Sóng cơ và sóng âm

Sóng cơ và sóng âm

Sóng cơ là dao động lan truyền trong một môi trường vật chất; sóng cơ không truyền được trong chân không vì không có phần tử vật chất để truyền dao động.

Phân loại theo phương dao động:

• Sóng ngang — phương dao động vuông góc với phương truyền sóng; truyền được trong chất rắn và trên mặt chất lỏng.
• Sóng dọc — phương dao động trùng với phương truyền sóng; truyền được trong chất rắn, chất lỏng và chất khí, không truyền được trong chân không.

Năng lượng sóng là năng lượng dao động (động năng và thế năng) của các phần tử môi trường mà sóng truyền qua; năng lượng này được truyền đi cùng sóng, khác với biên độ, tần số hay tốc độ truyền sóng.

Hai điểm cách nhau d trên phương truyền lệch pha \Delta\varphi = \dfrac{2\pi d}{\lambda}; hai điểm cách nhau \dfrac{\lambda}{2} thì lệch pha \pi, tức ngược pha.

Quan hệ giữa bước sóng, tần số và tốc độ: \lambda = \dfrac{v}{f}.

Khi có sóng dừng, các nút và bụng xen kẽ đều nhau, khoảng cách giữa hai bụng liên tiếp bằng \dfrac{\lambda}{2}.

Giao thoa của hai nguồn kết hợp cùng pha: điểm có hiệu đường đi d_2 - d_1 = k\lambda là cực đại, cực đại và cực tiểu xen kẽ nhau; trên đoạn nối hai nguồn, hai cực đại liên tiếp cách nhau \dfrac{\lambda}{2}.

Một điểm cực đại dao động cùng pha với các nguồn khi khoảng cách từ điểm đó tới nguồn là bội nguyên của \lambda.

Trên đoạn nối hai nguồn, một cực đại và một cực tiểu liền kề cách nhau \dfrac{\lambda}{4}, nên các cực trị xen kẽ đều đặn.

Âm thanh là sóng cơ có tần số trong khoảng từ 16 Hz đến 20 000 Hz mà tai người nghe được. Hạ âm có tần số dưới 16 Hz; siêu âm có tần số trên 20 000 Hz và tai người không nghe được.

Nguồn âm điểm phát đẳng hướng, môi trường không hấp thụ: năng lượng âm lan đều trên mặt cầu, nên cường độ âm I = \dfrac{P}{4\pi r^2} tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r.

Sóng dừng trên dây

Sóng dừng là sóng hình thành do sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ, trên dây có các nút (biên độ bằng 0) và bụng (biên độ cực đại) đứng yên xen kẽ nhau.

• Khoảng cách — giữa hai nút liên tiếp hoặc hai bụng liên tiếp bằng \dfrac{\lambda}{2}; giữa một nút và một bụng liền kề bằng \dfrac{\lambda}{4}.
• Dây hai đầu cố định — hai đầu đều là nút, chiều dài thỏa mãn l = k\dfrac{\lambda}{2} với k = 1, 2, 3, \dots; số bụng bằng k.
• Dây một đầu cố định, một đầu tự do — đầu cố định là nút, đầu tự do là bụng; chiều dài thỏa mãn l = (2k+1)\dfrac{\lambda}{4}, và số nút kể cả đầu cố định bằng k+1.
• Biên độ theo vị trí — phần tử cách đầu cố định một đoạn d có biên độ phụ thuộc \left|\sin\dfrac{2\pi d}{\lambda}\right|; các điểm khác nhau trên dây có biên độ khác nhau.
• Tốc độ truyền sóng — với dây hai đầu cố định có n bụng, \lambda = \dfrac{2l}{n}, và tốc độ truyền sóng v = f\lambda.

Mức cường độ âm

Mức cường độ âm L được định nghĩa bằng L = 10\lg\dfrac{I}{I_0} (đơn vị đề-xi-ben, dB), trong đó I là cường độ âm và I_0 = 10^{-12} W/m² là cường độ âm chuẩn. Mức cường độ âm là đại lượng vật lí, không phải đặc trưng sinh lí của âm.

Từ công thức suy ra I = I_0 \cdot 10^{L/10}. Mỗi lần L tăng 10 dB thì cường độ âm tăng 10 lần.