Tần số âm thanh và Cường độ âm thanh

Tần số là một khái niệm quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vật lý, điện tử, âm thanh, và hình ảnh. Nó đề cập đến số lần một sự kiện xảy ra trong một đơn vị thời gian nhất định. Và ngày hôm nay chúng ta sẽ đi sâu vào một nhánh của tần số đó là tần số âm thanh.

Tần số âm thanh là gì?

Tần số âm thanh là số lần dao động của âm thanh trong một khoảng thời gian nhất định. Nó đo bằng đơn vị Hz (hertz), và biểu thị số lần dao động (sóng âm) trong một giây. Một Hz tương đương với hoàn thành một chu kỳ trên giây. Ví dụ, một tần số âm thanh 440 Hz có nghĩa là âm thanh hoàn tất 440 chu kỳ trong một giây.

Trong đó, âm thanh tần số thấp bao gồm tiếng trống trầm, tiếng sấm và giọng nói trầm của một người đàn ông. Âm thanh tần số cao bao gồm tiếng huýt sáo, tiếng rít và giọng trẻ con. Độ to hay nhỏ của âm thanh được đo bằng cường độ. Chính vì thế, tần số âm thanh là một yếu tố quan trọng trong việc xác định rõ các âm điệu và sắc thái của âm thanh.

Những người có thính giác bình thường có thể nghe thấy âm thanh từ 20 Hz đến 20.000 Hz. Tần số trên 20.000 Hz được gọi là siêu âm và nhỏ hơn 20 hertz được gọi là hạ âm. Con người sẽ không nghe được Hạ âm và sẽ tổn thương thính giác nếu nghe thấy sóng siêu âm ở một mức nhất định.

Nhưng đối với động vật thì lại khác, khi một chú cho nghe thấy một âm thanh như hư cấu nó sẽ nghiêng đầu và điều chỉnh khả năng cảm nhận của mình. Thính giác của cho có thể nghe được tần số âm thanh ở mức 50.000 Hz, điều đó có thể dễ dàng thấy ở nhưng chú chó được huấn luyện. Khi huấn luyện viên thổi chiếc coi đặc biệt những chú chó có thể nghe thấy nhưng con người thì không. Ngoài chó thì các động vật khác thậm chí có thể nghe được âm thanh tần số cao hơn. Dơi có thể phát hiện âm thanh có tần số lên tới 120.000 Hz.

Nhìn chung, các tần số cao hơn thường tạo ra các âm thanh sắc nét và chói hơn, trong khi các tần số thấp hơn tạo ra các âm thanh sâu, đầy uy lực. Chính vì vậy tần số âm thành nắm vai trờ rất quan trọng trong lĩnh vực âm thanh và âm nhạc vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính âm thanh, như độ sắc nét, độ giàu sắc, và cảm nhận âm thanh tổng thể.

Khi hai âm thanh có độ chênh lệch tần số lớn hơn 7 Hz được phát cùng lúc, hầu hết con người đều cảm nhận hoặc quan sát được sự thay đổi của các sóng tương tác với nhau tạo thành một sóng mới phức tạp hơn. Ở đây chúng ta thấy hai sóng (trong trường hợp này có tần số rất khác nhau) tạo thành một sóng mới như thế nào:

Bây giờ chúng ta hãy xem xét xem điều gì sẽ xảy ra khi các âm thanh có tần số gần nhau. Đôi khi chúng “đồng bộ” và tạo ra biến động lớn hơn khi kết hợp với nhau:

Nhưng chúng cũng có thể triệt tiêu nhau do không thể đồng bộ

Cường độ âm thanh

Cường độ âm thanh là lượng năng lượng được sóng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông.

Cường độ được định nghĩa là công suất trên một đơn vị diện tích mà sóng mang theo. Công suất là tốc độ truyền năng lượng của sóng. Ở dạng phương trình, cường độ là: Ι

Trong đó, Ρ là công suất âm thanh (sound power) chạy qua một diện tích A. Đơn vị SI của I là W/m². Cường độ của sóng âm có liên quan đến bình phương biên độ của nó theo mối quan hệ sau:

Trong đó Δp là biến thiên áp suất hoặc biên độ áp suất (nửa khác biệt giữa áp suất tối đa và áp suất tối thiểu trong sóng âm) được tính bằng pascals (Pa) hoặc N/m2. Trong công thức sử dụng ký hiệu ρ để phân biệt với ký hiệu công suất Ρ ở phía trên). Năng lượng dưới dạng động học của một phần tử dao động của không khí do sóng âm di chuyển tỷ lệ với bình phương biên độ. Trong phương trình này, ρ là mật độ của chất liệu mà sóng âm di chuyển qua, được tính bằng kg/m3, và vw là tốc độ âm thanh trong môi trường, được tính bằng m/s. Biến đổi áp suất tỷ lệ thuận với biên độ dao động, do đó I thay đổi theo (Δp)2. Mối quan hệ này nhất quán với việc sóng âm được tạo ra bởi một số dao động; càng lớn biên độ áp suất, không khí càng được nén trong âm thanh mà nó tạo ra.

Biểu đồ trên đây đại diện cho áp suất đo bằng đồng hồ trong hai sóng âm khác nhau. Sóng âm có độ mạnh cao hơn được tạo ra bởi một nguồn có dao động cực đại và cực tiểu áp suất lớn hơn. Do áp suất cao hơn trong sóng âm có độ mạnh lớn hơn, nó có thể tạo ra các lực lớn hơn trên các vật thể mà nó gặp phải.

Cường độ âm thanh được thể hiện bằng decibel (dB) nhiều hơn so với cường độ âm thanh tính bằng watt trên mét vuông. Decibel là đơn vị được ưa chuộng trong văn bản khoa học cũng như truyền thông đại chúng. Lý do cho sự lựa chọn này liên quan đến cách chúng ta cảm nhận âm thanh. Cách tai của chúng ta cảm nhận âm thanh có thể được mô tả chính xác hơn bằng logarit của cường độ thay vì trực tiếp của cường độ. Mức độ cường độ âm thanh β trong decibel của một âm thanh có cường độ I tính bằng watt trên mét vuông được định nghĩa là:

I₀ = 10^(-12) W/m² là một cường độ tham chiếu. Cụ thể, I₀ là cường độ âm thanh thấp nhất hoặc ngưỡng mà một người có thính giác bình thường có thể nhận thấy ở tần số 1000 Hz. Mức độ cường độ âm thanh không giống như cường độ. Vì β được định nghĩa dựa trên tỉ lệ, nó là một đại lượng không có đơn vị, cho bạn biết mức độ âm thanh so với một tiêu chuẩn cố định (10^(-12) W/m², trong trường hợp này). Đơn vị decibel (dB) được sử dụng để chỉ ra rằng tỉ lệ này được nhân lên 10 trong định nghĩa của nó. Bel, trên đó đơn vị decibel dựa trên, được đặt theo tên Alexander Graham Bell, người phát minh ra điện thoại.

Mức độ và Cường độ âm thanh

Mức decibel của âm thanh có cường độ ngưỡng 10⁻¹² W/m²  là β = 0 dB, vì log_{10< a i=8>1 = 0.} 

Tức là ngưỡng nghe được là 0 decibel. Bảng 1 cung cấp các mức tính bằng decibel và cường độ tính bằng watt trên mét bình phương đối với một số âm thanh quen thuộc.

Một trong những điều đáng chú ý về cường độ âm thanh ở bảng trên là cường độ được tính bằng watt trên mét vuông rất nhỏ đối với hầu hết các âm thanh. Tai người có khả năng nhạy cảm đến mức chỉ bằng nghìn tỷ watt trên mét vuông, điều này càng đáng ngạc nhiên hơn khi diện tích màng nhĩ chỉ khoảng 1 cm². vì vậy chỉ có 10^(-16) W rơi vào đó ở ngưỡng nghe được! Phân tử không khí trong sóng âm có cường độ như vậy rung động qua một khoảng cách nhỏ hơn đường kính phân tử, và áp suất đo bằng đồng hồ liên quan đến áp suất ít hơn 10^(-9) atm.

Một điều đáng chú ý khác ở bảng cường độ âm thanh là phạm vị số liệu của chúng. Cường độ âm thanh biến đổi theo một tỷ lệ 10^12 từ ngưỡng đến âm thanh gây hại trong vài giây. Bạn không nhận biết được khoảng biến đổi cường độ âm thanh khổng lồ này vì cách tai của bạn phản ứng xấp xỉ như logarit của cường độ. Do đó, mức độ cường độ âm thanh trong decibel phù hợp với trải nghiệm của bạn hơn so với cường độ tính bằng watt trên mét vuông. Thang đo decibel cũng dễ dàng liên quan vì hầu hết mọi người quen thuộc hơn với việc làm việc với các số như 0, 53 hoặc 120 hơn là các số như 1.00 × 10^(-11).

Một quan sát khác dễ dàng được xác minh bằng cách xem hoặc sử dụng công thức là mỗi yếu tố 10 trong cường độ tương ứng với 10 dB. Ví dụ, một âm thanh 90 dB so với một âm thanh 60 dB lớn hơn 30 dB, hoặc bằng 3 yếu tố 10 (tức là 103 lần) cường độ. Một ví dụ khác là nếu một âm thanh mạnh gấp 107 lần so với một âm thanh khác, nó cao hơn 70 dB.

Liên hệ tư vấn giải pháp âm thanh

Quý khách hàng đang có nhu cầu tìm mua vật liệu cách âm hay thiết bị đo và phân tích âm thanh hay microphone đo độ ồn cũng như giải pháp âm học phù hợp có thể liên hệ ngay với Lidinco, đại diện chính thức của các hãng như: Norsonic, Bedrock, Blastblock, PLACID, Convergence  tại Việt Nam theo thông tin:

CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG

Trụ sở chính: 487 Cộng Hòa, P. 15, Q. Tân Bình, TP. HCM
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Email: sales@lidinco.com
VP Bắc Ninh: 184 Bình Than, P. Võ Cường, TP. Bắc Ninh
Điện thoại: 0222 7300 180
Email: bn@lidinco.com
Hotline: 0906.988.447