CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
2.1.3 Cường độ và công suất âm thanh
Nguồn âm thanh tỏa ra năng lượng dẫn đến sự phát triển của trường âm thanh thông qua sự thay đổi áp suất âm thanh. Con người có thể nhận ra một tín hiệu âm thanh do áp suất âm thanh, phụ thuộc vào công suất âm thanh do nguồn âm thanh phát ra. Mức áp suất âm thanh cao có thể gây hại cho thính giác. Áp suất âm thanh phụ thuộc vào khoảng cách giữa nguồn phát và bộ thu cũng như môi trường âm thanh bao gồm kích thước và tính chất hấp thụ âm thanh của các bức tường bao
23
quanh. Bằng cách đo áp suất âm thanh tại một vị trí nhất định bên trong phịng, ta khơng thể xác định được nguồn âm thanh hoặc nguồn tiếng ồn, có thể là loa hoặc máy tạo tiếng ồn. Ta cần tìm ra cơng suất âm thanh phát ra để định lượng các nguồn âm thanh khác nhau. Công suất âm thanh là tốc độ mà năng lượng âm thanh tỏa ra xung quanh. Nó được đo bằng watt (W). Nếu ta coi một nguồn điểm khơng định hướng, cơng suất âm thanh có thể được biểu diễn tốn học như sau:
𝑊𝑠 = (4𝜋𝑟2)𝐼𝑠(𝑟) (2.5)
Trong đó 𝐼𝑠(𝑟) là cường độ âm lớn nhất trong mặt cầu ảo bán kính 𝑟 có đơn vị là 𝑊/𝑚2. Trường hợp nguồn âm là một đường thẳng có chiều dài 𝑙 thì phương trình (2.5) được chuyển thành:
𝑊𝑐 = (2𝜋𝑟𝑙)𝐼𝑐(𝑟) (2.6)
Trong đó 𝑊𝑐 là tổng cơng suất âm tỏa ra.
Trong một căn phịng, ta có thể đo áp suất âm tại các vị trí khác nhau và chỉ ra tiếng ồn có nằm trong giới hạn cho phép hay không. Nếu tiếng ồn ở mức độ lớn, ta cần phải tìm cách để giảm thiểu tiếng ồn. Để có thể giảm tiếng ồn một cách hiệu quả, ta cần có đủ thơng tin về tiếng ồn được sinh ra bởi các nguồn âm khác nhau. Do đó, việc đo lường cơng suất âm thanh của các nguồn khác nhau có thể giúp chúng ta tìm ra nguồn phát gây ra nhiều tiếng ồn hơn, từ đó ưu tiên xử lý đối với các nguồn này để giảm tiếng ồn hiệu quả. Tuy nhiên, ta chỉ có thể liên hệ cơng suất âm với áp suất âm dưới các điều kiện đặc biệt như trong buồng câm hoặc buồng vang, tại đó các giả thiết về trường âm thanh được đảm bảo đúng. Ngược lại, một đại lượng khác đó là cường độ âm có thể được đo ở bất kỳ trường âm nào và cung cấp đủ thông tin cần thiết tương tự như công suất âm thanh. Cường độ âm được định nghĩa là năng lượng sóng âm mang theo trên một đơn vị diện tích. Đơn vị của cường độ âm là 𝑊/𝑚2 và là đại lượng có hướng. Giá trị cường độ âm đạt lớn nhất 𝐼𝑚𝑎𝑥 khi mặt phẳng đo vng góc với hướng lan truyền của âm thanh. Cường độ âm 𝐼 thu được bằng tích của áp suất âm 𝑝 với vận tốc hạt vật chất 𝑣, nó rất hữu ích trong việc xác định vị trí của nguồn âm.
Xem xét một điểm nguồn âm phát sóng âm ra ngồi. Sự thay đổi cường độ của sóng âm dưới dạng cơng suất âm 𝑊𝑠 theo hướng bán kính được cho như sau:
𝐼(𝑟) = 𝑊𝑠
4 × 𝜋 × 𝑟2 (2.7)
Trong đó 𝑟 là khoảng cách của điểm đo tới tâm cầu hay nguồn âm. Mối quan hệ này là mối quan hệ tỷ lệ nghịch bình phương, chỉ ra rằng trong mơi trường tự do, cường độ của sóng âm giảm khi đi ra xa khỏi nguồn âm. Khi sóng âm lan truyền theo hình cầu, bán kính tăng hai lần thì diện tích mặt cầu tăng bốn lần. Năng lượng âm thanh là không đổi, do đó, cường độ âm thanh bị giảm đi 4 lần (như Hình 2.3).
24
Hình 2.3: Cường độ âm giảm khi ra xa nguồn âm
Trường sóng âm có thể phân loại theo mơi trường mà nó truyền đi. Mối quan hệ giữa cường độ âm và áp suất âm được mô tả trong hai trường hợp đặc biệt là trường tự do và trường khuếch tán. Thuật ngữ trường tự do tương ứng với sự lan truyền của sóng âm trong một khơng gian tự do lý tưởng, ở đó khơng xảy ra bất kỳ sự phản xạ sóng âm nào. Để đảm bảo điều kiện này, nguồn âm phải được đặt trong một không gian rất rộng cách xa các bề mặt có khả năng phản xạ âm thanh hoặc trong một buồng câm có khả năng hấp thụ tất cả tín hiệu âm thanh. Người ta quan sát được rằng áp suất âm giảm đi 6𝑑𝐵 khi khoảng cách từ điểm đo tới nguồn âm tăng gấp đôi. Mối quan hệ giữa cường độ âm và áp suất với môi trường tự do được cho như sau:
|𝐼| =𝑝RMS 2
𝜌𝑐 (2.8)
Ngược lại với môi trường tự do, môi trường khuếch tán tương ứng với trường âm tại đó sóng âm bị phản xạ từ các bề mặt rắn xung quanh nhiều lần đến mức các sóng này truyền theo mọi hướng với độ lớn và xác suất bằng nhau. Trường âm thanh như vậy có thể được tính gần đúng bên trong phịng vang. Khi các sóng âm truyền theo mọi hướng với độ lớn và xác suất bằng nhau, cường độ thực |𝐼| bằng 0. Cường độ âm cũng phụ thuộc vào góc lệch pha giữa áp suất âm và vận tốc của hạt vật chất. Đối với trường hợp khơng có sự lệch pha giữa áp suất âm và vận tốc các hạt vật chất, ta thu được cường độ âm thanh thực. Ngược lại, nếu góc lệch pha là 90𝑜 thì tích của áp suất và vận tốc hạt cho ra một tín hiệu cường độ tức thời thay đổi theo hình sin với giá trị trung bình bằng 0.