Âm thanh Sự lan truyền của âm thanh Áp suất âm Sự nhiễu xạ

Cộng và tách âm

Âm thanh – chuyển động sóng dao động của môi trường đàn hồi được cơ quan thính giác (tai) của chúng ta tiếp nhận. Âm thanh lan truyền trong môi trường khí được gọi là âm thanh khí, trong các vật thể rắn – âm thanh kết cấu. Vùng khí bao trùm quá trình dao động được giọi là trường âm thanh. Khoảng không gian trong đó các sóng âm thanh lan truyền tự do, không gặp cá vật cản đươc gọi là trường âm thanh tự do. Âm thanh khí được lan truyền ở dạng sóng học , nghĩa là sóng mà ở chúng các dao động của những phần tử khí trùng với phương chuyển động của sóng âm. Dạng thường gặp nhất của các dao động âm học là sóng cầu. Nó tỏa ra như nhau theo tất cả các phía của nguồn âm, các kích thước của nó nhỏ hơn so với sóng âm dài. Âm thanh kết cấu được lan truyền ở dạng các sóng dọc và sóng ngang. Các sóng ngang khác với sóng dọc ở chỗ các dao động trong chúng diễn ra ở hướng vuông góc với phương truyền sóng. Chuyển động của năng lượng âm thanh của sóng trong không khí song hành với sự tăng lên theo chu kỳ và giảm áp suất .Áp suất cao hơn hơn atmôtphe (không khí) được gọi là âm hưởng hay âm thanh, áp suất càng cao thì âm thanh càng lớn.

Đồ thị quá trình dao động âm được biểu thị ở dạng Sin.Những dao động này được gọi là các dao động điều hòa.Chúng thuộc các dạng đơn giản nhất của các dao động. Sóng âm được đặc trưng bởi tần số và biên độ dao động.Thứ nguyên của tần số f là Hec(Hz)- số các dao động trong một giây.

Trị số biên độ phụ thuộc vào áp suất âm. Biên độ dao động càng lớn thì áp suất âm càng lớn và âm thanh càng to.

Thời gian một dao động được gọi là chu kỳ dao động T 1

f

 , s (3.1) Vùng nghe được của con người giới hạn bởi tần số âm thanh xác định. Chúng ta nghe được âm thanh với tần số từ 16-20 Hz đến 16- 20 ngàn Hz.Các âm thanh có tần số 30-300 Hz đươc cho là thấp, từ 300÷800 trung bình lớn hơn 800 là âm thanh cao.

Khoảng cách giữa hai lớp kề nhau của không khí có cùng áp suất âm được đo cùng thời điểm được gọi là độ dài sóng λ. Vận tốc lan truyền của sóng âm được gọi là vận tốc âm C. Nó quan hệ với chiều dài sóng và chu kỳ dao động theo biểu thức:

C T   , m/s (3.2) Khi tính đến biểu thức (3.1) ta có: C = λ.f (3.3) Vận tốc âm phụ thuộc vào các tính chất vật lí của vật thể (mật độ, tính đàn hồi, áp suất, v.v….) mà trong đó âm thanh truyền đi và phụ thuộc cả vào nhiệt độ. Đối với không khí việc tăng vận tốc bằng 0,6 m/s khi tăng nhiệt độ lên 10C .

Ngoài vận tốc âm C, người ta còn chia ra vận tốc chuyển động dao động của các phần tử trong sóng âm V, vận tốc này phụ thuộc vào biên độ dao động (nghĩa là phụ thuộc vào áp suất p) và tần số.

. p V C   cm/s (3.4)

Trị số ρ.C được gọi là sức cản âm hoc riêng của môi trường mà qua đó âm được lan truyền. Đối với không khí ở áp suất tiêu chuẩn (áp suất khí quyển 760mm, t = 200C ), khối lượng riêng ρ = 0,001205 g/cm3,C= 344m/s, ρ.C = 41 g/cm2s. Sức cản riêng có vai trò quan trọng khi xem xét các vấn đề phản xạ và dập tắt âm thanh. Nếu trên đường đi của sóng âm có vật cản thì chúng có thể vòng tránh nó. Đây là hiện tượng được gọi là nhiễu xạ. Độ vòng càng lớn khi chiều dài sóng càng lớn so với các kích thước vật cản. Nếu chiều dài sóng nhỏ hơn kích thước vật cản thì sẽ có vị trí phản xạ sóng âm, tương tự như phản xạ sóng ánh sáng từ gương. Trong trường hợp này sau vật cản được tạo thành như thường gọi là tường âm thanh.

Âm thanh tần số thấp có độ dài lớn (công thức (3.3)) sẽ dễ dàng vòng tránh vật cản và dễ đi qua màn chắn và lỗ hở hơn âm thanh tần số cao. Điều này cho chúng ta cơ sở khoa học khi khử âm cho các đối tượng nhờ trợ giúp của các màn chắn.Ở hàng loạt trường hợp từ các nguồn, âm thanh tần số cao có thể được phòng ngừa rất hiệu quả bằng màn chắn, khi đó cũng như ở tiếng ồn tần số thấp phương pháp này có thể sẽ không hiệu quả.

Nếu có vị trí dao động phức tạp của môi trường đàn hồi do kích động của một số vật thể dao động điều hòa với các biên độ tần số khác, thì các thông số của dao động này nhận được bằng cách cộng biên độ các dao động đơn giản .

Như vậy bằng cách cộng từ các âm đơn giản ta sẽ có các âm phức tạp và ngược lại âm phức tạp có thể biểu thị ở dạng tổng các âm đơn giản, nghĩa là các âm điều hòa với những tần số và biên độ khác nhau.

Cấu tạo tai của chúng ta nó ghi lại không phải sự thay đổi tuyệt đối của tần số âm và áp suất âm mà là sự thay đổi tương đối của chúng (mức tiếp nhận). Ví dụ, sự thay đổi của tần số âm từ 250Hz đến 500Hz được cảm nhận bằng tai, cũng như sự thay đổi tần số từ 1000 đến 2000Hz. Mỗi một mức trình

tự ghi nhận khác nhau so với trước đó là 12,4%. Tính đến điều này khả năng tai chúng ta khi phân tích (nó được thực hiện nhờ sự trợ giúp của các thiết bị - các máy phân tích) thu được khoảng xác định các tần số. Tỷ số các tần số của hai dao động âm được gọi là khoảng âm. Nếu tỷ số bằng 1:2 khoảng được gọi là ôcta , nếu 21.41 – sàn ôcta, nếu 3

21.26 quãng 1/3, nếu 2:3 quãng năm, nếu 3:4 quãng bốn .Tỷ số 4:5 gọi là độ ba lớn, còn 5:6 độ ba nhỏ [26, 34, 39]. Tầm âm (âm vực) các âm thanh được phân ra 9 ôcta , bắt đầu từ 63Hz: 63-125-250-500-1000-2000-4000-8000-10000, chúng xác định các thông số của các dao động điều hòa mà từ chúng tạo nên âm phức tạp.

3.1.2. Đo áp suất.Công suất âm.Lực âm thanh.Thang Đêxiben .Độ to

Đơn vị đo áp suất âm trong hệ SI là N/m2. Có giới hạn dưới và trên của sự nghe thấy. Giới hạn dưới được gọi là ngưỡng nghe được, giới hạn trên – ngưỡng đau. Ngưỡng nghe thấy được gọi là sự thay đổi nhỏ nhất của áp suất âm, áp suất này chúng ta cảm thấy .Nó được phân ra đối với các âm thanh tần số khác nhau.Trong tần số 1000Hz (ở tần số này tai có cảm nhận lớn nhất) áp suất bằng P0= 2.10-5 N/m2 (P0 ≈ 2.10-6 kg/m2) . Ngưỡng nghe thấy con người nhận được chỉ với tai cực thính, số này rất hiếm, chỉ khoảng 1% toàn bộ loài người. Nó nhỏ hơn tiếng lá rơi. Ngưỡng đau, đây là áp suất âm lớn nhất mà con người cảm nhận được bằng tai như là âm thanh. Áp suất cao hơn ngưỡng đau sẽ có thể gây ra tổn thương cơ quan bộ phận thính giác. Khi tần số 1000Hz ngưỡng đau tương ứng với áp suất âm P = 20 N/m2 (P= 0,0002 kg/cm2). Tỷ số của áp suất âm ở ngưỡng đau và ngưỡng nghe thấy bằng 106. Đây là khoảng áp suất âm mà tai người cảm nhận được .

Áp suất âm không đặc trưng đầy đủ cho nguồn âm thanh. Một nguồn âm khi ở trong phòng thể tích lớn có thể nghe nhỏ (khẽ), còn nếu ở phòng hẹp có thể tạo ra áp suất âm lớn. Để đặc trưng đầy đủ hơn cho nguồn âm thanh

cần đưa vào khái niệm năng lượng âm tính bằng Oát (W) - năng lượng được phát ra bởi các nguồn âm vào môi trường xung quanh trong đơn vị thời gian. Trị số dòng năng lượng âm thanh đi ra sau 1s qua diện tích 1cm2 vuông góc với phương truyền sóng âm được gọi là cường độ âm hay lực âm thanh. Đơn vị của lực âm thanh W/m2. Lực âm thanh tỷ lệ thuận với bình phương áp suất âm và được biểu thị bằng biểu thức:

2 . P I C   W/m2 (3.5) Khi ở ngưỡng áp suất âm Po= 2.10-5 N/m2, trị số ngưỡng của lực âm bằng Io = 10-12 W/m2.

Lực âm đặc trưng cho độ vang (âm lượng). Dòng năng lượng đi ra từ nguồn càng lớn, âm lượng càng cao. Nếu xác định được lực âm thanh ta có thể xác định âm lượng của nguồn.

U = I.S W (3.6) ở đây S- diện tích. Khi phát ra môi trường hình cầu bán kính r, S = 4πr2, bán cầu S= 2πr2. Nếu nguồn âm ở cạnh tường sự phát âm diễn ra trong một phần tư cầu.

Khi có số lượng lớn các nguồn âm thì công suất âm của chúng bằng tổng công suất nguồn riêng biệt:

U = U1+U2 +…+ Un, W (3.7) Từ sự liên quan giữa việc cảm nhận của thính giác và kích thích tồn tại ở dạng logarit nên thực tế khi đo áp suất âm, lực âm và công suất âm ta sử dụng thang logarit. Điều này cho phép đo được khoảng lớn các giá trị (theo áp suất âm bằng 106, theo lực âm - 1012) thu gọn trong khoảng so sánh không lớn các đơn vị logarit. Trong thang logarit mỗi mức kế tiếp nhau của thang lớn hơn trước đó 10 lần. Đơn vị được sử dụng là một Ben. Trong âm học được sử dụng đơn vị nhỏ hơn – Đêxiben (dB), 1dB = 0,1B.

Trị số được biểu thị ở Ben hay đêxiben được gọi là mức của đại lượng này. Cụ thể như, nếu lực của một âm lớn hơn âm khác 100 lần thì mức của lực các âm khác nhau là lg100= 2B hay 20dB.

Mức âm thanh ở thứ nguyên Ben và dexiben được biểu thị bằng biểu thức : 0 lg I L I  , B (3.8) 0 10lg I L I  , dB (3.9) ở đây I0= 10-12 W/m2.

Nếu đặt vào biểu thức (3.9) với I theo biểu thức (3.5) và 0 0 . P I C   ta sẽ có biểu thức tính áp suất âm :

0 20lg p P L P  (3.10) Thực tế còn sử dụng các thuật ngữ “mức âm” và “mức áp suất”. Để đặc trưng cho các âm thanh đơn giản (âm điều hòa) trong các giải ôcta (tức là trong các tần số 63-125-250-500Hz …) sẽ sử dụng mức áp suất âm; để đặc trưng cho âm phức (nghĩa là không phân bố theo thang ôcta tần số) sẽ sử dụng mức âm trong dBA (dexiben theo thang của thiết bị đo tiếng ồn A). giữa các đơn vị logarit dB và tương ứng với chúng là áp suất âm ở kG/m2 có mối tương quan như bảng 3.1.

Bảng 3.1. Tương quan giữa đơn vị logarit dB và áp suất âm ở kG/m2

dB 40 50 60 70 80 90 100

kG/m2 0.0002 0.00065 0.002 0.0065 0.02 0.065 0.2

dB 110 120 130 140 150 160 170

Từ bảng 3.1 có thể thấy rõ, phép đo mức áp suất âm ở 10dB tương ứng với phép đo áp suất âm (áp suất này đặc trưng cho âm lượng) ở 3 lần lớn hơn. Ngoài mức âm và mức áp suất âm người ta còn đưa vào mức công suất âm.

w 0 10lgW L W  dB (3.11) ở đây W0 = 10-12 - giá trị ngưỡng của công suất âm, W.

Sự cảm thụ âm lượng âm thanh phụ thuộc không chỉ vào trị số của áp suất âm mà còn vào tần số âm. Âm thanh với áp suất như nhau nhưng tần số khác nhau sẽ có âm lượng khác nhau. Âm thanh có âm lương lớn khi tần số cao. Đặc tính này của sự cảm thụ âm thanh phản ánh khái niệm mức âm lượng. Nó được gọi là mức áp suất âm với tần số 1000Hz, bằng với âm lượng cảm nhận thính giác theo âm thanh đã có. Đơn vị đo âm lượng được goi là Fon. Mức áp suất âm ở dB và mức âm lượng ở khi tần số 1000Hz là bằng nhau. Khi ở các tần số khác sự tương quan này không quan sát được.