Sóng Âm Là Gì? Lý Thuyết Sóng Âm Và Bài Tập Minh Họa

1. Sóng âm là gì?

Trong các môi trường rắn, lỏng, khí, sóng âm là những sóng cơ lan truyền được. Khi sóng âm được truyền đến tai người, nó sẽ làm cho màng nhĩ dao động, tạo ra cảm giác cảm thụ âm, nghĩa là khi đó con người có thể nghe được âm thanh. Trong môi trường lỏng và khí, sóng âm tồn tại dưới dạng sóng dọc, còn trong môi trường rắn thì nó có thể ở dạng sóng dọc hoặc là sóng ngang.

2. Phân loại sóng âm

2.1. Sóng âm nghe được

Gây ra cảm giác thính giác ở tần số trong khoảng từ 16Hz đến 20000Hz là sóng âm nghe được. 

2.2. Sóng siêu âm

Không gây ra cảm giác thính giác ở người với tần số lớn hơn 20000Hz là sóng siêu âm. 

Sóng siêu âm có tần số 20000Hz.

2.3. Sóng hạ âm

Không gây ra cảm giác thính giác ở người khi tần số nhỏ hơn 16Hz là sóng hạ âm. 

Sóng hạ âm có tần số 16Hz.

2.4. Nhạc âm và tạp âm

Nhạc âm là âm của các nốt Đồ, Rê, Mi, đây là âm có thanh điệu nhất định. Tạp âm là khi có tần số không xác định của âm (tiếng ồn ào trên đường, tiếng chuông, tiếng kèn).

3. Công thức tính sóng âm

Sau đây là các công thức cơ bản cần ghi nhớ của sóng âm: 

Công thức về cường độ âm:

$I=\frac{P}{4\pi R2}$

Công thức về mức cường độ âm:

$L=lg\frac{I}{I_{0}}(B)$

Hay còn có công thức khác như sau: 

$L=10lg\frac{I}{I_{0}}(dB)$

Và công thức mở rộng như sau: 

$L_{A}-L_{B}=20lg\frac{R_{B}}{R_{A}}$

• Ở hai đầu cố định, tần số sóng âm do dây đàn phát ra sẽ là: f=(kv)/(2l). 

• Khi k = 1 thì đó là âm thanh phát ra cơ bản. 

• Nếu k >1 thì âm thanh phát ra sẽ là họa âm.

• Ở một đầu cố định, một đầu tự do, ta có ống sáo phát ra tần số sóng âm: f = (2k+1)*v/(4l)

• Khi k = 0 thì âm thanh là âm thanh cơ bản

• Nếu k > 0 thì đó là họa âm 

⇒ Công thức để khi biết tần số hai họa âm liên tiếp và tìm được tần số âm cơ bản là: f = (n + 1)f - nf

4. Đặc trưng vật lý của sóng âm

4.1. Tần số âm

Đặc trưng vật lý quan trọng của âm là tần số âm.

4.2. Cường độ âm

Năng lượng của sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích là cường độ âm đặt vuông góc với phương truyền sóng ở một đơn vị thời gian nhất định. 

Ta có ký hiệu của cường độ âm là I, với đơn vị là W/M2

– Cường độ âm thanh được ký hiệu:I; mang đơn vị: W/m2 (oát trên mét vuông)

– Công thức: $L(B)=log\frac{I}{I_{0}}$

– Đơn vị: B (ben); 1B = 10dB(đề-xi-ben) hay $L(dB)=10.log\frac{I}{I_{0}}$

4.3. Mức cường độ âm

Công thức tính  cường độ âm thanh là:

$L(B)=log\frac{I}{I_{0}}$

Khi đó đơn vị là: B (ben), 1B = 10dB hoặc $L(dB)=10.log\frac{I}{I_{0}}$

Ta có một vài mức độ của cường độ âm như sau: 

4.4. Âm cơ bản và họa âm

• Nhạc cụ luôn đồng thời phát ra một loại âm có tần số: 2f₀, 3f₀, 4f₀,… với các cường độ khác nhau khi cho nhạc cụ phát ra âm có tần số f₀ 

– Âm cơ bản là âm tần f₀, còn các họa âm thứ hai, thứ ba, thứ tư,… là các âm có tần số 2f₀, 3f₀, 4f₀,… 

– Khi phát ra cùng một nốt nhạc các họa âm có thể có biên độ khác nhau kiến đồ thị dao động âm không giống nhau. Có thể phân biệt được điều này qua âm sắc của âm. 

– Đồ thị dao động của âm là đặc trưng vật lý thứ ba của âm.

5. Sự truyền âm

a) Môi trường truyền âm

– Không truyền được trong chân không mà truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí. 

– Chất cách âm như bông, len thì âm thanh không thể được truyền qua. 

b) Tốc độ truyền âm

– Âm được truyền với một tốc độ xác định và hữu hạn trong mỗi môi trường khác nhau. 

Tốc độ truyền âm của các chất như sau:

6. Đặc trưng sinh lý của sóng âm

- Độ cao của âm:

+ Tần số càng lớn khi âm thanh càng cao. Tần số càng nhỏ âm thanh càng trầm, thấp

- Độ to của âm:

Ta không thể  đo độ to của âm bằng cách lấy mức cường độ âm 

Độ to của âm phụ thuộc còn phụ thuộc vào cường độ âm, mức cường độ âm và tần số của âm.

+ Ta nghe được càng lớn khi cường độ âm càng lớn.

+ Mức cường độ âm nhỏ nhất mà tai ta có cảm giác nghe được gọi là ngưỡng nghe. 

+ Tai nghe có cảm giác nhức nhói đối với mọi tần số khi cường độ âm lên đến 10W/m2 gọi là ngưỡng đau.

- Âm sắc: 

+ Vì các nhạc cụ có âm sắc khác nhau, nên khi các nhạc cụ khác nhau phát ra các âm có cùng một độ cao nhưng tai ta có thể phân biệt được âm thanh của từng nhạc cụ khác nhau.

+ Đồ thị dao động của chúng có dạng khác nhau khi âm có cùng một độ cao do các nhạc cụ khác nhau phát ra có cùng một chu kì.

⇒ Âm sắc là một đặc trưng sinh lí của âm thanh khi phân biệt các nguồn. Đồ thị dao động âm có liên quan mật thiết đến âm sắc.

7. Một số câu hỏi thường gặp về sóng âm

7.1. Sóng âm không truyền được trong môi trường nào?

Sóng âm chỉ có thể được truyền trong một môi trường nhất định: 

Với môi trường chất rắn, chất lỏng, chất khí thì sóng âm có thể truyền được.

Trong môi trường chân không thì sóng âm không truyền được.

7.2. Sóng âm là sóng dọc hay sóng ngang?

Tùy thuộc vào môi trường mà sóng âm có thể là sóng dọc hoặc sóng ngang.

+ Trong môi trường chất lỏng và chất khí thì sóng âm sẽ là sóng dọc.

+ Trong môi trường chất rắn, sóng âm tồn tại dưới dạng sóng dọc hoặc sóng ngang.

7.3. Sóng siêu âm là gì? Sóng siêu âm có hại không? 

Siêu âm hay sóng siêu âm, đây là từ có nguồn gốc từ các từ tiếng Latinh, trong đó “ultra” là vượt ra ngoài, “sonic” nghĩa là âm thanh. Thuật ngữ này dùng để mô tả các sóng âm thanh rung động nhanh hơn mức tai người có thể phát hiện được.

Sóng siêu âm có rất nhiều lợi ích nhưng tồn tại song song với nó là các hạn chế.  Một số ảnh hưởng có thể gây ra với sức khỏe như sau:

• Nam giới có thể vô sinh trong 6 tháng.

• Sức khỏe sinh sản của người mẹ có thể xảy ra khi mang thai.

• Sóng siêu âm có thể ảnh hưởng đến sức khỏe và sự phát triển bình thường của thai nhi 

• Có thể làm biến dạng DNA, gây ảnh hưởng đến di truyền.

• Khi sóng âm có tần số > 20KHz có thể gây ảnh hưởng đến thính giác con người.

8. Bài tập sóng âm

8.1. Bài tập minh họa 

1. Tần suất số âm cơ bản của sáo là 420Hz. 20000 Hz là tần số âm cao nhất một người nghe được. Người này có thể nghe được tần số âm cao nhất do chiếc sáo phát ra là bao nhiêu?

Giải:

 Ta có cơ bản: fn = n*f = 420n (nN)

Lại có 

$f_{n}\leq 20000\Rightarrow 420n\leq 20000\Rightarrow n\leq 47,6\Rightarrow n_{max}=47$

Suy ra tiếng sáo có thể phát ra tần số âm lớn nhất người này nghe được là: 47. 420 = 19740

2. Trong không gian một nguồn âm phát âm đẳng hướng. Không có sự hấp thụ và phản xạ âm thanh tại đây. Ở một điểm cách nguồn âm 10m sẽ có 80dB là mức cường độ âm. Mức cường độ âm bằng bao nhiêu nếu cách nguồn âm 1m?

Giải: 

Có: $\frac{I_{1}}{I_{2}}=(\frac{R_{2}}{R_{1}})^{2}=\frac{1}{100}\Rightarrow I_{2}=100I_{2}$

$L_{1}=10lg\frac{I_{1}}{I_{0}}(dB)$

$L_{2}=10lg\frac{I_{2}}{I_{0}}(dB)=10lg\frac{100I_{1}}{I_{0}}(dB)=10.(2+lg\frac{I_{1}}{I_{0}})=20+L_{1}=100 dB$

3. Họa âm thứ năm và thứ sáu có tần số bằng bao nhiêu khi tần số hơn kém nhau 50Hz là của hai họa âm liên tiếp do một dây đàn phát ra?

Giải: 

Ta có 

f_n - f_n-1 = 50 ⇔ nf₁ - (n - 1)f₁ = 50f₁ = 50Hz

Suy ra tần số của họa âm thứ 5 là: 

F5 = 5*f1 = 5.50 = 250 Hz

Tần số của họa âm thứ sáu là: 

F6 = 5.60 = 300 Hz

4. Trong một môi trường không hấp thụ và không phản xạ âm, một nguồn âm điểm S phát âm đẳng hướng với công suất không đổi. Ban đầu, cường độ âm thanh do S tạo ra tại điểm M là L ( đơn vị dB). 60 m là khoảng cách từ S đến M thì mức cường độ âm tại M lúc này là L + 6 (dB). Khoảng cách từ M đến S lúc đầu là

Giải:

Ta có:

$10lg\frac{I_{2}}{I_{1}}=20lg\frac{R_{1}}{R_{2}}=6\Rightarrow \frac{R_{1}}{R!-60}=0,3\Rightarrow R_{1}approx 120m$

5. Đầu trên hở trong không khí của một ống thủy tinh hình trụ đặt thẳng đứng với một lượng nước ổn định bên trong. Với tần f = 1100 Hz, khi đưa một âm thoa lại gần miệng ống và kích thích âm thoa dao động thì ống không phát ra âm thanh. Dâng mực nước lên cao dần sau khi giữ nguyên âm thoa tiếp tục dao động thì thấy âm thanh ống phát ra to dần đến cực đại,rồi nhỏ đến tắt hẳn. Trong trường hợp này, mực nước dâng cao 15 cm so với ban đầu. Vận tốc truyền âm thanh trong không khí  lúc này là bao nhiêu?

Giải:

Ta có mực nước dâng lên là: λ/2 = 15cm ⇒ λ = 30cm

Trong không khí sẽ có vận tốc truyền âm là: v = λ*f = 0,3*1100 = 330 m/s

8.2. Bài tập vận dụng

Câu 1:

Phát sóng âm theo mọi phương như nhau từ nguồn âm O. Qua nguồn âm O, hai điểm A, B nằm trên cùng đường thẳng, so với nguồn thì cùng bên. Khoảng cách từ A đến nguồn bé hơn B đến nguồn 4 lần. Mức cường độ âm tại B bằng bao nhiêu, nếu mức độ âm tại A là 60dB?

A. 48 dB                   B. 15dB                          C. 20dB                          D. 16dB

Đáp án: A

Câu 2:

Cường độ âm là I khi một người đứng cách một nguồn âm khoảng là d. Cường độ âm thanh giảm chỉ còn I/4 khi người đó tiến xa nguồn âm 20m nữa. d  có khoảng cách là:

A. 40 m                       B. 160 m                             C. 10 m                           D. 20 m

Đáp án D

Câu 3:

Nếu mức cường độ âm tăng thêm 2 Ben, cường độ âm tăng gấp bao nhiêu lần?

A. 10 lần                     B. 100 lần                     C. 50 lần               D. 1000 lần

Đáp án D

Câu 4:

2 nhạc cụ khác nhau có âm thanh phát ra luôn khác nhau ở:

A. Độ cao                   B. Độ to                 C. Âm sắc           D. Mức cường độ âm

Đáp án: A

Câu 5:

Tai ta có thể cảm thụ sóng cơ học tần số bao nhiêu khi sóng cơ lan truyền trong không khí với cường độ đủ lớn?

A. Sóng cơ học 10 Hz

B. Sóng cơ học 20 Hz

C. Sóng cơ học 30 kHz

D. Sóng cơ học với chu kỳ 2 ms

Đáp án: D

Câu 6:

Cường độ âm chuẩn kém 10 lần cường độ âm suy ra mức cường độ âm có giá trị là:

A. 2 dB                         B. 2 dB                         C. 20 B                           D. 100 dB

Đáp án B

Câu 7:  

Cách nguồn âm đẳng hướng tại điểm A có 10 m với cường độ âm là 24 dB suy ra  mức cường độ âm bằng không cách nguồn cách khoảng cách là:

A. 3162 m                  B. 2812 m                     C. 158,49 m                      D. 2681 m

Đáp án C

Câu 8:

Trong không khí, vận tốc truyền âm thanh là 340 m/s. 2 điểm gần nhau nhất trên cùng một phương truyền sóng âm dao động có độ dài ngược pha nhau 0,85 m. Vậy âm có tần số là bao nhiêu?

A. f = 85Hz                     B. f = 170Hz               C. f = 200Hz        D. f = 255Hz

Đáp án: C

Câu 9:  

Ở một đầu ống trụ 1 m có một pittông dùng để điều chỉnh chiều dài cột khí ống. Với tần số 660 Hz ở gần đầu hở của ống, đặt một âm thoa dao động.Vận tốc củaâm thanh trong không khí bằng 330 m/s. Để cộng hưởng âm trong ống thì phải điều chỉnh độ dài ống là?

A. l = 0,75m        B. l = 0,50m              C. l = 25,0cm         D. l = 12,5cm

Đáp án: D

Câu 10:

Tần số f = 1000Hz lan truyền trong không khí là của một sóng cơ học. Sóng đó là loại sóng gì?

A. Sóng siêu âm                                            B.  Sóng âm

C. Sóng hạ âm                                               D. Không thể kết luận 

Đáp án: D

Trên đây toàn bộ kiến thức về sóng âm mà VUIHOC chia sẻ với các bạn học sinh. Hy vọng rằng, bài viết này sẽ giúp sẽ giúp các em có thể nắm vững kiến thức và giải các bài tập Vật lý dễ dàng. Để đọc thêm nhiều kiến thức Vật Lý bổ ích khác, các em học sinh hãy truy cập Vuihoc.vn ngay bây giờ nhé!