Sóng âm là gì? Đặc trưng Vật lý của sóng âm và Bài tập - Vật lý 12 bài 10

Vậy sóng âm là gì? sóng âm được truyền như thế nào, các đặc trưng vật lý của âm là gì? âm mà chúng ta nghe được có tần số trong khoảng bao nhiêu, thế nào là siêu âm và hạ âm? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Sóng âm và nguồn âm

1. Sóng âm là gì?

- Định nghĩa: Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường khí, lòng, rắn.

- Tần số của sóng âm là tần số của âm.

2. Nguồn âm

- Một vật dao động phát ra âm là một nguồn âm.- Tần số của âm phát ra bằng tần số dao động của nguồn âm

3. Khoảng âm nghe được, siêu âm và hạ âm

- Âm nghe được (còn gọi là âm thanh) là âm có tần số nằm trong khoảng từ 16 (Hz) đến 20 000 (Hz).

- Siêu âm là nhữn âm có tần số lớn hơn 20 000 (Hz) và tai người không nghe được, một số loài như dơi, chó, các heo,... có thể 'nghe' được siêu âm.

- Hạ âm là những âm có tần số nhỏ hơn 16 (Hz) và tai người không nghe được, một số loài như voi, chim, bồ câu,... có thể 'nghe' được hạ âm.

4. Sự truyền âm

a) Môi trường truyền âm

- Âm truyền được trong các môi trường rắn, lỏng, khí; không truyền được trong chân không.

- Âm hầu như không truyền qua được các chất xốp như bông, len,... gọi là chất cách âm.

b) Tốc độ truyền âm

- Trong mỗi môi trường, âm truyền với một tốc độ xác định, hữu hạn.

* Ví dụ về Tốc độ truyền âm trong một số chất

II. Những đặc trưng vật lý của âm

1. Tần số âm

- Tần số âm là một trong những đặc trưng vật lý quan trọng nhất của âm

2. Cường độ âm và mức cường độ âm

a) Cường độ âm

• Cường độ âm là năng lượng của sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

- Cường độ âm ký hiệu là: I; đơn vị: W/m² (oát trên mét vuông)

b) Mức cường độ âm

- Công thức: 

- Đơn vị: B (ben); 1B = 10dB(đề-xi-ben) hay

* Một vài mức cường độ âm

3. Âm cơ bản và họa âm

• Khi cho một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f₀ thì bao giờ nhạc cụ đó cũng đồng thời phát ra một loại âm có tần số: 2f₀, 3f₀, 4f₀,... có cường độ khác nhau:

- Âm có tần số f₀ gọi là âm cơ bản

• Các âm có tần số 2f₀, 3f₀, 4f₀,... gọi là các họa âm thứ hai, thứ ba, thứ tư,...

- Các họa âm có biên độ khác nhau khiến đồ thị dao động âm của các nhạc cụ khi phát ra cùng một nốt nhạc cũng khác nhau. Sự khác nhau này, phân biệt được bởi âm sắc của chúng.

- Đặc trưng vật lý thứ ba của âm là đồ thị dao động của âm đó.

III. Bài tập về Sóng âm

* Bài 1 trang 55 SGK Vật Lý 12: Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất không?

° Lời giải bài 1 trang 55 SGK Vật Lý 12:

- Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất là sóng cơ học, chỉ khác nhau về tần số.

* Bài 2 trang 55 SGK Vật Lý 12: Sóng âm là gì?

° Lời giải bài 1 trang 55 SGK Vật Lý 12:

- Sóng âm là sóng cơ học lan truyền trong môi trường rắn, lỏng, khí.

* Bài 3 trang 55 SGK Vật Lý 12: Nhạc âm là gì?

° Lời giải bài 3 trang 55 SGK Vật Lý 12:

- Nhạc âm là âm có tần số xác định, thường do các nhạc cụ phát ra.

* Bài 4 trang 55 SGK Vật Lý 12: Trong ba môi trường rắn, lỏng và khí, âm truyền nhanh nhất trong môi trường nào, chậm nhất trong môi trường nào?

° Lời giải bài 4 trang 55 SGK Vật Lý 12:

- Trong ba môi trường: Rắn, lỏng, khí thì âm truyền trong chất rắn là nhanh nhất và chậm nhất là âm truyền trong không khí.

* Bài 5 trang 55 SGK Vật Lý 12: Cường độ âm được đo bằng gì?

° Lời giải bài 5 trang 55 SGK Vật Lý 12:

- Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

- Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông, kí hiệu là: W/m²

* Bài 6 trang 55 SGK Vật Lý 12: Chọn câu đúng. Siêu âm là âm:

A. có tần số lớn

B. có cường độ rất lớn

C. có tần số trên 20000Hz

D. truyền trong mọi môi trường nhanh hơn âm

° Lời giải bài 6 trang 55 SGK Vật Lý 12:

¤ Chọn đáp án: C.có tần số trên 20000Hz

- Sóng siêu âm: Là sóng âm mà có tần số lớn hơn 20000Hz không gây ra cảm giác thính giác ở người.

* Bài 7 trang 55 SGK Vật Lý 12: Chọn câu đúng. Cường độ âm được đo bằng:

A. oát trên mét vuông.

B. oát

C. niuton trên mét vuông

D. niuton trên mét

° Lời giải bài 7 trang 55 SGK Vật Lý 12:

¤ Chọn đáp án: A.oát trên mét vuông.

- Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

- Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông, kí hiệu là: W/m²

* Bài 8 trang 55 SGK Vật Lý 12: Một lá thép dao động với chu kì T = 80ms. Âm do nó phát ra có nghe được không?

° Lời giải bài 8 trang 55 SGK Vật Lý 12:

¤ Đề bài cho: T = 80(ms) = 80.10^-3(s).

- Ta có: 

- Ta thấy: 12,5 (Hz) < 16 (Hz) là hạ âm, nên âm này chúng ta không nghe thấy được.

* Bài 9 trang 55 SGK Vật Lý 12: Một siêu âm có tần số 1MHz. Sử dụng bảng 10.1 SGK, hãy tính bước sóng của siêu âm này trong không khí ở 0^oC và trong nước ở 15^oC.

° Lời giải bài 9 trang 55 SGK Vật Lý 12:

¤ Đề bài cho: f = 1MHz = 10⁶(Hz); t_kk = 0⁰C và t_nước = 15⁰C

- Theo bảng 10.1 thì vận tốc âm trong không khí ở 0^oC là v_kk = 331 (m/s), trong nước ở 15^oC là v_n = 1500 (m/s).

- Ta có, trong không khí ở 0⁰C thì bước sóng siêu âm là:

- Trong nước ở 15⁰C thì bước sóng siêu âm là:

* Bài 10 trang 55 SGK Vật Lý 12: Để đo tốc độ âm trong gang, nhà vật lí Pháp Bi-ô đã dùng một ống bằng gang dài 951,25m. Một người đập một nhát búa vào một đầu ống gang, một người ở đầu kia nghe thấy hai tiếng gõ, một truyền qua gang và một truyền qua không khí ở trong ống gang; hai tiếng ấy cách nhau 2,5s. Biết tốc độ âm trong không khí là 340m/s, hãy tính tốc độ âm trong gang.

° Lời giải bài 10 trang 55 SGK Vật Lý 12:

- Gọi v₁, v₂ lần lượt là vận tốc âm truyền trong gang và trong không khí, ta có

- Thời gian người đó nghe được âm truyền trong gang là: 

- Thời gian người đó nghe được âm truyên trong không khí là: 

- Theo bài ra, ta có: Δt = t₂ - t₁ = 2,5(s); s = 951,25m; v₂ = 340(m/s).

(Lưu ý: Vận tốc âm truyền trong gang nhanh hơn vận tốc truyền trong không khí)