Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÂM THANH 1. Bản chất vật lý của âm thanh 1. Sóng âm và các loại nguồn âm a. Sóng âm Về mặt vật lý, âm thanh là những sóng dao động xuất hiện trong các môi trường vật chất (như chất khí, chất lỏng, chất rắn ., gọi chung là môi trường đàn hồi) khi có vật bị rung động do chịu các lực kích thích.
Vật rung động là nguồn âm (như dây đàn và màng trống khi rung hay tiếng nói - sự rung của các dây thanh v.), sóng dao động được gọi là sóng âm, và môi trường trong đó có sóng âm lan truyền gọi là trường âm. Sóng dao động truyền tới tai người và ta cảm nhận được âm thanh. Sóng âm lan truyền trong môi trường đàn hồi Sự xuất hiện và lan truyền của sóng âm trong môi trường đàn hồi được giải thích như sau (Hình 1.1): Dao động của nguồn âm (ví dụ âm thoa) gây ra áp lực làm nén hoặc dãn luân phiên các phần tử môi trường (không khí) ở hai phía của nó. Khi bị kích thích, các phần tử của môi trường sẽ dao động quanh một vị trí cân bằng và truyền các dao động đó cho phần tử bên cạnh nhờ có liên kết đàn hồi giữa chúng.
Đến lượt các phần tử này lại truyền dao động mới nhận được cho các phần tử tiếp theo, và cứ như vậy dao động được lan truyền đi xa dần nguồn âm. Như vậy sóng âm thực chất là sóng áp suất của môi trường. Khi các dao động âm truyền đến tai người, ở một phạm vi thích hợp (xem Mục 1.5) chúng sẽ tác động lên cơ quan thính giác và cho ta cảm giác âm thanh. Sóng âm cũng mang theo năng lượng, được gọi là năng lượng âm, và năng lượng này sẽ giảm dần trong trường âm, bởi vì càng xa nguồn năng lượng của nó càng bị chia sẻ cho một số lượng các phần tử nhiều hơn, cho đến khi tắt hẳn.
Các loại sóng âm Trong các môi trường khác nhau, có thể lan truyền các loại sóng âm khác nhau. (1) Trong không khí: theo đặc điểm của nguồn âm và hình dạng mặt sóng, có ba loại sóng âm lan truyền: 7 - Sóng cầu: khi mặt sóng là những mặt cầu. Các nguồn điểm phát năng lượng đồng đều trong một môi trường tĩnh đồng nhất sẽ tạo ra sóng cầu (Hình 1.2a) - Sóng phẳng: nếu mặt sóng là những mặt phẳng (Hình 1. Trong thực tế không có các nguồn phát ra sóng phẳng, nhưng ở các điểm khá xa nguồn âm ta có thể coi sóng cầu như sóng phẳng.
- Sóng trụ: nếu mặt sóng là những mặt trụ (Hình 1. Sóng trụ do các nguồn âm đường phát ra. Hãy tưởng tượng có một dòng xe ô-tô giống nhau chạy nối đuôi nhau trên đường, khi đó ta có thể coi chúng như một nguồn âm đường phát ra sóng trụ. Vì vậy sóng trụ rất có ý nghĩa khi nghiên cứu tiếng ồn giao thông trong thành phố (xem Chương 5).
Các dạng sóng: a) Sóng cầu ; b) Sóng phẳng; c) Sóng trụ Đặc điểm lan truyền âm thanh của sóng cầu, sóng phẳng hay sóng trụ không giống nhau, đặc biệt là sự suy giảm năng lượng xa dần nguồn âm, chúng ta sẽ nghiên cứu trong Mục 1.5 của chương này. (2) Trong chất rắn có thể lan truyền 3 loại sóng: - Sóng dọc: khi các phần tử dao động dọc theo phương truyền sóng. - Sóng ngang: khi các phần tử dao động vuông góc với phương truyền sóng. - Sóng uốn: Sóng uốn chỉ xẩy ra trong các tấm mỏng như tường và sàn nhà.
Khi có sóng uốn, tấm sẽ bị uốn và bề mặt sẽ bị dao động. Sóng uốn rất có ý nghĩa khi nghiên cứu cách âm của các kết cấu nhà cửa (xem Chương 4).3 là minh họa của ba loại sóng nói trên trong chất rắn. Các loại sóng âm trong chất rắn a) Sóng dọc; b) Sóng ngang; c) Sóng uốn Trong các chất khí và chất lỏng nói chung chỉ có sóng dọc lan truyền, trong các chất rắn có thể lan truyền được cả sóng dọc và sóng ngang. Trong chân không sóng âm không thể lan truyền được.
Các đặc trưng cơ bản của sóng âm Các đặc trưng cơ bản của sóng âm là tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ dao động và vận tốc truyền âm. - Tần số âm: là số dao động toàn phần mà các phần tử môi trường thực hiện được trong một giây, thường ký hiệu bằng chữ f, đơn vị đo là Héc (Hz). Phạm vi dao động âm mà tai người cảm thụ được có tần số từ khoảng 20 đến 20000 Hz đối với người trẻ tuổi. - Bước sóng âm: là khoảng cách gần nhất giữa hai phần tử có cùng pha dao động (Hình 1.1), thường ký hiệu bằng chữ λ, đơn vị đo là mét (m).
Bước sóng tỉ lệ nghịch với tần số âm. Tần số càng lớn, bước sóng càng nhỏ. - Chu kỳ dao động âm: là thời gian để các phần tử thực hiện được một dao động toàn phần, ký hiệu Ta, đơn vị đo là giây (s). - Biên độ dao động: là độ dời lớn nhất của các phần tử so với vị trí cân bằng.
Biên độ dao động (Hình 1.4) thể hiện độ mạnh, yếu của âm thanh. Biên độ càng lớn, âm thanh càng mạnh (Hình 1. Biểu diễn dao động của các phần tử theo thời gian Hình 1. Biên độ thể hiện độ mạnh, yếu của âm thanh - Vận tốc âm: Là vận tốc truyền của sóng âm trong các môi trường, nó hoàn toàn khác với vận tốc dao động của các phần tử.
Vận tốc âm phụ thuộc vào đặc điểm và nhiệt độ của môi trường, cũng như dạng sóng âm lan truyền. Ví dụ trong chất rắn, sóng dọc lan truyền với vận tốc lớn hơn sóng ngang. Trong không khí, vận tốc âm có thể xác định theo công thức sau: co 331,5 + 0,61.1) trong đó: co - vận tốc âm, m/s; t- nhiệt độ không khí, oC; 331,5- vận tốc âm ở nhiệt độ 0oC. Như vậy trong không khí, vận tốc âm tăng thêm 0,61 m/s mỗi khi nhiệt độ tăng o lên 1 C.
Người ta thường nói vận tốc âm trong không khí là vận tốc âm ứng với nhiệt 9 độ không khí 20oC. Trong các tính toán thường lấy vận tốc âm là 340 m/s (tương ứng ở nhiệt độ 14oC). Vận tốc âm trong một số môi trường được giới thiệu trong bảng 1.6 thể hiện vận tốc âm dưới dạng so sánh. Vận tốc âm trong một số môi trường ở 21oC, m/s Bảng 1.
So sánh vận tốc âm trong các môi trường Môi trường và đặc điểm Vận tốc âm, m/s Khí Không khí ở 0oC 331 Không khí ở 20oC 344 Hydrogen 1284 Oxygen 316 Cacbon dioxit 340 Lỏng Nước ở 25oC 1498 Nước biển ở 17oC 1510 – 1550 Dầu hỏa ở 34oC 1295 Rắn (sóng dọc) Thép 6100 Nhôm 6400 Gỗ thông 5260 Kính 5660 Gạch 3650 Bê tông cốt thép 4500 Đá granit 6000 Quan hệ giữa tần số, bước sóng, chu kỳ và vận tốc âm trong không khí được thể hiện theo biểu thức sau: (1.2) trong đó: λ - bước sóng, m; f - tần số, Hz; Ta - chu kỳ, s; co - vận tốc âm trong không khí (340 m/s). 10 Theo biểu thức trên, trong phạm vi tần số 20 đến 20000 Hz bước sóng âm thay đổi từ 17 m đến 1,7 cm. Các đơn vị đánh giá âm thanh (1) Công suất âm Công suất âm, ký hiệu P, là năng lượng âm đo bằng Oát (W) do nguồn bức xạ trong một giây. Công suất âm trung bình của một số nguồn như sau: - Máy bay phản lực: 10.000 (104) - Máy tán đinh khí nén: 1 - Quạt trục 50 kW: 0,1 (10-1) - Dàn nhạc giao hưởng lớn: 0,01 (10-2) - Tiếng nói bình thường: 0,00001 (10-5) (2) Cường độ âm Cường độ âm, ký hiệu I, là số năng lượng trung binh đi qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền âm trong một giây.
Như vậy cường độ âm là một đại lượng có xét đến hướng truyền âm. (3) Mật độ năng lượng âm Mật độ năng lượng âm, ký hiệu E, là năng lượng âm chứa trong một đơn vị thể tích môi trường trong một giây, đơn vị là J/m3. Mật độ năng lượng âm thường được đề cập đến trong các phòng kín, khi âm thanh tới một điểm từ nhiều phía, lúc đó không xét đến hướng truyền âm. (4) Áp suất âm Áp suất âm, ký hiệu p, đơn vị N/m2 (hay Pa), là áp suất dư (áp suất có thêm so với áp suất khí quyển tĩnh) có trong trường âm.
Tại mỗi điểm của trường âm áp suất thay đổi theo chu kỳ từ dương (nén) sang âm (dãn). Tuy nhiên áp suất tác động lên cơ quan thính giác cũng như các thiết bị đo lường âm thanh là áp suất hiệu quả p̅ , tính theo công thức: pmax p̅ (1.3) √2 trong đó: pmax- áp suất cực đại tương ứng với biên độ dao động cực đại Áp suất âm trong phạm vi tai người nghe được có trị số rất nhỏ, chỉ bằng 10-10 (nhỏ nhất) đến 10-4 (lớn nhất) atm. Trong sóng âm phẳng, quan hệ giữa cường độ, áp suất và mật độ năng lượng âm được thể hiện theo các biểu thức sau: p̅ 2 I (1. c2 o o trong đó: o là khối lượng riêng của không khí, kg/m3.
Trị số c o o gọi là trở âm của không khí. Mức âm - đơn vị đê-xi-ben (decibel, ký hiệu dB) Âm thanh mà tai người nghe cảm thụ được có cường độ và áp suất thay đổi trong phạm vi rất rộng. Ví dụ, áp suất âm có thể thay đổi từ mức nhỏ nhất là 2.10-5 N/m2 đến mức lớn nhất là 2.101 N/m2, nghĩa là thay đổi một triệu lần. Cũng tương tự như vậy, cường độ âm thanh thay đổi tới 1012 lần.
Sự thay đổi quá lớn này gây bất tiện và trở ngại cho công việc đo lường đánh giá âm thanh. Mặt khác, người ta để ý đến đặc điểm nghe âm thanh theo kiểu so sánh của tai người: tai ta phân biệt áp suất âm giữa 1 và 2 Pa cũng giống như giữa 5 và 10 Pa. Weber Fechner phát hiện rằng cảm giác âm thanh của tai không tỷ lệ bậc nhất với năng lượng kích thích, mà với logarit của nó (Hình 1. Quan hệ giữa cảm giác và năng lượng kích thích Đó chính là cơ sở của một đơn vị đánh giá âm thanh mới theo thang logarit gọi là mức âm.
Như vậy mức âm là đơn vị đánh giá âm thanh theo thang logarit (cơ số 10) của tỷ số giữa áp suất hoặc cường độ âm cần đo với áp suất và cường độ âm lấy làm chuẩn so sánh (tham chiếu).