CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
2.1.5 Phản xả, tán xạ và nhiễu xạ của sóng âm
Bất kỳ nhiễu động nào trong môi trường chất lưu gây ra bởi chuyển vị của một phần tử chất lỏng khỏi vị trí trung bình của nó sẽ truyền đi theo mọi hướng với tốc độ âm thanh 𝑐. Đối với chất lưu đồng nhất, nhiễu động lan truyền đồng đều theo mọi hướng tương tự như một vỏ hình cầu đang giãn nở. Sóng âm lan truyền theo hướng pháp tuyến của mặt sóng cục bộ. Bất kỳ trường âm thanh phức tạp nào cũng hiển thị đồng thời các hiện tượng phản xạ, giao thoa, tán xạ, nhiễu xạ và khúc xạ liên quan đến chuyển động của sóng.
Sóng âm phản xạ ngay khi chúng gặp phải sự thay đổi trong môi trường. Sự phản xạ của sóng âm phụ thuộc vào bản chất của bề mặt vật cản. Một số bề mặt phản xạ lại hoàn toàn năng lượng âm trong khi một số bề mặt cho âm thanh đi qua và hấp thụ một phần năng lượng âm và phản xạ phần còn lại của năng lượng âm tới. Phản xạ sóng âm là cực đại đối với mặt biên phản xạ hoàn toàn. Đối với phản xạ thuần túy, góc tới bằng góc phản xạ như mơ tả ở Hình 1.4. Trong hầu hết các ứng dụng thực tế, trường hợp phản xạ thuần túy rất khó gặp. Nếu kích thước căn phịng nhỏ thì một người ở trong căn phịng đó khơng thể phân biệt giữa âm thanh phản xả và âm thanh trực tiếp vì tai người khơng thể phân biệt được hai âm thanh giống hệt nhau có thời gian tiếp cận tới tai chênh lệch ít hơn 1/15 giây. Nếu khoảng cách giữa âm thanh trực tiếp và âm phản xạ lớn hơn khoảng này thì ta sẽ nghe được tiếng vọng.
26
Hình 2.4: Giản đồ phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ của sóng âm
Khi thiết kế phòng hòa nhạc, khán phòng, rạp chiếu phim hay phòng học, các kỹ sư cần quan tâm đến các vấn đề liên quan đến sự phản xạ của sóng âm. Trong một hội trường được thiết kế kém, người nghe khó có khả năng phân biệt giữa các từ khác nhau trong bài phát biểu do hiện tượng dội âm, khi đó mỗi từ sẽ bị lặp lại. Các kỹ sư cố gắng giảm thiểu những vấn đề như vậy bằng cách phủ các bề mặt phản xạ bên trong phòng bằng vật liệu tiêu âm hoặc gạch tiêu âm. Các vật liệu hấp thụ âm thanh như vậy thường là dạng xốp. Sóng âm bị mắc kẹt trong các khơng gian nhỏ chứa đầy khơng khí của vật liệu xốp và trải qua nhiều lần phản xạ bên trong các hốc nhỏ cho đến khi năng lượng của chúng bị tiêu tán. Sự phản xạ của âm thanh cũng đóng một phần quan trọng trong thiết kế của sonar, thiết bị thường được sử dụng để phát hiện vật thể dưới nước như tàu ngầm, tàu bị mất tích cũng như mặt biển. Sự phản xạ của âm thanh cũng được dơi và cá voi sử dụng để xác định vị trí thức ăn và mơi trường sống.
Sự phản xạ của sóng âm có thể được thay đổi bằng cách thay đổi vật liệu rắn tại nơi xảy ra phản xạ hoặc thay đổi lớp bề mặt. Đối với bề mặt phản xạ tồn phần, góc tới và góc phản xạ là như nhau. Tuy nhiên, nếu các sóng âm thanh đi tới một bề mặt gồ ghề, thì năng lượng của sóng tới sẽ bị phân phối qua nhiều sự phản xạ, hay cịn gọi là tán xạ. Do đó, tán xạ có thể làm giảm năng lượng âm phản xạ theo một hướng bằng cách chuyển nó thành nhiều phản xạ bị phân tán. Sự tán xạ cũng phụ thuộc vào tần số và bước sóng của âm tới. Nếu độ nhám của bề mặt gần bằng bước sóng của sóng âm, thì hiện tượng tán xạ được quan sát như Hình 2.4.
Sự nhiễu xạ của sóng âm thường được quan sát thấy khi sóng âm đi qua vật cản hoặc truyền qua một khe nứt như trong Hình 2.4. Trong trường hợp đó, mép của vật cản hoặc khe nứt có tác dụng như nguồn âm thứ cấp phát ra sóng âm có cùng tần số và bước sóng nhưng cường độ âm giảm so với nguồn âm sơ cấp. Sự lan truyền tương ứng của sóng âm từ nguồn thứ cấp được gọi là nhiễu xạ. Khi sóng âm uốn cong xung quanh vật cản bằng việc trải qua quá trình nhiễu xạ, người ta có thể nghe thấy âm thanh mặc dù đang ở phía bên kia của vật cản. Vùng có cường độ âm thanh giảm như vậy được gọi là vùng bóng.
27
Ngồi phản xạ và nhiễu xạ, sóng âm cũng xảy ra giao thoa khi có nhiều sóng tương tác. Sự chồng chất của một số lượng lớn các sóng âm thanh tạo cơ sở vật lý cho sự giao thoa. Nó có thể xảy ra do sự chồng chất của sóng âm do nhiều nguồn âm phát ra hoặc do sự chồng chất của sóng tới và sóng phản xạ. Trong các trường âm thanh như vậy, người ta quan sát thấy sự giao thoa có tính xây dựng và phá hoại tại các vị trí khác nhau trong miền. Đối với khơng gian dội âm khép kín, nguồn bên trong miền có ranh giới phản xạ cũng tạo ra nhiễu, có thể là xây dựng hoặc triệt tiêu. Trong một thính phịng, sự giao thoa triệt tiêu tại một số vị trí nhất định dẫn đến việc tạo ra các điểm chết nơi biên độ và độ trong của sóng âm kém hơn. Người ta có thể thiết kế lại các điểm như vậy bằng cách sử dụng các vật liệu hấp thụ âm thanh thích hợp hoặc bề mặt phản xạ âm thanh để tránh nhiễu phá hoại. Ngoài ra, các bề mặt phản xạ bên trong khán phịng có thể được bố trí sao cho tăng mức âm tới khán giả.