Sóng âm

I, Lí thuyết cơ bản

1.Định nghĩa sóng âm

- Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn

2.Đặc điểm

-Trong chất khí và chất lỏng, sóng âm là sóng dọc vì lực đàn hồi chỉ xuất hiện khi có biến dạng nén, giãn

-Trong chất rắn, sóng âm gồm cả sóng dọc và sóng ngang vì lực đàn hồi xuất hiện khi có biến dạng nén, giãn, lệch

3.Nguồn âm

-Một vật dao động phát ra âm là một nguồn âm

-Tần số của âm phát ra bằng tần số dao động của âm

-Cảm giác về âm phụ thuộc vào nguồn âm và tai người nghe

4.Âm nghe được, hạ âm, siêu âm

-Âm nghe được có tần số nằm trong khoảng từ 16Hz đến 20000Hz

-Hạ âm là âm có tần số nhỏ hơn 16Hz

Ví dụ : voi , chim bồ câu nghe được hạ âm

-Siêu âm là âm có tần số lớn hơn 20000Hz

Ví dụ: dơi, chó, cá heo thì có thể nghe được siêu âm

-Tai người không nghe được hạ âm và siêu âm

-Ngưỡng nghe :

+Là âm thanh gây ra được cảm giác âm, mức cường độ âm lớn hơn một giá trị cực tiểu nào đó

+Thay đổi theo tần số của âm ứng với mức cường độ âm 0dB

-Ngưỡng đau:

+Là âm thanh gây ra cho tai cảm giác nhức nhối, đau đớn, giá trị cực đại của cường độ âm mà tai có thể chịu đựng được

+Có mức cường độ âm là 130dB và hầu như không phụ thuộc vào tần số âm

5.Sự truyền âm

-Âm không truyền được trong chân không, âm truyền qua được các chất rắn, lỏng, khí

-Âm hầu như không truyền qua các chất như bông, len,…

-Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi và khối lượng riêng của môi trường

-Tốc độ truyền âm cũng thay đổi theo nhiệt độ

Ví dụ : Tốc độ truyền âm trong không khí ở 0^oc là 331m/s

Tốc độ truyền âm trong không khí ở 25^oC là 346m/s

-Nói chung, tốc độ truyền âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng, và trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí: v _rắn > v _lỏng > v _khí

6.Các đặc trưng vật lí của âm

-Tần số: là một trong những đặc trưng quan trọng của âm có giới hạn từ 16Hz đến 20000Hz

-Cường độ âm: Tại một điểm là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian

+ Kí hiệu cường độ âm là I, đơn vị W/m²

+ Biểu thức :

với P là công suất của nguồn âm

r là khoảng cách từ điểm xét đến nguồn

-Mức cường độ âm : Đặc trưng cho độ to hay nhỏ của âm

+ Biểu thức

với I_o=10^-12 W/m² là cường độ âm chuẩn có tần số f=1000Hz

-Đồ thị dao động âm

+Tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm trong một nhạc âm được đồ thị dao động của nhạc âm

+Đồ thị dao động của nhạc âm là những đường cong tuần hoàn có tần số xác định

+Hai nhạc cụ cất lên cùng tần số( cùng độ cao) nhưng có dạng đồ thị khác nhau nên âm sắc khác nhau

8.Nguồn nhạc âm

a,Dây đàn hai đầu cố định:

với k=1 => f=v/2l => âm cơ bản (1 bụng, 2 nút)

k=2 => f₂=2f=v/l => họa âm bậc 2(2 bụng, 3 nút)

k=3 => f₃=3v/2l => họa âm bậc 3 (3 bụng, 4 nút)

=> Mỗi dây đàn được kéo căng bằng một lực cố định đồng thời có thể phát ra âm cơ bản và một số họa âm bậc cao hơn, có tần số là một số nguyên lần tần số của âm cơ bản

b,Ống sáo( 1 đầu kín, 1 đầu hở)

với m=1,3,5,...

+m=1 âm phát ra là âm cơ bản có tần số f=v/4l (1 bụng sóng và 1 nút sóng )

+m=3,5,... ta có các họa âm bậc 3, bậc 5,..., có các bụng sóng và nút sóng như trên

=> Ống sáo một đầu kín một đầu hở chỉ có thể phát ra các họa âm bậc lẻ. Độ dài của ống càng lớn thì âm phát ra càng nhỏ, âm phát ra càng trầm

c,Hộp cộng hưởng

-Hộp rỗng có một đầu hở có tác dụng khuếch đại âm

-Hộp đàn có tác dụng như một hộp cộng hưởng vừa khuếch đại âm, vừa tạo ra âm sắc đặc trưng cho đàn vừa giữ nguyên độ cao nhưng cường độ âm tăng lên rõ

II,Các ví dụ minh họa

Ví dụ 1 : Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về sóng âm

A.Sóng âm truyền trong không khí là sóng cơ học dọc

B.Vận tốc truyền âm thay đổi theo nhiệt độ

C.Sóng âm truyền được trong chân không

D.Trong chất rắn, sóng âm gồm cả sóng dọc và sóng ngang

Ví dụ 2 : Trong không khí âm thanh lan truyền như thế nào và các phần tử không khí chuyển động ra sao?

A.Sóng âm lan truyền với tốc độ không đổi, các phân tử khí dao động vuông góc với phương truyền âm

B.Sóng âm lan truyền với tốc độ giảm dần, các phân tử không khí thực hiện dao động tắt dần

C.Sóng âm lan truyền với tốc độ không đổi, các phần tử không khí dao động điều hòa, song song với phương truyền âm

D.Sóng âm lan truyền với tốc độ giảm dần, các phân tử không khí dao động dọc theo phương truyền âm

Ví dụ 3 : Tốc độ truyền âm trong không khí có giá trị khoảng

A.3,4m/s B.340m/s C.34m/s D.3400m/s

Ví dụ 4 : Siêu âm là một loại sóng âm có

A.cường độ rất lớn

B.tần số rất bé

C.tần số cao hơn 20000Hz

D.vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng

Ví dụ 5 : Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về vận tốc truyền âm

A.Vận tốc truyền âm tăng khi mật độ vật chất của môi trường giảm

B.Vận tốc truyền âm tăng khi độ đàn hồi của môi trường càng lớn

C.Vận tốc truyền âm giảm khi nhiệt độ của môi trường tăng

D.Vận tốc truyền âm có giá trị cực đại khi truyền trong chân không và bằng 3.10⁸ m/s

Ví dụ 6 : Một sóng âm truyền trong không khí, trong số các đại lượng: biên độ sóng, tần số sóng, vận tốc truyền sóng và bước sóng; đại lượng không phụ thuộc vào các đại lượng còn lại là

A.bước sóng B.biên độ sóng C.vận tốc truyền sóng D.tần số sóng

Ví dụ 7 : Để tăng độ cao của âm thanh do một dây đàn phát ra ta phải:

A.Kéo căng dây đàn hơn B.Làm chùng dây đàn hơn

C.Gảy đàn mạnh hơn D.Gảy đàn nhẹ hơn

Ví dụ 8 : Âm thanh do người hay một nhạc cụ phát ra có đồ thị được biểu diễn theo thời gian có dạng:

A.Đường hình sin B.Biến thiên tuần hoàn

C.Đường hypebol D.Đường thẳng

Ví dụ 9 : Trong các nhạc cụ: hộp đàn, thân kèn, sáo có tác dụng:

A.Vừa khuếch đại âm, vừa tạo ra âm sắc riêng của âm do nhạc cụ đó phát ra

B.Làm tăng độ to và độ cao của âm

C.Giữ cho âm phát ra có tần số ổn định

D.Lọc bớt tạp âm và tiếng ồn

Ví dụ 10 : Các kết luận sau về sóng âm, kết luận nào là đúng

A.Vì sóng âm là sóng dọc nên không có giao thoa

B.Sóng âm không thay đổi vận tốc truyền khi chuyển môi trường

C.Môi trường rắn, lỏng, khí đều truyền được sóng âm và đều hấp thụ năng lượng của sóng trong quá trình truyền

D.Sóng âm không phản xạ khi gặp mặt ngăn như sóng ánh sáng

Ví dụ 11 : Một sóng âm có tần số 200Hz lan truyền trong môi trường nước với vận tốc 1500m/s. Bước sóng của sóng này trong môi trường nước là

A.30,5m B.3km C.75m D.7,5m

Lời giải :

λ = v T = v/f=1500/200=7,5m

Ví dụ 12 : Nếu khoảng thời gian từ khi nhìn thấy tiếng sét đến khi nghe thấy tiếng sấm là một phút thì khoảng cách từ nơi sét đánh đến người quan sát là bao nhiêu? Biết vận tốc truyền âm trong không khí là v=340m/s

A.10,5km B.20,4km C.26,5km D.28,6km

Lời giải : L=S=v.t=340.60=20400m=20,4km

Ví dụ 13 : Một sóng âm truyền trong thép với tốc độ 5000m/s. Nếu độ lệch pha của sóng âm đó ở hai điểm gần nhau nhất cách nhau 1m trên phương truyền sóng là π/2 thì tần số của sóng bằng

A.1250Hz B.2500Hz C.1000Hz D.5000Hz

Lời giải :

Ví dụ 14 : Hai chiếc loa nhỏ ( coi là nguồn âm điểm ) đặt ở hai điểm A và B cách nhau 6,46m quay màng loa về phía nhau, cùng phát âm có tần số f=500Hz, đồng pha nhau. Cho vận tốc âm trong không khí là v=340m/s. Các điểm ở trên đường thẳng qua A-B, ngoài đoạn thẳng đó năng lượng âm phân bố như thế nào? Chọn phát biểu đúng

A.Âm có đều ở mọi nơi

B.Tại một điểm âm lúc to lúc nhỏ

C.Di chuyển trên đường đó lúc nghe thấy âm lúc không

D.Tất cả các điểm không nghe thấy âm

Lời giải : Trong đoạn AB có giao thoa sóng âm, thực ra ở đây là sóng dừng vì hai âm kết hợp truyền ngược nhau. Như vậy năng lượng âm không thể phân bố đều: ở nút sóng không có năng lượng, ở bụng sóng năng lượng tập trung nhiều nhất. Do vậy phải khảo sát chi tiết λ=68cm. Đoạn AB có 19 bụng sóng kể cả A, B và có 18 nút sóng. Vậy dịch từ A tới B ta lần lượt thấy âm lúc có lúc không

Ví dụ 15 : Một nguồn điểm S phát sóng âm đẳng hướng ra không gian, ba điểm S, A, B nằm trên một phương truyền sóng (A, B cùng phía so với S, AB = 61,2 m). Điểm M cách S đoạn 50 m có cường độ âm 10^-5 W/m². Biết tốc độ truyền âm trong không khí là 340 m/s và môi trường không hấp thụ âm. Lấy π = 3,14. Năng lượng của sóng âm trong không gian giới hạn bởi hai mặt cầu tâm S đi qua A và B là

A. 0,04618J B.0,0612J C.0,05652J D.0,036J

Lời giải :

Năng lượng sóng âm cần tìm: Q = P.∆t_A→B

Điểm M có

Vậy Q=0,05652J

Ví dụ 16 : Trong một buổi hoà nhạc được tổ chức ở nhà hát. Giả thiết, một người ngồi dưới khán đài nghe được âm do một chiếc đàn do một người đánh phát ra có mức cường độ âm là 12,2 dB. Khi dàn nhạc giao hợp xướng người đó cảm nhận âm có mức cường độ âm là 2,45 B. Coi công suất âm của dàn nhạc tỉ lệ với số người trong dàn nhạc. Số người trong dàn nhạc đó là

A.12người B.18 người C.17 người D.8 người

Lời giải :

Dàn nhạc có một người :

Dàn nhạc có n người :

=> n=17

Ví dụ 17 : Một nguồn âm điểm O phát ra âm với công suất không đổi, xem rằng âm phát ra đẳng hướng và môi trường không hấp thụ âm. Tại hai điểm M và N nằm trên đường thẳng qua O và cùng phía so với O có mức cường độ âm lần lượt là 80 dB và 60 dB. Biết khoảng cách MO = 1 m. Khoảng cách MN là

A.10m B.100m C.9m D.0,9m

Lời giải :

Ví dụ 18 : Có một số nguồn âm điểm giống nhau với công suất phát âm không đổi trong môi trường đẳng hướng không hấp thụ âm. Nếu tại điểm A, đặt 4 nguồn âm thì tại điểm B cách A một đoạn là d có mức cường độ âm là 60 dB. Nếu tại điểm C cách B là 2d/3 đặt 6 nguồn âm thì tại điểm B có mức cường độ âm bằng

A.74,45 dB B. 65,28 dB C.69,36 dB D.135 dB

Lời giải :

Đặt 4 nguồn âm tại A:

Đặt 6 nguồn âm tại C:

=> L=65,28dB

Ví dụ 19 : Tại điểm O trong môi trường đẳng hướng, không hấp thụ âm, với công suất phát âm không đổi. Một người chuyển động thẳng đều từ A về O với tốc độ 2 m/s. Khi đến điểm B cách nguồn âm 20 m thì mức cường độ âm tăng thêm 20 dB so với ở điểm A. Thời gian người đó chuyển động từ A đến B là

A. 50s B.100 s C. 45 s D. 90 s

Lời giải :

Ví dụ 20 : Hai điểm A, B nằm trên cùng một đường thẳng đi qua một nguồn âm và ở hai phía so với nguồn âm. Biết mức cường độ âm tại A và tại trung điểm của AB lần lượt là 50 dB và 60 dB. Mức cường độ âm tại B là

A. 42,7 dB B. 58,7 dB. C. 45,7 dB D. B hoặc C

Lời giải :

III,Bài tập tự luyện

Câu 1 : Trong các phát biểu sau đây phát biểu nào đúng

A.Độ cao của âm phụ thuộc vào tần số.Tần số càng lớn thì âm càng thấp

B.Độ cao của âm phụ thuộc vào tần số. Tần số càng lớn thì âm càng cao

C.Độ cao của âm không phụ thuộc vào tần số mà phụ thuộc vào biên độ

D.Độ cao của âm không phụ thuộc vào tần số mà phụ thuộc vào bước sóng

Câu 2 : Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về sóng siêu âm

A.Sóng siêu âm có tần số bé hơn tần số của âm nghe được

B.Sóng siêu âm không truyền được trong chân không

C.Sóng siêu âm truyền trong không khí nhanh hơn nước

D.Tốc độ truyền sóng siêu âm trong nước lớn hơn sắt

Câu 3 : Khi một nhạc cụ phát ra âm của nốt La₃ thì người ta đều nghe được âm La₃. Hiện tượng này có được là do tính chất nào sau đây

A.Trong quá trình truyền âm năng lượng sóng được bảo toàn

B.Trong một môi trường, vận tốc truyền sóng âm có giá trị như nhau theo mọi phương

C.Khi sóng truyền qua, mọi phần tử của môi trường đều dao động với cùng tần số của nguồn

D.Cả A,B và C

Câu 4 :Một dây đàn phát ra âm cơ bản và họa âm bậc 2. Mối quan hệ giữa tần số của âm cơ bản f₁ và tần số f₂ của họa âm bậc 2 là

A.f₁=f₂ B.f₁=2f₂ C.f₂=2f₁ D.f₂=4f₁
Câu 5 : Một nguồn âm O, phát sóng âm theo mọi phương như nhau. Hai điểm A, B nằm trên cùng đường thẳng đi qua nguồn O và cùng bên so với nguồn. Khoảng cách từ B đến nguồn lớn hơn từ A đến nguồn bốn lần. Nếu mức cường độ âm tại A là 60 dB thì mức cường độ âm tại B xấp xỉ bằng

A. 48 dB B. 15 dB C. 20 dB D. 160 dB

Câu 6 : Hai nguồn âm nhỏ S₁, S₂ giống nhau (được nối với một nguồn âm) phát ra âm thanh với cùng một pha và cùng cường độ mạnh. Một người đứng ở điểm N với S₁N=3m và S₂N=3,375m.Tốc độ truyền âm trong không khí là 330 m/s. Tìm bước sóng dài nhất để người đó ở N không nghe được âm thanh từ hai nguồn S₁,S₂ phát ra là

A.λ= 0,5 m B. λ= 0,75 m C. λ= 0,4m D. λ= 1 m

Câu 7 : Một người đứng cách một nguồn âm một khoảng là d thì cường độ âm là I. Khi người đó tiến ra xa nguồn âm thêm một khoảng 20 m thì cường độ âm giảm chỉ còn I/4. Khoảng cách d là

A.40m B.160m C.10m D.20m

Câu 8 : Tại điểm A cách nguồn âm đẳng hướng 10 m có mức cường độ âm là 24 dB thì tại nơi mà mức cường độ âm bằng không cách nguồn

A.3162m B.2812m C.158,49m D.2681m

Câu 9 : Tại điểm O trong môi trường đẳng hướng, không hấp thụ âm , có 2 nguồn âm điểm, giống nhau với công suất phát âm không đổi. Tại điểm A có mức cường độ âm 20 dB. Để tại trung điểm M của đoạn OA có mức cường độ âm là 30 dB thì số nguồn âm giống các nguồn âm trên cần đặt thêm tại O bằng

A.3 B.4 C.5 D.7

Câu 10 : Một nguồn âm S phát ra âm có tần số xác định. Năng lượng âm truyền đi phân phối đều trên mặt cầu tâm S bán kính d. Bỏ qua sự phản xạ của sóng âm trên mặt đất và các vật cản. Tai điểm A cách nguồn âm S 100 m, mức cường độ âm là 20 dB. Xác định vị trí điểm B để tại đó mức cường độ âm bằng 0.

A.1m B.10m C.100m D.1000m

✔ Đáp án