Cường độ âm thanh là gì ?

Trong thế giới âm thanh phức tạp xung quanh chúng ta, việc hiểu rõ về cường độ âm thanh là điều cần thiết không chỉ đối với các chuyên gia kỹ thuật mà còn cho mọi người trong cuộc sống hàng ngày. Cường độ âm thanh (SI) mô tả tốc độ năng lượng khi nó truyền qua một diện tích theo hướng vuông góc với diện tích đó. Đơn vị cường độ SI, bao gồm cường độ âm thanh, là watt trên mét vuông (W/m²).

Định nghĩa cường độ âm thanh

Cường độ âm thanh hiểu một cách đơn giản là cách đơn giản nhất, cường độ âm thanh là lượng năng lượng âm thanh truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Để hiểu rõ hơn, chúng ta có thể hình dung cường độ âm như dòng nước chảy qua một cái rổ. Nếu dòng nước chảy mạnh (tương đương với âm thanh lớn), lượng nước đi qua rổ trong một giây sẽ nhiều hơn so với khi dòng nước chảy nhẹ (âm thanh nhỏ). Tương tự như vậy, cường độ âm thanh đo lường “lượng âm thanh” đi qua một diện tích nhất định.

Mối liên hệ giữa cường độ âm thanh với năng lượng và công suất sóng âm là rất chặt chẽ. Khi một nguồn âm phát ra sóng âm, nó tạo ra các dao động trong môi trường truyền âm (thường là không khí). Những dao động này mang theo năng lượng, và cường độ âm chính là thước đo cho việc năng lượng này được phân bố như thế nào trong không gian.

Bất kỳ máy móc nào rung động đều phát ra năng lượng âm thanh. Công suất âm thanh là tốc độ năng lượng được phát ra (năng lượng trên một đơn vị thời gian). Cường độ âm thanh mô tả tốc độ dòng năng lượng đi qua một đơn vị diện tích. Trong hệ đơn vị SI, diện tích đơn vị là 1 m². Do đó, đơn vị của cường độ âm thanh là Watt trên mét vuông.

Cường độ âm thanh cũng cho biết hướng của dòng năng lượng vì sẽ có dòng năng lượng theo một số hướng nhưng không theo những hướng khác. Do đó, cường độ âm thanh là một đại lượng vectơ vì nó có cả độ lớn và hướng. Mặt khác, áp suất là một đại lượng vô hướng vì nó chỉ có độ lớn. Thông thường, chúng ta đo cường độ theo hướng vuông góc (90°) với một đơn vị diện tích xác định mà năng lượng âm thanh đang truyền qua.

Chúng ta cũng cần hiểu rõ rằng cường độ âm thanh là tốc độ dòng năng lượng trung bình theo thời gian trên một đơn vị diện tích. Trong một số trường hợp, năng lượng có thể truyền qua lại. Điều này sẽ không được đo lường; nếu không có dòng năng lượng ròng thì sẽ không có cường độ ròng.

Trong sơ đồ này, nguồn âm thanh đang phát ra năng lượng. Toàn bộ năng lượng này phải đi qua một diện tích bao quanh nguồn. Vì cường độ là công suất trên một diện tích, chúng ta có thể dễ dàng đo cường độ trung bình theo không gian chuẩn trên một diện tích bao quanh nguồn, sau đó nhân với diện tích để tìm công suất âm thanh. Lưu ý rằng cường độ (và áp suất) tuân theo định luật nghịch đảo bình phương đối với sự lan truyền trường tự do.

Điều này có thể thấy trong sơ đồ, ở khoảng cách 2r tính từ nguồn, diện tích bao quanh nguồn lớn gấp 4 lần diện tích ở khoảng cách r. Tuy nhiên, công suất bức xạ phải như nhau bất kể khoảng cách và do đó cường độ, hay công suất trên mỗi diện tích, phải giảm.

Nhiều người thường nhầm lẫn giữa cường độ âm thanh với độ to của âm thanh (Loudness) và mức cường độ âm (Sound Intensity Level). Chúng tôi cần làm rõ sự khác biệt này:

• Cường độ âm thanh là một đại lượng vật lý khách quan, đo bằng các thiết bị đo lường chính xác
• Độ to của âm thanh là cảm nhận chủ quan của con người về âm thanh, phụ thuộc vào tai và não bộ của từng người
• Mức cường độ âm là cách biểu diễn cường độ âm bằng thang logarit (decibel), giúp việc so sánh và tính toán trở nên dễ dàng hơn

Công thức cường độ âm thanh được định nghĩa theo toán học như sau: cường độ âm thanh = công suất âm thanh / diện tích pháp tuyến theo hướng truyền âm. Công thức cơ bản để tính cường độ âm được biểu diễn như sau:

I = P/A

Trong đó:

• I là cường độ âm thanh (W/m²)
• P là công suất âm thanh (W)
• A là diện tích (m²)

Cường độ âm thanh có thể cảm nhận được có giá trị trong phạm vi cực kỳ rộng, từ 10-12 Wm-2 đến 10 Wm-2, tức là hệ số 1013 (10.000 tỷ!) giữa giới hạn dưới và giới hạn trên. Để sử dụng thang đo cường độ đơn giản và có ý nghĩa hơn, chúng tôi định nghĩa mức cường độ âm thanh như sau:

Đại lượng này được ký hiệu là L, được biểu thị bằng decibel, ký hiệu là dB và được tính toán theo công thức:

• Với $L$ tính bằng decibel (dB)
• $I$ tính bằng  W.m-2
• I0 = 10-12 W.m-2

Mối quan hệ giữa cường độ âm thanh và mức cường độ âm tính bằng decibel do đó tuân theo một quy luật logarit:

• Nếu chúng ta tăng gấp đôi cường độ âm thanh, thì mức cường độ âm sẽ không tăng gấp đôi.

Áp dụng theo các quy tắc hoạt động của logarit

Từ đó

Vì vậy

Do đó, tăng gấp đôi cường độ âm thanh tương đương với việc tăng mức cường độ âm lên 3 decibel.

Tương tự, nếu chúng ta chia đôi cường độ âm thanh, mức cường độ âm sẽ giảm đi 3 decibel.

Tại sao phải đo cường độ âm thanh?

Việc hiểu về cường độ âm có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vật lý, nó giúp chúng ta hiểu bản chất của sóng âm và cách chúng tương tác với môi trường. Trong kỹ thuật âm thanh, kiến thức về cường độ âm là nền tảng để thiết kế các hệ thống âm thanh chất lượng cao, từ loa gia đình đến hệ thống âm thanh sân khấu lớn.

Trong lĩnh vực y học, cường độ âm đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng như siêu âm chẩn đoán và điều trị. Các bác sĩ cần hiểu rõ về cường độ âm để đảm bảo an toàn cho bệnh nhân và đạt được hiệu quả điều trị tối ưu.

Đặc biệt quan trọng là việc đánh giá tác động của tiếng ồn đối với sức khỏe con người và môi trường. Hiểu về cường độ âm thanh giúp chúng ta xác định được những mức âm thanh nào có thể gây hại và cần có biện pháp bảo vệ thích hợp, đặc biệt để bảo vệ thính giác của con người. Tai người có thể bị tổn thương vĩnh viễn khi tiếp xúc với âm thanh có cường độ quá cao. Khi con người ở một môi trường có cường độ âm thanh lớn trong thời gian dài.

Thông qua việc xác định công suất âm thanh của một vật thể có thể xác định được môi trường đó có đang ở trong ngưỡng điều kiện âm thanh phù hợp hay không. Đồng thời cũng giúp những nhà nghiên cứu. kiểm soát viên…đưa ra những giả định hoặc phân tích đặc biệt về trường âm thanh, tại các phòng được thiết kế đặc biệt như phòng không phản xạ hoặc phòng vang đáp ứng được những yêu cầu tiêu chuẩn hay không. Theo các phương pháp cơ bản, để đo công suất âm thanh, nguồn tiếng ồn phải được đặt trong những phòng này.

Tuy nhiên, cường độ âm thanh có thể được đo trong bất kỳ trường âm thanh nào. Không cần phải đưa ra bất kỳ giả định nào. Tính chất này cho phép thực hiện tất cả các phép đo trực tiếp tại chỗ. Và các phép đo trên từng máy móc hoặc từng bộ phận riêng lẻ có thể được thực hiện ngay cả khi tất cả các máy móc hoặc bộ phận khác đều phát ra tiếng ồn, bởi vì tiếng ồn nền ổn định không ảnh hưởng đến công suất âm thanh được xác định khi đo cường độ. Vì cường độ âm thanh cho biết cả hướng và độ lớn, nó cũng rất hữu ích khi xác định vị trí nguồn âm thanh. Do đó, các mẫu bức xạ của máy móc rung động phức tạp có thể được nghiên cứu tại chỗ. 

Mức cường độ âm và thang đo Decibel (dB)

Mức áp suất âm thanh là thước đo độ to của âm lượng. Tai người có thể cảm nhận được dải áp suất âm thanh từ 0,00002 Pascal (Pa) đến khoảng 20 Pa. Mức sau đã là giới hạn thính giác trên, còn được gọi là “giới hạn đau” do áp suất âm thanh cao. Áp suất âm thanh nhỏ nhất có thể nghe được là âm thanh có âm lượng 1 kHz.

Bạn có thể thắc mắc, tại sao chúng ta lại cần đến “mức cường độ âm” khi đã có “cường độ âm thanh” (đo bằng W/m2)? Lý do là tai người có khả năng cảm nhận một dải cường độ âm thanh vô cùng rộng lớn, từ âm thanh cực nhỏ (10−12W/m2 – ngưỡng nghe được) đến âm thanh rất lớn (1W/m2 – có thể gây đau tai). Nếu dùng đơn vị W/m2, chúng ta sẽ phải làm việc với những con số quá nhỏ hoặc quá lớn, rất bất tiện.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra khái niệm Mức cường độ âm (Sound Intensity Level – SIL). Đây là một đại lượng logarit, giúp thu gọn dải giá trị khổng lồ của cường độ âm thanh về một thang đo dễ quản lý hơn, và nó được biểu thị bằng đơn vị Decibel (dB).

Công thức tính mức cường độ âm (LI​) là: LI = 10 × log₁₀(I/I₀) 

Trong đó:

• LI là mức cường độ âm (đo bằng dB)
• I là cường độ âm thực tế (W/m²)
• I₀ là cường độ âm chuẩn = 10⁻¹² W/m²

Cường độ âm chuẩn I₀ = 10⁻¹² W/m² được chọn vì đây là ngưỡng nghe thấp nhất của tai người trong điều kiện lý tưởng, ở tần số khoảng 1000 Hz.

Thang đo Decibel (dB)

Decibel (dB) không phải là một đơn vị đo lường tuyến tính (như mét, kilogram) mà là một đơn vị đo lường logarit. Điều này có nghĩa là mỗi khi mức cường độ âm tăng thêm một vài decibel, cường độ âm thanh thực tế (W/m2) đã tăng lên gấp nhiều lần.

• Tại sao lại dùng thang logarit?
  • Phù hợp với cảm nhận của tai người: Tai người cảm nhận sự thay đổi âm thanh theo cấp số nhân hơn là cấp số cộng. Ví dụ, để cảm thấy âm thanh to gấp đôi, cường độ âm thanh thực tế phải tăng lên rất nhiều, không phải chỉ gấp đôi.
  • Nén dải động lớn: Giúp biểu diễn một dải cường độ âm thanh cực rộng trên một thang đo nhỏ gọn và dễ hiểu.
• Ý nghĩa của một số mức Decibel phổ biến:
  • 0 dB: Ngưỡng nghe được (tương ứng với I=10−12W/m2).
  • 10 dB: Tiếng lá xào xạc, tiếng thì thầm.
  • 30-40 dB: Tiếng nói chuyện bình thường.
  • 60 dB: Văn phòng ồn ào, nhà hàng đông đúc.
  • 85 dB: Tiếng xe tải chạy trên đường (ngưỡng bắt đầu gây hại nếu tiếp xúc lâu dài).
  • 100 dB: Tiếng máy cưa, máy khoan.
  • 120 dB: Tiếng máy bay phản lực cất cánh ở gần (ngưỡng gây đau tai ngay lập tức).
  • 140 dB trở lên: Có thể gây tổn thương thính giác vĩnh viễn.

Hiểu rõ về mức cường độ âm và thang đo Decibel là rất quan trọng không chỉ trong vật lý, kỹ thuật âm thanh (thiết kế phòng nghe, hệ thống loa) mà còn trong y học (thính học), bảo hộ lao động và nghiên cứu môi trường (đánh giá ô nhiễm tiếng ồn).

Để tính toán decibel của một nguồn âm thanh, trước tiên cần có hai giá trị cơ bản:

• Giá trị ngưỡng nghe
• Áp suất âm thanh của nguồn tiếng ồn

Để tính toán decibel của một nguồn tiếng ồn, chúng ta cần liên hệ ngưỡng nghe và áp suất âm thanh của nguồn tiếng ồn. Điểm tham chiếu cho mức áp suất âm thanh tính bằng decibel (dB SPL) là áp suất âm thanh thấp nhất mà tai người có thể nghe được.

Vậy có phải là độ Decibel tăng thì có nghĩa là âm thanh cũng tăng hay không ?

Áp suất âm thanh tăng 3 dB đồng nghĩa với việc năng lượng âm thanh tăng gấp đôi, nhưng chỉ khi tăng 10 dB thì tai người mới cảm nhận được âm lượng tăng gấp đôi. Do đó, nhận thức thính giác hoạt động theo logarit.

Ngoài độ lớn tuyệt đối của tín hiệu, khoảng cách giữa nguồn phát âm thanh và người nghe cũng ảnh hưởng đến độ lớn cảm nhận được. Khi khoảng cách tăng gấp đôi, áp suất âm thanh giảm 6 dB. Khi đó, tín hiệu được cảm nhận nhỏ hơn khoảng một phần tư. Hãy sử dụng bảng phạm vi sau làm cơ sở để ước tính mức cường độ âm thanh.

• Quy tắc quan trọng:
  • Tăng 3 dB: Tương đương với việc cường độ âm thanh ($I$) tăng gấp đôi. Ví dụ, một âm thanh 70 dB to gấp đôi một âm thanh 67 dB về mặt cường độ vật lý.
  • Giảm 3 dB: Tương đương với việc cường độ âm thanh ($I$) giảm đi một nửa.
  • Tăng 10 dB: Tương đương với việc cường độ âm thanh ($I$) tăng gấp 10 lần. Ví dụ, một âm thanh 80 dB to gấp 10 lần một âm thanh 70 dB về mặt cường độ vật lý.

Tuy nhiên, các yếu tố môi trường như tốc độ gió, hướng gió, độ ẩm và điều kiện thời tiết cũng đóng vai trò trong tín hiệu âm thanh, đó là lý do tại sao đây là những giá trị hướng dẫn.

Trường âm thanh

Trường âm thanh (Sound Field) là một thuật ngữ mô tả sự lan truyền âm thanh trong một không gian tự do lý tưởng, một không gian không có phản xạ. Những điều kiện này tồn tại trong không khí mở (đủ xa mặt đất) hoặc trong một căn phòng không dội âm (phòng tiêu âm) nơi tất cả âm thanh đập vào tường đều bị hấp thụ.

Sự truyền âm trong trường tự do được đặc trưng bởi sự giảm 6 dB về mức áp suất âm và mức cường độ âm (theo hướng truyền âm) mỗi khi khoảng cách từ nguồn tăng gấp đôi. Đây chỉ đơn giản là một phát biểu của định luật bình phương nghịch đảo.

Sự lan truyền trường tự do được đặc trưng bởi sự giảm 6 dB về mức áp suất âm thanh và mức cường độ âm thanh (theo hướng truyền âm) mỗi khi khoảng cách từ nguồn âm tăng gấp đôi. Đây đơn giản là một phát biểu của định luật nghịch đảo bình phương. Mối quan hệ giữa áp suất âm thanh và cường độ âm thanh (chỉ độ lớn) cũng đã được biết đến. Nó cung cấp một cách để xác định công suất âm thanh, được mô tả trong các Tiêu chuẩn Quốc tế ISO 3744, 3745 và 3746.

Mối quan hệ này chỉ được biết chính xác trong hai trường hợp đặc biệt đầu tiên được mô tả dưới đây.

Trường tự do (Free Field)

Trường âm tự do là loại trường âm lý tưởng nhất, trong đó sóng âm lan truyền mà không bị cản trở bởi bất kỳ vật cản nào. Đặc điểm chính:

• Không có phản xạ, hấp thụ hoặc nhiễu xạ
• Sóng âm lan truyền theo đường thẳng từ nguồn
• Cường độ âm giảm theo quy luật bình phương nghịch đảo của khoảng cách
• Chỉ tồn tại trong điều kiện lý tưởng hoặc môi trường đặc biệt

Ứng dụng thực tế của trường tự do

• Phòng đo âm thanh (anechoic chamber)
• Nghiên cứu đặc tính của nguồn âm
• Hiệu chuẩn thiết bị đo âm thanh
• Không gian mở rộng lớn (như sa mạc, biển khơi)

Trường âm khuếch tán (Diffuse Field)

Trong một trường khuếch tán, âm thanh phản xạ rất nhiều lần khiến nó truyền đi theo mọi hướng với cường độ và xác suất ngang nhau. Trường hợp này sẽ xuất hiện trong một căn phòng dội âm. Mặc dù cường độ tổng bằng không, nhưng có một mối quan hệ lý thuyết liên kết áp suất trong phòng với cường độ một phía (one-sided intensity), Ix. Đây là cường độ theo một hướng, bỏ qua thành phần bằng và ngược chiều. Cường độ một phía không thể đo được bằng máy phân tích cường độ âm, nhưng nó vẫn là một đại lượng hữu ích: bằng cách đo áp suất, chúng ta có thể sử dụng mối quan hệ giữa áp suất và cường độ một phía để tìm công suất âm. Điều này được mô tả trong các tiêu chuẩn ISO 3741, 3743 và 3747.​

Kết luận trường âm khuếch tán là trường âm trong đó năng lượng âm thanh được phân bố đồng đều theo mọi hướng. Đặc điểm:

• Sóng âm đến từ mọi hướng với xác suất như nhau
• Mật độ năng lượng âm đồng đều trong toàn bộ không gian
• Thường xuất hiện trong các không gian kín có nhiều phản xạ
• Thời gian vang dài và đồng đều

Ứng dụng thực tế:

• Phòng vang (reverberation chamber)
• Đo hệ số hấp thụ âm của vật liệu
• Kiểm tra độ bền của thiết bị dưới tác động âm thanh
• Một số loại phòng hòa nhạc

Bạn có thể tham khảo thêm clip dưới đây để hiểu rõ hơn về cường độ âm thanh.

Liên hệ với Giải Pháp Âm Học hoặc LIDINCO để được tư vấn thiết bị đo và giải pháp đo lường âm thanh miễn phí

Thông tin liên hệ

CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG
HCM: 028.39778269 – 028.36016797 – (Zalo) 0906.988.447
Skype: Lidinco – Email: sales@lidinco.com
Bắc Ninh: 0222.7300180 – Email: bn@lidinco.com