Khoa CNTT – ĐHBKHN LÝ THUYẾT CƠ BẢN CHUƠNG 1. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ÂM THANH. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN - SÓNG CƠ 1. Sự hình thành sóng trong môi trường đàn hồi.
Định nghĩa: Các môi trường chất khí, chất lỏng, chất rắn là môi trường đàn hồi. Môi trường đàn hồi có thể coi là những môi trường liên tục gồm những phân tử liên kết chặt chẽ với nhau, lúc bình thường mỗi phân tử có một vị trí cân bằng bền. Sự hình thành sóng trong môi trường đàn hồi: • Do tính chất của môi trường đàn hồi, cho nên nếu tác dụng lên phân tử nào đó của môi trường thì phân tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền. • Do tương tác, các phân tử lân cận một mặt kéo phân tử A về vị trí cân bằng, mặt khác nhận một phần năng lượng do phân tử A truyền sang, do đó cũng dao động theo, hiện tượng này xảy ra liên tiếp tạo thành sóng.
Sóng đàn hồi (sóng cơ) là sự lan truyền dao động trong môi trường đàn hồi. Sóng cơ không thể truyền được trong chân không, vì chân không không phải là môi trường đàn hồi. • Cần lưu ý trong khi truyền dao động, các phân tử của môi trường không di chuyển theo các dao động được lan truyền mà chỉ dao động quanh vị trí cân bằng của nó. Một số khái niệm về sóng: • Nguồn sóng: là ngoại vật gây ra kích động sóng.
• Tia sóng: là phương truyền sóng. • Môi trường sóng: là không gian mà sóng truyền qua. • Mặt sóng: là mặt chứa những điểm (phân tử) có cùng trạng thái dao động tại một thời điểm nào đó. Tia sóng luôn vuông góc với mặt sóng.
SVTH: Đỗ Văn Tuấn Trang 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa CNTT – ĐHBKHN • Sóng cầu: mặt sóng là những mặt cầu phân bố đều trong không gian, tâm là nguồn sóng. Trong môi trường đồng chất và đẳng hướng sẽ có sóng cầu. Đối với sóng cầu tia sóng trùng với bán kính của mặt cầu. • Sóng phẳng: mặt sóng là những mặt phẳng song song nhau, tia sóng vuông góc với mặt sóng.
Nếu nguồn sóng ở rất xa môi trường đang xét thì mặt sóng có thể coi là những mặt phẳng song song. • Sóng dọc: là sóng trong đó các phân tử của môi trường dao động quanh vị trí cân bằng trên phương trùng với tia sóng. Khi có sóng dọc, trên phương của tia sóng các phân tử của môi trường khi thì bị nén chặt, khi thì giãn ra làm cho các phân tử của môi trường có chỗ dày chỗ thưa. • Sóng ngang: là sóng trong đó các phân tử của môi trường dao động quanh vị trí cân bằng trên phương vuông góc với tia sóng.
Nguyên nhân gây ra sóng ngang và sóng dọc: • Tùy tính chất của môi trường đàn hồi mà trong đó có thể xuất hiện sóng ngang hay sóng dọc. - Khi một lớp của môi trường bị lệch đối với lớp khác làm xuất hiện các lực đàn hồi có xu hướng kéo lớp bị lệch về vị trí cân bằng thì trong môi trường đó có thể truyền được sóng ngang. Vậy vật rắn là một môi trường có tính chất đó. - Nếu trong môi trường không có các lực đàn hồi khi các lớp song song bị lệch đối với nhau thì sóng ngang không thể hình thành được.
Chất lỏng và chất khí là những môi trường đó. - Khi bị biến dạng nén hay căng mà trong môi trường có các lực đàn hồi xuất hiện thì trong môi trường đó có thể truyền được sóng dọc. Chẳng hạn khi bị nén, chất lỏng hay chất khí sẽ tăng áp suất, lực nén giữ vai trò lực đàn hồi. • Như vậy trong chất lỏng và chất khí chỉ có sóng dọc truyền được, còn trong chất rắn có thể truyền được cả hai loại sóng.
Các đặc trưng của sóng. Vận tốc truyền sóng (C) : Là quãng đường mà sóng truyền được trong một đơn vị thời gian. Bước sóng λ: Là quãng đường mà sóng truyền được sau một thời gian bằng 1 chu kỳ T. Như vậy λ là khoảng cách bé nhất giữa các phân tử dao động cùng pha.
Theo định nghĩa ta có : λ = CT. Chu kỳ và tần số: • Chu kỳ T là thời gian cần thiết để sóng truyền được 1 bước sóng λ. SVTH: Đỗ Văn Tuấn Trang 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa CNTT – ĐHBKHN • Tần số f là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây : F = 1/T (Hz) 1. Phương trình sóng.
• Sóng phẳng truyền dọc theo phương OY với vận tốc C thì phương trình sóng biểu thị mối quan hệ giữa độ chuyển dời X của phân tử dao động kể từ vị trí cân bằng với thời gian t và khoảng cách y đến các vị trí cân bằng các phân tử dao động trên phương truyền sóng như sau : X = asinω(t – y/c) • Nếu sóng phẳng truyền theo hướng ngược với hướng tính khoảng cách y thì : X = asinω(t + y/c) • Đối với sóng cầu thì biên độ a của dao động sóng tại vị trí cách nguồn bằng bán kính r, tỉ lệ nghịch với r, phương trình sóng có dạng: X = a/r sinω(t – r/c) II. Dao động âm và sự truyền dao động. • Sóng âm là một loại sóng cơ có biên độ dao động nhỏ mà thính giác nhận biết được. Thí dụ dao động phát ra từ dây đàn, mặt trống.
đang rung động. Sóng âm là một loại sóng cơ nên mọi khái niệm và hiện tượng về dao động và sóng cơ trên đây đều áp dụng cho sóng âm. • Trong không khí cũng như trong mọi chất khí khác, những dao động truyền đi dưới dạng sóng dọc, khi đến tai người những dao động có tần số từ 16 đến 20000 Hz sẽ gây cảm giác đặc biệt về âm. • Các dao động đàn hồi có tần số f>20.000 Hz là sóng siêu âm.
• Các dao động đàn hồi có tần số f<16 Hz là sóng hạ âm • Mỗi âm có một tần số riêng, đơn vị của tần số là héc (Hz) với định nghĩa:”Héc là tần số của một qúa trình dao động âm trong đó mỗi giây thực hiện được một dao động”. 1 Héc (Hz) = 1 dao động / 1 giây • Việc phân chia sóng hạ âm, sóng siêu âm và sóng âm (âm thanh) liên quan tới khả năng sinh lý của thính giác 2. Đơn vị vật lý của âm thanh. • Âm thanh hay tiếng động mà con người nhận biết được do tác động của sóng âm lên màng nhĩ tai.
• Các dao động âm phát ra từ nguồn lan truyền trong môi trường đàn hồi như không khí. dưới dạng sóng đàn hồi gọi là sóng âm. Sóng âm đến kích SVTH: Đỗ Văn Tuấn Trang 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa CNTT – ĐHBKHN động màng nhĩ tai gây cảm giác về âm, do đó cần phân biệt hai loại đại lượng về âm: - Đại lượng âm khách quan: những đại lượng thuần túy vật lý, không phụ thuộc vào tai người. - Đại lượng âm chủ quan: những đại lượng tâm lý vật lý phụ thuộc vào tai người.
Đơn vị âm khách quan: a. Aùp suất âm: Khi sóng âm tới một mặt nào đó, do các phân tử môi trường dao động tác dụng lên mặt đó một lực gây ra áp suất. Aùp suất ở đây là áp suất dư do sóng âm gây ra ngồi áp suất khí quyển. Trong phạm vi nghe được, áp suất âm trong khoảng từ 2.10 μbar, chênh lệch 106 lần, đó là một phạm vi rất rộng.
Cường độ âm (I): - Cường độ âm ở một điểm nào đó trên phương đã cho trong trường âm là số năng lượng âm đi qua đơn vị diện tích của mặt S vuông góc với phương truyền âm, tại điểm đó trong đơn vị thời gian. - Một vài cường độ âm đáng chú ý: Người nói thường I = 2.000 W/m2 - Trong điều kiện chuẩn (to = 20oC, áp suất 760mmHg): Vận tốc âm trong không khí : C = 340 m/s ρ = 0,00121 gr/cm3. γ = Cp/Cv = 1,4 - Trong tính tốn người ta quy ước lấy âm đơn tần số f = 1000 Hz làm chuẩn để so sánh (gọi là âm chuẩn). - Đối với âm chuẩn, trong phạm vi nghe được Áp suất âm nhỏ nhất Pmin = 2.10-4 μbar Cường độ âm nhỏ nhất Imin = 10-16 W/cm2.
- Aùp suất âm và cường độ âm lớn nhất mà tai người có thể chịu được là: Pmax = 2.102 μbar Imax = 10-4 W/cm2. - Công suất âm nhỏ nhất có thể nghe thấy được Wmin = 10-12 Watt. Đơn vị âm chủ quan: SVTH: Đỗ Văn Tuấn Trang 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoa CNTT – ĐHBKHN • Tai người trung bình có thể nhận được những sóng âm có tần số từ 16 đến 20000 Hz, hiệu qủa này có liên quan tới khả năng sinh lý của tai người. • Như vậy, âm thanh là một hiện tượng tâm lý vật lý, không phải bất cứ sóng âm nào tới tai cũng gây ra cảm giác âm thanh như nhau.
Aâm có tần số khác nhau gây ra cảm giác khác nhau. • Cường độ âm nhỏ nhất của một sóng âm xác định mà tai người nghe thấy được gọi là “Ngưỡng nghe”. Aâm có tần số khác nhau giá trị ngưỡng nghe cũng khác nhau. Tai người thính nhất với âm có tần số trong khoảng từ 1000 đến 3000 Hz, trong phạm vi này cường độ âm ngưỡng nghe nhỏ nhất.
Những tần số khác, tai kém thính hơn, ngưỡng nghe có giá trị lớn hơn. • Đối với âm chuẩn, cường độ và áp suất ở ngưỡng nghe bằng: Po = 2. • Do cảm giác âm thanh phụ thuộc vào đặc tính sinh lý của tai người, cho nên phải có một số đại lượng đặc trưng cho cảm giác âm thanh phụ thuộc vào tai người, những đại lượng như vậy gọi là đại lượng âm chủ quan. Bel và decibel (db): Theo định lý sinh lý của Vebe-Fécne, cảm giác nghe to đối với một âm không tỉ lệ thuận với cường độ âm của âm đó.
Khi cường độ âm tăng từ Io tới I thì cảm giác nghe to tăng tỉ lệ với lg(I/Io). Do đó người ta dùng thang lô-ga-rít cơ số 10 để đo mức cảm giác so với mức ngưỡng. Mức ngưỡng gọi là mức zero qui ước : lg(I/Io) = lg(10-12/ 10-12) = 0 bel. Đơn vị là Bel hay db.
Mức cường độ âm (LI): Nếu gọi I là cường độ âm của âm đang xét và Io là cường độ âm của mức zero qui ước của âm chuẩn thì mức cường độ âm LI bằng : LI = 10lg(I/Io) db I tính bằng W/m2. Mức áp suất âm (Lp): Mức áp suất âm suy dẫn từ mức cường độ âm Lp = 20lg(P/Po) db.