Cách âm thanh truyền qua các môi trường khác nhau

Tiếng nói của bạn nghe rõ ràng trong không khí, nhưng trở nên méo mó dưới nước. Bạn có thể nghe tiếng tàu hỏa từ xa bằng cách áp tai vào đường ray thép. Những khác biệt này không phải là ngẫu nhiên – chúng phản ánh các tính chất vật lý cơ bản của vật chất và cách sóng âm tương tác với nó.

Âm thanh trong không khí: Môi trường quen thuộc nhất

Không khí là môi trường mà chúng ta trải nghiệm âm thanh thường xuyên nhất, nhưng nó thực sự không phải là môi trường truyền âm hiệu quả nhất. Âm thanh di chuyển qua không khí ở tốc độ khoảng 343 mét mỗi giây (m/s) ở nhiệt độ phòng (20°C) và ở mực nước biển. Tốc độ này không phải là hằng số – nó thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển.

Isaac Newton lần đầu tiên cố gắng tính toán tốc độ âm thanh trong không khí vào đầu thế kỷ 18, nhưng kết quả của ông thấp hơn khoảng 15% so với giá trị thực tế. Pierre-Simon Laplace sau đó đã sửa chữa tính toán của Newton bằng cách xem xét rằng quá trình nén và dãn của không khí khi sóng âm đi qua là đoạn nhiệt (adiabatic) – nghĩa là nhiệt độ thay đổi trong quá trình này – thay vì đẳng nhiệt như Newton đã giả định. Laplace viết: “Chuyển động âm thanh không cho phép nhiệt độ cân bằng giữa các phần được nén và dãn của không khí, vì vậy chúng ta phải xem xét các thay đổi nhiệt độ trong tính toán của mình.”

Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ âm thanh trong không khí. Với mỗi độ Celsius tăng, tốc độ âm thanh tăng khoảng 0.6 m/s. Điều này xảy ra vì ở nhiệt độ cao hơn, các phân tử không khí di chuyển nhanh hơn và có thể truyền năng lượng hiệu quả hơn. Đây là lý do tại sao âm thanh di chuyển nhanh hơn vào mùa hè so với mùa đông. Osborne Reynolds, nhà vật lý và kỹ sư người Ireland, đã nghiên cứu rộng rãi về ảnh hưởng của nhiệt độ đến truyền âm và phát hiện ra rằng sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển có thể tạo ra hiệu ứng khúc xạ, khiến âm thanh uốn cong lên hoặc xuống.

Độ ẩm cũng ảnh hưởng đến tốc độ âm thanh, mặc dù ít rõ rệt hơn nhiệt độ. Không khí ẩm thực sự ít dày đặc hơn không khí khô (vì phân tử nước, H₂O, nhẹ hơn phân tử nitrogen, N₂, và oxygen, O₂), do đó âm thanh di chuyển hơi nhanh hơn trong điều kiện ẩm. Tuy nhiên, độ ẩm có tác động lớn hơn nhiều đến sự suy giảm âm thanh – âm thanh tần số cao bị hấp thụ nhiều hơn trong không khí khô so với không khí ẩm. Đây là lý do tại sao tiếng sấm nghe “tròn trịa” hơn và thiếu các tần số cao khi nó đến từ xa – các tần số cao đã bị hấp thụ bởi không khí.

Một hiện tượng thú vị liên quan đến truyền âm trong không khí là “vùng im lặng” (zone of silence). Trong một vụ nổ lớn hoặc sự kiện âm thanh mạnh, thường có một vùng ở khoảng cách trung bình nơi âm thanh không thể nghe được, trong khi nó có thể nghe được cả gần nguồn và ở khoảng cách xa hơn. Hiện tượng này xảy ra do khúc xạ âm thanh bởi các lớp khí quyển có nhiệt độ khác nhau. Trong Thế chiến I, các nhà khoa học đã quan sát thấy rằng tiếng pháo có thể nghe được ở khoảng cách gần và ở khoảng cách rất xa (trên 100 km), nhưng không thể nghe được ở khoảng cách trung gian.

Âm thanh dưới nước: Thế giới âm thanh đại dương

Nước là một môi trường truyền âm hiệu quả hơn nhiều so với không khí. Âm thanh di chuyển qua nước ở tốc độ khoảng 1,480 m/s – gần gấp bốn lần rưỡi so với không khí. Điều này xảy ra vì nước dày đặc hơn nhiều so với không khí, và các phân tử nước gần nhau hơn, cho phép truyền năng lượng nhanh hơn.

Jacques Cousteau, nhà hải dương học và nhà làm phim huyền thoại, đã mô tả trải nghiệm đầu tiên của ông với âm thanh dưới nước: “Đôi tai chúng ta đã mở ra cho âm thanh dưới nước trong một thế giới im lặng giả tạo mà thiết bị lặn đã tạo ra. Chúng tôi nghe thấy tiếng gõ, tiếng kêu và tiếng rên của biển – một bản giao hưởng âm thanh mà chúng tôi chưa bao giờ biết tồn tại.”

Tốc độ âm thanh trong nước cũng thay đổi theo nhiệt độ, độ mặn và áp suất (độ sâu). Các nhà hải dương học đã phát hiện ra những gì được gọi là “kênh SOFAR” (Sound Fixing and Ranging channel) – một lớp nước ở độ sâu khoảng 1,000 mét nơi âm thanh di chuyển chậm nhất và có thể bị “bẫy,” cho phép âm thanh di chuyển qua khoảng cách rất xa với rất ít suy giảm. Maurice Ewing và J. Lamar Worzel đã phát hiện ra kênh SOFAR trong Thế chiến II và nhận ra tiềm năng của nó cho việc cứu hộ hàng hải. Họ viết: “Một nguồn âm thanh nhỏ được kích hoạt trong kênh này có thể được phát hiện cách xa hàng nghìn kilômét.”

Các động vật biển đã tiến hóa để khai thác khả năng truyền âm tuyệt vời của nước. Cá voi xanh tạo ra âm thanh tần số thấp có thể di chuyển qua hàng nghìn kilômét trong đại dương, cho phép chúng giao tiếp qua khoảng cách khổng lồ. Christopher Clark, nhà sinh học biển tại Đại học Cornell, đã nghiên cứu giao tiếp của cá voi trong nhiều thập kỷ. Ông giải thích: “Cá voi xanh sử dụng đại dương như một hệ thống âm thanh khổng lồ. Âm thanh của chúng, được tạo ra ở tần số khoảng 15-20 Hz, có thể di chuyển qua các lưu vực đại dương và có khả năng được nghe bởi các cá voi xanh khác cách xa hàng nghìn kilômét.”

Tuy nhiên, truyền âm dưới nước cũng đặt ra những thách thức. Tai con người không được thiết kế để nghe dưới nước – chúng ta phụ thuộc vào sự khác biệt về thời gian và cường độ mà âm thanh đến tai của chúng ta để xác định hướng nguồn âm, nhưng dưới nước, âm thanh đến cả hai tai gần như đồng thời, khiến khó xác định hướng. Hơn nữa, vì âm thanh di chuyển nhanh hơn nhiều trong nước, não của chúng ta giải thích âm thanh dưới nước một cách khác thường – mọi thứ nghe có vẻ gần hơn và cao hơn so với thực tế.

Âm thanh trong chất rắn: Truyền âm hiệu quả nhất

Chất rắn là môi trường tốt nhất để truyền âm thanh, với tốc độ thay đổi tùy theo vật liệu nhưng nói chung cao hơn nhiều so với không khí hay nước. Trong thép, âm thanh di chuyển ở tốc độ khoảng 5,960 m/s – hơn 17 lần nhanh hơn trong không khí. Trong kim cương, vật liệu cứng nhất tự nhiên, âm thanh có thể di chuyển với tốc độ lên đến 12,000 m/s.

Lý do cho tốc độ cao này là cấu trúc nguyên tử chặt chẽ của chất rắn. Trong chất rắn, các nguyên tử được giữ chặt với nhau bởi các liên kết hóa học mạnh và được sắp xếp trong các mạng tinh thể có trật tự (trong trường hợp vật liệu tinh thể). Khi một nguyên tử rung động, nó truyền năng lượng gần như ngay lập tức cho các nguyên tử lân cận. John Tyndall, nhà vật lý người Ireland, đã chứng minh khả năng truyền âm vượt trội của chất rắn trong các bài giảng công khai nổi tiếng của mình vào thế kỷ 19. Ông viết: “Đặt tai bạn lên đường ray của đường sắt, và bạn sẽ nghe thấy tiếng của tàu đang đến gần trong khi bạn không nghe thấy gì trong không khí.”

Âm thanh trong chất rắn có thể di chuyển theo hai cách chính: sóng dọc (longitudinal waves), trong đó các hạt rung động song song với hướng truyền sóng, và sóng ngang (transverse waves), trong đó các hạt rung động vuông góc với hướng truyền. Trong chất lỏng và khí, chỉ có sóng dọc có thể truyền đi, nhưng chất rắn có thể hỗ trợ cả hai loại. Điều này làm cho truyền âm trong chất rắn phức tạp hơn nhưng cũng phong phú hơn về thông tin. Horace Lamb, nhà toán học người Anh, đã phát triển lý thuyết toán học cho truyền sóng đàn hồi trong chất rắn, và công trình của ông vẫn là nền tảng cho nhiều ứng dụng địa chấn học và kiểm tra vật liệu hiện đại.

Truyền âm trong chất rắn có nhiều ứng dụng quan trọng. Trong địa chấn học, các nhà khoa học nghiên cứu cách sóng âm (sóng địa chấn) từ động đất di chuyển qua Trái Đất để hiểu về cấu trúc bên trong của hành tinh. Sóng P (sóng chính hay sóng dọc) di chuyển nhanh nhất và đến trước, theo sau là sóng S (sóng phụ hay sóng ngang) di chuyển chậm hơn. Bằng cách phân tích thời gian đến và đặc điểm của các sóng này tại các địa điểm khác nhau, các nhà địa chấn học có thể xác định vị trí và độ sâu của động đất, và thậm chí suy luận về thành phần của lõi Trái Đất. Inge Lehmann, nhà địa chấn học người Đan Mạch, đã sử dụng phân tích sóng địa chấn để phát hiện ra lõi trong rắn của Trái Đất vào năm 1936, một trong những phát hiện quan trọng nhất trong khoa học Trái Đất.

Trong y học, sóng âm đi qua các mô cơ thể (chất rắn mềm) với tốc độ trung bình khoảng 1,540 m/s, tương tự như nước. Tuy nhiên, các mô khác nhau có tốc độ âm hơi khác nhau, và điều này cho phép siêu âm tạo ra hình ảnh. Khi sóng siêu âm gặp ranh giới giữa các mô có tốc độ âm khác nhau (và do đó mật độ khác nhau), một phần sóng phản xạ trở lại. Bằng cách đo thời gian mất để tiếng vọng quay trở lại và biết tốc độ âm trong mô, thiết bị siêu âm có thể tính toán khoảng cách đến ranh giới đó và tạo ra hình ảnh.

Trong công nghiệp, kiểm tra siêu âm sử dụng sóng âm tần số cao để phát hiện các khuyết tật trong kim loại và các vật liệu khác. Kỹ thuật viên đặt một đầu dò (transducer) lên bề mặt vật liệu, tạo ra xung siêu âm ngắn. Nếu có một vết nứt, lỗ rỗng hoặc vật liệu lạ bên trong, nó sẽ phản xạ âm thanh khác với phản xạ từ mặt sau của vật liệu. Bằng cách phân tích các tiếng vọng này, kỹ thuật viên có thể xác định vị trí và kích thước của các khuyết tật mà không cần phá hủy vật liệu. Floyd Firestone, người phát minh ra máy phát hiện lỗi siêu âm vào năm 1940, đã viết: “Siêu âm cho phép chúng ta nhìn thấy bên trong vật liệu rắn với độ chính xác cao, tiết lộ các khuyết tật mà không thể phát hiện bằng mắt thường.”

Trong bài tiếp theo, chúng ta sẽ quay trở lại nguồn gốc của tất cả âm thanh – rung động. Chúng ta sẽ khám phá chính xác rung động là gì, làm thế nào chúng tạo ra âm thanh, và tại sao không phải tất cả rung động đều tạo ra âm thanh mà chúng ta có thể nghe được.