Âm thanh và các đặc tính của âm thanh

Âm thanh là những sóng cơ học có tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz. Cao độ, độ to và âm sắc có liên quan tới các đặc tính Vật lý của âm.

Định nghĩa âm/âm thanh

• Âm là những sóng cơ học.
• Âm thanh là những sóng cơ học có tần số từ 16 Hz – 20.000 Hz.
• Những âm có tần số dưới 16 Hz gọi là hạ âm. Những âm có tần số trên 20 kHz gọi là siêu âm.

Dơi phát ra siêu âm để định vị

Các đặc tính vật lí (VL) và sinh lí (SL) của âm

Vận tốc truyền âm (VL)

Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào mật độ vật chất, độ đàn hồi và nhiệt độ của môi trường
- Nhiệt độ càng cao vận tốc truyền âm càng lớn
- v_rắn > v_lỏng > v_khí do mật độ vật chất giảm dần trong ba môi trường

Cường độ âm/Mức cường độ âm (VL)

Cường độ âm (công suất âm) là năng lượng âm gửi qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian \[I = \frac{W}{S}\,\,\,({\text{W}}{\text{/}}{{\text{m}}^{\text{2}}})\] với $W$ (J) là năng lượng âm truyền trong một giây, $S$ (m²) là diện tích âm truyền qua. Ứng với mỗi tần số, ta xác định một cường độ âm chuẩn (hay ngưỡng nghe đối với âm đó) ${I_0}$. Chẳng hạn ${I_0} = {10^{ - 12}}$ W/m² ở $f = 1000$ Hz.

Mức cường độ âm \[L = \lg \frac{I}{{{I_0}}}.\] Mức cường độ âm $L$ có đơn vị là B hoặc dB, 1 B = 10 dB.

Công suất của nguồn âm đẳng hướng là năng lượng âm truyền qua mặt cầu có tâm là nguồn âm, bán kính $R$ trong một giây \[P = 4\pi {R^2}{I_R}\] trong đó ${I_R}$ là cường độ âm tại điểm cách nguồn âm một đoạn $R$. Nếu môi trường không hấp thụ âm thì công suất này bảo toàn trong suốt quá trình truyền. Do đó, cường độ âm tại hai điểm M, N cách nguồn âm các khoảng ${R_M}$, ${R_N}$ liên hệ nhau bởi công thức \[\frac{{{I_M}}}{{{I_N}}} = {\left( {\frac{{{R_N}}}{{{R_M}}}} \right)^2}.\] Như vậy, cường độ âm phụ thuộc vào năng lượng/công suất nguồn âm, diện tích truyền âm. Mức cường độ âm phụ thuộc vào cường độ âm, cường độ âm chuẩn (hay tần số của âm).

Độ cao (SL)

Độ cao của âm do tần số quy định. Tần số lớn thì âm thanh, tần số nhỏ thì âm trầm.

Âm sắc (SL)

- Các bộ phận phát âm đều phát ra đồng thời một âm cơ bản có tần số ${f_0}$ và các họa âm ${nf_0}$
- Tổng hợp của các dao động riêng tạo thành một âm tổng hợp có quy luật tuần hoàn đặc trưng gọi là âm sắc. Nhờ âm sắc, ta phân biệt được các nhạc cụ, giọng người,...
- Âm sắc phụ thuộc vào số họa âm và biên độ của mỗi họa âm (phổ của âm).

Độ to (SL)

Tùy tần số, mỗi âm có một ngưỡng nghe ${I_{\min }}$. Độ to của âm là đại lượng định nghĩa bởi \[\Delta I = I - {I_{\min }}\,\,\,{\text{(phon)}}.\] Như vậy, độ to phụ thuộc vào tần số âm, ngưỡng nghe ứng với âm đó (tai người nghe), cường độ âm. Độ to tối thiểu mà tai còn phân biệt được là 1 phon.