Bài học

Miền tần số nghe được: hạ âm, âm nghe được, siêu âm

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân loại được một sóng âm là hạ âm, âm nghe được hay siêu âm dựa vào tần số của nó, và giải thích được vì sao con người không nghe được một số âm mà động vật vẫn cảm nhận được.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã định nghĩa sóng âm là sóng cơ dọc cần môi trường vật chất để truyền. Bài này dùng lại khái niệm tần số dao động $f$ đã học ở chương sóng cơ (số dao động toàn phần trong một giây, đơn vị Hz) để phân chia sóng âm theo miền tần số — đây là kiến thức mới của chương trình lớp 11, gắn trực tiếp tần số dao động của nguồn âm với khả năng cảm nhận của tai người.

Khởi động

Một chiếc còi gọi chó (còi siêu âm) khi thổi, người đứng cạnh gần như không nghe thấy gì, nhưng con chó ở xa vẫn phản ứng ngay lập tức. Cùng một chiếc còi, vì sao người và chó lại "nghe" khác nhau như vậy?

Kiến thức trọng tâm

Tai người bình thường chỉ cảm nhận được sóng âm có tần số nằm trong một miền nhất định, gọi là miền nghe được (âm nghe được), từ $16$ Hz đến $20\,000$ Hz ( $20$ kHz). Ngoài miền này, tai người không cảm nhận được, dù sóng âm vẫn tồn tại và một số loài vật vẫn cảm nhận được bình thường.

Sóng âm có tần số $f < 16$ Hz gọi là hạ âm. Voi, cá voi và một số loài động vật lớn phát ra hạ âm để liên lạc ở khoảng cách rất xa, vì hạ âm ít bị hấp thụ theo khoảng cách hơn âm tần số cao; động đất, núi lửa phun trào cũng phát ra hạ âm, được các trạm địa chấn dùng để khảo sát.

Sóng âm có tần số $f > 20\,000$ Hz gọi là siêu âm. Dơi và cá heo phát ra siêu âm để định vị vật cản hoặc con mồi trong bóng tối (tiếng vang phản xạ về cho chúng biết khoảng cách); con người tạo ra siêu âm nhân tạo để dùng trong y tế và kỹ thuật, sẽ học kỹ ở một bài sau.

Cần nhớ: hạ âm và siêu âm vẫn là sóng âm bình thường — vẫn là sóng cơ dọc, vẫn cần môi trường vật chất để truyền như bài trước đã học — chỉ khác âm nghe được ở một điểm duy nhất: tần số của chúng nằm ngoài miền tai người cảm nhận được. Việc phân loại theo tần số áp dụng như nhau cho sóng âm trong mọi môi trường: hạ âm và siêu âm cũng lan truyền được trong nước và trong chất rắn, miễn là môi trường đó có phần tử vật chất để dao động. Điều thay đổi duy nhất khi chuyển từ hạ âm sang âm nghe được rồi sang siêu âm là tần số dao động của nguồn, chứ không phải bản chất sóng cơ dọc của nó.

Miền nghe được $16$ – $20\,000$ Hz cũng không cố định tuyệt đối cho mọi người: trẻ em thường nghe được tần số cao gần sát $20\,000$ Hz, trong khi người lớn tuổi thường mất dần khả năng nghe các tần số cao này trước tiên — đó là lý do một số ứng dụng phát ra âm tần số rất cao mà chỉ người trẻ mới nghe thấy.

Tai người bình thường chỉ cảm nhận được sóng âm có tần số nằm trong một miền nhất định, gọi là **miền nghe được** (âm nghe được), từ $16$ Hz đến $20\,000$ Hz ($20$ kHz). Ngoài miền này, tai người không cảm nhận được, dù sóng âm vẫn tồn tại và một số loài vật vẫn cảm nhận được bình thường. Sóng âm có tần số $f < 16$ Hz gọi là **hạ âm**. Voi, cá voi và một số loài động vật lớn phát ra hạ âm để liên lạc ở khoảng cách rất xa, vì hạ âm ít bị hấp thụ theo khoảng cách hơn âm tần số cao; động đất, núi lửa phun trào cũng phát ra hạ âm, được các trạm địa chấn dùng để khảo sát. Sóng âm có tần số $f > 20\,000$ Hz gọi là **siêu âm**. Dơi và cá heo phát ra siêu âm để định vị vật cản hoặc con mồi trong bóng tối (tiếng vang phản xạ về cho chúng biết khoảng cách); con người tạo ra siêu âm nhân tạo để dùng trong y tế và kỹ thuật, sẽ học kỹ ở một bài sau. Cần nhớ: hạ âm và siêu âm vẫn là sóng âm bình thường — vẫn là sóng cơ dọc, vẫn cần môi trường vật chất để truyền như bài trước đã học — chỉ khác âm nghe được ở một điểm duy nhất: tần số của chúng nằm ngoài miền tai người cảm nhận được. Việc phân loại theo tần số áp dụng như nhau cho sóng âm trong mọi môi trường: hạ âm và siêu âm cũng lan truyền được trong nước và trong chất rắn, miễn là môi trường đó có phần tử vật chất để dao động. Điều thay đổi duy nhất khi chuyển từ hạ âm sang âm nghe được rồi sang siêu âm là tần số dao động của nguồn, chứ không phải bản chất sóng cơ dọc của nó. Miền nghe được $16$–$20\,000$ Hz cũng không cố định tuyệt đối cho mọi người: trẻ em thường nghe được tần số cao gần sát $20\,000$ Hz, trong khi người lớn tuổi thường mất dần khả năng nghe các tần số cao này trước tiên — đó là lý do một số ứng dụng phát ra âm tần số rất cao mà chỉ người trẻ mới nghe thấy.

Dưới

16

Hz là hạ âm, từ

16

Hz đến

20\,000

Hz là âm nghe được, trên

20\,000

Hz là siêu âm.Dưới $16$ Hz là hạ âm, từ $16$ Hz đến $20\,000$ Hz là âm nghe được, trên $20\,000$ Hz là siêu âm.

Ví dụ

Phân loại ba nguồn âm theo tần số

1
Một trận động đất nhỏ phát ra sóng cơ với tần số $8$ Hz; một người nói chuyện bình thường phát ra âm có tần số khoảng $2000$ Hz; một con dơi phát ra sóng để định vị con mồi trong bóng tối với tần số $45\,000$ Hz. Phân loại từng sóng trên là hạ âm, âm nghe được hay siêu âm.
Một trận động đất nhỏ phát ra sóng cơ với tần số $8$ Hz; một người nói chuyện bình thường phát ra âm có tần số khoảng $2000$ Hz; một con dơi phát ra sóng để định vị con mồi trong bóng tối với tần số $45\,000$ Hz. Phân loại từng sóng trên là hạ âm, âm nghe được hay siêu âm.
2
Ta có $f = 8$ Hz $< 16$ Hz, nằm dưới ranh giới dưới của miền nghe được. Đây là hạ âm.
Ta có $f = 8$ Hz $< 16$ Hz, nằm dưới ranh giới dưới của miền nghe được. Đây là hạ âm.
3
Ta có $16 \text{ Hz} \le f = 2000 \text{ Hz} \le 20\,000$ Hz, nằm trong miền nghe được. Đây là âm nghe được — đúng như thực tế, ta nghe rõ giọng nói bình thường.
Ta có $16 \text{ Hz} \le f = 2000 \text{ Hz} \le 20\,000$ Hz, nằm trong miền nghe được. Đây là âm nghe được — đúng như thực tế, ta nghe rõ giọng nói bình thường.
4
Ta có $f = 45\,000$ Hz $> 20\,000$ Hz, vượt ranh giới trên của miền nghe được. Đây là siêu âm.
Ta có $f = 45\,000$ Hz $> 20\,000$ Hz, vượt ranh giới trên của miền nghe được. Đây là siêu âm.
5
Có thể kiểm tra nhanh bằng cách xếp ba giá trị theo thứ tự tăng dần: $8 < 2000 < 45\,000$ , rồi so với hai ranh giới $16$ và $20\,000$ — vị trí của mỗi giá trị so với hai ranh giới này quyết định ngay loại sóng, không cần tính toán phức tạp.
Có thể kiểm tra nhanh bằng cách xếp ba giá trị theo thứ tự tăng dần: $8 < 2000 < 45\,000$, rồi so với hai ranh giới $16$ và $20\,000$ — vị trí của mỗi giá trị so với hai ranh giới này quyết định ngay loại sóng, không cần tính toán phức tạp.
6
Vậy sóng động đất $8$ Hz là hạ âm, giọng nói $2000$ Hz là âm nghe được, và sóng định vị của dơi $45\,000$ Hz là siêu âm — cả ba đều là sóng cơ dọc, chỉ khác nhau về tần số dao động.
Vậy sóng động đất $8$ Hz là hạ âm, giọng nói $2000$ Hz là âm nghe được, và sóng định vị của dơi $45\,000$ Hz là siêu âm — cả ba đều là sóng cơ dọc, chỉ khác nhau về tần số dao động.

Ví dụ

Giải thích vì sao còi gọi chó không làm phiền người nhưng vẫn hiệu quả với chó

1
Một chiếc còi gọi chó phát ra sóng âm với tần số $f=25\,000$ Hz. Con người có nghe được âm này không? Loài chó, vốn nghe được tần số tới khoảng $45\,000$ Hz, có nghe được âm này không?
Một chiếc còi gọi chó phát ra sóng âm với tần số $f=25\,000$ Hz. Con người có nghe được âm này không? Loài chó, vốn nghe được tần số tới khoảng $45\,000$ Hz, có nghe được âm này không?
2
Ta có $f=25\,000$ Hz $>20\,000$ Hz, vượt miền nghe được của tai người, nên đây là siêu âm đối với con người — người đứng cạnh còi gần như không nghe thấy gì.
Ta có $f=25\,000$ Hz $>20\,000$ Hz, vượt miền nghe được của tai người, nên đây là siêu âm đối với con người — người đứng cạnh còi gần như không nghe thấy gì.
3
Miền nghe được của chó rộng hơn người, lên tới khoảng $45\,000$ Hz. Vì $25\,000$ Hz nhỏ hơn giới hạn này, âm phát ra vẫn nằm trong miền nghe được của chó.
Miền nghe được của chó rộng hơn người, lên tới khoảng $45\,000$ Hz. Vì $25\,000$ Hz nhỏ hơn giới hạn này, âm phát ra vẫn nằm trong miền nghe được của chó.
4
Vậy còi gọi chó phát ra âm nằm ngoài miền nghe được của tai người (nên không làm phiền ai) nhưng vẫn nằm trong miền nghe được của tai chó (nên vẫn hiệu quả) — mỗi loài có một miền tần số nghe được riêng.

Ví dụ

Bài tập dạng thi: phân loại bốn nguồn âm trong tự nhiên và kỹ thuật

1
Bảng dưới liệt kê tần số đặc trưng của bốn nguồn âm: (1) hạ âm do voi phát ra để liên lạc, $f=12$ Hz; (2) giọng nói con người, $f=500$ Hz; (3) sóng định vị của cá heo, $f=100\,000$ Hz; (4) sóng siêu âm dùng trong máy siêu âm y tế, $f=5\,000\,000$ Hz ( $5$ MHz). Phân loại từng nguồn và giải thích vì sao con người không nghe được các nguồn (1), (3), (4).
Bảng dưới liệt kê tần số đặc trưng của bốn nguồn âm: (1) hạ âm do voi phát ra để liên lạc, $f=12$ Hz; (2) giọng nói con người, $f=500$ Hz; (3) sóng định vị của cá heo, $f=100\,000$ Hz; (4) sóng siêu âm dùng trong máy siêu âm y tế, $f=5\,000\,000$ Hz ($5$ MHz). Phân loại từng nguồn và giải thích vì sao con người không nghe được các nguồn (1), (3), (4).
2
Ta có $f_1=12$ Hz $<16$ Hz nên là hạ âm; $f_2=500$ Hz nằm trong khoảng $16$ – $20\,000$ Hz nên là âm nghe được; $f_3=100\,000$ Hz và $f_4=5\,000\,000$ Hz đều lớn hơn $20\,000$ Hz nên đều là siêu âm.
Ta có $f_1=12$ Hz $<16$ Hz nên là hạ âm; $f_2=500$ Hz nằm trong khoảng $16$–$20\,000$ Hz nên là âm nghe được; $f_3=100\,000$ Hz và $f_4=5\,000\,000$ Hz đều lớn hơn $20\,000$ Hz nên đều là siêu âm.
3
Tai người chỉ cảm nhận được sóng âm có tần số trong miền nghe được $16$ – $20\,000$ Hz. Ba nguồn (1), (3), (4) đều có tần số nằm ngoài miền này (một quá thấp, hai quá cao), nên dù các sóng cơ này vẫn tồn tại và lan truyền được trong không khí, tai người không cảm nhận được chúng.
Tai người chỉ cảm nhận được sóng âm có tần số trong miền nghe được $16$–$20\,000$ Hz. Ba nguồn (1), (3), (4) đều có tần số nằm ngoài miền này (một quá thấp, hai quá cao), nên dù các sóng cơ này vẫn tồn tại và lan truyền được trong không khí, tai người không cảm nhận được chúng.
4
Không nghe được không có nghĩa là không tồn tại: voi vẫn liên lạc được với nhau bằng hạ âm ở khoảng cách hàng ki-lô-mét, cá heo và máy siêu âm y tế vẫn hoạt động bình thường bằng sóng siêu âm — các sóng đó chỉ nằm ngoài khả năng cảm nhận của tai người mà thôi.
5
Vậy trong bốn nguồn trên, nguồn (2) là âm nghe được, còn (1) là hạ âm, (3) và (4) là siêu âm; con người không nghe được ba nguồn còn lại vì tần số của chúng nằm ngoài miền nghe được của tai, không phải vì các sóng đó không tồn tại.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nhầm hạ âm và siêu âm với "âm nhỏ" hoặc "âm rất to" — đây là nhầm giữa tần số (một đặc trưng vật lí) với cường độ hay độ to (một đặc trưng khác, học ở bài sau). Hạ âm có thể mang năng lượng rất lớn (như hạ âm của động đất), chỉ là tần số của nó nằm ngoài miền tai người cảm nhận được, không liên quan gì đến chuyện âm to hay nhỏ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Miền nghe được của tai người: từ 16 Hz đến 20 000 Hz. Dưới 16 Hz là hạ âm, trên 20 000 Hz là siêu âm — cả hai vẫn là sóng âm bình thường, chỉ nằm ngoài khả năng cảm nhận của tai.

Chương tiếp theo không còn hỏi âm có nghe được hay không nữa, mà hỏi trong miền nghe được đó, vì sao có âm nghe cao, âm nghe trầm, âm nghe to, âm nghe nhỏ — đó là các đặc trưng sinh lí của âm, bắt đầu từ độ cao và độ to.