Sóng âm là một phần quan trọng trong chương trình Vật lý THPT, tuy nhiên, nhiều bạn còn gặp khó khăn trong việc nắm vững định nghĩa về sóng âm là gì cũng như những ví dụ về sóng âm. Hiểu được điều đó, phongmach24h xin mang đến cho bạn tài liệu tổng hợp toàn bộ kiến thức cho bạn về sóng âm hữu ích này nhé

Định nghĩa và ví dụ về sóng âm

Sóng âm là một loại nhiễu loạn phát sinh do sự lan truyền của năng lượng qua một môi trường trung gian (như không khí, nước, các chất lỏng khác hoặc chất rắn) khi sóng âm di chuyển qua không gian từ nguồn phát âm.

Sóng âm được tạo ra bởi các sự rung động và tạo ra các đợt sóng áp, ví dụ như khi điện thoại di động đổ chuông. Những đợt sóng áp này gây nhiễu loạn cho các phân tử trong môi trường xung quanh, và các phân tử này tiếp tục lan truyền nhiễu loạn cho các phân tử lân cận, tạo thành một chuỗi phản ứng lặp đi lặp lại. Các nhiễu loạn này tạo ra các động đại theo dạng sóng, tương tự như sóng biển, lan truyền ra bên ngoài. Các đợt sóng này mang theo năng lượng âm thanh đi qua môi trường trung gian, thường theo mọi hướng và năng lượng của sóng âm giảm dần khi xa khỏi nguồn phát âm.

Khi sóng âm truyền qua môi trường lỏng hoặc khí, nó thường là dạng sóng dọc, trong khi đó trong môi trường rắn, sóng âm có thể là dạng sóng dọc hoặc ngang.

Quan điểm về việc âm thanh lan truyền theo dạng sóng được đề xuất lần đầu tiên, hoặc ít nhất được ghi chép lần đầu tiên, vào thế kỷ đầu tiên trước Công nguyên. Kiến trúc sư và kỹ sư La Mã Vitruvius cùng với triết gia La Mã Boethius đã đưa ra giả thuyết về việc âm thanh có thể lan truyền dưới dạng từng đợt sóng. Các lý thuyết hiện đại về âm thanh thường dựa trên công trình nghiên cứu của Galileo Galilei (1564-1642).

Ví dụ về sóng âm:

• Khi ta đánh đàn piano, âm thanh được tạo ra từ phím đàn (nguồn âm) và truyền đến tai ta qua không khí (môi trường truyền âm). Đó chính là sóng âm.
• Tiếng nói chuyện, tiếng hát, tiếng ồn giao thông, tiếng máy móc hoạt động,… cũng là những ví dụ về sóng âm.

Phân loại sóng theo tần số

Dựa trên đặc điểm tần số, ta có thể chia sóng âm thanh thành hai loại chính:

• Nhạc âm: Là những âm có tần số xác định, tạo ra cảm giác dễ chịu cho người nghe. Một số ví dụ về nhạc âm bao gồm: tiếng người nói, tiếng hát, âm thanh từ các loại nhạc cụ,…
• Tạp âm: Bao gồm những âm thanh không có tần số xác định, gây ra cảm giác khó chịu cho người nghe. Ví dụ về tạp âm bao gồm: tiếng còi xe, tiếng ồn ào trong đám đông, tiếng máy móc hoạt động,…

Ngoài ra, ta cũng có thể phân loại sóng âm thanh theo một số tiêu chí khác như:

• Độ cao: Âm thanh có tần số cao được gọi là âm thanh cao, và âm thanh có tần số thấp được gọi là âm thanh thấp.
• Độ mạnh: Âm thanh có biên độ lớn được gọi là âm thanh mạnh, và âm thanh có biên độ nhỏ được gọi là âm thanh yếu.
• Timbres: Timbres là đặc điểm chất lượng của âm thanh, giúp phân biệt các loại nhạc cụ khác nhau, ngay cả khi chúng phát ra âm thanh có cùng tần số và độ mạnh.

Đặc trưng vật lý của sóng âm

Sóng âm là sóng cơ học truyền trong các môi trường vật chất như rắn, lỏng, khí. Các đặc trưng vật lý cơ bản của sóng âm bao gồm:

1. Tần số:

• Tần số âm (ký hiệu f) là số dao động của nguồn âm trong một giây.
• Đơn vị của tần số âm là Hertz (Hz).
• Âm thanh có tần số cao được gọi là âm cao, âm thanh có tần số thấp được gọi là âm trầm.
• Giới hạn tần số âm mà tai người có thể cảm nhận được là từ 16 Hz đến 20.000 Hz.

2. Cường độ âm:

• Cường độ âm (ký hiệu I) là đại lượng đo năng lượng mà sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian.
• Đơn vị của cường độ âm là W/m².
• Công thức tính cường độ âm:

• Trong đó:
  • W là năng lượng mà sóng âm truyền qua diện tích S trong thời gian t giây.
• Cường độ âm càng lớn, âm thanh càng to.

3. Mức cường độ âm:

• Mức cường độ âm (ký hiệu L) là đại lượng đo mức độ lớn nhỏ của cường độ âm bằng đơn vị decibel (dB).
• Công thức tính mức cường độ âm:
• 
  • I0 là cường độ âm chuẩn (mức cường độ âm chuẩn: 0 dB).
• Mức cường độ âm càng lớn, âm thanh càng to.

4. Biên độ:

• Biên độ là độ lệch cực đại của phần tử môi trường dao động so với vị trí cân bằng.
• Biên độ càng lớn, âm thanh càng mạnh.

5. Bước sóng:

• Bước sóng (ký hiệu λ) là quãng đường mà sóng âm truyền đi trong một chu kỳ dao động.
• Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số: λ = v/f, trong đó:
  • v là tốc độ truyền âm trong môi trường.
• Bước sóng càng ngắn, âm thanh càng cao.

6. Dao động âm:

• • Dao động âm là dao động của các phần tử môi trường truyền âm.
  • Dao động âm có thể là dao động dọc hoặc dao động ngang.
  • Dao động âm dọc xảy ra trong chất lỏng và khí, dao động âm ngang xảy ra trong chất rắn.

Ứng dụng sóng âm trong đời sống

Sử dụng sóng âm thanh tần số cao để tiêu diệt tế bào ung thư

• Nhóm nghiên cứu tại bệnh viện Princess Grace, Anh Quốc đã phát triển một phương pháp điều trị ung thư đầy hứa hẹn sử dụng sóng âm thanh tần số cao. Kỹ thuật này, được gọi là Điều trị bằng Sóng siêu âm hội tụ cường độ cao (HIFU), sử dụng các sóng âm thanh tập trung năng lượng cao để tiêu diệt các tế bào ung thư.

Siêu âm hình ảnh

Siêu âm là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh sử dụng sóng âm tần số cao để tạo ra hình ảnh chi tiết về các cơ quan và cấu trúc bên trong cơ thể. Phương pháp này an toàn, không xâm lấn và mang lại nhiều lợi ích cho y học.

Cách thức hoạt động:

• • Máy siêu âm phát ra sóng âm tần số cao, vượt quá ngưỡng nghe của con người.
  • Sóng âm di chuyển qua cơ thể, va chạm với các mô và cơ quan, tạo ra các phản xạ.
  • Máy tính thu nhận và xử lý các phản xạ này, tạo thành hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều của các cấu trúc bên trong.

Q&A về sóng âm

Sóng âm: Dọc hay ngang?

Sóng âm có thể là sóng dọc hoặc sóng ngang, tùy thuộc vào môi trường truyền:

• • Môi trường chất lỏng và khí: Sóng âm truyền theo dạng sóng dọc. Các phần tử môi trường dao động dọc theo hướng truyền sóng.
  • Môi trường chất rắn: Sóng âm có thể truyền theo dạng sóng dọc hoặc sóng ngang.
    • Sóng dọc: Các phần tử môi trường dao động dọc theo hướng truyền sóng.
    • Sóng ngang: Các phần tử môi trường dao động vuông góc với hướng truyền sóng.

Sóng siêu âm: Lợi ích và tác hại

Sóng siêu âm là sóng âm có tần số cao hơn 20 kHz, cao hơn ngưỡng nghe của con người. Sóng siêu âm có nhiều ứng dụng trong đời sống, nhưng cũng tiềm ẩn một số nguy cơ:

Lợi ích:

• Chẩn đoán y tế: Siêu âm được sử dụng để chẩn đoán hình ảnh các cơ quan nội tạng, thai nhi, …
• Vệ sinh: Sóng siêu âm được sử dụng để làm sạch đồ vật, loại bỏ vi khuẩn.
• Công nghiệp: Sóng siêu âm được sử dụng để hàn kim loại, kiểm tra khuyết tật vật liệu, …

Tác hại:

Gây hại cho sức khỏe:

• • Tiếp xúc thường xuyên với sóng siêu âm có thể gây vô sinh ở nam giới, ảnh hưởng đến sức khỏe thai nhi, đột biến DNA và ảnh hưởng di truyền, …
  • Tiếp xúc với sóng siêu âm có tần số cao (> 20 kHz) có thể gây hại cho thính giác.

Gây ô nhiễm môi trường: Sóng siêu âm có thể gây ô nhiễm môi trường âm thanh, ảnh hưởng đến hệ sinh thái.

Lưu ý:

• Cần hạn chế tiếp xúc với sóng siêu âm ở mức độ cao và thời gian dài.
• Sử dụng các thiết bị phát sóng siêu âm an toàn, có nguồn gốc rõ ràng.
• Tuân thủ các quy định về an toàn khi sử dụng sóng siêu âm.