5.1. Cường độ õm
Khi bạn đang cố ngủ mà cú ai đang sử dụng mỏy cưa gần đú thỡ bạn hiểu sõu sắc rằng đối với õm, ngoài tần số, bước súng, vận tốc, phải cú cỏi gỡ hơn nữa. Đú là cường độ. Cường độ I của một súng õm được định nghĩa là tốc độ trung bỡnh mà năng lượng được chuyển qua một đơn vị diện tớch. Đơn vị cường độ õm trong hệ SI là oỏt trờn một vuụng (W/m2). Trong súng õm cường độ õm liờn hệ với biờn độ dịch chuyển A theo hệ thức: 2 2 2 1 A v I
Cường độ của õm là một tớnh chất mà dựa vào đú ta cú thể phõn biệt một õm mạnh hay yếu. Rừ ràng cường độ õm gắn liền với biờn độ và năng lượng của dao động õm. Vớ dụ như ta đỏnh mạnh vào dõy đàn thỡ õm thanh phỏt ra sẽ to và dễ cảm nhận hơn là đỏnh nhẹ vào nú.
Lưu ý là cường độ õm giảm dần theo khoảng cỏch từ nơi nhận õm đến nguồn phỏt õm (do sự hấp thụ õm thanh của mụi trường) được tớnh theo cụng thức:
0 2 I I k r �
với I là cường độ õm nơi quan sỏt cỏch nguồn phỏt cú cường độ õm là I0 một khoảng r; k là hệ số hấp thụ súng õm của mụi trường (k < 1).
Nếu õm thanh truyền qua mụi trường hấp thụ quỏ mạnh, ta phải dựng cụng thức :
0exp( )
I I kr
5.2. Mức cường độ õm Xột hệ thức y = logx,
trong đú x và y là những biến số. Một tớnh chất của phương trỡnh này là nếu chỳng ta nhõn x với 10 thỡ y sẽ tăng lờn log10 (=1). Như vậy
y’ = log(10x) = log10 + logx = 1 + y
Tương tự như vậy nếu nhõn x với 1012 thỡ y chỉ tăng lờn cú 12 lần.
Do đú đỏng lẽ núi cường độ I của một súng õm, thuận tiện hơn ta núi mức cường độ õm định nghĩa như sau:
0 log 10 I I (dB)
I0 là cường độ mốc tiờu chuẩn ( = 10 -12 W/m2), được chọn như vậy là vỡ đõy là giỏ trị của cường độ ngưỡng nghe trung bỡnh của người đối với õm tần số 1000Hz.
Khi I = I0 thỡ 10log10dB, như vậy mức cường độ õm của ngưỡng nghe ứng với khụng đờxiben.
Cường độ ngưỡng đau I = 1W/m2 thỡ dB
m W m W 120 10 log 10 / 10 / 1 log 10 12 2 12 2 Bảng 3. 1. Một vài mức cường độ õm (dB) Ngưỡng nghe 0 Tiếng xào xạc của lỏ cõy 10 Tiếng núi thầm (cỏch 1m) 20 Đường phố, khụng cú xe cộ 30 Cơ quan, lớp học 50 Núi chuyện bỡnh thường (cỏch 1m) 60 Bỳa mỏy (cỏch 1m) 90 Nhúm nhạc Rock 110 Ngưỡng đau 120 Động cơ phản lực (cỏch 50m) 130 Tờn lửa Saturn (cỏch 50m) 200 Bài tập mẫu 9
Hai súng õm cú cường độ I1 và I2. Làm thế nào so sỏnh mức cường độ õm của chỳng?
Giải
Ta hóy viết tỉ số hai cường độ như sau:
0 1 0 2 1 2 / / I I I I I I
Lấy loga đối với mỗi vế và nhõn với 10dB, ta cú:
0 1 0 2 1 2 10log 10log log 10 I I I I I I Cỏc số hạng bờn phải là 1 và 2 nờn: 1 2 1 2 10log I I
Vậy, tỉ số của hai cường độ ứng với hiệu số mức cường độ õm của chỳng.
Bài tập mẫu 10
Cỏc súng õm được phỏt ra đều đặn theo mọi phương từ một nguồn điểm S.
Hỏi cường độ của súng õm tại khoảng cỏch r đến nguồn khi nguồn phỏt ra năng lượng với tốc độ (hay cũn gọi là cụng suất) là P? Xỏc định cường độ khi r = 2,5m và P = 25W.
Giải
Do năng lượng cơ học của súng õm được bảo toàn, tốc độ truyền năng lượng phỏt ra từ nguồn điểm (đú là cụng suất P do nguồn phỏt ra) phải bằng tốc độ mà năng lượng đi qua diện tớch 4r2 của mặt cầu cú bỏn kớnh r, cú tõm là nguồn. Vỡ cường độ là tốc độ truyền năng lượng trờn một đơn vị diện tớch nờn:
P I
Ta thấy cường độ õm giảm theo nghịch đảo của bỡnh phương khoảng cỏch đến
nguồn. Thay số vào ta cú:
2 2 2 0,318 318 ) 5 , 2 )( 4 ( 25 m mW m W m W I
Cõu hỏi luợng giỏ bài 3 A -BÀI TẬP
BT-3.1. Một vật chịu một chuyển động điều hũa đơn giản, phải mất 0,25s để đi từ một điểm với vận tốc bằng khụng tới điểm tiếp theo cũng vậy. Khoảng cỏch giữa 2 điểm là 36cm. Hóy tớnh (a) Chu kỳ, (b) tần số và (c) biờn độ của chuyển động.
BT-3.2. Một cỏi loa phỏt ra nhạc õm nhờ, sự dao động của một cỏi màng. Nếu biờn độ dao động bị giới hạn ở 1,0.10-3 mm thỡ những tần số nào sẽ được sinh ra khi gia tốc của màng vượt quỏ g ?
BT-3.3. Một súng cú tốc độ 240 m/s cú bước súng 3,2m. Hỏi (a) tần số và (b) chu kỳ của súng là bao nhiờu?
BT-3.4. Bằng cỏch đung đưa một con thuyền, một người tạo ra súng trờn mặt nước của một cỏi hồ yờn lặng. Anh ta nhận thấy rằng thuyền thực hiện được 12 dao động trong 20s, mỗi dao động tạo thành một ngọn súng cao 15cm so với mặt nước hồ khụng bị xỏo động. Anh lại nhận thấy rằng một ngọn súng đó tới bờ cỏch đú 12m, sau 6s.
Hỏi (a) chu kỡ, (b) tốc độ, (c) Bước súng và (d) biờn độ của súng này, là bao nhiờu?
BT-3.5. Một súng hỡnh sin truyền theo một sợi dõy. Thời gian để một điểm riờng nào đú chuyển động từ độ dời cực đại đến độ dời bằng khụng là 0,17s. Hỏi (a) chu kỡ, và (b) tần số, là bao nhiờu? (c) bước súng là 1,4m, tốc độ súng là bao nhiờu ?
BT-3.6. Bạn đang ở tại buổi hũa nhạc ngoài trời , ngồi cỏch dàn loa 300m. Buổi hũa nhạc cũng được phỏt thanh trực tiếp thụng qua vệ tinh. Hóy xột một thớnh giả cỏch đú 5000km. Ai sẽ nghe thấy tiếng nhạc đầu tiờn, bạn hay thớnh giả ấy và cỏch nhau một thời gian bao lõu ?
BT-3.7. Bước súng ngắn nhất mà con dơi phỏt ra là vào khoảng 3,3m. Hỏi tần số tương ứng ?
BT-3.8. Âm mà mặt súng cú dạng hỡnh cầu được phỏt ra từ một nguồn 1,0 W. Giả sử rằng năng lượng của súng được bảo toàn, hỏi cường độ (a) tại một điểm cỏch nguồn 1,0m và (b) cỏch nguồn 2,5m?
BT-3.9. Một nốt nhạc cú tần số 300 Hz và cú cường độ 1,0 W/m2. Hỏi biờn độ của những dao động khụng khớ do nhạc õm này gõy ra?
BT-3.10. Một mức cường độ õm nào đú được tăng thờm 30dB. (a) Hỏi cường độ của nú tăng lờn gấp bao nhiờu lần? (b) Biờn độ tăng lờn gấp bao nhiờu lần ?
BT-3.11. Một cỏi loa phúng thanh nào đú phỏt một õm cú tần số 2000 Hz với cường độ 0,96 mW/m2 tại một điểm cỏch xa 6,1m. Thừa nhận rằng khụng cú sự phản xạ nào và loa phúng thanh phỏt đi mọi hướng như nhau. Hỏi cường độ tại một điểm cỏch 30m?
BT-3.12. Một cỏi cũi dựng để gọi chú cú tần số 30kHz. Tuy nhiờn con cú khụng cú phản ứng. Cụ chủ của chú khụng thể nghe được những õm trờn 20 kHz nờn muốn dựng hiệu ứng Doppler để tin chắc rằng cũi vẫn hoạt động được. Cụ ta đề nghị một người bạn thổi cũi từ một xe đang chuyển động trong lỳc cụ ta đứng yờn và lắng nghe (a) Hỏi xe phải chạy nhanh bao nhiờu và theo chiều nào để cho cụ chủ con chú nghe được tiếng cũi ở tần số 20kHz? Thớ nghiệm này cú thực tế khụng? (b) Lặp lại trong trường hợp tần số của cũi là 22kHz thay vỡ 30kHz.
BT-3.13. Một xe cứu thương phỏt tiếng rớt ở tần số 1600Hz vượt và đi qua một người chạy xe đạp với tốc độ 8 ft/s (1ft/s = 0,3048 m/s). Sau khi bị xe vượt, người đi xe đạp nghe thấy một tần số 1590 Hz. Hỏi xe cứu thương chạy nhanh bao nhiờu ?.
BT-3.14. Bạn đang đứng cỏch một nguồn õm một khoảng cỏch D, nguồn này phỏt ra cỏc súng õm đều theo mọi phương. Bạn đi 50m lại gần nguồn thỡ thấy cường độ của súng này tăng gấp đụi. Tinha khoảng cỏch D.
BT-3.15. Trong một cuộc bay thử, một mỏy bay siờu thanh bay trờn đầu ở độ cao 100m. Mức cường độ õm trờn mặt đất khi mỏy bay bay qua đầu là 150dB. Hỏi độ cao mà mỏy bay phải bay để cho trờn mặt đất mức cường độ õm khụng quỏ 120dB (là ngưỡng đau)?. Bỏ qua thời gian cần thiết để cho õm truyền đến mặt đất.
B - Cõu hỏi trắc nghiệm
BƯỚC SểNG-TẦN SỐ- CHU KỲ
3.1. Một vật dao động đều hũa trờn trục x từ vị trớ x xm đến x xm với chu kỳ T.
Tại thời điểm t = 0, vật ở vị trớ x xm. Khi t = 0,75T:
A. vật ở x0và đang di chuyển về phớa x xm
B. vật ở x0và đang di chuyển về phớa x xm
C. vật ở x xm và đang đứng yờn
D. vật ở giữa x0 và x xm và đang di chuyển về x xm
E. vật ở giữa x0 và x xm và đang di chuyển về x xm
3.2. Một vật thực hiện 20 dao động hoàn chỉnh trong 10s. Chu kỳ dao động của vật là:
A. 10s B. 2Hz C. 0,5Hz D. 2s E. 0,5s
3.3. Bước súng ngắn nhấn mà con dơi phỏt ra vào khoảng 3,4mm; lấy vận tốc súng trong khụng khớ là 340 m/s. Tần số tương ứng là:
A. 100 Hz B. 100000s C. 100 kHz D. 103 kHz E. Đỏp số khỏc
3.5. Súng vụ tuyến bước súng 300m cú tần số là:
A. 10-3 kHz B. 500 kHz C. 1 MHz D. 9 MHz E. 108 kHz
TẦN SỐ ÂM CỦA MỘT ĐOẠN DÂY DAO ĐỘNG
3.6. Một đoạn dõy chiều dài L, lực căng T, khối lượng trờn một đơn vị chiều dài là . Tần số õm do dõy phỏt ra cho bởi:
A. 2 L T f B. 1 2 f L T C. 1 2 T f L D. Cả A, B, C đều sai
3.7. Nếu chiều dài của một sợi dõy đàn piano tăng lờn gấp đụi, thỡ lực căng dõy phải thay đổi thế nào để tần số õm cơ bản vẫn khụng thay đổi? (khối lượng trờn một đơn vị chiều dài giữ cố định).
A. giảm đi 2 lần B. giảm đi 4 lần C. tăng lờn 2 lần D. tăng lờn 4 lần E. phương ỏn khỏc
3.8. Lực căng của một đoạn dõy (cú khối lượng trờn một đơn vị chiều dài 0,001kg/m) là 0,4N. Chiều dài của đoạn dõy này là 20cm. Đoạn dõy này khi dao động sẽ tạo ra õm cú tần số:
A. 50 Hz B. 100 Hz C. 500 Hz D. 2000 Hz E. Đỏp số khỏc
3.9. Hai đoạn dõy khỏc nhau, cú cựng lực căng, phỏt ra súng õm với cựng tần số. Biờn độ của súng A gấp đụi súng B, thỡ cường độ súng A :
A. bằng một nữa cường độ súng B B. gấp 2 lần cường độ súng B C. bằng 1/4 cường độ súng B D. gấp 4 lần cường độ súng B E. gấp 8 lần cường độ súng B
HIỆU ỨNG DOPPLER
3.10. Chọn phỏt biểu SAI về hiệu ứng Doppler
A. Sự chuyển động tương đối giữa nguồn õm và quan sỏt viờn gõy ra sự biến đổi tần số của õm nhận được.
B. Khi nguồn õm tiến lại gần quan sỏt viờn, tần số mà quan sỏt viờn nhận được cao hơn tần số do nguồn õm đó phỏt ra.
C. Khi nguồn õm đi ra xa quan sỏt viờn, tần số mà quan sỏt viờn nhận được thấp hơn tần số do nguồn õm đó phỏt ra.
D. Khi nguồn õm tiến lại gần quan sỏt viờn, tần số mà quan sỏt viờn nhận được thấp hơn tần số do nguồn õm đó phỏt ra.
3.11. Khi nguồn õm cú tần số 4000 Hz chuyển động lại gần quan sỏt viờn đang đứng yờn với vận tốc 1m/s. Tần số õm mà quan sỏt viờn nhận được là (lấy v = 340 m/s) A. 3988 Hz B. 4000 Hz C. 4012 Hz D. 4020 Hz E. 4050 Hz
3.12. Khi nguồn õm cú tần số 4000 Hz chuyển động ra xa quan sỏt viờn đang đứng yờn với vận tốc 1m/s. Tần số õm mà quan sỏt viờn nhận được là (lấy v = 340 m/s) A. 3988 Hz B. 4000 Hz C. 4012 Hz D. 4020 Hz E. 4050 Hz
3.13. Một nguồn xe cứu thương phỏt cũi bỏo động với tần số 2000 Hz, và chuyển động với vận tốc 20m/s hướng về một người đi xe đạp chuyển động cựng chiều với vận tốc 5 m/s. Khi xe cứu tương chưa vượt qua người đi xe đạp thỡ tần số õm mà người đi xe đạp nhận được là: (lấy vận tốc truyền õm trong khụng khớ là 340m/s) A. 1552,24 Hz B. 2156,25 Hz C. 1861,11 Hz D. 2086,96 Hz E. 2093,75 Hz
3.14. Một nguồn phỏt õm với tần số 1000 Hz. Cả nguồn õm và quan sỏt viờn đều chuyển động hướng về phớa nhau với vận tốc 100 m/s. Nếu tốc độ truyền õm trong khụng khớ là 340 m/s, thỡ quan sỏt viờn sẽ nhận được õm cú tần số:
A. 294 Hz B. 545 Hz C. 1000 Hz D. 1833 Hz E. 3400 Hz
3.15. Trong hai trường hợp sau, một nguồn phỏt ra õm cú tần số 1000Hz. Trong trường hợp I, nguồn đang chuyển động với vận tốc 100m/s về phớa quan sỏt viờn đang đứng yờn. Trường hợp II, quan sỏt viờn chuyển động với vận tốc 100m/s về phớa nguồn đứng yờn. Tốc độ truyền õm là 340m/s. Tần số õm quan sỏt viờn nghe được trong hai trường hợp lần lượt là:
A. I: 1417 Hz; II: 1294 Hz B. I: 1417 Hz; II: 1417 Hz C. I: 1294 Hz; II: 1294 Hz D. I: 773 Hz; II: 706 Hz E. I: 773 Hz; II: 773 Hz
TÍNH CHẤT, TÁC DỤNG CỦA SIấU ÂM – CÁC KIỂU SIấU ÂM
3.16. Một súng ngang đang lan truyền về phớa phải như hỡnh. Ký tự nào mụ tả bước súng của súng này?
3.17. Một súng ngang cho bởi hỡnh bờn dưới. Điểm nào lệch pha 1800 so với điểm P?
3.18. Chọn phỏt biểu SAI khi núi về súng õm:
A. Súng õm là súng cơ học dọc lan truyền trong mụi trường vật chất. B. Độ cao của õm liờn quan đến tần số của súng õm đú.
C. Âm lan truyền thành tia và cú thể bị phản, khỳc xạ và hấp thụ bởi mụi trường. D. Núi chung, vận tốc truyền õm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng và vận tốc truyền õm trong chất lỏng lớn hơn trong chất khớ.
A. Siờu õm kiểu A: cho ảnh hiển thị dưới dạng cỏc xung được hỡnh thành bởi cỏc tớn hiệu siờu õm phản xạ tại cỏc mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường cú õm trở khỏc nhau và cho phộp nhận định về khoảng cỏch (hay kớch thước) giữa cỏc mặt phõn giới.
B. Siờu õm kiểm B: cho ảnh hiển thị dưới dạng những điểm sỏng trờn màn hỡnh. C. Siờu õm Doppler cho phộp xỏc định vận tốc và hướng chuyển động của đối tượng.
D. Bộ thu phỏt siờu õm hoạt động dựa trờn nguyờn tắc hiệu ứng ỏp điện. E. Cả A, B, C, D đều đỳng.
3.20. Chọn một phỏt biểu Sai
A. Siờu õm kiểu A: cho ảnh hiển thị dưới dạng cỏc xung được hỡnh thành bởi cỏc tớn hiệu siờu õm phản xạ tại cỏc mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường cú õm trở khỏc nhau và cho phộp nhận định về khoảng cỏch (hay kớch thước) giữa cỏc mặt phõn giới.
B. Siờu õm kiểm B: cho ảnh hiển thị dưới dạng những điểm sỏng.
C. Siờu õm Doppler khụng cho phộp xỏc định vận tốc và hướng chuyển động của đối tượng.
D. Đầu thu phỏt siờu õm hoạt động dựa trờn hiệu ứng ỏp điện thuận và hiệu ứng ỏp điện nghịch.
E. Siờu õm cú thể gõy ra 3 hiệu ứng: cơ học, nhiệt, và húa lý khi tương tỏc với cơ thể sống.
3.21. Chọn một phỏt biểu đỳng
A. Siờu õm kiểu B: cho ảnh hiển thị dưới dạng cỏc xung được hỡnh thành bởi cỏc tớn hiệu siờu õm phản xạ tại cỏc mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường cú õm trở khỏc nhau và cho phộp nhận định về khoảng cỏch (hay kớch thước) giữa cỏc mặt phõn giới.
B. Siờu õm kiểm A: cho ảnh hiển thị dưới dạng những điểm sỏng.