Sóng Âm Là Gì, Phân Loại, Đặc Điểm Và Lịch Sử Tìm Ra

sóng âm

Sóng âm là gì? Đã bao giờ bạn tự hỏi làm sao âm thanh truyền từ một vật đến tai như thế nào chưa? Cách đây vài trăm năm, con người cũng đã tự hỏi và tìm hiểu được cách truyền đi của chúng. Bài viết sau đây sẽ giới thiệu tổng quan sóng âm, đặc điểm và lịch sử.

1. Sóng âm là gì?

Sóng âm là những sóng cơ gây ra bởi sự chuyển động của năng lượng truyền qua một môi trường. Chẳng hạn như không khí, chất lỏng hoặc chất rắn. 

Nguồn của sóng âm là một số vật thể gây ra rung động. Chẳng hạn như chuông điện thoại hoặc hợp âm phát ra của một người. Sự rung động làm xáo trộn các hạt trong môi trường xung quanh nó. Những hạt đó lại làm rung động những hạt bên cạnh chúng và tiếp tục nhân lên nhiều hơn. Mô hình của nhiễu động này tạo chuyển động ra bên ngoài theo mô hình sóng. Giống như sóng nước biển trên đại dương nên nó được gọi là sóng âm. Sóng mang năng lượng âm thanh truyền đi theo mọi hướng, càng xa nguồn cường độ sóng càng giảm.

Sóng âm
Sóng âm là những sóng cơ

2. Sóng âm thuộc dạng nào trong sóng cơ học

Hiện tại có nhiều loại sóng mang các đặc điểm khác nhau. Dựa trên hướng chuyển động của hạt và hướng của năng lượng, có ba loại:

  • Sóng cơ học
  • Sóng điện từ
  • Sóng vật chất

2.1. Sóng cơ học

Sóng cơ học là sóng là dao động của vật chất và có nhiệm vụ truyền năng lượng qua môi trường.

Khoảng cách truyền của sóng bị giới hạn bởi môi trường truyền. Trong trường hợp này, vật liệu dao động chuyển động quanh một điểm cố định. Và có rất ít chuyển động tịnh tiến. 

Có hai loại sóng cơ học:

  • Sóng dọc. Trong loại sóng này, chuyển động của hạt song song với chuyển động của năng lượng, tức là sự dịch chuyển của môi trường cùng hướng với sóng chuyển động. Ví dụ – Sóng âm (sóng âm thanh thuộc loại sóng cơ học dọc), sóng áp suất. 
  • Sóng ngang. Khi chuyển động của các hạt vuông góc hoặc vuông góc với chuyển động của năng lượng, thì loại sóng này được gọi là Sóng ngang. Ánh sáng và song nước là ví dụ về sóng ngang.

2.2. Sóng điện từ

Sóng điện từ được tạo ra bởi sự tổng hợp của điện trường và từ trường. Ánh sáng bạn nhìn thấy, màu sắc xung quanh bạn có thể nhìn thấy được là do sóng điện từ.

Tất cả các sóng điện từ truyền trong chân không với cùng một tốc độ 299,792.458 ms-1.

Các ví dụ về sóng điện từ như: Vi ba, tia X, sóng radio, sóng cực tím,..

3. Lịch sử sóng âm

Sóng âm
Sóng âm được quan tâm từ rất lâu

Ý tưởng cho rằng âm thanh chuyển động theo dạng sóng (ít nhất) là vào khoảng 240 trước Công nguyên. Một trong những người đầu tiên khẳng định rằng âm thanh truyền đi dưới dạng sóng là nhà triết học Hy Lạp Aristotle. 

Nhà vật lý người Ý Galileo, là nhà khoa học đầu tiên ghi lại mối quan hệ giữa tần số của sóng với cường độ mà nó tạo ra. Vì sóng âm do các nhạc cụ tạo ra có độ cao khác nhau nên đây được coi là một khám phá rất quan trọng. Ông đã đưa ra kết luận này sau khi lấy một cái đục và cạo nó vào một chiếc đĩa đồng. Từ đó, ông bắt đầu quan sát thấy rằng cao độ của tiếng rít thay đổi tùy theo cách tiếp xúc giữa cái đục và đĩa đồng.

Bấy giờ người ta biết rằng âm thanh truyền qua sóng. Nhưng người ta lại muốn biết chính xác những sóng âm này truyền nhanh tới mức nào. Marin Mersenne, nhà toán học người Pháp, là người đầu tiên ghi lại tốc độ âm thanh khi nó truyền trong không khí vào năm 1640. Khi so với công nghệ hiện đại, tốc độ âm thanh Mersenne đã đo được cho là sai số dưới 10%. Mặc dù 10% có vẻ là một sai số lớn khi nói về tốc độ. Nhưng phát hiện của ông thời ấy thật sự ấn tượng khi xét đến sự thiếu hụt công nghệ.

20 năm sau khám phá của Mersenne, một nhà khoa học người Anh là Robert Boyle đã xác định rằng: để âm thanh truyền đi, nó phải đi qua một trung gian. Trung gian này sẽ là không khí. Boyle có thể đưa ra kết luận này bằng cách tiến hành một thí nghiệm. Trong đó ông đặt một chiếc chuông rung bên trong một chiếc lọ thủy tinh. Ông quan sát thấy rằng không thể nghe thấy tiếng ồn ào do chuông tạo ra. Điều này là do trong bình không có không khí. Vì thế không thể tạo ra âm thanh, không có sóng âm nên bạn không thể nghe thấy tiếng gì.

Những nghiên cứu về sóng âm nói chung vẫn tiếp tục được tiến hành trong suốt những năm 1700 và 1800.

Christian Doppler phát hiện về tần số sóng âm. Nhà vật lý người Áo nổi tiếng này phát triển một phương trình toán học. Nó tính toán tần số của sóng khi sóng từ nguồn chuyển động tương đối tới người quan sát. Ông khẳng định rằng khi nguồn sóng di chuyển ra xa người quan sát hơn, tần số của sóng sẽ thấp hơn; do đó, người đó sẽ nghe thấy âm thanh với cường độ nhỏ hơn. Mặt khác, nếu nguồn sóng di chuyển đến gần người quan sát hơn thì người đó sẽ nghe được âm có cường độ lớn hơn. Điều này đã tạo ra thuật ngữ, “Hiệu ứng Doppler”. Doppler còn đã đưa ra kết luận rằng vận tốc của sóng tạo ra chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường mà nó truyền đi.

Một khám phá vào cuối những năm 1890 của Nhà vật lý Wallace Sabine liên quan đến sóng âm đã thay đổi hoàn toàn bối cảnh nơi các nhạc sĩ biểu diễn.

Trước thời Sabine, không ai chú ý đến địa điểm mà các nhạc sĩ đã chơi. Sabine được giao nhiệm vụ cải tạo và cải thiện âm thanh của bảo tàng Harvard. Nhờ quá trình khám phá này, ông trở thành người đầu tiên đo được độ vang của âm thanh. Sabine đã thử nghiệm một số thứ. Bao gồm xem xét cả ghế ngồi của địa điểm với các vật liệu hấp thụ âm thanh. Khai trương vào năm 1900, Hội trường Giao hưởng Boston trở thành tòa nhà đầu tiên kết hợp hệ thống âm thanh và công thức khoa học trong việc xây dựng. Ngày nay, các phòng hòa nhạc đều được xây dựng chú trọng đến âm học. Điều này sẽ không thể thực hiện được nếu không có công của Sabine.

4. Đặc điểm của sóng âm

Sóng âm truyền đi với vận tốc 343 m/s trong không khí, nhanh hơn trong chất lỏng và chất rắn. Tốc độ được sắp xếp theo thứ tự môi trường truyền âm như sau: rắn > lỏng > khí. Sóng âm không truyền đi được trong môi trường chân không. 

Sóng truyền tốt ở các vật có bề mặt cứng, phản xạ âm thanh tốt, tạo tiếng vang. Các bề mặt mềm, như rèm và thảm (từ các vật liệu  xốp, nhung, bông, vải) truyền sóng rất yếu và phản xạ rất ít âm thanh. Thay vào đó chúng hấp thụ âm thanh, vì vậy không có tiếng vọng. Tốc độ truyền âm của sóng phụ thuộc vào: tính đàn hồi, khối lượng riêng, và nhiệt độ của môi trường truyền.

Phải có một nguồn sóng, một loại vật thể rung động nào đó có khả năng tạo ra chuyển động cho toàn bộ chuỗi sự kiện gây ra nhiễu động. Và các sóng này có thể truyền đi bởi vì cái được gọi là “tương tác hạt”. Cho phép sóng rung chuyển từ vị trí này đến vị trí khác.

Sóng âm có thể được mô tả bằng năm đặc điểm chính: Bước sóng, Biên độ, Chu kỳ, Tần số và Vận tốc.

4.1. Bước sóng

Bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm cực đại liền kề trong dao động của sóng được gọi là bước sóng của nó. Bước sóng được ký hiệu bằng một chữ cái Hy Lạp λ (lambda). 

Bước sóng âm
Bước sóng của sóng âm

Lưu ý: Khoảng cách giữa các tâm của vùng trũng sóng và điểm cực đại bằng một nửa bước sóng của nó, tức là λ / 2. Đơn vị đo bước sóng theo hệ S.I của sóng là mét (m).

4.2. Biên độ sóng âm

Khi sóng âm truyền qua một môi trường, các phần tử của môi trường đó tạm thời bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu của chúng. Độ dịch chuyển cực đại của các hạt của môi trường khỏi vị trí ban đầu của chúng khi có sóng truyền qua môi trường được gọi là biên độ của sóng. 

Thực tế biên độ sóng âm được dùng để mô tả kích thước của sóng. Đơn vị đo biên độ mét (m), đôi khi nó cũng được đo bằng cm. Và biên độ của sóng giống với biên độ của vật dao động tạo ra sóng.

4.3. Chu kỳ

Thời gian ngắn nhất mà một cấu trúc sóng lặp lại tại một điểm được gọi là chu kỳ sóng. Chúng ta cũng có thể nói rằng đây là thời gian cần thiết để hoàn thành một rung động. Nó được ký hiệu bằng chữ T. Đơn vị đo khoảng thời gian là giây.

4.4. Tần số sóng âm

Số lượng sóng hoặc số lượng chu kỳ hoàn chỉnh được tạo ra trong một giây được gọi là tần số của sóng. Lấy ví dụ: nếu 10 sóng được tạo ra trong một giây thì tần số của sóng sẽ là 10 hertz hoặc 10 chu kỳ mỗi giây. Tần số của sóng là cố định. Và không thay đổi ngay cả khi nó truyền qua các chất khác nhau.

Đơn vị tần số của tần số sóng âm là hertz (Hz). Đơn vị tần số lớn hơn được gọi là kilohertz (kHz). 1 kHz = 1000 Hz. Tần số của sóng được ký hiệu bằng chữ f.

  • Tần số của sóng bằng tần số của vật dao động tạo ra sóng.
  • Mối quan hệ giữa chu kỳ và tần số của sóng: f = 1T

Điều này có nghĩa là sóng âm thanh có tần số cao có chu kỳ ngắn. Trong khi sóng âm tần số thấp có chu kỳ dài. Ví dụ, một sóng âm có tần số 20 hertz sẽ có chu kỳ 0,05 giây. Tức là 20 bước sóng / giây × 0,05 giây / bước sóng = 1. Trong khi sóng âm 20 kilohertz sẽ có chu kỳ là 0,00005 giây. 20.000 bước sóng / giây × 0,00005 giây / bước sóng = 1.

Sóng âm
Sóng âm phát ra từ con người

Từ 20 hertz đến 20 kilohertz là dải tần số nghe được của con người. Đặc tính vật lý của tần số được nhận thức về mặt sinh lý là cao độ. Do đó tần số càng cao thì cao độ cảm nhận càng cao. 

4.5. Vận tốc của sóng âm

Quãng đường sóng âm truyền được trong một giây gọi là vận tốc truyền sóng hay tốc độ truyền sóng. Nó được biểu thị bằng chữ v. Đơn vị đo vận tốc là mét trên giây (m/s).

  • Mối quan hệ giữa vận tốc, tần số và bước sóng:
  • Vận tốc = Khoảng cách đã đi / Thời gian thực hiện
  • Cho v = λ / T
  • Trong đó T = thời gian thực hiện của một sóng.
  • v = f X λ
  • Công thức này được gọi là phương trình sóng.
  • Trong đó v = vận tốc của sóng
  • f = tần số
  • λ = bước sóng

5. Kết

Sóng âm là một loại sóng dọc. Âm thanh được truyền đi dưới dạng sóng, do các hạt trong không khí dao động. Hy vọng qua bài viết này, bạn đã hiểu hơn về định nghĩa sóng âm cũng như những đặc điểm, phân loại của chúng. Bên cạnh đó, lịch sử khám phá ra chúng cũng là những câu chuyện thú vị.