BÀI THỰC HÀNH: ĐO TẦN SỐ VÀ TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM

I. GIỚI THIỆU

Trong đời sống hằng ngày, âm thanh hiện hữu ở khắp mọi nơi, từ tiếng xe cộ ồn ào đến những giai điệu âm nhạc du dương. Về bản chất vật lý, âm thanh là các sóng cơ học lan truyền trong môi trường vật chất. Hai đại lượng quan trọng nhất đặc trưng cho một sóng âm là:

  • Tần số (f): Quyết định độ cao (độ trầm/bổng) của âm thanh.
  • Tốc độ truyền âm (v): Quyết định sự nhanh chậm khi âm thanh lan truyền từ nguồn đến tai người nghe.

Trước đây, để đo đạc các thông số này, chúng ta cần đến những thiết bị chuyên dụng đắt tiền như dao động ký điện tử hay các bộ ống cộng hưởng phức tạp. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, ngày nay chúng ta có thể thực hiện các phép đo này một cách chính xác ngay tại nhà hoặc lớp học bằng cách sử dụng điện thoại thông minh (smartphone) kết hợp với các vật dụng đơn giản.

Bài thực hành này sẽ giúp học sinh hiểu sâu sắc bản chất của sóng âm thông qua việc tự thiết lập thí nghiệm, đo đạc và xử lý số liệu thực tế.

II. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. Sóng âm và Tần số

Sóng âm là những dao động cơ học lan truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí.

  • Tần số (f): Là số dao động mà nguồn âm thực hiện được trong 1 giây, đơn vị là Hec (Hz).
  • Mối liên hệ giữa cảm giác âm và tần số: Âm có tần số càng lớn thì nghe càng cao (bổng), âm có tần số càng nhỏ thì nghe càng thấp (trầm).
  • Trong thí nghiệm, ta sử dụng cảm biến âm thanh (micro) trên smartphone để ghi lại đồ thị dao động của âm, từ đó xác định chính xác tần số của nguồn âm thông qua thuật toán phân tích phổ (FFT).

2. Nguyên lý đo tốc độ truyền âm (Phương pháp cộng hưởng sóng dừng)

Đây là phương pháp dựa trên hiện tượng sóng dừng hình thành trong một cột khí.

  • Cấu tạo: Một ống khí có một đầu hở (nơi đặt nguồn âm) và một đầu kín (mặt nước hoặc pít-tông).
  • Điều kiện sóng dừng: Để có sóng dừng xảy ra trong ống với một đầu kín và một đầu hở, chiều dài cột khí L phải thỏa mãn điều kiện:

L = (2k + 1). l/4

(Chiều dài cột khí bằng một số lẻ lần một phần tư bước sóng).

Trong đó:

    • l: Bước sóng.
    • k: Số nguyên (0, 1, 2, ...).
  • Hiện tượng quan sát: Khi thay đổi chiều dài cột khí L (bằng cách thay đổi mực nước), tại các vị trí xảy ra sóng dừng, âm thanh phản xạ sẽ cùng pha với âm thanh tới, tạo ra sự cộng hưởng làm âm thanh nghe được to nhất (bụng sóng tại miệng ống).
  • Công thức thực nghiệm:

Khoảng cách giữa hai lần liên tiếp nghe thấy âm thanh to nhất (tương ứng với hai bụng sóng liên tiếp) đúng bằng một nửa bước sóng:

L2 - L1 = l/2 suy ra l = 2(L2 - L1)

Từ đó, tốc độ truyền âm trong không khí được tính bằng công thức:

v = l.f = 2f (L2 - L1)

3. Nguyên lý đo tốc độ truyền âm (Phương pháp trực tiếp)

Phương pháp này dựa trên định nghĩa cơ bản của tốc độ chuyển động đều.

Nếu âm thanh truyền đi được quãng đường S trong khoảng thời gian \Delta t, thì tốc độ truyền âm là:

v = S/Dt

Trong thí nghiệm này, hai điện thoại đặt cách nhau một khoảng S cố định sẽ ghi nhận thời điểm tín hiệu âm thanh đi qua, từ đó xác định được Dt.

 

CÁC PHƯƠNG ÁN THỰC HÀNH VẬT LÝ TẠI NHÀ

Chủ đề: Đo tần số sóng âm và Tốc độ truyền âm

1. Thí nghiệm 1: Đo tần số âm thanh

(Thay thế cho Âm thoa và Dao động ký điện tử)

Mục đích: Giúp học sinh hình dung trực quan về tần số âm thanh mà không cần thiết bị chuyên dụng đắt tiền.

Dụng cụ:

  • Nguồn âm: Một chiếc ly thủy tinh (loại ly rượu vang có chân), một cây thước kẻ nhựa dẻo, hoặc dây đàn guitar.
  • Thiết bị đo: Điện thoại thông minh (Smartphone) cài đặt ứng dụng phân tích tần số âm thanh.
    • Gợi ý ứng dụng: Phyphox (chọn mục Audio Spectrum), Spectroid (Android), hoặc Spectrum (iOS).

Tiến hành:

  1. Mở ứng dụng trên điện thoại, chọn chế độ đo phổ tần số (Spectrum).
  2. Tạo âm thanh bằng cách gõ nhẹ vào thành ly thủy tinh, gảy dây đàn hoặc bật thước kẻ ở mép bàn.
  3. Quan sát màn hình điện thoại: Đỉnh nhọn (peak) cao nhất trên đồ thị chính là tần số của âm thanh vừa phát ra.
  4. Ghi lại giá trị tần số hiển thị (Hz).

Ưu điểm: Độ nhạy cao, kết quả hiển thị bằng số liệu trực quan, dễ thực hiện.

2. Thí nghiệm 2: Đo tốc độ truyền âm trong không khí

(Thay thế cho Ống cộng hưởng và Pít-tông kéo dây)

Phương án A: Sử dụng cột nước thay đổi (Ống nhựa và Xô nước)

Đây là phương án cải tiến khắc phục tình trạng hở khí của pít-tông cao su.

Dụng cụ:

  • Ống nhựa PVC: Đường kính khoảng 40 mm – 60 mm, dài khoảng 1 m (mua tại cửa hàng điện nước).
  • Xô nước: Xô hoặc thùng cao, đổ đầy nước.
  • Nguồn âm: Điện thoại cài ứng dụng Frequency Generator (Máy phát tần số).
  • Thước đo: Thước cuộn hoặc thước mét.

Tiến hành:

  1. Cắm ống nhựa thẳng đứng vào xô nước. Mực nước trong ống đóng vai trò là đáy kín (thay thế pít-tông).
  2. Bật ứng dụng phát tần số trên điện thoại ở một tần số cố định (ví dụ: f = 500 Hz). Đặt loa điện thoại sát miệng ống (không bịt kín).
  3. Nhấc từ từ ống nhựa lên khỏi mặt nước để thay đổi chiều dài cột khí. Lắng nghe sự thay đổi độ to của âm thanh.
  4. Xác định vị trí cộng hưởng:
    • Khi nghe thấy âm thanh to nhất lần thứ nhất, đo chiều dài phần ống nằm trên mặt nước (L1).
    • Tiếp tục nhấc lên đến khi nghe thấy âm thanh to nhất lần thứ hai, đo chiều dài (L2).
  5. Tính toán:
    • Bước sóng: l = 2(L2 - L1)
    • Tốc độ truyền âm: v = lf

Ưu điểm: Mặt nước làm kín tuyệt đối giúp hiện tượng cộng hưởng xảy ra rõ ràng, dễ nghe hơn so với pít-tông khô.

Phương án B: Đo bằng phương pháp phản xạ âm (Time-of-flight)

Phương án này sử dụng định nghĩa tốc độ cơ bản, không cần kiến thức về sóng dừng.

Dụng cụ:

  • 2 điện thoại thông minh.
  • Thước dây dài (khoảng 10 m – 20 m).
  • Không gian yên tĩnh, rộng rãi (hành lang hoặc sân trường).

Tiến hành:

  1. Đặt 2 điện thoại cách nhau một khoảng cách chính xác S (ví dụ: 10 m hoặc 20 m).
  2. Bật chế độ Ghi âm (Voice Recorder) trên cả 2 điện thoại cùng lúc.
  3. Một người đứng cạnh điện thoại thứ nhất, vỗ tay thật mạnh và dứt khoát để tạo một xung âm.
  4. Tắt ghi âm và phân tích file âm thanh (có thể đưa vào máy tính dùng phần mềm Audacity hoặc xem dạng sóng trên điện thoại).
  5. Xử lý số liệu:
    • Xác định thời điểm tiếng vỗ tay xuất hiện trên điện thoại 1 (t1).
    • Xác định thời điểm tiếng vỗ tay xuất hiện trên điện thoại 2 (t2).
    • Thời gian âm truyền đi: Dt = t2 - t1.
  6. Tính toán: Tốc độ âm v = S /Dt.

Lưu ý: Cần đồng bộ hóa thời gian hoặc sử dụng tính năng "Acoustic Stopwatch" trong ứng dụng Phyphox để có kết quả chính xác nhất.