Đặc trưng vật lí của âm – Những khám phá thú vị cho học sinh

Bước vào thế giới huyền bí đặc trưng vật lí của âm trong Vật lý, học sinh sẽ được trải nghiệm những khám phá đầy thú vị về đặc trưng vật lý của âm. 

Từ cơ sở lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn, Letspro.edu.vn sẽ tiết lộ sức mạnh và sự phong phú của âm thanh mở ra cơ hội để hiểu sâu hơn về vật lý và áp dụng kiến thức vào cuộc sống hàng ngày.

Tìm hiểu chung về đặc trưng vật lí của âm

Tìm hiểu chung về đặc trưng vật lí của âm

Theo sách giáo khoa Vật Lý lớp 12, âm là những dao động cơ lan truyền trong môi trường vật chất với tần số nằm trong khoảng từ 16 Hz đến 20.000 Hz. Nguồn âm là những vật dao động và phát ra năng lượng âm. Dao động của nguồn âm có thể do tác động cơ học (ví dụ: gõ, đánh, rung) hoặc phi cơ học (ví dụ: sự biến đổi điện, từ trường).

Có hai loại nguồn âm chính

• Nguồn âm cơ học: là những vật dao động do tác động cơ học, ví dụ như: dây đàn guitar rung, loa phát nhạc, trống,…
• Nguồn âm phi cơ học: là những vật dao động do sự biến đổi điện, từ trường, ví dụ như: tai nghe, loa điện thoại, chuông điện thoại,…

Phân loại âm thanh

Dựa vào tần số, âm thanh được chia thành ba loại chính:

• Hạ âm: có tần số thấp hơn 16 Hz, tai người không nghe được nhưng một số loài động vật như voi, chó,… có thể cảm nhận được. Hạ âm thường được ứng dụng trong y học, quốc phòng và thăm dò địa chất.
• Âm thanh: có tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz, đây là dải tần số mà tai người có thể cảm nhận được. Âm thanh bao gồm rất nhiều loại khác nhau, từ tiếng nói, tiếng nhạc đến tiếng ồn ào của môi trường xung quanh.
• Siêu âm: có tần số cao hơn 20.000 Hz, tai người không nghe được nhưng một số loài động vật như dơi, cá heo,… có thể cảm nhận được. Siêu âm được ứng dụng trong y học (chẩn đoán hình ảnh, trị liệu), công nghiệp (pha chế, kiểm tra chất lượng) và quân sự (dò tìm tàu ngầm).

Sự truyền âm – Giải mã bí ẩn đặc trưng vật lí của âm

Sự truyền âm – Giải mã bí ẩn đặc trưng vật lí của âm

Điều kiện để âm thanh có thể truyền đi

Có môi trường vật chất: Âm thanh không thể truyền trong chân không mà cần có môi trường vật chất để lan truyền. Môi trường truyền âm có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí.

Nguồn âm dao động: Âm thanh được sinh ra bởi sự dao động của nguồn âm. Dao động này tạo ra những biến đổi mật độ của môi trường truyền âm, từ đó dẫn đến sự lan truyền của sóng âm.

Các môi trường truyền âm khác nhau

Môi trường rắn: Âm thanh truyền trong môi trường rắn với tốc độ lớn nhất, ví dụ như thép (khoảng 5.200 m/s), nhôm (khoảng 5.100 m/s).

Môi trường lỏng: Âm thanh truyền trong môi trường lỏng với tốc độ nhỏ hơn môi trường rắn, ví dụ như nước (khoảng 1.500 m/s).

Môi trường khí: Âm thanh truyền trong môi trường khí với tốc độ nhỏ nhất, ví dụ như không khí (khoảng 340 m/s).

Phân tích tốc độ truyền âm trong các môi trường khác nhau: Tốc độ truyền âm trong các môi trường khác nhau có giá trị khác nhau, theo thứ tự từ lớn đến nhỏ: rắn > lỏng > khí.

Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền âm

Nhiệt độ: Tốc độ truyền âm tăng khi nhiệt độ tăng.

Mật độ môi trường: Tốc độ truyền âm trong môi trường có mật độ cao hơn sẽ lớn hơn.

Thành phần môi trường: Tốc độ truyền âm trong các môi trường có thành phần khác nhau cũng có giá trị khác nhau.

Các đặc trưng vật lí của âm – Bắt nhịp thế giới âm thanh

Các đặc trưng vật lí của âm – Bắt nhịp thế giới âm thanh

Đặc trưng vật lí của âm về tần số

Định nghĩa: Tần số là số dao động của âm thanh trong một giây. Nói cách khác, tần số thể hiện số lần dao động của nguồn âm trong một đơn vị thời gian (thường là giây).

Đơn vị đo: Hertz (Hz). Một Hz tương ứng với một dao động trong một giây.

Mối quan hệ giữa tần số và cao độ của âm thanh: Tần số càng cao, âm thanh càng cao. Âm thanh có tần số cao thường được gọi là âm thanh bổng, trong khi âm thanh có tần số thấp thường được gọi là âm thanh trầm.

Đặc trưng vật lí của âm về cường độ âm

Định nghĩa: Cường độ âm là năng lượng âm truyền qua một đơn vị diện tích mỗi giây. Nói cách khác, cường độ âm thể hiện mức độ mạnh yếu của âm thanh.

Đơn vị đo: Watt trên mét vuông (W/m²).

Mức độ cảm nhận cường độ âm của tai người: Tai người có thể cảm nhận được cường độ âm trong khoảng từ 10⁻¹² W/m² đến 10 W/m².

Ngưỡng nghe: là mức cường độ âm thanh nhỏ nhất mà tai người có thể cảm nhận được. Ngưỡng nghe của tai người trung bình là 10⁻¹² W/m².

Ngưỡng chịu đựng: là mức cường độ âm thanh lớn nhất mà tai người có thể chịu đựng được trong thời gian dài mà không bị tổn thương. Ngưỡng chịu đựng của tai người trung bình là 10 W/m².

Đặc trưng vật lí của âm về mức độ âm

Định nghĩa: Mức độ âm là đại lượng đặc trưng cho mức độ mạnh yếu của âm thanh được đo bằng decibel (dB). Mức độ âm được tính bằng logarit của tỷ số giữa cường độ âm đang xét và cường độ âm chuẩn (I₀ = 10⁻¹² W/m²).

Ngưỡng nghe và ngưỡng chịu đựng của tai người:

Ngưỡng nghe: 0 dB

Ngưỡng chịu đựng: 140 dB

Sử dụng thang đo decibel để so sánh mức độ âm của các âm thanh khác nhau:

Mỗi khi tăng hoặc giảm 10 dB, mức độ âm thanh sẽ tăng hoặc giảm gấp 10 lần.

Đặc trưng vật lí của âm theo đồ thị dao động của âm

Giải thích khái niệm đồ thị dao động của âm: Đồ thị dao động của âm là biểu đồ mô tả sự thay đổi của li độ dao động âm theo thời gian. Phân tích các đặc điểm của đồ thị dao động âm:

• Chu kỳ: Là khoảng thời gian để thực hiện một dao động hoàn chỉnh. Trên đồ thị dao động, chu kỳ được biểu thị bằng khoảng cách giữa hai điểm cực đại hoặc cực tiểu liên tiếp.
• Biên độ: Là độ lệch lớn nhất của li độ dao động so với vị trí cân bằng. Trên đồ thị dao động, biên độ được biểu thị bằng chiều cao

Dạng sóng: Hình dạng của đồ thị dao động âm thể hiện dạng sóng của âm thanh. Có ba dạng sóng âm thanh chính:

• Sóng hình sin: Đây là dạng sóng phổ biến nhất, thể hiện sự dao động tuần hoàn của âm thanh.
• Sóng hình vuông: Thể hiện sự dao động vuông góc của âm thanh.
• Sóng răng cưa: Thể hiện sự dao động nhọn một chiều và phẳng một chiều của âm thanh.

Mối quan hệ giữa đồ thị dao động và các đặc trưng vật lí của âm:

• Chu kỳ: Chu kỳ của đồ thị dao động tỷ lệ nghịch với tần số của âm thanh.
• Biên độ: Biên độ của đồ thị dao động tỷ lệ thuận với cường độ âm thanh.
• Dạng sóng: Dạng sóng của đồ thị dao động thể hiện cao độ của âm thanh. Âm thanh có dạng sóng sin thường có cao độ trung bình, âm thanh có dạng sóng vuông thường có cao độ cao, và âm thanh có dạng sóng răng cưa thường có cao độ thấp.

Đừng lo lắng khi bạn thấy Vật lý 12 thật khó hiểu, chúng tôi sẽ giúp bạn:

>>> Sóng dừng trong Vật lý 12 – Làm thế nào để hiểu và áp dụng?

Kết luận

Thông qua việc khám phá về đặc trưng vật lí của âm, chúng ta đã thấy được sự phong phú và sức mạnh của âm thanh trong cuộc sống hàng ngày. Việc hiểu biết về các khái niệm và ứng dụng của âm trong vật lý không chỉ giúp chúng ta nắm vững kiến thức mà còn mở ra cánh cửa cho việc áp dụng vào thực tiễn.