Các tính chất của sóng âm

2.1 Lý thuyết về sóng âm

2.1.4 Các tính chất của sóng âm

Nguyên tắc này chỉ ra rằng các sóng âm truyền trước có thể trở thành điểm nguồn cho các sóng âm truyền kế tiếp. Hình dưới mô tả cách xây dựng sóng truyền tại thời điểm t t từ sóng truyền trước đó tại thời điểm t. Sóng mới sẽ là đường bao của các đường tròn bán kính c t có tâm nằm trên sóng truyền trước đó. Kết quả là khi truyền đi thì sóng phẳng vẫn là sóng phẳng còn sóng cầu vẫn là sóng cầu với bán kính lớn hơn

Hình 2.2. Nguyên lý Huygen.

(Nguồn: tài liệu [13]).

Hình 2.2 cho thấy với nguồn sóng cầu thì các điểm sóng nằm trên cùng một đường tròn sẽ đóng vai trò là nguồn thứ cấp phát sóng với dạng sóng tương tự như sóng phát ở nguồn.

2.1.4.2 Hiệu ứng Doppler

Khi một nguồn sóng di chuyển thì đặc tính phát xạ âm học sẽ thay đổi dẫn đến sự thay đổi trong việc nhận biết tần số sản sinh của nguồn khi dùng các thiết bị quan sát cố định. Khi một nguồn âm sinh ra một sóng có tần số f tiếp cận một bộ quan sát với vận tốc v thì trong một chu kỳ T (1 f ) thì tính hiệu phát tại thời điểm đầu của chu kỳ sẽ di chuyển một khoảng cT. Nhƣng tín hiệu phát tại thời điểm cuối chu kỳ sẽ gần hơn bộ quan sát một khoảng vT nên khoảng cách bước sóng  sẽ giảm xuống. Ngoài ra, tần số mà bộ quan sát nhận biết sẽ không phải là tần số nguồn sinh ra mà sẽ tăng lên một khoảng do bước sóng bị giảm:

Nguồn Nguồn

thứ cấp

Dạng sóng truyền

cT vT c v

   f

d 1

c fc f

f  c v  v c

Với fd là tần số mà bộ quan sát nhận thấy. Khi một nguồn tiếp cận với vận tốc v, bộ quan sát sẽ nhận sóng âm với tần số cao hơn so với tần số thật sự và tần số nhận biết sẽ bằng tần số thật nhân với 1v c1. Ngƣợc lại, khi v là một giá trị âm hay khi nguồn sóng di chuyển ra xa bộ quan sát thì fd sẽ có giá trị nhỏ hơn tần số nguồn

f .

2.1.4.3 Sự phản xạ

Khi sóng âm đụng vào một bề mặt thì một phần năng lƣợng sẽ bị bề mặt hấp thụ còn phần còn lại sẽ bị phản xạ lại. Một bề mặt hoàn hảo sẽ phản xạ toàn bộ năng lƣợng. Một ví dụ cho hiện tƣợng phản xạ chính là tiếng vọng (echo).

Khi sóng đụng vào một bề mặt cứng và nhẵn thì sóng sẽ bị phản xạ với hình dạng và đặc tính truyền không thay đổi theo nguyên tắc Huygen. Hình 2.3 cho thấy hiện tƣợng phản xạ của sóng âm. Vì tuân theo nguyên tắc Huygen và các quy tắc hình học nên góc sóng tới sẽ bằng góc phản xạ với các góc định nghĩa tạo thành giữa đường vuông góc với mặt phản xạ với các tia sóng tới và sóng phản xạ.

Hình 2.3. Hiện tƣợng phản xạ với góc tới i và góc phản xạ r.

Giả sử sóng tới là dạng sóng sin thì sóng tới và sóng phản xạ sẽ có sự giao nhau. Sự giao nhau sẽ tạo thành hình chiếu trên sóng tới và sóng phản xạ. Khoảng cách giữa các đỉnh sóng trực giao trên trục pháp tuyến là hình chiếu của bước sóng

' liên quan đến sóng tới

' sec

cos i i

   

  

Vì tuân theo định luật phản xạ, sóng phản xạ sẽ đi theo hướng ngược lại tạo thành sóng truyền với bước sóng bằng với '. Điều này xảy ra ở bất kỳ đường trực giao nào và sự xếp chồng của hai sóng theo các hướng đối ngược nhau với bước sóng '. Từ ý tưởng về sóng đứng thì sẽ có các nút và bụng sóng xảy ra trên đường trực giao và khoảng cách giữa nút và bụng chỉ cần điều chỉnh theo seci.

Với sóng nhiều tần số thì khi có hiện tƣợng phản xạ thì sẽ tồn tại sóng đứng.

Khoảng cách d' giữa các đỉnh của đường trực giao sẽ là

'

' sec

2 n i

d   

Với n là bước sóng của hài thứ n và i là góc của sóng tới.

i r

Tia sóng tới Tia sóng phản xạ

Mặt phản xạ

Hình 2.4 mô tả hiện tƣợng phản xạ của sóng cầu với nguồn thật S và nguồn ảo S'.

Hình 2.4. Mô hình phản xạ sóng cầu với nguồn S thật và nguồn ảo S’.

Hiện tƣợng sóng âm phản xạ có rất nhiều ứng dụng. Chẳng hạn khoảng thời gian truyền từ thiết bị phát đến đáy biển rồi tiếng vọng (echo) trở về là phương pháp để đo đạc độ sâu của một vùng nước. Ngoài ra việc so sánh các đặc điểm của sóng phản xạ với sóng phát sẽ cung cấp nhiều phương pháp trong việc đánh giá các thành phần của biển mà sóng âm gặp nhƣ đá, san hô, cát …

2.1.4.4 Sự khúc xạ

Một hiện tượng khác cũng xảy ra khi sóng âm truyền qua hai môi trường khác nhau là hiện tượng khúc xạ. Tại các tần số nghe được của sóng âm, bước sóng có chiều dài lớn nên các thiết bị máy móc phải lớn để có thể thực hiện việc quan sát sự khúc xạ âm học. Tuy nhiên, tại tần số siêu âm thì sẽ có bước sóng ngắn nên có thể quan sát bằng kính hiển vi âm học.

S

S'

Hình 2.5. Sóng âm di chuyển từ môi trường 1 sang 2 với vận tốc c2 > c1 . Áp dụng nguyên tắc Huygen với phương trình cơ bản của định luật khúc xạ

1 2

sin i sin r

c c

 



Với i là góc đến, r là góc phản xạ, c1 và c2 tương ứng là vận tốc sóng âm ở môi trường 1 và 2.

Phương trình trên tương tự định luật Snell cho sự khúc xạ ánh sáng. Khi sóng âm truyền từ vùng này sang vùng khác thường phải đi qua các khu vực có sự khác biệt rất lớn về nhiệt độ thì hướng lan truyền sẽ thay đổi rất nhiều. Ví dụ như bề mặt Trái Đất nóng nhanh hơn so với bầu khí quyển vào các ngày nắng. Do sự truyền nhiệt nên nhiệt độ không khí gần mặt đất sẽ tăng lên tương ứng. Vì tốc độ sóng âm nhanh hơn khi di chuyển trong các lớp không khí thấp ấm hơn nên sóng âm di chuyển ngang sẽ bị khúc xạ lên trên. Tương tự trong đêm mát thì các lớp không khí mát hơn thì sóng âm di chuyển hướng xuống bề mặt. Vì vậy nhiễu từ các khu công nghiệp sẽ bị khúc xạ xuống đất vào ban đêm và trở nên ồn ào hơn đối với khu vực dân cƣ sống gần khu công nghiệp so với ban ngày khi sóng âm di chuyển lên trời [20,21].

i

r

r

Môi trường 1 Vận tốc c1

Môi trường2 Vận tốc c2

Tia sóng phản xạ

Tia sóng khúc xạ

2.1.4.5 Sự nhiễu xạ (Diffraction)

Hình 2.6. Hình mô tả hiện tƣợng nhiễu xạ của sóng âm.

Hình 2.6. mô tả nguồn sóng âm truyền và gặp một bức tường chắn phản xạ lại. Một số sóng sẽ bị phản xạ lại, một số truyền thẳng còn một số khi tiếp xúc với rìa bức tường thì sẽ xảy ra hiện tượng nhiễu xạ. Các tia sóng âm nhiễu xạ sẽ không truyền thẳng mà bị bẻ và truyền xuống mặt đất. Vì vậy dù đứng sao bức tường vẫn có thể nhận được sóng âm từ nguồn ở phía bên kia tường.

Tuy nhiên, phía sau tường vẫn có một vùng mà sóng âm không thể truyền tới gọi là vùng tối. Kích thước vùng tối này phụ thuộc vào tương quan giữa nguồn và tường chắn chẳng hạn khi nguồn gần tường hơn thì vùng tối sẽ lớn hơn.

Sóng phản xạ

Nguồn

Vùng tối

Sóng nhiễu xạ Sóng truyền thẳng