Bài học

Ôn tập: đặc trưng vật lí và đặc trưng sinh lí của âm

Mục tiêu bài học

Sau bài ôn tập này, em hệ thống hóa được mối liên hệ giữa các đặc trưng vật lí (tần số, cường độ âm, đồ thị dao động, tốc độ truyền âm) và các đặc trưng sinh lí (độ cao, độ to, âm sắc) của âm, đồng thời vận dụng tổng hợp các công thức đã học qua một bài toán nhiều bước.

Kiến thức nền cần nhớ

Bốn bài trước lần lượt học: sóng âm và nguồn âm, phân loại theo tần số, hai đặc trưng sinh lí gắn với tần số và cường độ âm (độ cao, độ to), đặc trưng sinh lí thứ ba (âm sắc), và ứng dụng của siêu âm. Bài ôn tập này không đưa thêm kiến thức mới, mà ghép các mảnh đó lại thành một bức tranh liền mạch.

Khởi động

Nếu chỉ được đo đúng hai đại lượng của một sóng âm — tần số và cường độ âm — em có suy ra được đầy đủ mọi thứ tai người cảm nhận về âm đó không? Đọc lại bảng tổng hợp dưới đây trước khi trả lời.

Kiến thức trọng tâm

Xuyên suốt cả chương, ba cặp tương ứng vật lí – sinh lí lặp lại: tần số $f$ quyết định độ cao; mức cường độ âm $L$ (tính từ cường độ âm $I$ qua công thức $L=10\log(I/I_0)$ ) quyết định độ to; hình dạng đồ thị dao động (do tỉ lệ các họa âm) quyết định âm sắc.

Bài đầu tiên đã nói sóng âm truyền được trong cả rắn, lỏng, khí. Một điều bài đó chưa nói rõ: tốc độ truyền âm không giống nhau ở ba trạng thái này. Các phân tử trong chất rắn liên kết chặt chẽ và gần nhau nhất, nên dao động truyền từ phân tử này sang phân tử kế tiếp nhanh nhất; chất khí có các phân tử ở xa nhau và liên kết yếu nhất, nên truyền âm chậm nhất. Giá trị tham khảo chuẩn SGK: trong không khí (điều kiện thường) $v \approx 340$ m/s; trong nước (đã dùng ở bài Ứng dụng của sóng âm) $v \approx 1500$ m/s; trong thép (chất rắn) $v \approx 5000$ m/s. Thứ tự tốc độ truyền âm: rắn $>$ lỏng $>$ khí.

Có thể hình dung mỗi phân tử môi trường như một khối gắn với các phân tử lân cận bằng một "lò xo" liên kết: lò xo càng cứng (liên kết càng mạnh, phân tử càng gần nhau như trong chất rắn), dao động truyền từ phân tử này sang phân tử kế tiếp càng nhanh. Trong chất khí, các phân tử ở xa nhau và chỉ va chạm ngẫu nhiên, nên phải mất nhiều thời gian hơn để dao động lan truyền được cùng một khoảng cách.

Nhìn lại toàn chương, mọi tính toán đều xoay quanh một số công thức cốt lõi: $f$ cùng hai ranh giới $16$ Hz và $20\,000$ Hz để phân loại; $L=10\log(I/I_0)$ để đo độ to; và $d=v.t/2$ để đo khoảng cách qua sonar. Nắm chắc ba công thức này, cùng ba cặp tương ứng vật lí – sinh lí, là đủ để giải quyết phần lớn bài tập của cả chương Sóng âm. Bảng tổng hợp trên cũng cho thấy: hai đại lượng vật lí đo được bằng máy móc chính xác (tần số kế, máy đo mức âm), trong khi cảm nhận sinh lí (nghe cao/thấp, to/nhỏ, phân biệt nguồn) lại tùy thuộc vào tai và não của từng người nghe — đó là lý do hai người có thể đánh giá cùng một âm là "hơi to" hay "khá to" khác nhau đôi chút, dù $L$ đo được là một con số khách quan duy nhất.

Xuyên suốt cả chương, ba cặp tương ứng vật lí – sinh lí lặp lại: tần số $f$ quyết định **độ cao**; mức cường độ âm $L$ (tính từ cường độ âm $I$ qua công thức $L=10\log(I/I_0)$) quyết định **độ to**; hình dạng đồ thị dao động (do tỉ lệ các họa âm) quyết định **âm sắc**. Bài đầu tiên đã nói sóng âm truyền được trong cả rắn, lỏng, khí. Một điều bài đó chưa nói rõ: tốc độ truyền âm không giống nhau ở ba trạng thái này. Các phân tử trong chất rắn liên kết chặt chẽ và gần nhau nhất, nên dao động truyền từ phân tử này sang phân tử kế tiếp nhanh nhất; chất khí có các phân tử ở xa nhau và liên kết yếu nhất, nên truyền âm chậm nhất. Giá trị tham khảo chuẩn SGK: trong không khí (điều kiện thường) $v \approx 340$ m/s; trong nước (đã dùng ở bài Ứng dụng của sóng âm) $v \approx 1500$ m/s; trong thép (chất rắn) $v \approx 5000$ m/s. Thứ tự tốc độ truyền âm: rắn $>$ lỏng $>$ khí. Có thể hình dung mỗi phân tử môi trường như một khối gắn với các phân tử lân cận bằng một "lò xo" liên kết: lò xo càng cứng (liên kết càng mạnh, phân tử càng gần nhau như trong chất rắn), dao động truyền từ phân tử này sang phân tử kế tiếp càng nhanh. Trong chất khí, các phân tử ở xa nhau và chỉ va chạm ngẫu nhiên, nên phải mất nhiều thời gian hơn để dao động lan truyền được cùng một khoảng cách. Nhìn lại toàn chương, mọi tính toán đều xoay quanh một số công thức cốt lõi: $f$ cùng hai ranh giới $16$ Hz và $20\,000$ Hz để phân loại; $L=10\log(I/I_0)$ để đo độ to; và $d=v.t/2$ để đo khoảng cách qua sonar. Nắm chắc ba công thức này, cùng ba cặp tương ứng vật lí – sinh lí, là đủ để giải quyết phần lớn bài tập của cả chương Sóng âm. Bảng tổng hợp trên cũng cho thấy: hai đại lượng vật lí đo được bằng máy móc chính xác (tần số kế, máy đo mức âm), trong khi cảm nhận sinh lí (nghe cao/thấp, to/nhỏ, phân biệt nguồn) lại tùy thuộc vào tai và não của từng người nghe — đó là lý do hai người có thể đánh giá cùng một âm là "hơi to" hay "khá to" khác nhau đôi chút, dù $L$ đo được là một con số khách quan duy nhất.

Tốc độ truyền âm tăng dần từ khí đến lỏng đến rắn, vì các phân tử trong chất rắn liên kết chặt chẽ và gần nhau nhất.

Ví dụ

Ôn tập: phân loại tần số và tính mức cường độ âm

1
Một loa phát ra âm có tần số $f=9000$ Hz và cường độ âm tại một điểm là $I=10^{-7}$ W/m² (với $I_0=10^{-12}$ W/m²). (a) Âm này thuộc loại nào theo tần số? (b) Tính mức cường độ âm $L$ tại điểm đó.
Một loa phát ra âm có tần số $f=9000$ Hz và cường độ âm tại một điểm là $I=10^{-7}$ W/m² (với $I_0=10^{-12}$ W/m²). (a) Âm này thuộc loại nào theo tần số? (b) Tính mức cường độ âm $L$ tại điểm đó.
2
Ta có $16 \text{ Hz} \le f=9000 \text{ Hz} \le 20\,000$ Hz, nên đây là âm nghe được.
Ta có $16 \text{ Hz} \le f=9000 \text{ Hz} \le 20\,000$ Hz, nên đây là âm nghe được.
3
Áp dụng công thức $L=10\log(I/I_0)=10\log(10^{-7}/10^{-12})=10\log(10^5)=10\times5=50$ dB.
Áp dụng công thức $L=10\log(I/I_0)=10\log(10^{-7}/10^{-12})=10\log(10^5)=10\times5=50$ dB.
4
Có thể kiểm tra nhanh: $9000$ Hz nằm giữa khoảng $16$ – $20\,000$ Hz nên chắc chắn là âm nghe được; và $I/I_0=10^5$ là một lũy thừa tròn của $10$ , nên $L$ phải là một số nguyên lần $10$ dB — kết quả $50$ dB là hợp lý.
Có thể kiểm tra nhanh: $9000$ Hz nằm giữa khoảng $16$–$20\,000$ Hz nên chắc chắn là âm nghe được; và $I/I_0=10^5$ là một lũy thừa tròn của $10$, nên $L$ phải là một số nguyên lần $10$ dB — kết quả $50$ dB là hợp lý.
5
Vậy âm này là âm nghe được, có mức cường độ âm $L=50$ dB — tương đương một cuộc trò chuyện bình thường trong phòng.
Vậy âm này là âm nghe được, có mức cường độ âm $L=50$ dB — tương đương một cuộc trò chuyện bình thường trong phòng.

Ví dụ

Ôn tập: phân biệt ba đặc trưng sinh lí qua một tình huống

1
Hai chiếc kèn phát ra âm có cùng tần số $f=300$ Hz. Kèn A có mức cường độ âm $L=70$ dB, kèn B có $L=50$ dB. Ngoài ra, hai kèn có chất liệu khác nhau nên đồ thị dao động âm khác hình dạng. Hãy nêu đủ ba đặc trưng sinh lí và so sánh giữa hai kèn.
Hai chiếc kèn phát ra âm có cùng tần số $f=300$ Hz. Kèn A có mức cường độ âm $L=70$ dB, kèn B có $L=50$ dB. Ngoài ra, hai kèn có chất liệu khác nhau nên đồ thị dao động âm khác hình dạng. Hãy nêu đủ ba đặc trưng sinh lí và so sánh giữa hai kèn.
2
Hai kèn cùng $f=300$ Hz nên có cùng độ cao.
Hai kèn cùng $f=300$ Hz nên có cùng độ cao.
3
$L_A=70$ dB $> L_B=50$ dB nên kèn A nghe to hơn kèn B.
$L_A=70$ dB $> L_B=50$ dB nên kèn A nghe to hơn kèn B.
4
Đồ thị dao động khác hình dạng (do chất liệu khác nhau) nên âm sắc của hai kèn khác nhau, dù cùng độ cao.
5
Vậy hai kèn cùng độ cao, khác độ to (kèn A to hơn), và khác âm sắc — ba đặc trưng sinh lí độc lập với nhau, mỗi đặc trưng phải xét riêng khi so sánh hai nguồn âm.

Ví dụ

Bài tập tổng hợp: sonar, phân loại tần số và tốc độ truyền âm

1
Một thiết bị sonar phát xung với tần số $f=50\,000$ Hz thẳng xuống đáy một hồ nước sâu. Sau $t=0,2$ s, thiết bị nhận được xung phản xạ. Biết tốc độ truyền âm trong nước là $v_{nước}=1500$ m/s. (a) Xung sóng này thuộc loại nào theo tần số? (b) Tính độ sâu của hồ tại vị trí đó. (c) Nếu phải đo cùng khoảng cách đó bằng sóng truyền trong không khí ( $v_{khí} \approx 340$ m/s) thay vì trong nước, tổng thời gian đi-và-về sẽ là bao nhiêu (làm tròn đến hàng phần trăm)?
Một thiết bị sonar phát xung với tần số $f=50\,000$ Hz thẳng xuống đáy một hồ nước sâu. Sau $t=0,2$ s, thiết bị nhận được xung phản xạ. Biết tốc độ truyền âm trong nước là $v_{nước}=1500$ m/s. (a) Xung sóng này thuộc loại nào theo tần số? (b) Tính độ sâu của hồ tại vị trí đó. (c) Nếu phải đo cùng khoảng cách đó bằng sóng truyền trong không khí ($v_{khí} \approx 340$ m/s) thay vì trong nước, tổng thời gian đi-và-về sẽ là bao nhiêu (làm tròn đến hàng phần trăm)?
2
Ta có $f=50\,000$ Hz $>20\,000$ Hz nên đây là sóng siêu âm.
Ta có $f=50\,000$ Hz $>20\,000$ Hz nên đây là sóng siêu âm.
3
Vì $t$ là thời gian đi-và-về, quãng đường sóng đi là $2d$ . Ta có $2d = v_{nước}.t = 1500\times0,2=300$ m, do đó $d=300/2=150$ m.
Vì $t$ là thời gian đi-và-về, quãng đường sóng đi là $2d$. Ta có $2d = v_{nước}.t = 1500\times0,2=300$ m, do đó $d=300/2=150$ m.
4
Với cùng khoảng cách $d=150$ m, quãng đường đi-và-về vẫn là $2d=300$ m. Trong không khí, thời gian cần là $t' = 2d/v_{khí} = 300/340 \approx 0,88$ s (làm tròn đến hàng phần trăm).
Với cùng khoảng cách $d=150$ m, quãng đường đi-và-về vẫn là $2d=300$ m. Trong không khí, thời gian cần là $t' = 2d/v_{khí} = 300/340 \approx 0,88$ s (làm tròn đến hàng phần trăm).
5
Thời gian trong không khí ( $\approx 0,88$ s) lớn hơn nhiều so với trong nước ( $0,2$ s) cho cùng một khoảng cách, đúng như quy luật tốc độ truyền âm trong khí nhỏ hơn nhiều so với trong lỏng.
Thời gian trong không khí ($\approx 0,88$ s) lớn hơn nhiều so với trong nước ($0,2$ s) cho cùng một khoảng cách, đúng như quy luật tốc độ truyền âm trong khí nhỏ hơn nhiều so với trong lỏng.
6
Vậy xung sóng là siêu âm; độ sâu hồ là $d=150$ m; nếu đo bằng sóng truyền trong không khí, thời gian đi-và-về sẽ là khoảng $0,88$ s thay vì $0,2$ s.
Vậy xung sóng là siêu âm; độ sâu hồ là $d=150$ m; nếu đo bằng sóng truyền trong không khí, thời gian đi-và-về sẽ là khoảng $0,88$ s thay vì $0,2$ s.

Sai lầm thường gặp

Trộn lẫn đặc trưng vật lí với đặc trưng sinh lí là sai lầm xuyên suốt cả chương: tần số (vật lí) khác độ cao (sinh lí, dù hai cái luôn đi cùng nhau); cường độ âm $I$ (vật lí) khác mức cường độ âm $L$ (đại lượng tính từ $I$ , đơn vị dB) khác độ to (sinh lí); và hình dạng đồ thị dao động (vật lí) khác âm sắc (sinh lí, cảm nhận từ đồ thị đó). Khi làm bài, luôn xác định rõ đề đang hỏi về đại lượng vật lí đo được, hay cảm nhận sinh lí của tai người.

Trộn lẫn đặc trưng vật lí với đặc trưng sinh lí là sai lầm xuyên suốt cả chương: tần số (vật lí) khác độ cao (sinh lí, dù hai cái luôn đi cùng nhau); cường độ âm $I$ (vật lí) khác mức cường độ âm $L$ (đại lượng tính từ $I$, đơn vị dB) khác độ to (sinh lí); và hình dạng đồ thị dao động (vật lí) khác âm sắc (sinh lí, cảm nhận từ đồ thị đó). Khi làm bài, luôn xác định rõ đề đang hỏi về đại lượng vật lí đo được, hay cảm nhận sinh lí của tai người.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Tóm lại: tần số quyết định độ cao; mức cường độ âm (tính từ cường độ âm qua công thức $L=10\log(I/I_0)$ ) quyết định độ to; hình dạng đồ thị dao động (do tỉ lệ các họa âm) quyết định âm sắc; và tốc độ truyền âm phụ thuộc môi trường, theo thứ tự rắn nhanh nhất, khí chậm nhất.

Tóm lại: tần số quyết định độ cao; mức cường độ âm (tính từ cường độ âm qua công thức $L=10\log(I/I_0)$) quyết định độ to; hình dạng đồ thị dao động (do tỉ lệ các họa âm) quyết định âm sắc; và tốc độ truyền âm phụ thuộc môi trường, theo thứ tự rắn nhanh nhất, khí chậm nhất.

Đến đây, khóa học tạm khép lại phần sóng cơ và sóng âm. Khóa học tiếp theo rời hẳn thế giới của các phần tử dao động để bước sang một khái niệm hoàn toàn mới của lớp 11 — điện trường — bắt đầu từ điện tích và định luật Coulomb.