màn hình dao động kí.
- Kết quả thí nghiệm:
Độ cao của âm phụ thuộc vào tần số âm, tần số càng lớn thì âm càng cao, tần số càng thấp thì âm càng trầm.
a. Âm có tần số cao(âm bổng) b. Âm có tần số thấp (âm trầm) Hình 6. Đồ thị dao động âm ứng với âm có tần số khác nhau
2.2.3.4. Thí nghiệm 4. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của độ to vào tần số và mức cường độ âm.
36
Thông qua thí nghiệm rút ra sự phụ thuộc độ cao của âm vào tần số âm phát ra. - Tiến trình thí nghiệm
+ Lắp sơ đồ bố trí thí nghiệm như hình 3a: nguồn âm được nối với máy phát âm tần, nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí.
+ Cho các thiết bị hoạt động, dịch chuyển cảm biến, đưa micro lại gần loa Lần 1: giữ nguyên biên độ âm ( tức cường độ âm không đổi), thay đổi tần số bằng cách vặn núm điều chỉnh FREQUENCY và nghe độ to của âm phát ra ứng với mỗi tần số đó.
Lần 2: giữ nguyên tần số âm, thay đổi biên độ âm (tức cường độ âm) bằng cách vặn núm điều chỉnh AMPLITUDE và nghe độ to của âm phát ra ứng với mỗi biên độ.
- Kết quả thí nghiệm
Lần1: hai âm có cùng mức cường độ âm, nhưng tần số khác nhau sẽ gây ra những cảm giác âm to nhỏ khác nhau.
Lần 2: khi tần số âm không đổi, âm có mức cường độ âm càng lớn thì nghe càng to.
2.2.3.5. Thí nghiệm 5. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của âm sắc vào dạng đường biểu diễn dao động âm.
- Mục đích thí nghiệm:
Qua thí nghiệm rút ra: các âm có cùng độ cao nhưng có âm sắc khác nhau là do dạng đường biểu diễn dao đông khác nhau.
- Tiến trình thí nghiệm
+ Lắp sơ đồ thí nghiệm, cho các thiết bị hoạt động.
+ Nguồn âm là loa được nói với máy phát âm tần, đồng thời giữ nguyên tần số, nhưng để máy phát âm tần lần lượt ở 3 chế độ phát xung khác nhau: sin, vuông và tam giác, lần lượt nghe âm phát ra trong các trường hợp và quan sát dạng đồ thị dao động âm tương ứng trên màn hình của dao động kí điện tử.
- Kết quả thí nghiệm
Hình 7. Đồ thị dao động âm ứng với các trường hợp nguồn âm phát ra sóng âm có dạng khác nhau.
37 Y1 Y2 Máy phát âm tần Dao động kí Mic - Mục đích thí nghiệm:
Kiểm nghiệm hiện tương giao thoa sóng âm - Cơ sở lí thuyết
Hình 8. Mô hình bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm
Hai loa được mắc song song với nhau, cùng lấy tín hiệu ra từ máy phát âm tần nên hai nguồn âm có cùng tần số và pha ban đàu, thỏa mãn hai nguồn kết hợp, sóng âm phát ra từ hai nguồn là sóng kết hợp.
Trong không gian chứa hai nguồn âm, có những vị trí dao động âm tổng hợp dao động với biên độ cực đại, có những vị trí dao động âm tổng hợp dao động với biên độ cực tiểu
- Tiến trình thí nghiệm
+ Cho các thiết bị hoạt động theo sơ đồ bố trí như hình vẽ.
+ Găn hộp micro lên giá, đầu ra được nối với dao động kí, dịch chuyển sao cho micro nằm trên đường thẳng nối hai loa.
Hình 9. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm
38
Quan sát đồ thị biểu diễn dao động âm tại các vị trí khác nhau của mic, rút ra kết luận: có những vị trí của mic ta thấy đồ thị dao động là một đường hình sin có biên độ lớn, chứng tỏ nghe thấy là to, có những vị trí ta thấy đồ thị dao động là một đường hình sin nhưng biên độ bé (gần như một đường thẳng) chứng tỏ âm nghe thấy là bé.
Hình 10. Đồ thị dao động âm ứng với vị trí mà tại đó dao động tổng hợp âm đạt
biên độ cực đại
Hình 11. Đồ thị dao động âm ứng với vị trí mà tại đó dao động tổng hợp âm đạt
biên độ cực tiểu
- Lưu ý
+ Di chuyển micro trên đường thẳng nối hai loa ở cùng độ cao với hai loa để thí nghiệm đạt kết quả chính xác.
+ Chỉ di chuyển micro trong vùng không gian trước hai loa là chủ yếu.
2.2.3.7. Thí nghiệm 7. Thí nghiệm khảo sát tính tuần hoàn theo không gian của quá trình truyền sóng âm, đo bước sóng âm, từ đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí.
- Mục đích thí nghiệm
Khảo sát sự biến đổi pha trên phương truyền sóng của sóng âm.
Đo bước sóng âm, dựa vào đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí. - Cơ sở lí thuyết
Sóng âm là sóng dọc, do có tính tuần hoàn theo không gian nên theo phương truyền sóng, các điểm trong không gian cách nhau một bước sóng sẽ dao động cùng pha.
Nếu tại hai điểm này, ta đặt hai micro trực tiếp hai đầu ra vào 2 cổng của dao động kí thì ta sẽ thấy trên màn hình dao động kí hình ảnh hai sóng đồng pha.
39 Y1 Y2 Máy phát âm tần Dao động kí Mic 5V
Hình 12. Đồ thị dao động của hai sóng cùng pha trên dao động kí
Nếu hai micro đặt ở hai vị trí mà dao động tại đó không cùng pha thì tùy theo sự lệch pha dao động giữa hai điểm đấy thì hình ảnh thu được trên màn hình dao động kí là khác nhau.
Để đơn giản hóa, ta nối trực tiếp một kênh của dao động kí với đầu ra của máy phát âm tần, kênh còn lại nối với đầu ra của bộ cảm biến như hình 13.
Hình 13. Mô hình bố trí thí nghiệm kháo sát tính tuần hoàn về pha của quá trình truyền sóng âm
Khi đó, bằng việc xác định khoảng cách giữa hai điểm dao động đồng pha nhau liên tiếp và đồng pha với nguồn trên phương truyền sóng, ta thu được bước sóng âm:
2 1
L L
Trong đó:
L1, L2 lần lượt là khoảng cách từ hai điểm đồng pha liên tiếp nhau tới nguồn âm.
40 - Tiến trình thí nghiệm
Hình 13. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát tính tuần hoàn pha của quá trình truyền sóng âm
+Lắp đặt sơ đồ thí nghiêm như hình vẽ, mic được luồn theo khe vào trong thân ống, đầu ra của micro được nối với cổng CH1, đầu ra của máy phát âm tần được nối với cổng CH2.
+ Chuyển MODE của dao động kí sang Dual.
+ Cho các thiết bị hoạt động, chọn một tần số nhất định, hình ảnh thu được trên màn hình dao động kí là đường biểu diễn dao động âm tại nguồn và tại vị trí đặt micro.
+ Dịch chuyển từ từ micro dọc thân ống đến khi quan sát thấy hai tín hiệu là đồng pha, đọc và ghi lại giá trị l1 là khoảng cách từ vị trí đó đến nguồn nhờ thước trên giá đỡ.
Lặp lại bước này 5 lần, ứng với vị trí cho tín hiệu đồng pha với nguồn lần đầu tiên,
Tính giá trị l1 và sai số trung bình 1max 1min 1 l 2l
l
, rồi số liệu ghi vào bảng. + Dịch chuyển micro lại thu được một vị trí khác mà hai tín hiệu thu đồng pha, đọc và ghi lại giá trị l2 là khoảng cách từ vị trí đó đến nguồn.
Lặp lại bước này 5 lần, ứng với vị trí cho tín hiệu đồng pha với nguồn lần đầu tiên,
Tính giá trị l2 và sai số trung bình 2 max 2 min 2 l 2l
l
41
+ Tính bước sóng: l l2 1 , sai số l2 l1
+ Biết tần số âm, tính vận tốc truyền âm trong không khí v.f và sai số trung bình v v. f f
Tiến hành thí nghiệm với các giá trị tần số khác.
Hình 15. Đồ thị biểu diễn dao động âm ứng với vị trí của micro mà dao động tại
đó đồng pha với nguồn.
- Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu và xử lí số liệu: Tần số f 3.02kH z0.01kH z Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha 1 2 3 4 5 l mm( ) l mm( ) 1 ( ) l m m 44 43 43 42 44 43.20 1 2 ( ) l m m 170 172 169 171 171 170.6 1.5
Tính bước sóng âm và sai số:
2 1 170.6 43.2 127.4
l l mm
2 max 2 min 1max 1min
2 1 1.00 1.5. 2.50 2 2 l l l l l l mm 127.40 2.50mm
Tính vận tốc truyền âm và sai số: v .f 0 .1 2 7 4 3 .0 2 1 0 3 3 8 4 .7 5m s/
3 2.50 10 384.75 127.4 3.02 10 8.80 / f v v m s f
42 384.75 8.80 /
v v v m s
Sai số tương đối: v 2.3% v Tấn số f 4.63kH z0.01kH z Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha 1 2 3 4 5 l mm( ) l mm( ) 1( ) l m m 52 52 53 51 52 52 1.00 2( ) l m m 131 130 130 131 130 130.4 0.50
Tính bước sóng âm và sai số:
2 1 130.40 52.2 78.40
l l mm
2max 2 min 1max 1min
2 1 1.00 0.50 1.50 2 2 l l l l l l mm 78.40 1.50mm
Tính vận tốc truyền âm và sai số: v .f 0 .7 8 4 0 3 .0 2 1 0 3 3 6 2 .9 9m s/
3 1.50 10 362.99 7.73 / 78.40 4.63 10 f v v m s f 362.99 7.73 / v v v m s
Sai số tương đối: v 2.2% v Tần số f 5.15kH z0.01kH z Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha 1 2 3 4 5 l mm( ) l mm( ) 1( ) l m m 44 44 43 44 44 43.8 0.32 2( ) l m m 115 115 116 115 116 115.4 0.48
Tính bước sóng âm và sai số:
2 1 115.40 43.8 71.60
l l mm
2 max 2 min 1max 1min
2 1 0.50 0.50 1.00 2 2 l l l l l l mm
43 71.60 1.00mm
Tính vận tốc truyền âm và sai số: v .f 0 .7 1 6 0 5 .1 5 1 0 3 3 6 8 .7 4m s/
3 1.00 10 368.74 5.87 / 71.60 5.15 10 f v v m s f 368.74 5.87 / v v v m s
Sai số tương đối: v 1.69% v Bảng tổng hợp kết quả: Tần số (f) Bước sóng (λ) Vận tốc âm (v) 3.02 0.01 f kH z kH z 127.4 2.50 mm v v v 384.75 8.80 / m s