Mô phỏng sóng âm và âm thanh

Mô phỏng này đặt một chiếc loa dễ thương trước cả lớp và cho mọi người nhìn thấy âm thanh nó phát ra. Cùng một sóng âm được vẽ theo hai cách cùng lúc: các hạt không khí lúc dồn lại, lúc giãn ra, và đồ thị áp suất ngay bên dưới, đặt trên cùng một thước đo để học sinh thấy mỗi đỉnh của đồ thị chính là một chỗ các hạt dồn lại. Thầy cô đổi tần số và biên độ, chuyển môi trường sang nước, thép hoặc chân không, và bấm "Bật tiếng" để nghe âm thật. Chế độ "So sánh" đặt hai âm cạnh nhau, còn "Dây đàn" cho gảy một dây đàn ghi-ta có độ cao thay đổi theo chiều dài và lực căng.

Cách dùng

• Tần số: dùng thanh trượt "Tần số" (20 Hz đến 2000 Hz, chia theo thang logarit), hoặc chọn nhanh: trống bass (60 Hz), giọng nói (200 Hz), nốt La trên đàn piano (440 Hz), tiếng còi (1500 Hz). Phím 1 tới 4 chọn nhanh các âm này.
• Biên độ: thanh trượt "Biên độ" (10 % đến 100 %) đặt độ xa mà các hạt dao động, tức là độ to của âm. Bảng "Số đo" ghi mức âm theo đề-xi-ben.
• Kéo đồ thị: kéo sang ngang để kéo giãn hoặc nén sóng lại (âm trầm hơn hoặc bổng hơn), kéo lên xuống để âm to hơn hoặc nhỏ hơn. Với bàn phím: mũi tên trái, phải đổi tần số, lên, xuống đổi biên độ.
• Môi trường: không khí, nước và thép có tốc độ truyền âm khác nhau, nên cùng một âm có bước sóng khác nhau trong từng môi trường. "Chân không" úp chiếc loa vào bình đã hút hết không khí: loa vẫn rung nhưng không có âm thanh nào truyền ra.
• Bật tiếng: phát âm thanh qua loa máy tính, nhỏ vừa phải, to dần và nhỏ dần nhẹ nhàng. Tiếng chỉ phát khi thầy cô bấm nút, thay đổi theo thanh trượt, và tắt hẳn trong chân không. Phím S để bật, tắt.
• So sánh: hai chiếc loa A và B, hai sóng vẽ trên cùng một đồ thị. Chọn âm mà thanh trượt sẽ chỉnh. Bảng số đo cho biết tần số của B gấp mấy lần A và B to hơn hay nhỏ hơn bao nhiêu đề-xi-ben.
• Dây đàn: kéo dây rồi thả ra để gảy, kéo ngón tay màu đỏ để dây ngắn lại, chỉnh lực căng và chọn dây mảnh, vừa hoặc to. Tần số và nốt nhạc gần nhất thay đổi ngay.
• Trên máy chiếu: bấm nút toàn màn hình, chữ và nút tự to lên. Phím cách để tạm dừng, nút mũi tên tròn để phát sóng lại từ loa.

Hình được làm chậm để mắt theo kịp: âm 440 Hz thật dao động 440 lần mỗi giây, quá nhanh để nhìn thấy. Trên màn hình, sóng chạy chậm khoảng 300 lần (bảng số đo ghi chính xác chậm bao nhiêu lần). Âm cao hơn vẫn chạy nhanh hơn trên màn hình, và mọi con số trong bảng đều là số thật.

Âm truyền đi như thế nào

Âm thanh là dao động được truyền từ hạt này sang hạt khác. Màng loa đẩy lớp không khí sát nó, các hạt này lại đẩy các hạt bên cạnh, cứ thế tiếp tục. Mỗi hạt chỉ dao động qua lại quanh vị trí của nó (hãy theo dõi hạt màu vàng có mặt cười), nhưng các đợt nén thì truyền đi khắp phòng.

Chỗ các hạt dồn lại có áp suất cao hơn một chút: đó là chỗ nén. Chỗ các hạt giãn ra có áp suất thấp hơn một chút: đó là chỗ giãn. Vì các hạt dao động qua lại theo đúng phương truyền âm, sóng âm trong không khí là sóng dọc. Đồ thị bên dưới vẽ áp suất dọc theo đường truyền và cho hình dạng sóng quen thuộc, như một sóng ngang: mỗi đỉnh của đồ thị là một chỗ nén, mỗi đáy là một chỗ giãn.

Âm cần môi trường truyền âm (chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí). Trong chân không không có hạt nào để đẩy, nên không có âm thanh, dù loa rung mạnh đến đâu.

Tần số, chu kì và bước sóng

• Tần số f là số dao động trong một giây, đơn vị héc (Hz).
• Chu kì T là thời gian thực hiện một dao động: T = 1/f.
• Bước sóng λ là khoảng cách giữa hai chỗ nén liên tiếp. Nó phụ thuộc vào tốc độ truyền âm v trong môi trường: λ = v/f.

Tần số tăng gấp đôi thì bước sóng giảm một nửa, vì tốc độ truyền âm không đổi. Trong môi trường truyền âm nhanh hơn, sóng được kéo giãn ra. Cùng một âm 440 Hz:

Độ cao và độ to của âm

Độ cao của âm cho biết âm cao (bổng) hay thấp (trầm), và phụ thuộc vào tần số: tần số càng lớn, âm càng cao. Độ to của âm phụ thuộc vào biên độ: biên độ càng lớn, âm càng to.

Độ to được đo bằng đề-xi-ben (dB). Khi so sánh hai âm, chênh lệch mức âm là

L₁ − L₂ = 20·log10(A₁/A₂)

Biên độ giảm một nửa thì âm nhỏ đi 6 dB, giảm còn một phần mười thì nhỏ đi 20 dB. Trong mô phỏng, mức âm là tương đối: 0 dB là mức to nhất, nên 50 % ứng với −6,0 dB và 10 % ứng với −20 dB. Mức âm thật, từ tiếng thì thầm (khoảng 30 dB) đến buổi hòa nhạc rock (khoảng 110 dB), cũng tính theo đúng quy tắc này nhưng so với một mốc cố định.

Âm nghe được, hạ âm và siêu âm

Tai người nghe được các âm có tần số từ khoảng 20 Hz đến 20.000 Hz, và giới hạn trên giảm dần khi lớn tuổi. Âm có tần số dưới 20 Hz là hạ âm: voi dùng hạ âm để gọi nhau, động đất cũng tạo ra hạ âm. Âm có tần số trên 20.000 Hz là siêu âm: dơi và cá heo dùng siêu âm để định hướng, bệnh viện dùng siêu âm để chụp hình bên trong cơ thể. Thanh màu trong bảng số đo cho biết âm đang chọn nằm ở đâu.

Dây đàn dao động

Dây đàn ghi-ta được giữ chặt ở hai đầu, nên nó dao động với một sóng ngang vừa đủ nửa bước sóng giữa hai đầu dây: λ = 2L. Sóng truyền dọc dây với tốc độ v = √(T/μ), trong đó T là lực căng dây và μ là khối lượng của một mét dây, nên tần số là

f = v/2L = (1/2L)·√(T/μ)

• Dây ngắn hơn, âm cao hơn: chiều dài giảm một nửa thì tần số tăng gấp đôi (cao hơn một quãng tám). Đó là việc ngón tay bấm phím đàn làm.
• Dây căng hơn, âm cao hơn: lực căng tăng 4 lần thì tần số tăng gấp đôi. Người ta lên dây đàn theo cách này.
• Dây to hơn, âm trầm hơn: dây nặng hơn dao động chậm hơn.

Dây mảnh dài 65 cm, căng 72 N cho âm 326 Hz, gần nốt Mi4 (E4), dây trên cùng của đàn ghi-ta. Dây đàn làm thùng đàn rung, thùng đàn đẩy không khí, và âm truyền tới tai ta lại là một sóng dọc.

Thử ngay

1. Bật tiếng và kéo tần số từ 20 Hz lên 2000 Hz. Em nghe được những âm nào? Từ đâu âm bắt đầu chói tai?
2. Chọn trống bass, rồi chọn tiếng còi. Bước sóng của tiếng trống dài gấp mấy lần? (1500 : 60 = 25 lần.)
3. Giữ 440 Hz, đổi từ không khí sang nước rồi sang thép. Đại lượng nào thay đổi, đại lượng nào giữ nguyên? (Bước sóng thay đổi, tần số và chu kì giữ nguyên.)
4. Bật tiếng rồi chọn "Chân không". Điều gì xảy ra, và vì sao loa vẫn rung?
5. So sánh: đặt biên độ của B bằng một nửa của A. B nhỏ hơn bao nhiêu đề-xi-ben? Sau đó đặt tần số của B gấp đôi A: bước sóng của B thay đổi thế nào?
6. Dây đàn: tìm hai cách để âm cao lên đúng một quãng tám.

Gợi ý dạy học

Mô phỏng dùng được ở hai lớp theo chương trình GDPT 2018:

• KHTN 7: chủ đề Âm thanh: mô tả sóng âm, sự truyền âm trong chất rắn, lỏng, khí và không truyền được trong chân không, tần số và biên độ, độ cao và độ to của âm, hạ âm và siêu âm. Dùng chế độ "Sóng âm" và "So sánh".
• Vật lý 11: chương Sóng: mô tả sóng (tần số, chu kì, bước sóng, tốc độ truyền sóng v = λf), sóng dọc và sóng ngang, sóng dừng trên dây hai đầu cố định. Dùng thêm chế độ "Dây đàn".

1. Dự đoán (5 phút): hỏi lớp "Âm cao hơn thì bước sóng dài hơn hay ngắn hơn?" Cho học sinh giơ tay chọn, rồi kéo thanh tần số.
2. Hai hình, một sóng (10 phút): tạm dừng sóng, mời một em chỉ vào một chỗ nén trên dải hạt, rồi chỉ chỗ tương ứng trên đồ thị. Theo dõi hạt màu vàng: nó có đi sang đầu kia không?
3. Đo đạc (10 phút): mỗi nhóm một âm, đọc bước sóng trên thước theo khung λ, rồi kiểm tra bằng công thức λ = v/f.
4. Chiếc bình chân không (5 phút): chọn "Chân không". Vì sao các nhà du hành vũ trụ ngoài không gian phải nói chuyện qua bộ đàm?
5. Ôn tập (10 phút): bấm "Tạo game ôn tập" để có ngay trò chơi cả lớp chơi trên cùng màn hình, chia đội, điện thoại của thầy cô làm điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

Sóng âm là sóng dọc hay sóng ngang?

Sóng âm trong không khí là sóng dọc: các hạt dao động qua lại theo phương truyền âm. Đồ thị áp suất trông giống sóng ngang, vì thế mô phỏng vẽ cả hai và đặt thẳng hàng với nhau. Còn dây đàn thì truyền sóng ngang: dây dao động vuông góc với chiều dài của nó.

Vì sao hình chạy chậm hơn âm thật nhiều như vậy?

Âm 440 Hz dao động 440 lần mỗi giây; vẽ đúng tốc độ thật thì chỉ thấy một vệt mờ. Hình được làm chậm vài trăm lần, và âm cao vẫn chạy nhanh hơn âm trầm trên màn hình. Tần số, chu kì, bước sóng và mức âm trong bảng đều là giá trị thật.

Vì sao trong nước bước sóng thay đổi mà tần số thì không?

Tần số do nguồn âm quyết định: loa dao động bao nhiêu lần mỗi giây thì vẫn thế, dù nó đẩy không khí hay nước. Âm truyền trong nước nhanh hơn trong không khí khoảng 4,3 lần, nên mỗi dao động lan xa hơn 4,3 lần trước khi dao động sau tới: λ = v/f.

Số đề-xi-ben trong mô phỏng có ý nghĩa gì?

Đó là mức âm so với mức to nhất: 0 dB là biên độ 100 %, −6 dB là nửa biên độ, −20 dB là một phần mười. Mức âm thật cũng tính theo quy tắc 20·log10 này, nhưng so với âm nhỏ nhất mà tai người nghe được.

Phát âm thanh trong lớp có an toàn không?

Tiếng chỉ phát khi thầy cô bấm "Bật tiếng", to dần và nhỏ dần nhẹ nhàng, và âm lượng được giới hạn. Âm rất trầm hoặc rất cao vẫn có thể khó chịu với một số học sinh, nên hãy để âm lượng máy nhỏ, và tắt bằng chính nút đó hoặc phím S.

Có cần cài đặt hay đăng ký không?

Không. Mô phỏng chạy ngay trên trình duyệt của máy tính, máy tính bảng hay điện thoại, và miễn phí.