Sóng âm là gì ? Công thức, đặc trưng vật lí của sóng âm hay, chi tiết - Vật Lí lớp 12

Sóng âm là gì ? Công thức, đặc trưng vật lí của sóng âm hay, chi tiết

Tài liệu Sóng âm là gì ? Công thức, đặc trưng vật lí của sóng âm hay, chi tiết Vật Lí lớp 12 sẽ tóm tắt kiến thức trọng tâm về Sóng âm là gì ? Công thức, đặc trưng vật lí của sóng âm từ đó giúp học sinh ôn tập để nắm vứng kiến thức môn Vật Lí lớp 12.

I. Định nghĩa:

+ Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường rắn, lỏng và khí.

+ Nguồn âm là các vật dao động phát ra âm.

II. Phân loại sóng âm (Dựa vào tần số):

- Sóng âm nghe được: Là sóng âm có tần số trong khoảng từ 16Hz đến 20000Hz gây ra cảm giác thính giác.

- Sóng siêu âm: Là sóng âm mà có tần số lớn hơn 20000Hz không gây ra cảm giác thính giác ở người (tai người không nghe được nhưng chó, dơi, cá heo,.. vẫn có thể nghe được siêu âm).

- Sóng hạ âm: Là sóng âm mà có tần số nhỏ hơn 16Hz không gây ra cảm giác thính giác ở người (tai người không nghe được nhưng voi, chim bồ câu,.. vẫn có thể nghe được hạ âm).

- Nhạc âm và tạp âm: Nhạc âm là âm có tần số xác định (ví dụ: mỗi nốt nhạc Đồ, rê, mi, fa, son, la, si, đô là nhạc âm). Tạp âm là âm có tần số không xác định (tiếng trống, tiếng cồng chiêng, tiếng ồn ào ngoài phố…).

III. Sự truyền âm:

+ Âm chỉ truyền qua được các môi trường rắn, lỏng, khí, không truyền được trong chân không.

+ Trong cùng một môi trường, sóng âm có vận tốc xác định. Vận tốc sóng âm trong chất rắn là lớn nhất và trong chất khí là nhỏ nhất: v_rắn > v_lỏng > v_khí

+ Trong chất lỏng và chất khí sóng âm là sóng dọc còn trong chất rắn sóng âm gồm cả sóng ngang và sóng dọc.

IV. Các đặc trưng vật lý của sóng âm: Là các đặc trưng có tính khách quan định lượng, có thể đo đạc tính toán được. Bao gồm các đại lượng như: Chu kì, tần số, biên độ, năng lượng, cường độ, mức cường độ, đồ thị dao đọng âm…

1) Cường độ âm I (W/m²): Là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng (E) mà sóng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong 1 đơn vị thời gian: I = E/t.S = P/S .

Trong đó: P(W) là công suất phát âm của nguồn; S (m²) là diện tích mặt vuông góc với phương truyền âm (với sóng cầu thì S là diện tích mặt cầu S = 4πR²).

+ Cường độ âm tỉ lệ với bình phương biên độ âm: I ~ a²

+ Năng lượng âm khi sóng âm di chuyển quảng đường AB: ΔE = P.t = P.AB/v

+ Cường độ âm toàn phần: I = ΣI_i = I₁ + I₂ + ... + I_n

+ Nếu âm truyền đẳng hướng và môi trường không hấp thụ và phản xạ âm thì có nghĩa là công suất âm không đổi khi truyền đi. Ta có: P = I.S = hằng số.

=> I₁S₁ = I₂S₂

=> I₁R₁² = I₂R₂²

2) Mức cường độ âm: Đối với tai con người, giá trị tuyệt đối của cường độ âm I không quan trọng bằng giá trị tỉ đối của I so với một giá trị I0 nào đó chọn làm chuẩn. Người ta định nghĩa mức cường độ âm L là lôgarít thập phân của tỉ số I/I_o .

L_(B) = log I/I_o hoặc L_(dB) = 10. logI/I_o (công thức thường dùng)

(Ở tần số âm f = 1000Hz thì I_o = 10^-12 W/m² gọi là cường độ âm chuẩn)

* Đơn vị mức cường độ âm là Ben (ký hiệu: B).

- Như vậy mức cường độ âm bằng 1, 2, 3, 4 B... điều đó có nghĩa là cường độ âm I lớn gấp 10, 10², 10³, 10⁴... cường độ âm chuẩn I_o.

- Trong thực tế người ta thường dùng đơn vị đêxiben (ký hiệu: dB), bằng 1/10 ben.

- Số đo L bằng đêxiben lớn gấp 10 số đo bằng ben: L_(dB) = 10. logI/I_o

- Khi L = 1dB, thì I lớn gấp 1,26 lần I_o. Đó là mức cường độ âm nhỏ nhất mà tai ta có thể phân biệt được.

Chú ý: Để cảm nhận được âm thì cường độ âm âm I ≥ I_o hay mức cường độ âm L ≥ 0.

Ta thường dùng dB hơn B (1B = 10dB)

3) Đồ thị dao động của âm: là tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm trong một nhạc âm. Đồ thị không còn là đường sin điều hòa mà là một đường phước tạp và có chu kì.

- Âm cơ bản: Là âm có tần số nhỏ nhất do 1 nhạc cục phát ra.

- Khi cho một nhạc cụ phát ra âm có tần số f0 thì nhạc cụ đó cũng sẽ phát ra những âm có tần số f là bội của f0 được gọi là họa âm thứ k: f_k = kf_o

- Đồ thị dao động của những âm có cùng tần số và biên độ nhưng do các nhạc cụ khác nhau phát ra là khác nhau

Lưu ý:

Các họa âm của các nhạc cụ khác nhau có thể có tần số giống nhau nhưng biên độ khác nhau, và số họa âm khác nhau nên dù cùng một nốt nhạc giống nhau khi phát ra từ các nhạc cụ khác nhau thì đồ thị dao động âm sẽ khác nhau. Nhờ vậy ta phân biệt được âm này với âm kia.

4) Công thức suy luận tổng quát: Trong môi trường truyền âm, xét 2 trường hợp tổng quát:

Trường hợp 1: tại điểm A có khoảng cách tới nguồn âm có công suất P₁ là R₁ thì máy thu đo được mức cường độ âm là L₁.

Trường hợp 2: tại điểm B có khoảng cách tới nguồn âm có công suất P₂ là R₂ máy thu đo được mức cường độ âm là L₂.

Vì nên ta luôn có hệ thức sau:

(Ở đây L đo bằng đơn vị Ben – B)

+ Nếu nguồn âm không thay đổi trong cả hai trường hợp thì ta có:

V. Các đặc trưng sinh lý của âm: Là các đặc trưng có tính chủ quan định tính, do sự cảm nhận của thính giác người nghe. Bao gồm: Độ to, độ cao, âm sắc…

Bảng liên hệ giữa đặc trưng sinh lý và đặc trưng vật lý của sóng âm.

VI. Tần số âm phát ra ở một số nhạc cụ

1) Tần số do đàn phát ra (hai đầu dây cố định => hai đầu là nút sóng).

f = k. v/2L (k ∈ N*)

Ứng với k = 1 => âm phát ra âm cơ bản có tần số f₁ = v/2L

k = 2, 3, 4 ... có các hoạ âm bậc 2 (tần số 2f₁), bậc 3 (tần số 3f₁) ...

Lưu ý: Mỗi sợi dây được kéo bằng một lực căng τ (N) và có mật độ dài μ (kg/m) thì có tốc độ truyền sóng trên dây là: v = √(τ/μ) , do vậy ta có thể thay đổi tần số dây đàn phát ra bàng cách thay đổi lực căng tác dụng lên dây đàn.

2) Tần số do ống sáo phát ra (một đầu bịt kín, một đầu để hở => một đầu là nút sóng, một đầu là bụng sóng).

Ứng với k = 0 => âm phát ra âm cơ bản có tần số f₁ = v/4L

k = 1, 2, 3 ... có các hoạ âm bậc 3 (tần số 3f₁), bậc 5 (tần số 5f₁) ...

Như vậy một ống sáo một đầu kín, một đầu hở chỉ có thể phát ra các họa âm có số bậc lẻ. Độ dài của ống càng lớn thì âm phát ra có tần số càng nhỏ, âm phát ra cành trầm.