Chi tiết thông tin

Bài 10: Đặc trưng vật lí của âm

58 View

Lý thuyết

I. Định nghĩa: + Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường rắn, lỏng và khí. + Nguồn âm là các vật dao động phát ra âm. II. Phân loại sóng âm (Dựa vào tần số): - Sóng âm nghe được: Là sóng âm có tần số trong khoảng từ 16Hz đến 20000Hz gây ra cảm giác thính giác. - Sóng siêu âm: Là sóng âm mà có tần số lớn hơn 20000Hz không gây ra cảm giác thính giác ở người (tai người không nghe được nhưng chó, dơi, cá heo,.. vẫn có thể nghe được siêu âm). - Sóng hạ âm: Là sóng âm mà có tần số nhỏ hơn 16Hz không gây ra cảm giác thính giác ở người (tai người không nghe được nhưng voi, chim bồ câu,.. vẫn có thể nghe được hạ âm). - Nhạc âm và tạp âm: Nhạc âm là âm có tần số xác định (ví dụ: mỗi nốt nhạc Đồ, rê, mi, fa, son, la, si, đô là nhạc âm). Tạp âm là âm có tần số không xác định (tiếng trống, tiếng cồng chiêng, tiếng ồn ào ngoài phố…). III. Sự truyền âm: + Âm chỉ truyền qua được các môi trường rắn, lỏng, khí, không truyền được trong chân không. + Trong cùng một môi trường, sóng âm có vận tốc xác định. Vận tốc sóng âm trong chất rắn là lớn nhất và trong chất khí là nhỏ nhất: v_rắn > v_lỏng > v_khí + Trong chất lỏng và chất khí sóng âm là sóng dọc còn trong chất rắn sóng âm gồm cả sóng ngang và sóng dọc. IV. Các đặc trưng vật lý của sóng âm: Là các đặc trưng có tính khách quan định lượng, có thể đo đạc tính toán được. Bao gồm các đại lượng như: Chu kì, tần số, biên độ, năng lượng, cường độ, mức cường độ, đồ thị dao đọng âm… 1) Cường độ âm I (W/m²): Là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng (E) mà sóng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong 1 đơn vị thời gian: I = E/t.S = P/S . Trong đó: P(W) là công suất phát âm của nguồn; S (m²) là diện tích mặt vuông góc với phương truyền âm (với sóng cầu thì S là diện tích mặt cầu S = 4πR²). + Cường độ âm tỉ lệ với bình phương biên độ âm: I ~ a² + Năng lượng âm khi sóng âm di chuyển quảng đường AB: ΔE = P.t = P.AB/v + Cường độ âm toàn phần: I = ΣI_i = I₁ + I₂ + ... + I_n + Nếu âm truyền đẳng hướng và môi trường không hấp thụ và phản xạ âm thì có nghĩa là công suất âm không đổi khi truyền đi. Ta có: P = I.S = hằng số. => I₁S₁ = I₂S₂ => I₁R₁² = I₂R₂² 2) Mức cường độ âm: Đối với tai con người, giá trị tuyệt đối của cường độ âm I không quan trọng bằng giá trị tỉ đối của I so với một giá trị I0 nào đó chọn làm chuẩn. Người ta định nghĩa mức cường độ âm L là lôgarít thập phân của tỉ số I/I_o . L_(B) = log I/I_o hoặc L_(dB) = 10. logI/I_o (công thức thường dùng) (Ở tần số âm f = 1000Hz thì I_o = 10^-12 W/m² gọi là cường độ âm chuẩn) * Đơn vị mức cường độ âm là Ben (ký hiệu: B). - Như vậy mức cường độ âm bằng 1, 2, 3, 4 B... điều đó có nghĩa là cường độ âm I lớn gấp 10, 10², 10³, 10⁴... cường độ âm chuẩn I_o. - Trong thực tế người ta thường dùng đơn vị đêxiben (ký hiệu: dB), bằng 1/10 ben. - Số đo L bằng đêxiben lớn gấp 10 số đo bằng ben: L_(dB) = 10. logI/I_o - Khi L = 1dB, thì I lớn gấp 1,26 lần I_o. Đó là mức cường độ âm nhỏ nhất mà tai ta có thể phân biệt được. Chú ý: Để cảm nhận được âm thì cường độ âm âm I ≥ I_o hay mức cường độ âm L ≥ 0. Ta thường dùng dB hơn B (1B = 10dB) 3) Đồ thị dao động của âm: là tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm trong một nhạc âm. Đồ thị không còn là đường sin điều hòa mà là một đường phước tạp và có chu kì. - Âm cơ bản: Là âm có tần số nhỏ nhất do 1 nhạc cục phát ra. - Khi cho một nhạc cụ phát ra âm có tần số f0 thì nhạc cụ đó cũng sẽ phát ra những âm có tần số f là bội của f0 được gọi là họa âm thứ k: f_k = kf_o - Đồ thị dao động của những âm có cùng tần số và biên độ nhưng do các nhạc cụ khác nhau phát ra là khác nhau Lưu ý: Các họa âm của các nhạc cụ khác nhau có thể có tần số giống nhau nhưng biên độ khác nhau, và số họa âm khác nhau nên dù cùng một nốt nhạc giống nhau khi phát ra từ các nhạc cụ khác nhau thì đồ thị dao động âm sẽ khác nhau. Nhờ vậy ta phân biệt được âm này với âm kia. 4) Công thức suy luận tổng quát: Trong môi trường truyền âm, xét 2 trường hợp tổng quát: Trường hợp 1: tại điểm A có khoảng cách tới nguồn âm có công suất P₁ là R₁ thì máy thu đo được mức cường độ âm là L₁. Trường hợp 2: tại điểm B có khoảng cách tới nguồn âm có công suất P₂ là R₂ máy thu đo được mức cường độ âm là L₂. Vì

nên ta luôn có hệ thức sau:

(Ở đây L đo bằng đơn vị Ben – B) + Nếu nguồn âm không thay đổi trong cả hai trường hợp thì ta có:

V. Các đặc trưng sinh lý của âm: Là các đặc trưng có tính chủ quan định tính, do sự cảm nhận của thính giác người nghe. Bao gồm: Độ to, độ cao, âm sắc… Bảng liên hệ giữa đặc trưng sinh lý và đặc trưng vật lý của sóng âm.

Đặc trưng sinh lý của âm	Đặc trưng vật lý của sóng âm
Độ cao - Gắn liền với tần số. - Âm cao (thanh – bổng) có tần số lớn - Âm thấp (trầm – lắng) có tần số nhỏ - Không phụ thuộc vào năng lượng âm. - Ở cùng một cường độ, âm cao dễ nghe hơn âm trầm	Tần số hoặc chu kì
Độ to - Gắn liền với mức cường độ âm. Phụ thuộc vào tần số âm. - Ngưỡng nghe là cường độ âm nhỏ nhất mà còn cảm nhận được. Ngưỡng nghe phụ thuộc vào tần số âm. - Ngưỡng đau là cường độ âm đủ lớn đem lại cảm giác đau nhức tai. => Miền nghe được có cường độ thuộc khoảng ngưỡng nghe và ngưỡng đau	Mức cường độ âm (biên độ, năng lượng, tần số âm)
Âm sắc - Là sắc thái của âm thanh, giúp ta phân biệt các âm phát ra bởi các nguồn khác nhau (cả khi chúng có hoặc không cùng độ cao, độ to). - Liên quan mật thiết tới đồ thị dao động âm và phụ thuộc vào tần số âm và biên độ âm.	Đồ thị âm (bao gồm: Biên độ, năng lượng, tần số âm và cấu tạo nguồn phát âm)

VI. Tần số âm phát ra ở một số nhạc cụ 1) Tần số do đàn phát ra (hai đầu dây cố định => hai đầu là nút sóng). f = k. v/2L (k ∈ N*) Ứng với k = 1 => âm phát ra âm cơ bản có tần số f₁ = v/2L k = 2, 3, 4 ... có các hoạ âm bậc 2 (tần số 2f₁), bậc 3 (tần số 3f₁) ... Lưu ý: Mỗi sợi dây được kéo bằng một lực căng τ (N) và có mật độ dài μ (kg/m) thì có tốc độ truyền sóng trên dây là: v = √(τ/μ) , do vậy ta có thể thay đổi tần số dây đàn phát ra bàng cách thay đổi lực căng tác dụng lên dây đàn. 2) Tần số do ống sáo phát ra (một đầu bịt kín, một đầu để hở => một đầu là nút sóng, một đầu là bụng sóng). Ứng với k = 0 => âm phát ra âm cơ bản có tần số f₁ = v/4L k = 1, 2, 3 ... có các hoạ âm bậc 3 (tần số 3f₁), bậc 5 (tần số 5f₁) ... Như vậy một ống sáo một đầu kín, một đầu hở chỉ có thể phát ra các họa âm có số bậc lẻ. Độ dài của ống càng lớn thì âm phát ra có tần số càng nhỏ, âm phát ra cành trầm.

C1 trang 50 SGK:

Hãy chỉ ra bộ phận dao động phát ra âm trong các dụng cụ này. Trả lời: Bộ phận dao động phát ra âm trong các dụng cụ + Đàn dây thì sợi dây đàn dao động phát ra âm. + Ống sáo thì cột không khí dao động phát ra âm. + Âm thoa thì hai nhánh âm thoa dao động phát ra âm.

C2 trang 51 SGK:

Thật ra, lúc trong chuông là chân không hoàn toàn, ta vẫn còn nghe thấy tiếng chuông rất nhỏ. Giải thích thế nào và chứng minh cách giải thích đó thế nào? Trả lời: Trong chuông là chân không hoàn toàn, ta vẫn nghe thấy tiếng chuông reo rất nhỏ là do âm còn truyền qua giá gắn chuông, bàn đặt chuông và hộp thủy tinh rồi truyền qua không khí đến tai ta. Nếu ta đặt chuông lên tấm nhựa xốp, mềm cách âm đối với bàn thì âm nghe sẽ giảm. Nếu tấm nhựa xốp cách âm tốt thì tai ta sẽ không còn nghe nữa.

C3 trang 52 SGK:

Hãy nêu một vài dẫn chứng chứng tỏ rằng âm truyền với một tốc độ hữu hạn. Trả lời: - Khi trời mưa giông, ta thấy tia chớp chói sáng sau khoảng thời gian khá lâu mới nghe tiếng sấm. - Người đánh kẻng ở xa, từ 150m đến 200m, ta thấy dùi đánh vào kẻng sau mỗi khoảng thời gian khá lâu mới nghe tiếng kẻng.

Bài 1 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất không? Lời giải: Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất là sóng cơ học, chỉ khác nhau về tần số.

Bài 2 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Sóng âm là gì? Lời giải: Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn.

Bài 3 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Nhạc âm là gì? Lời giải: Nhạc âm là âm có tần số xác định, thường do các nhạc cụ phát ra.

Bài 4 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Trong ba môi trường rắn, lỏng và khí, âm truyền nhanh nhất trong môi trường nào, chậm nhất trong môi trường nào ? Lời giải: Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của môi trường. Trong ba môi trường rắn, lỏng, khí thì âm truyền trong chất rắn là nhanh nhất và chậm nhất là âm truyền trong không khí.

Bài 5 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Cường độ âm được đo bằng gì ? Lời giải: Cường độ âm I (W/m²): I = Et.S = PS. Với E(J), P(W) là năng lượng, công suất phát âm của nguồn; S (m²) là diện tích mặt vuông góc với phương truyền âm (với sóng cầu thì S là diện tích mặt cầu S = 4πR²)

Bài 6 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Chọn câu đúng. Siêu âm là âm A. có tần số lớn B. có cường độ rất lớn C. có tần số trên 20000Hz D. truyền trong mọi môi trường nhanh hơn âm Lời giải: Chọn đáp án C Sóng siêu âm: Là sóng âm mà có tần số lớn hơn 20000Hz không gây ra cảm giác thính giác ở người.

Bài 7 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Chọn câu đúng. Cường độ âm được đo bằng A. oát trên mét vuông. B. oát C. niuton trên mét vuông D. niuton trên mét Lời giải: Chọn đáp án A. Cường độ âm I(W/m²): I = E/t.S = P/S. Với E(J), P(W) lần lượt là năng lượng, công suất phát âm của nguồn; S (m²) là diện tích mặt vuông góc với phương truyền âm (với sóng cầu thì S là diện tích mặt cầu S = 4πR²).

Bài 8 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Một lá thép dao động với chu kì T = 80ms. Âm do nó phát ra có nghe được không ? Lời giải: Ta có :

⇒ f = 12,5Hz < 16Hz. Đây là sóng hạ âm nên tai ta không nghe được.

Bài 9 (trang 55 SGK Vật Lý 12):

Một siêu âm có tần số 1MHz. Sử dụng bảng 10.1 SGK, hãy tính bước sóng của siêu âm này trong không khí ở 0^oC và trong nước ở 15^oC. Lời giải: Theo bảng 10.1, vận tốc âm trong không khí ở 0^oC là v = 331 m/s, trong nước ở 15^oC là v’ = 1500(m/s). Bước sóng của siêu âm trong không khí ở 0^oC:

Bước sóng của âm trong nước ở 15^oC:

Bài 10 (trang 5 SGK Vật Lý 12):

Để đo tốc độ âm trong gang, nhà vật lí Pháp Bi-ô đã dùng một ống bằng gang dài 951,25m. Một người đập một nhát búa vào một đầu ống gang, một người ở đầu kia nghe thấy hai tiếng gõ, một truyền qua gang và một truyền qua không khí ở trong ống gang ; hai tiếng ấy cách nhau 2,5s. Biết tốc độ âm trong không khí là 340m/s, hãy tính tốc độ âm trong gang. Lời giải: Vận tốc âm truyền trong gang nhanh hơn vận tốc truyền trong không khí Gọi t là thời gian truyền âm trong không khí. → Thời gian truyền trong gang là (t – 2,5) Ta có: Thời gian truyền trong không khí:

Tốc độ âm trong gang:

Trắc nghiệm Bài 10

Bài 1: Hai nguồn âm giống nhau được đặt tại hai điểm A, B cách nhau một khoảng AB = L = 2 m, phát cùng một âm đơn, cùng tần số 1500 Hz. Vận tốc truyền âm trong không khí là v = 340 m/s. Gọi I là trung điểm của AB, điểm O trên đường trung trực AB sao cho D = OI = 45 m. Từ O vẽ đường Ox song song với AB. Xác định khoảng cách của hai điểm gần nhau nhất trên Ox mà nghe thấy âm nhỏ nhất. Giả thiết λ << L; L << d. A. 11,33 m. B. 7,83 m. C. 5,1 m. D. 5,67 m.

Hiển thị đáp án

- Với giả thiết λ << L và L << d thì ta có thể coi bài toán giống như giao thoa sóng ánh sáng với:

- Khoảng cách hai điểm gần nhau nhất mà nghe thấy âm nhỏ nhất tương ứng với 1 khoảng vân nên:

Chọn đáp án C Bài 2: Tại điểm O trong môi trường đẳng hướng, không hấp thụ âm, có 9 nguồn âm điểm, giống nhau với công suất phát âm không đổi. Tại điểm A có mức cường độ âm 20 dB. M là một điểm thuộc OA sao cho OM = OA/5. Để M có mức cường độ âm là 40 dB thì số nguồn âm giống các nguồn âm trên cần đặt tại O bằng: A. 4. B. 36. C. 10. D. 30.

Hiển thị đáp án

- Ta có:

- Lấy (2) trừ đi (1) ta được:

Chọn đáp án B Bài 3: Từ điểm A bắt đầu thả rơi tự do một nguồn phát âm có công suất không đổi, khi chạm đất tại B nguồn âm đứng yên luôn. Tại C, ở khoảng giữa A và B (nhưng không thuộc AB), có một máy M đo mức cường độ âm, C cách AB là 12 m. Biết khoảng thời gian từ khi thả nguồn đến khi máy M thu được âm có mức cường độ âm cực đại, lớn hơn 1,528 s so với khoảng thời gian từ đó đến khi máy M thu được âm không đổi; đồng thời hiệu hai khoảng cách tương ứng này là 11 m. Bỏ qua sức cản không khí, lấy g = 10 m/s². Hiệu giữa mức cường độ âm cuối cùng và đầu tiên xấp xỉ: A. 4,68 dB. B. 3,74 dB. C. 3,26 dB. D. 6,72 dB.

Hiển thị đáp án

+ Máy M thu được âm có mức cường độ âm cực đại khi CT vuông với AB + Máy M thu được được âm không đổi khi nguồn âm đứng yên tại vị trí B - Gọi t₁, h₁ lần lượt là thời gian rơi và quảng đường đi từ A đến T - Gọi t₂, h₂ lần lượt là thời gian rơi và quảng đường đi từ T đến B - Ta có:

- Vì là chuyển động rơi tự do:

Chọn đáp án B Bài 4: Khi cường độ âm tăng lên 10n lần, thì mức cường độ âm sẽ: A. Tăng thêm 10n dB. B. Tăng lên 10n lần. C. Tăng thêm 10ⁿ dB. D. Tăng lên n lần.

Hiển thị đáp án

- Ta có:

(do I₀ = 10^-12 không thay đổi). Chọn đáp án A Bài 5: Một nguồn phát âm coi là nguồn điểm phát âm đều theo mọi phương. Mức cường độ âm tại điểm M lúc đầu là 80 dB. Nếu tăng công suất của nguồn âm lên 20% thì mức cường độ âm tại M là bao nhiêu? A. 95 dB. B. 125 dB. C. 80,8 dB. D. 62,5 dB.

Hiển thị đáp án

- Ta có :

Chọn đáp án C Bài 6: Một sóng âm truyền trong không khí với tốc độ 340 m/s và bước sóng 34 cm. Tần số của sóng âm này là: A. 500 Hz. B. 2000 Hz. C. 1000 Hz. D. 1500 Hz.

Hiển thị đáp án

- Ta có :

Chọn đáp án C Bài 7: Tại điểm O trong môi trường đẳng hướng không hấp thụ âm và phản xạ âm, phát ra âm với công suất không đổi. Trên tia Ox theo thứ tự có ba điểm A, B, C sao cho OC = 4OA. Biết mức cường độ âm tại B là 2 B, tổng mức cường độ âm tại A và C là 4 B. Nếu AB = 20 m thì: A. BC = 40 m. B. BC = 80 m. C. BC = 30 m. D. BC = 20 m.

Hiển thị đáp án

- Ta có :

- Suy ra:

Chọn đáp án A Bài 8: Trong môi trường truyền âm, tại hai điểm A và B có mức cường độ âm lần lượt là 90 dB và 40 dB với cùng cường độ âm chuẩn. Cường độ âm tại A lớn gấp bao nhiêu lần so với cường độ âm tại B? A. 2,25 lần. B. 3600 lần. C. 1000 lần. D. 100000 lần.

Hiển thị đáp án

- Ta có :

Chọn đáp án D Bài 9: Một phòng hát karaoke có diện tích 20 m², cao 4 m (với điều kiện hai lần chiều rộng BC và chiều dài AB chênh nhau không quá 2 m để phòng trông cân đối) với dàn âm gồm bốn loa như nhau có công suất lớn, hai cái đặt ở góc A, B của phòng, hai cái treo trên góc trần A′, B′. Đồng thời còn có một màn hình lớn được gắn trên tường ABB’A’ để người hát ngồi tại trung điểm M của CD có được cảm giác sống động nhất.

- Bỏ qua kích thước của người và loa, coi rằng loa phát âm đẳng hướng và tường hấp thụ âm tốt. Hỏi có thể thiết kế phòng để người hát chịu được loa có công suất lớn nhất là bao nhiêu? A. 842 W. B. 535 W. C. 723 W. D. 796 W.

Hiển thị đáp án

- Ta có : 2BC - AB ≤ 2m. - Mặt khác: BC.AB = 20m (1) - Công suất lớn nhất khi: BC_max ⇒ 2BC - AB = 2m (2) - Từ (1) và (2) suy ra : BC ≈ 3,7m; AB ≈ 5,4m. - Dễ dàng tính được : AM = 4,58m và A’M = 6,08m - Tại người nghe được âm có mức cường độ âm lớn nhất là 13(B) = 130(dB):

Chọn đáp án A Bài 10: Cường độ âm được đo bằng: A. oát trên mét vuông. B. oát. C. niutơn trên mét vuông. D. niutơn trên mét.

Hiển thị đáp án

- Đơn vị của cường độ âm: (W/m²) Chọn đáp án A Bài 11: Một sóng âm truyền trong không khí. Mức cường độ âm tại điểm M và tại điểm N lần lượt là 40 dB và 80 dB. Cường độ âm tại N lớn hơn cường độ âm tại M: A. 40 lần. B. 1000 lần. C. 2 lần. D. 10000 lần.

Hiển thị đáp án

- Ta có:

Chọn đáp án D Bài 12: Một nguồn điểm O phát sóng âm có công suất không đổi trong một môi trường truyền âm đẳng hướng và không hấp thụ âm. Hai điểm A, B cách nguồn âm lần lượt là r1 và r2. Biết cường độ âm tại A gấp 4 lần cường độ âm tại B. Tỉ số r2/r1 bằng: A. 4. B. 0,5. C. 0,25. D. 2.

Hiển thị đáp án

- Ta có:

Chọn đáp án D Bài 13: Khi nói về sóng âm, phát biểu nào sau đây là sai? A. Biên độ dao động của sóng âm càng lớn thì âm càng cao. B. Sóng âm là một sóng cơ. C. Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào bản chất của môi trường truyền âm. D. Sóng âm không truyền được trong chân không.

Hiển thị đáp án

- Sóng âm là sóng cơ, không truyền được trong chân không và tốc độ của nó phụ thuộc vào bản chất của môi trường truyền âm. → A sai. Chọn đáp án A Bài 14: Sóng âm không truyền được trong: A. thép. B. không khí. C. chân không. D. nước.

Hiển thị đáp án

- Sóng âm không truyền được trong chân không. Chọn đáp án C Bài 15: Tại O có một nguồn phát âm thanh đẳng hướng với công suất không đổi. Một người đi bộ từ A đến C theo 1 đường thẳng và lắng nghe âm thanh từ nguồn O thì nghe thấy cường độ âm tăng từ I đến 4I rồi lại giảm xuống I. Khoảng cách AO bằng:

Hiển thị đáp án

- Vì khi đi từ A đến C thì cường độ tăng từ I đến 4I nhưng lại giảm về I nên tại A và C đều có cùng cường độ âm: → OA = OC → ▲OAC cân tại O. - Gọi H là điểm có cường độ âm bằng 4I → OA = 2OH và HC = HA → ▲OHA vuông tại H.

Chọn đáp án B Bài 16: Nguồn âm điểm phát ra âm với công suất P thì mức cường độ âm tại điểm M cách nguồn một khoảng r là L. Nếu công suất của nguồn âm là 10P thì mức cường độ âm tại M là: A. L – 1 dB. B. L + 1 B. C. L – 1 B. D. L + 1 dB.

Hiển thị đáp án

- Ta có: