Bạn có bao giờ để ý khi đẩy một chiếc xích đu, nếu bạn đẩy đúng nhịp, xích đu sẽ bay cao hơn rất nhiều so với khi bạn đẩy bừa bãi? Hay tại sao một cây cầu lớn như Tacoma ở Wasington năm 1940 lại bị một cơn gió phá hủy? Hãy cũng Giải Pháp Âm Học tìm hiểu
Cộng Hưởng Là Gì?
Thuật ngữ “cộng hưởng” (từ tiếng Latinh resonantia, “tiếng vang”, từ resonare, “tiếng vang”) bắt nguồn từ lĩnh vực âm học, đặc biệt là sự cộng hưởng đồng cảm được quan sát thấy trong các nhạc cụ, ví dụ: khi một dây đàn bắt đầu rung động và tạo ra âm thanh sau khi một dây đàn khác bị gõ. Hiểu theo các nhìn của vật lý thì cộng hưởng là một hiện tượng xảy ra khi một vật thể hoặc hệ thống bị tác động bởi một lực bên ngoài hoặc rung động có tần số trùng khớp với tần số tự nhiên của nó. Khi điều này xảy ra, vật thể hoặc hệ thống hấp thụ năng lượng từ lực bên ngoài và bắt đầu rung động với biên độ lớn hơn.
Bạn có thể dễ dàng tìm thấy một video về cách một nghệ sĩ opera ngân nga một đoạn cao khiến một ly thủy tinh vỡ hay tiếng loa quá lo cũng khiến ly thủy tinh vỡ nát.
Tại sao một chiếc ly lại vỡ khi tiếp xúc với âm thanh? Âm thanh là một sóng âm thanh khiến các phân tử rung động. Khi được chiếu từ một nguồn phát, độ rung động truyền qua không khí lên cấu trúc vật lý của ly. Nếu tần số âm thanh trùng với tần số tự nhiên của ly, thì tần số tự nhiên của ly bắt đầu rung động với biên độ lớn hơn, có khả năng phá vỡ cấu trúc của nó.
Nói cách khác, ly có thể vỡ khi nó rung động ở tần số cộng hưởng của nó. Tần số cộng hưởng cũng có thể được định nghĩa là tần số tự nhiên của một vật thể, nơi nó có xu hướng rung động ở biên độ cao hơn. Ví dụ, bạn có thể cảm thấy một cây cầu “rung lắc” nếu lực dao động tập thể từ các phương tiện khiến nó rung động ở tần số của nó.
Cộng hưởng có thể xảy ra trong các hệ thống khác nhau, chẳng hạn như hệ thống cơ học, điện hoặc âm thanh, và thường được mong muốn trong một số ứng dụng, chẳng hạn như nhạc cụ hoặc máy thu vô tuyến. Tuy nhiên, cộng hưởng cũng có thể gây hại, dẫn đến rung động quá mức hoặc thậm chí sập đổ cấu trúc trong một số trường hợp.
Các tần số cộng hưởng của một hệ thống có thể được xác định khi phản ứng với rung động bên ngoài tạo ra một biên độ là cực đại tương đối trong hệ thống. Các lực tuần hoàn nhỏ gần với tần số cộng hưởng của hệ thống có khả năng tạo ra dao động biên độ lớn trong hệ thống do lưu trữ năng lượng rung động.
Hiện tượng cộng hưởng xảy ra với tất cả các loại rung động hoặc sóng: có cộng hưởng cơ học, cộng hưởng quỹ đạo, cộng hưởng âm thanh, cộng hưởng điện từ, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), cộng hưởng spin điện tử (ESR) và cộng hưởng của hàm sóng lượng tử. Các hệ thống cộng hưởng có thể được sử dụng để tạo ra rung động có tần số cụ thể (ví dụ: nhạc cụ) hoặc chọn ra các tần số cụ thể từ một rung động phức tạp chứa nhiều tần số (ví dụ: bộ lọc).
Ví dụ về Cộng Hưởng:
- Dụng cụ âm nhạc: Khi bạn gảy đàn, đánh trống hoặc thổi kèn, bạn đang kích thích vật thể đó dao động ở tần số tự nhiên của nó. Âm thanh phát ra là kết quả của sự cộng hưởng này.
- Xích đu: Khi bạn đẩy xích đu đúng lúc, bạn đang cung cấp năng lượng cho xích đu ở tần số tự nhiên của nó. Điều này làm cho xích đu dao động với biên độ lớn hơn.
- Cầu treo: Nếu một nhóm người đi bộ trên cầu theo nhịp điệu nhất định, có thể gây ra sự cộng hưởng, làm cho cầu rung lắc mạnh và thậm chí có thể sụp đổ.
Hiểu rõ về hiện tượng cộng hưởng rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ kỹ thuật đến âm nhạc. Nó giúp chúng ta thiết kế các cấu trúc bền vững, tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống cơ học và tạo ra âm nhạc đẹp.
Cộng hưởng xảy ra khi nào?
Khi còn nhỏ chúng ta hay chơi xích đu, khi mới bắt đầu xích đu luôn sẽ có một ít dao động bất ổn định nhưng khi chúng ta bắt đầu đánh đu đúng lúc hay có người đẩy đúng lúc thì xích đu tử ở vị trí thấp nhất bắt đầu đi lên, ở mỗi lần đẩy sẽ làm cho xích đu cao hơn. Đó chính là hiện tượng cộng hưởng. Lúc này, tần số đẩy của bạn trùng với tần số tự nhiên dao động của chiếc xích đu.
Cộng hưởng xảy ra rộng rãi trong tự nhiên và được khai thác trong nhiều thiết bị. Đó là cơ chế mà hầu hết các sóng sin và rung động được tạo ra.
Hệ thống phải có khả năng truyền tải năng lượng giữa các chế độ lưu trữ khác nhau một cách hiệu quả, cho phép năng lượng được lưu trữ và giải phóng liên tục qua từng chu kỳ dao động.
Cộng hưởng xảy ra khi tần số của lực kích thích ngoại lực (ví dụ, tần số dao động của nguồn trong một mạch điện) phù hợp với tần số tự nhiên của hệ thống. Điều này làm cho hệ thống phản ứng mạnh mẽ hơn ở tần số đó.
Trong một mạch điện, việc thay đổi các thành phần như điện trở (R), cuộn cảm (L), hoặc tụ điện (C) có thể tạo ra điều kiện cộng hưởng tại một tần số cụ thể, khiến cho dòng điện trong mạch đạt đến giá trị cực đại.
Trong mạch cộng hưởng, tổng trở của mạch (được tính từ R, L, và C) đạt giá trị cực tiểu, cho phép dòng điện tăng lên mạnh mẽ tại tần số cộng hưởng.
Làm sao để tính tần số cộng hưởng ?
Tần số cộng hưởng là tần số tự nhiên mà tại đó một môi trường dao động với biên độ cao nhất. Tần số cộng hưởng thường được ký hiệu là f0. Cộng hưởng được quan sát thấy trong các vật thể ở trạng thái cân bằng với các lực tác động và có thể tiếp tục dao động trong một thời gian dài trong điều kiện lý tưởng.
Để tìm tần số cộng hưởng của một sóng liên tục đơn lẻ, chúng ta sử dụng công thức,
ν = λƒ
Tất nhiêu có rất nhiều loại cộng hưởng gồm:
Cộng hưởng cơ học
Cộng hưởng cơ học có thể được định nghĩa là xu hướng của một hệ thống cơ học để đáp ứng với biên độ lớn hơn khi tần số dao động của nó trùng khớp với tần số dao động tự nhiên của hệ thống (tần số cộng hưởng của nó) so với các tần số khác.
ƒο = (1/2π x √ 𝑘/𝑚)
Trong đó:
𝑘 là hằng số lò xo (tính bằng Newton trên mét hoặc N/m)
𝑚 là khối lượng gắn vào lò xo (tính bằng kilôgam)
Cộng hưởng Âm thanh
Đây là một hiện tượng trong đó một hệ thống âm học khuếch đại sóng âm có tần số trùng khớp với một trong các tần số dao động tự nhiên của chính nó.
Cộng hưởng âm thanh là một yếu tố quan trọng đối với những người chế tạo nhạc cụ vì hầu hết các nhạc cụ âm thanh như chiều dài ống trong sáo, dây đàn và thân đàn violin và hình dạng của màng trống đều sử dụng bộ cộng hưởng.
Cộng hưởng âm thanh cũng rất quan trọng đối với thính giác.
Cộng hưởng điện
Trong một mạch điện, khi điện kháng cảm ứng và điện kháng dung kháng bằng nhau về độ lớn, sẽ xảy ra cộng hưởng điện. Tần số cộng hưởng trong mạch LC được xác định bởi công thức
ω=1LC
ω=2πf
Trong đó f là tần số cộng hưởng, L là độ tự cảm và C là điện dung.
Ảnh hưởng của tần số cộng hưởng
Trong âm thanh cộng hưởng có thể mang lại cả tác động tích cực và tiêu cực đến trải nghiệm của người nghe và người biểu diễn. Về hướng tiêu cực, cộng hưởng âm thanh có thể giúp tăng cường âm lượng và độ vang của giọng hát, tạo ra một âm thanh đầy đặn và hấp dẫn hơn. Nó cũng có thể cải thiện chất lượng âm thanh và sự rõ ràng của lời bài hát, giúp người nghe dễ dàng tiếp nhận và cảm nhận được cảm xúc mà ca sĩ muốn truyền tải.
Tích cực sẽ đi kèm theo tiêu cực, cộng hưởng âm thanh cũng có thể gây ra một số vấn đề trong ca hát nếu không được kiểm soát và điều chỉnh phù hợp. Khi âm thanh bị cộng hưởng quá mức, nó có thể dẫn đến hiện tượng méo tiếng hoặc rè, làm giảm sự rõ ràng và độ chính xác của lời bài hát. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh mà còn có thể làm giảm sự truyền tải cảm xúc và sự kết nối giữa ca sĩ và khán giả.
Cộng hưởng âm thanh không chỉ ảnh hưởng đến các vật thể nhỏ mà còn gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với các công trình xây dựng. Khi một tòa nhà hoặc cấu trúc bị tác động bởi một lực dao động với tần số bằng tần số dao động tự nhiên của nó, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra
- Rung lắc mạnh: Khi xảy ra cộng hưởng, công trình sẽ rung lắc mạnh, gây ra cảm giác khó chịu cho người sử dụng và có thể làm hư hỏng các thiết bị, đồ đạc bên trong.
- Hư hỏng kết cấu: Trong trường hợp nghiêm trọng, rung lắc mạnh có thể làm nứt, vỡ các cấu kiện bê tông, thép, gây ảnh hưởng đến độ bền của công trình.
- Sụt lún: Đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu, cộng hưởng có thể làm tăng áp lực lên nền đất, gây ra hiện tượng sụt lún.
- Gây ra tiếng ồn: Rung lắc của công trình sẽ tạo ra tiếng ồn, gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
Những hiện tượng này có thể gây ra hậu quả rất lớn. Điển hình là vụ sập cầu Tacoma Narrows (Tacoma Narrows Bridge) – Năm 1940. Nguyên nhân vụ sập cầu được xác định do sự cộng hưởng của gió. Gió thổi qua cầu tạo ra các xoáy không khí, gây ra một lực dao động lên mặt cầu. Khi tần số của lực này trùng khớp với tần số dao động tự nhiên của cầu, hiện tượng cộng hưởng xảy ra. Điều này khiến biên độ dao động của cầu ngày càng tăng, cuối cùng dẫn đến sự sụp đổ.
Vụ sập cầu Tacoma Narrows đã là một bài học đắt giá cho ngành xây dựng. Từ đó, các kỹ sư đã nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng cộng hưởng và áp dụng nhiều biện pháp để tăng cường độ bền cho các công trình, đặc biệt là các cầu treo.
Hẹn bạn ở phần tiếp theo!
