|
|
Sóng Âm
I. Tóm tắt lý thuyết
a. Dao động âm và sóng âm:
- Dao động âm là dao động cơ học có tần số từ 16 Hz – 20 000 Hz ( 20 kHz).
- Sóng âm là sóng cơ học có tần số từ 16 Hz – 20 000Hz.
- Sóng siêu âm: là sóng có tần số f > 20 kHz. Có một số loài vật như: Cào cào; Dơi; Cá voi…. Có thể phát ra và cảm nhận được sóng siêu âm.
- Sóng hạ âm: là sóng có tần số f < 16 Hz.
Tai người không thể cảm nhận được sóng hạ âm và sóng siêu âm hay sóng siêu âm và sóng hạ âm không gây ra cảm giác âm đối với tai ta.
b. Môi trường truyền âm. Vận tốc âm:
- Môi trường truyền âm:
+ Âm truyền được trong mọi môi trường vật chất đàn hồi: rắn, lỏng, khí
+ Âm không truyền được trong chân không.
- Vận tốc:
+ Phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ của môi trường, nhiệt độ của môi trường…: $\nu_{rắn}>\nu_{lỏng}>\nu_{khí}$.
+ Các chất nhẹ, mềm, xốp truyền âm kém.
Chú ý: Khi sóng truyền qua hai môi trường có tính chất khác nhau thì vận tốc thay đổi nên bước sóng cũng thay đổi. Tuy nhiên chu kỳ T, tần số f và tốc độ góc $\omega$ thì không đổi.
c. Các đặc trưng vật lí của âm:
- Tần số: f = 16 Hz – 20 kHz.
- Vận tốc âm khoảng 340 m/s trong không khí đến vài nghìn m/s trong chất rắn.
- Bước sóng: $\lambda = \nu T = \frac{\nu}{f}$ (m).
- Năng lượng âm – Cường độ âm – Mức cường độ âm:
+ Cường độ âm (I): tại 1 điểm là năng lượng truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. Đơn vị : W/m2.
+ Mức cường độ âm (L): là đại lượng đo bằng log của tỷ lệ số giữa cường độ I tại điểm đang xét và cường độ âm chuẩn I0 của âm ( $I_{0} = 10^{-12} W/m^2$)
$L(B) = lg \frac{I}{I_{0}}$
Mức cường độ âm có đơn vị là: Ben (B), đơn vị khác là dexiBen (dB): $1dB = frac{1}{10} B$
$L(dB) = 10 lg \frac{I}{I_{0}}$
d. Các đặc tính sinh lí của âm:
+ Độ cao của âm: là đặc tính sinh lí của âm, nó phụ thuộc vào đặc tính vật lí của âm là tần số.
- Nếu f nhỏ: Âm là âm trầm.
- Nếu f lớn: Âm là âm cao (bổng).
+ Âm sắc: Là đặc tính sinh lí của âm, nó phụ thuộc vào đặc tính vật lí của âm là biên độ và tần số.
+ Độ to của âm: là đặc tính sinh lí của âm, nó phụ thuộc vào đặc tính vật lí của âm là mức cường độ âm L và tần số âm.
e. Ngưỡng nghe, ngưỡng đau và miền nghe được:
- Ngưỡng nghe: Muốn gây cảm giác âm thì cường độ âm phải lớn hơn giá trị cực tiểu nào đó gọi là ngưỡng nghe.
+ ngưỡng nghe phụ thuộc vào tần số: Cụ thể khi f = 1000 Hz thì ngưỡng nghe $I = 10^{-12}W/m^2$ ; Khi tần số f = 50 Hz thì ngưỡng nghe $I = 10^{-7} W/m^2$.
+ Tai người rất thính với những âm thanh có tần số f = 1000 – 5000 Hz mà giọng nói của phụ nữ có tần số nằm trong khoảng này nên các đài phát thanh thường dùng phát thanh viên là nữ.
+ Âm cao nghe rõ hơn âm trầm.
- Ngưỡng đau: Khi cường độ âm $I \geqslant 10W/m^2$ với mọi tần số của sóng âm, tai ta có một cảm giác đau đớn, nhức nhối gọi là ngưỡng đau.
- Miền nghe được: Miền từ ngưỡng nghe đến ngưỡng đau gọi là miền nghe được.
f. Nguồn âm và hộp cộng hưởng:
- Nguồn âm: là những vật dao động phát ra âm thanh. VD: dây đàn rung động, cột không khí trong cây sáo, kèn trống, mõ…
- Hộp cộng hưởng: Hộp rỗng có khả năng cộng hưởng đối với nhiều tần số khác nhau.
II. Bài tập
1. Một máy nổ xem như một nguồn âm. Tại $A$ cách nguồn $1,5 m$ có mức cường độ âm là $80 dB$. Cho cường độ âm chuẩn là $10^{-12} W/m^2$. Cường độ âm tại $A$ bằng bao nhiêu?
Giải
Ta có mức cường độ âm tại $A: $
$L_A= 10\log \frac{I_A}{I_0} \Rightarrow 10\log \frac{I_A}{10^{-12}} =80 \Rightarrow I_A=10^{-4} (W/m^2 ). $
2. Tại một điểm $A$ cách nguồn âm $1m$ có cường độ âm là $100 W/m^2$. Biết cường độ âm chuẩn là $10^{-12} W/m^2$. Mức cường độ âm tại $A$ bằng bao nhiêu?
Giải
Mức cường độ âm tại $A:$
$ L = 10 \log \frac{I}{I_0} = 10\log \frac{10^2}{10^{-12}} = 140 (dB) $.
3. Tại điểm A cách xa nguồn âm N (coi là nguồn điểm) một khoảnh $NA=1m$ mức cường độ âm là $L_A=90dB$. Biết ngưỡng nghe của âm chuẩn là : $I_0=10^{-12} W/m^2 $
a. Tính cường độ $I_A$ của âm đó tại A
b. Tính cường độ và mức cường độ của âm đó tại B nằm trên đường NA và cách N một đoạn $NB=10m$. Coi môi trường không hấp thụ âm.
c. Giả sử nguồn âm và môi trường đều đẳng hướng. Tính công suất phát âm của nguồn N
Giải
a. Ta có : $L_A=10lg\frac{I_A}{I_0} =90dB\Rightarrow \frac{I_A}{I_0} =10^9\Rightarrow I_A=10^9.I_0=10^{-3} W/m^2$
b. Cường độ và mức cường độ tại B :
Ta có : $I_A.S_A=I_B.S_B$
$\Rightarrow I_B=I_A.\frac{S_A}{S_B}=I_A(\frac{NA}{NB} )^2=I_A(\frac{1}{10} )^2=\frac{I_A}{10^2} =10^{-3} .10^{-2}=10^{-5} W/m^2 $
$\Rightarrow L_B=10lg\frac{I_B}{I_0}=70dB $
c. Công suất nguồn âm : Công suất nguồn âm là năng lượng truyền qua mặt cầu tâm N bán kính NA trong $1s$
$\Rightarrow P=4\pi NA^2.I_A=4.3,14.1^2.10^{-3} =12,6 mW$
4. 3 điểm O, A, B cùng nằm trên 1 đường thẳng xuất phát từ O. Tại O đặt 1 nguồn điểm phát sóng âm đẳng hướng ra không gian, trong môi trường ko hấp thụ âm, Mức cườn độ âm tại A là 100dB, tại B là 40dB. Mức cường độ âm tại trung điểm M của AB là bao nhiêu
Giải
$L_{A}-L_{B}=60dB=6B$
suy ra cường độ âm tại A gấp $10^{6}$ lần tại B
Sóng âm là lan theo hình cầu nên cường độ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách so với O
$r_{B}=\sqrt{10^{6}}r_{A}$
Trung điểm M cách O
$r=\frac{1}{2}(r_{A}+r_{B})=500,5r_{A}$
$I_{M}=\frac{I_{A}}{500,5^{2}}$
$L_{M}=L_{A}-lg(505.5^{2}) B\approx4.601B=46.01dB$
5. Vận tốc truyền âm trong không khí là 340m/s , khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên cùng một phương truyền sóng dao động ngược pha nhau la 0,85m. Xác định tần số âm
6. Một sóng Âm truyền trong thép với vận tốc 5000m/s. Nếu độ lệch của sóng âm đó ở 2 điểm gần nhau cánh nhau 1m trên cùng một phương truyền sóng là $\pi/2$ thì tần số sóng bằng bao nhiêu?
7. ba điểm O,A,B cùng nằm trên một nửa đường xuất phát từ O. A là trung điểm của OB. Tại O đặt nguồn điểm phát sóng âm đẳng hướng ra không gian, môi trường không hấp thụ âm. So với ở A, mức cường độ âm ở B giảm bao nhiêu
8. Một nguồn âm O phát sóng âm theo mọi phương như nhau. Khoảng cách từ M đến nguồi bằng 1/10 khoảng cách từ N đến nguồn. Nếu mức cường độ âm tại N là 50dB thì mức cường độ âm tại M sẽ bằng bao nhiêu
9. Các con dơi bay và tìm mồi bằng cách phát và sau đó thu nhận các phản xạ của sóng siêu âm. Giả sử 1 con dơi bay đến gần 1 con bướm với tốc độ 9 m/s (so với Trái Đất), con bướm bay đến gần con dơi với tốc độ 8 m/s (so với Trái Đất). Từ lỗ mũi con dơi phát ra sóng có tần số f để sau khi gặp con bướm sóng phản xạ trở lại và con dơi nhận được có tần số 83 Hz. Tốc độ truyền âm trong không khí 343 m/s. Giá trị của f là bao nhiêu
10. Một nguồn S phát một âm nghe được có tần số $f_o$, chuyển động với vận tốc v = 204 m/s đang tiến lại gần một người đang đứng yên. Biết vận tốc truyền âm trong không khí là $v_o = 340 m/s$. Giá trị của $f_o$ bằng bao nhiêu thì người đó không nghe thấy được âm của S?
|