Tần số, đo bằng hertz (Hz), là số lần một vật rung hay không khí nén – giãn trong một giây; tai cảm nhận tần số thành cao độ. Tần số thấp nghe trầm, tần số cao nghe bổng, và mỗi khi tần số tăng gấp đôi, ta nghe âm cao lên đúng một quãng tám. Vật to, dài, nặng thường rung chậm nên phát tiếng trầm; vật nhỏ, ngắn, căng thường rung nhanh nên phát tiếng bổng.
Hertz: đếm nhịp rung trong một giây
Đơn vị hertz đặt theo tên nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz. Một hertz là một chu kỳ mỗi giây. Dây đàn rung 220 lần mỗi giây phát âm 220 Hz; cánh muỗi đập vài trăm lần mỗi giây tạo tiếng vo ve cỡ vài trăm hertz; còn trống cái rung chậm hơn nhiều, nên tiếng nó trầm và "tức ngực".
Tai người trẻ nghe được khoảng 20 Hz tới 20.000 Hz, ngưỡng trên giảm dần theo tuổi. Dải nghe và độ nhạy của tai theo từng vùng tần số đã có bài riêng trong danh mục "Tai & cách ta nghe". Bài này đi theo hướng ngược lại: nhìn từ phía vật phát ra tiếng, xem điều gì quyết định một tiếng trầm hay bổng, và vì sao một nốt nhạc thật ra là cả một chùm tần số.
Cao độ không phải độ to
Trong đời thường, nhiều người nói "vặn cao lên" khi muốn tiếng to hơn, hay chê ai "nói trầm quá không nghe thấy". Hai chuyện này khác nhau. Cao độ (trầm hay bổng) do tần số quyết định. Độ to do biên độ, tức độ mạnh của dao động áp suất, quyết định. Một tiếng còi có thể vừa bổng vừa nhỏ; một tiếng trống có thể vừa trầm vừa rất to.
Hai thứ chỉ dính nhau một chút ở phía tai: ở mức nhỏ, tai kém nhạy với âm trầm, nên tiếng trầm phải mạnh hơn mới nghe to bằng tiếng ở vùng giữa. Đó là lý do mở nhạc nhỏ ban đêm thấy "mất bass", dù bản nhạc không đổi.
| Cao độ | Độ to | Âm sắc | |
|---|---|---|---|
| Do đâu | Tần số cơ bản | Biên độ áp suất | Tỉ lệ các hoạ âm và cách âm bắt đầu, tắt đi |
| Đơn vị thường dùng | Hz, tên nốt nhạc | dB | Không có một con số duy nhất |
| Ví dụ đổi | Bấm phím đàn khác | Gảy mạnh hơn | Cùng nốt nhưng đàn bầu khác sáo trúc |
Điều gì làm một vật rung nhanh hay chậm
Từ năm 1636, nhà khoa học Pháp Marin Mersenne đã viết ra các quy luật cho dây đàn, đến nay vẫn được dạy trong vật lý phổ thông. Với một sợi dây căng giữa hai điểm:
- Dây càng ngắn, tiếng càng bổng. Bấm ngón tay giữa dây đàn làm đoạn rung ngắn còn một nửa, tần số gấp đôi, nốt cao lên một quãng tám.
- Dây càng căng, tiếng càng bổng. Lên dây đàn là tăng lực căng. Muốn tần số gấp đôi bằng cách này, phải tăng lực căng lên gấp bốn.
- Dây càng nặng, tiếng càng trầm. Vì thế dây trầm của đàn ghi-ta thường to hơn và có quấn thêm lớp kim loại bên ngoài.
Cùng ý đó áp dụng rộng ra mọi vật. Chuông lớn ngân trầm, chuông nhỏ leng keng. Thanh tre dài của đàn t'rưng phát tiếng trầm hơn thanh ngắn. Cột không khí trong ống sáo dài rung chậm hơn trong ống ngắn, nên mở lỗ bấm gần miệng thổi (làm cột khí ngắn lại) là tiếng bổng lên. Con vật to thường có giọng trầm hơn con nhỏ, vì bộ phận phát âm của chúng to và nặng hơn, dù có nhiều ngoại lệ thú vị.
Thí nghiệm nhanh ở nhà: đè một đầu thước kẻ lên mép bàn rồi bật đầu kia. Cho thước thò ra dài, tiếng "bựt bựt" trầm và chậm, gần như đếm được nhịp. Rút ngắn dần, tiếng bổng lên thành "tưng". Bạn vừa đổi tần số chỉ bằng cách đổi chiều dài phần rung.
Quãng tám và tỉ lệ: tai nghe theo phép nhân
Từ thời Hy Lạp cổ, truyền thống gắn với Pythagoras đã ghi nhận rằng hai dây có chiều dài theo tỉ lệ đơn giản như 2:1 hay 3:2 tạo ra âm nghe hoà hợp. Ngày nay ta biết đằng sau là tỉ lệ tần số. Hai âm tần số chênh gấp đôi nghe "giống nhau mà cao hơn", đó là quãng tám.
Điều này có nghĩa tai không đo cao độ bằng hiệu số mà bằng tỉ số. Từ 100 Hz lên 200 Hz là một quãng tám. Từ 1.000 Hz lên 1.100 Hz, dù cũng chênh 100 Hz, chỉ là một bước nhỏ, chưa tới một cung nhạc. Cả dải nghe của người, từ khoảng 20 Hz tới 20.000 Hz, chứa khoảng mười quãng tám. Đàn piano đầy đủ phủ hơn bảy quãng tám trong số đó.
| Tỉ lệ tần số | Tên quãng | Cảm giác |
|---|---|---|
| 2 : 1 | Quãng tám | Như cùng một nốt ở hai độ cao |
| 3 : 2 | Quãng năm đúng | Rất hoà hợp, vững |
| 4 : 3 | Quãng bốn đúng | Hoà hợp |
| 5 : 4 | Quãng ba trưởng (gần đúng) | Sáng, tươi |
Một nốt nhạc là cả một chùm tần số
Khi gảy một sợi dây, nó không chỉ rung cả chiều dài như một cánh cung. Cùng lúc, nó còn rung thành hai nửa, ba phần, bốn phần… Mỗi kiểu rung tạo một tần số: gấp 2, gấp 3, gấp 4 lần tần số chính. Tần số thấp nhất gọi là tần số cơ bản, quyết định nốt ta nghe. Các tần số gấp bội gọi là hoạ âm (hay bồi âm).
Tai không nghe từng hoạ âm riêng rẽ mà gộp cả chùm thành một nốt, còn tỉ lệ mạnh yếu giữa các hoạ âm tạo ra "màu" của tiếng. Đó là lý do cùng một nốt mà tiếng đàn, tiếng sáo, tiếng người hát nghe khác nhau.
Đàn bầu: cây đàn chơi bằng hoạ âm
Người Việt có một ví dụ hiếm thấy trên thế giới về hoạ âm: đàn bầu. Đàn chỉ có một dây. Người chơi không bấm dây xuống như đàn ghi-ta, mà đặt nhẹ cạnh bàn tay lên đúng các điểm chia dây thành phần bằng nhau (một nửa, một phần ba, một phần tư…) rồi gảy. Cách chạm ấy "tắt" tần số cơ bản và giữ lại một hoạ âm, nên dây phát ra nốt cao hơn mà mềm, trong, ngân như tiếng gió. Tay kia uốn cần đàn làm dây căng hoặc chùng, cao độ trượt lên xuống, tạo ra kiểu luyến láy mà nhiều người nghe là nhận ra ngay. Một cây đàn nhỏ, nhưng gói gần đủ bài học về tần số: chiều dài, lực căng và chùm hoạ âm.
Tần số trong đời sống: vài con số quen
Những giá trị dưới đây là giá trị phổ biến, ghi "khoảng", thực tế mỗi nguồn mỗi khác:
- Giọng nói người lớn: tần số cơ bản của giọng nam thường quanh khoảng 100–120 Hz, giọng nữ quanh khoảng 200–220 Hz, trẻ nhỏ còn cao hơn. Nhưng phần giúp ta nghe ra chữ, nhất là phụ âm, nằm cao hơn nhiều, tới vài nghìn hertz.
- Điện lưới ở Việt Nam có tần số 50 Hz, nên tiếng "ù ù" của máy biến áp, chấn lưu đèn cũ thường nằm ở 100 Hz và các bội số, vì lõi sắt co giãn hai lần trong mỗi chu kỳ điện.
- Âm báo trên nhiều thiết bị (lò vi sóng, xe lùi, máy đo) thường đặt trong khoảng 2.000–4.000 Hz, nơi tai nhạy, để dễ nghe thấy mà không cần quá to.
- Nhiều thiết bị siêu âm y tế dùng tần số hàng triệu hertz, xa ngoài tầm nghe; với chúng, "âm thanh" chỉ là sóng cơ học dùng để nhìn vào bên trong.
Góc nhìn hôm nay: luyện tai nhận ra trầm và bổng
Hiểu tần số giúp lắng nghe tinh hơn. Vài việc nhỏ có thể làm ngay:
- Gõ nhẹ lần lượt vào vài chiếc cốc, bát khác cỡ trong bếp, đoán trước cái nào trầm hơn rồi kiểm tra.
- Nghe một bản nhạc có tiếng đàn bầu hoặc tiếng đàn tranh, chú ý những nốt trượt cao độ khi người chơi uốn dây.
- Dùng ứng dụng phát tần số (loại tạo âm sóng sin) với âm lượng nhỏ, chuyển từ 200 Hz lên 400 Hz rồi 800 Hz để nghe tận tai thế nào là "lên một quãng tám".
Khi thử âm cao, luôn để âm lượng thấp, nghe ngắn; tai không cần to mới nhận ra cao độ. Ai muốn đi sâu có thể đọc phần "Đặc trưng sinh lý của âm" trong sách vật lý phổ thông, hoặc tài liệu nhập môn âm học nhạc cụ.
Câu hỏi thường gặp
Tần số âm thanh là gì?
Tần số âm thanh là số lần dao động nén – giãn trong một giây, đo bằng hertz (Hz). Tần số càng cao thì tai nghe âm càng bổng, tần số càng thấp nghe càng trầm.
Cao độ và độ to khác nhau thế nào?
Cao độ là âm trầm hay bổng, do tần số quyết định. Độ to là âm mạnh hay yếu, do biên độ dao động quyết định và đo bằng decibel. Một âm có thể vừa trầm vừa to, hoặc vừa bổng vừa nhỏ.
Vì sao dây đàn ngắn thì tiếng cao hơn?
Dây ngắn rung nhanh hơn nên tần số cao hơn. Theo các quy luật Mersenne nêu từ năm 1636, giảm chiều dài dây còn một nửa thì tần số tăng gấp đôi, nốt cao lên một quãng tám. Dây căng hơn hoặc nhẹ hơn cũng cho tiếng bổng hơn.
Quãng tám là gì?
Quãng tám là khoảng cách giữa hai âm có tần số chênh nhau đúng gấp đôi. Hai âm này nghe như cùng một nốt ở hai độ cao khác nhau, nên được đặt cùng tên trong âm nhạc.
Hoạ âm là gì?
Hoạ âm là các tần số gấp 2, 3, 4… lần tần số cơ bản, sinh ra cùng lúc khi một vật rung. Tai gộp cả chùm lại thành một nốt, còn tỉ lệ mạnh yếu của các hoạ âm làm nên âm sắc riêng của từng nhạc cụ và từng giọng.
