Quá trình tạo ra và truyền phát của sóng âm

2.1 Lý thuyết về sóng âm

2.1.2 Quá trình tạo ra và truyền phát của sóng âm

Sóng âm là quá trình nhiễu cơ học di chuyển qua một môi trường đàn hồi. Vì vậy các hiện tƣợng âm học có bản chất cơ học trong khi tia X hay ánh sáng chỉ xuất hiện trong các hiện tượng điện từ trường. Do đó một tín hiệu âm học cần phải có môi trường cơ học đàn hồi để truyền dẫn và sóng âm sẽ không thể truyền trong môi trường chân không [21]. Ngược lại, các sóng điện từ trường lại có thể truyền trong chân không.

Xét một sóng âm tạo ra bởi sự dao động của một mặt phẳng tại x0. Sự dịch chuyển của mặt phẳng sang phải theo hướng +x sẽ tạo ra một sức nén đối với lớp không khí ở phụ cận mặt phẳng và làm tăng mật độ không khí của lớp. Vì áp suất của lớp phụ cận cao hơn áp suất của cả môi trường, các phân tử không khí của lớp có khuynh hướng di chuyển theo hướng +x và sẽ tạo sức nén đối với lớp không khí thứ hai. Cứ thế sẽ truyền xung áp suất đến lớp không khí thứ ba và tiếp tục truyền đi nhiều lớp không khí nữa. Nhƣng khi bề mặt phẳng đảo chiều di chuyển thì sẽ xảy ra hiệu ứng ngƣợc lại. Sự dãn nở khí sẽ xảy ra ở lớp thứ nhất và sẽ làm giảm áp suất của cả môi trường. Các phân tử của lớp thứ hai sẽ có khuynh hướng di chuyển sang trái theo hướng –x và xung dãn nở sẽ đi theo xung nén được sinh ra trước đó [20].

Sự liên tiếp của các xung nén và dãn nở di chuyển ra ngoài cấu thành sự chuyển động của sóng. Tại một điểm trong không gian, quá trình tăng giảm áp suất

xen kẽ xảy ra dẫn đến sự tăng giảm mật độ thể tích tương ứng. Khoảng cách không gian  từ một điểm trên chu trình đến điểm tương ứng ở chu trình tiếp theo được gọi là bước sóng. Các phần tử dao động không thay đổi vị trí nếu xét trung bình mà chỉ di chuyển tới lui dưới tác động của sóng truyền dẫn. Khoảng cách mà các phần tử dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng gọi là biên độ dịch chuyển. Vận tốc của các phân tử khi dịch chuyển là vận tốc phân tử, khác với vận tốc của sóng âm là tốc độ sóng âm truyền qua một môi trường.

Hình 2.1. Sự mô tả quá trình nén và dãn nở khí theo dạng sóng hình sin (Nguồn: tài liệu [20]).

Vận tốc sóng âm c (m/s) là một đặc tính của môi trường. Sóng âm truyền đi trong chất rắng sẽ nhanh hơn truyền trong chất khí. Tại nhiệt độ 20oC sóng âm truyền với vận tốc 344 m/s trong không khí với áp suất khí quyển chuẩn 101 kPa

(760 mmHg). Vận tốc sóng âm trong chất lòng sẽ lớn hơn trong chất khi nhƣng sẽ kém hơn so với khi truyền trong chất rắn. Đối với chất khí lý tưởng thì vận tốc c của sóng âm sẽ tính theo

c p RT

  

Với  là hằng số khí lý tưởng, p (Pa) là áp suất của khí ở trạng thái tĩnh và  (kg.m-3) là mật độ thể tích khí. R là hằng số nhiệt đặc trƣng của khí và T (0K) là nhiệt độ tuyệt đối của khí.

Đối với không khí ở nhiệt độ 20oC, vận tốc truyền c của sóng âm là

   

1.4 287 N.m kgK 20 + 273.2 K = 343.2 m s

c RT   

Đối với chất lỏng thì vận tốc truyền của sóng âm phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Trong môi trường nước khử không khí thì vận tốc sóng âm xấp xỉ 1461 m/s. Trong môi trường chất rắn thì vận tốc truyền xấp xỉ

c E

 

Với E là suất đàn hồi của vật liệu còn  là mật độ vật liệu.

Khi quá trình nén và dãn nở xảy ra với tốc độ tuần hoàn thì sẽ xuất hiện hằng số tần số f và bước sóng  quan hệ với tần số f bởi

c

 f

Với c là vận tốc truyền trong môi trường.

* Phương trình trạng thái nhiệt động lực của chất lỏng

Các thông số áp suất p, mật độ và nhiệt độ tuyệt đối T quan hệ với nhau qua phương trình trạng thái

 , 

p p  T

Phương trình trạng thái thường là chỉ có hai thông số độc lập tức là nếu có hai thông số gán cho chất lỏng thì thông số thứ ba sẽ đƣợc tự động thiết lập và xác định. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

p RT

 

Với RR M(J/kg K)

R= hằng số khí phổ dụng = 8314.2 kJ/kg mol K M= khối lƣợng phân tử khí

Mỗi mol khí chứa N0 6.02 10 26phân tử nên phương trình trạng thái có thể viết thành

0

p N T NkT

 NR 

Với k là hằng số Boltzmann và có giá trị 1.38x10-26 kJ/K.