Âm thanh là gì: sóng âm truyền qua không khí như thế nào

Âm thanh là rung động cơ học lan truyền qua một môi trường như không khí, nước hay chất rắn. Khi một vật rung, nó đẩy và kéo lớp không khí sát bên, tạo ra những vùng bị nén và vùng bị giãn nối tiếp nhau; chuỗi nén – giãn ấy truyền đi, chạm tới màng nhĩ, và não dịch thành tiếng. Không khí không bay từ chiếc loa sang tai ta, thứ đi được quãng đường đó là sự xô đẩy giữa các phân tử.

Từ một vật rung đến một lời gọi

Mọi âm thanh đều bắt đầu từ một thứ đang rung. Dây đàn rung khi bị gảy. Mặt trống rung khi bị dùi gõ. Hai dây thanh trong cổ họng rung khi luồng hơi từ phổi đi qua. Ngay cả tiếng gió rít qua khe cửa cũng là không khí bị xé thành những xoáy nhỏ và rung lên.

Thử đặt mấy hạt gạo lên mặt một chiếc trống con, hoặc lên tấm màng bọc thực phẩm căng trên miệng bát, rồi gõ nhẹ hay nói to sát bên. Hạt gạo nảy lên. Đó là cách đơn giản nhất để "nhìn thấy" âm thanh: bề mặt đang rung, và rung động ấy cũng chính là thứ đi vào không khí.

Khi mặt trống bật ra ngoài, nó ép lớp không khí trước mặt lại gần nhau hơn một chút, áp suất ở đó nhích lên. Khi mặt trống lõm vào, lớp không khí ấy được giãn ra, áp suất hơi tụt xuống. Lớp không khí bị ép lại ép tiếp lớp kế bên, lớp kế bên lại ép lớp kế nữa. Cứ thế, một làn sóng áp suất lan ra mọi phía, giống vòng tròn lan trên mặt ao khi ném hòn sỏi, chỉ khác là nó lan theo hình cầu trong không gian ba chiều.

Sóng dọc: phân tử chỉ đung đưa tại chỗ

Có một điều hay bị hiểu nhầm: sóng âm không mang không khí đi theo. Mỗi phân tử khí chỉ dịch qua dịch lại quanh vị trí của mình một quãng cực nhỏ, rồi trả năng lượng cho phân tử bên cạnh. Thứ truyền đi xa là năng lượng và "hình dạng" của rung động, không phải bản thân chất khí.

Vật lý gọi đây là sóng dọc: phân tử dao động cùng phương với hướng sóng đi. Nó khác với sóng ngang, như sóng trên sợi dây thừng bị giật lên xuống, ở đó dây chuyển động vuông góc với hướng sóng chạy.

Hình ảnh dễ nhớ là một chiếc lò xo dài nằm trên sàn. Đẩy mạnh một đầu, bạn sẽ thấy một đoạn vòng lò xo dồn sát lại, chạy dọc tới đầu kia, phía sau nó là đoạn vòng giãn thưa. Lò xo không trôi đi đâu cả, chỉ có chỗ "dồn" chạy. Âm thanh trong không khí y như vậy, chỉ là hàng tỉ tỉ phân tử thay cho các vòng lò xo.

Cũng nhờ thế, âm thanh có thể truyền qua bất cứ thứ gì có hạt để xô đẩy nhau: không khí, nước, gỗ, đất, thép, cả xương sọ của chính ta. Nơi nào không có hạt, như khoảng chân không giữa các vì sao, âm thanh không có đường đi.

Bốn đại lượng mô tả một âm thanh

Để nói một âm thanh trầm hay bổng, to hay nhỏ, người ta dùng vài đại lượng cơ bản. Các con số trong bảng là giá trị phổ biến để hình dung, ghi "khoảng".

Ba đại lượng tần số, bước sóng và tốc độ buộc vào nhau bằng một phép tính đơn giản: bước sóng = tốc độ : tần số. Với tốc độ khoảng 343 m/s, âm 343 Hz có bước sóng đúng khoảng 1 m.

Con số áp suất trong bảng đáng dừng lại một chút. Khi bạn nói chuyện bình thường, áp suất không khí ở tai người nghe chỉ dao động chưa tới một phần triệu so với mức nền. Màng nhĩ và ốc tai phải nhạy đến mức bắt được dao động nhỏ như thế, và ở ngưỡng nghe thấp nhất, con số còn nhỏ hơn cả nghìn lần. Đó là lý do tai vừa là giác quan tinh tế, vừa dễ bị tổn thương khi gặp tiếng quá to.

Vì sao ta nghe được tiếng từ sau bức tường

Ánh sáng không đi vòng qua góc nhà, nhưng tiếng gọi của mẹ từ bếp thì có. Lý do nằm ở bước sóng. Sóng âm của giọng nói dài từ vài chục xen-ti-mét tới hơn một mét, cỡ khung cửa hay góc tường. Khi gặp vật cản có kích thước tương tự, sóng uốn quanh mép vật cản và lan tiếp vào vùng "khuất". Hiện tượng này gọi là nhiễu xạ.

Âm càng trầm thì bước sóng càng dài, càng dễ vòng qua vật cản. Vì vậy, đứng ngoài một quán có nhạc to, ta thường nghe rõ tiếng bass thình thịch còn tiếng hát và tiếng chũm chọe thì mờ đi. Phần tần số cao, bước sóng ngắn, bị tường và cửa chặn lại nhiều hơn.

Ngoài nhiễu xạ, sóng âm còn có thể:

• Phản xạ: dội lại khi gặp mặt cứng và nhẵn như tường gạch, vách đá, mặt nước.
• Bị hấp thụ: đi vào rèm vải, nệm, bông, cỏ và mất dần năng lượng thành nhiệt rất nhỏ.
• Khúc xạ: bẻ hướng khi đi qua các lớp không khí có nhiệt độ khác nhau, vì tốc độ âm thay đổi theo nhiệt độ.
• Giao thoa: hai sóng gặp nhau có thể cộng thêm to hoặc triệt tiêu nhau, tuỳ chỗ nén gặp nén hay nén gặp giãn.

Giao thoa chính là nguyên lý của tai nghe chống ồn: thiết bị phát ra một sóng "ngược pha" với tiếng ồn để hai bên xóa nhau. Phản xạ là nền của sonar và máy dò cá, sẽ nói ở một bài riêng.

Âm thanh yếu dần khi đi xa

Một tiếng gọi giữa cánh đồng trống lan ra theo mặt cầu ngày càng lớn. Năng lượng ban đầu phải trải đều lên diện tích lớn hơn, nên mỗi chỗ nhận được ít hơn. Với một nguồn âm nhỏ ở khoảng trống thoáng, cứ khoảng cách tăng gấp đôi thì mức âm giảm khoảng 6 dB. Đứng cách chiếc loa 2 m rồi lùi ra 4 m, tiếng nghe nhỏ đi thấy rõ.

Không khí cũng "ăn" bớt âm thanh, nhất là âm cao. Đó là lý do tiếng sấm ở xa nghe ầm ì trầm đục, còn sấm ngay trên đầu thì giòn và chát. Phần tần số cao bị hao trên đường đi, phần trầm còn lại tới tai.

Trong thực tế, gió, nhiệt độ, nhà cửa và cây cối làm bức tranh phức tạp hơn nhiều. Nhưng quy tắc chung vẫn đúng: muốn nghe rõ, lại gần; muốn bảo vệ tai, lùi xa nguồn tiếng quá to là cách nhanh nhất.

Từ sóng áp suất đến cảm giác "nghe"

Khi sóng âm vào ống tai, nó làm màng nhĩ rung theo đúng nhịp nén – giãn. Ba xương nhỏ ở tai giữa (búa, đe, bàn đạp) truyền và khuếch đại rung động sang ốc tai chứa đầy dịch. Trong ốc tai, các tế bào lông chuyển rung động thành tín hiệu điện gửi lên não. Từ đây, sóng áp suất mới thật sự trở thành "tiếng".

Điều thú vị là cùng một sóng âm, mỗi loài nghe một kiểu. Chó, mèo nghe được những âm cao hơn tai người nhiều; voi và cá voi dùng những âm trầm dưới ngưỡng ta nghe được. Bản thân sóng thì như nhau, chỉ có "máy thu" ở mỗi loài là khác. Cũng vì vậy, trong vật lý, người ta gọi âm dưới khoảng 20 Hz là hạ âm và trên khoảng 20.000 Hz là siêu âm, mốc chia lấy theo tai người.

Thử tại nhà: ba thí nghiệm an toàn

Không cần phòng thí nghiệm, vài món đồ trong nhà đủ để thấy âm thanh là sóng cơ học.

1. Điện thoại cốc giấy. Đục lỗ nhỏ ở đáy hai cốc giấy, luồn một sợi dây dài vài mét và thắt nút giữ. Hai người kéo căng dây, một người nói vào cốc, người kia áp cốc lên tai. Dây căng truyền rung động tốt hơn không khí. Thả chùng dây, tiếng tắt ngay.
2. Thìa treo dây. Buộc một chiếc thìa kim loại vào giữa sợi dây, quấn hai đầu dây vào ngón trỏ rồi đặt ngón trỏ khẽ lên lỗ tai. Để thìa đung đưa chạm nhẹ vào cạnh bàn: tiếng "boong" nghe trầm và vang như chuông, vì rung động đi qua dây và ngón tay vào tai thay vì qua không khí.
3. Thước kẻ trên mép bàn. Đè chặt một đầu thước nhựa lên mép bàn, bật đầu còn lại. Đẩy thước thò ra dài thì tiếng trầm, rút ngắn lại thì tiếng bổng. Đây là bài học đầu tiên về tần số.

Cả ba thí nghiệm đều nhỏ tiếng. Đừng thử nghe bằng cách áp tai lên đường ray, cột điện hay vật đang rung mạnh; không có thí nghiệm nào đáng đổi lấy an toàn của đôi tai.

Góc nhìn hôm nay: hiểu sóng để nghe đúng

Biết âm thanh là sóng áp suất giúp giải thích hàng loạt chuyện hằng ngày: vì sao nói chuyện qua cửa kính đóng kín khó nghe, vì sao tiếng trầm của nhà hàng xóm lọt qua tường dễ hơn tiếng cao, vì sao đứng xa loa là cách bảo vệ tai đơn giản nhất. Người muốn tìm hiểu sâu hơn có thể đọc chương "Sóng âm" trong sách giáo khoa vật lý phổ thông, rồi chuyển sang các bài về decibel, tần số, tốc độ âm thanh trong danh mục này.

Lần tới nghe ai gọi tên mình, hãy nhớ: giữa miệng người gọi và tai mình là một chuỗi phân tử khí vừa khẽ xô nhau cả nghìn lần mỗi giây.