Hoặc bước vào một nhà thờ lớn và vỗ tay một cái – âm thanh dường như kéo dài, tan dần trong không gian – đó là tiếng vang phòng (reverberation). Cả hai hiện tượng này đều là kết quả của phản xạ âm thanh, nhưng chúng tạo ra những trải nghiệm rất khác nhau và có ứng dụng đa dạng, từ định vị bằng âm thanh của dơi đến thiết kế phòng hòa nhạc thế giới.
Bản chất của phản xạ âm thanh
Khi sóng âm gặp một bề mặt, một phần năng lượng được hấp thụ bởi vật liệu, một phần truyền qua, và một phần phản xạ trở lại. Lượng năng lượng được phản xạ phụ thuộc vào tính chất của bề mặt – vật liệu cứng, mịn như bê tông hoặc gạch phản xạ hầu hết âm thanh, trong khi vật liệu mềm, xốp như vải hoặc bọt hấp thụ nhiều âm thanh hơn.
Định luật phản xạ âm thanh tương tự như định luật phản xạ ánh sáng: góc tới (angle of incidence) bằng góc phản xạ (angle of reflection). Leonardo da Vinci, trong các ghi chép của mình vào thế kỷ 15, đã quan sát về phản xạ âm thanh và viết: “Tiếng vang được tạo ra khi âm thanh phản xạ từ một bề mặt lớn… âm thanh phản xạ theo cùng góc mà nó đến.” Mặc dù Leonardo không có công cụ để đo lường chính xác, quan sát trực quan của ông là chính xác đáng kể.
Tuy nhiên, có một điểm khác biệt quan trọng giữa phản xạ âm thanh và ánh sáng. Ánh sáng có bước sóng rất ngắn (khoảng 400-700 nanometers), vì vậy ngay cả những bề mặt có vẻ “thô” đối với chúng ta vẫn xuất hiện “mịn” đối với ánh sáng và tạo ra phản xạ gương. Âm thanh, với bước sóng dài hơn nhiều (từ vài milimeters cho tần số cao đến vài mét cho tần số thấp), có thể bị tán xạ bởi các bề mặt mà chúng ta coi là mịn. Wallace Sabine đã nghiên cứu hiện tượng này và phát hiện ra rằng kết cấu bề mặt ảnh hưởng đến cách âm thanh phản xạ ở các tần số khác nhau.
Điều kiện để nghe thấy tiếng vang riêng biệt là quan trọng. Tai và não con người cần ít nhất khoảng 0.1 giây giữa âm thanh ban đầu và âm thanh phản xạ để phân biệt chúng như các sự kiện riêng biệt. Vì âm thanh di chuyển khoảng 343 m/s trong không khí, điều này có nghĩa là bề mặt phản xạ phải cách nguồn âm ít nhất khoảng 17 mét (âm thanh phải đi 34 mét tổng cộng – đến bề mặt và quay lại). Nếu khoảng cách ngắn hơn, não chúng ta không tách biệt tiếng vang như một âm thanh riêng biệt mà thay vào đó cảm nhận nó như một sự kéo dài của âm thanh ban đầu – đây là tiếng vang phòng.
Tiếng vang và tiếng vang phòng: Hai mặt của cùng một hiện tượng
Tiếng vang (echo) là sự lặp lại riêng biệt, có thể phân biệt của một âm thanh do phản xạ. Trong môi trường tự nhiên, tiếng vang xảy ra khi âm thanh phản xạ từ các bề mặt lớn, xa như vách núi, tòa nhà, hoặc thậm chí các lớp khí quyển. Joseph Henry, nhà vật lý người Mỹ, đã thực hiện các nghiên cứu chi tiết về tiếng vang vào giữa thế kỷ 19. Ông viết: “Hiện tượng tiếng vang cung cấp cho chúng ta một phương tiện để đo khoảng cách đến các vật thể xa và để xác định tốc độ của âm thanh trong các điều kiện khác nhau.”
Tiếng vang phòng (reverberation), mặt khác, là sự kéo dài của âm thanh do nhiều phản xạ nhanh chóng trong một không gian kín. Thay vì một tiếng vang riêng biệt, chúng ta nghe thấy âm thanh tan dần. Thời gian vang (reverberation time hay RT60) được định nghĩa là thời gian mất để âm thanh giảm 60 dB (xuống một phần triệu cường độ ban đầu của nó) sau khi nguồn âm dừng lại.
Wallace Sabine, trong khi làm việc để cải thiện âm học của Phòng giảng Fogg tại Đại học Harvard vào cuối những năm 1890, đã phát triển công thức toán học đầu tiên để tính thời gian vang. Công thức Sabine, vẫn được sử dụng rộng rãi ngày nay (mặc dù với các sửa đổi), là:
RT60 = 0.161 × V / A
trong đó V là thể tích phòng tính bằng mét khối và A là tổng hấp thụ âm thanh của tất cả các bề mặt. Sabine viết: “Tôi đã phát hiện ra rằng thời gian mà một âm thanh vẫn có thể nghe được sau khi nguồn đã dừng lại phụ thuộc vào kích thước phòng và lượng vật liệu hấp thụ âm thanh có mặt.” Công trình của Sabine đã biến âm học kiến trúc từ một nghệ thuật dựa trên thử và sai thành một khoa học dựa trên toán học.
Thời gian vang tối ưu phụ thuộc vào mục đích sử dụng của không gian. Đối với lời nói, thời gian vang ngắn (0.5-1.0 giây) được ưa thích để đảm bảo độ rõ ràng và khả năng hiểu. Đối với âm nhạc, thời gian vang dài hơn thường mong muốn – khoảng 1.5-2.0 giây cho âm nhạc cổ điển, cho phép các nốt nhạc hòa trộn một cách dễ chịu. Nhà thờ và đại giáo đường có thể có thời gian vang rất dài, 5-10 giây hoặc hơn, tạo ra âm thanh “thiêng liêng” nhưng làm cho lời nói khó hiểu.
Leo Beranek, trong nghiên cứu toàn diện của mình về các phòng hòa nhạc, đã phát hiện ra rằng thời gian vang chỉ là một trong nhiều yếu tố quyết định chất lượng âm thanh. Ông xác định các thông số khác như “intimacy” (cảm giác gần gũi, liên quan đến thời gian trễ của phản xạ đầu tiên), “warmth” (cân bằng giữa tần số thấp và trung bình), và “clarity” (khả năng phân biệt các âm thanh riêng lẻ). Beranek viết: “Một phòng hòa nhạc tuyệt vời không chỉ có thời gian vang đúng. Nó phải cung cấp sự phân bố âm thanh đồng đều, độ rõ ràng tốt, và cảm giác được bao quanh bởi âm nhạc.”
Định vị bằng âm thanh: Khi tiếng vang trở thành công cụ
Tiếng vang không chỉ là một hiện tượng thụ động – nhiều động vật đã tiến hóa để sử dụng nó một cách chủ động để điều hướng và săn mồi. Định vị bằng âm thanh (echolocation) là khả năng xác định vị trí và đặc điểm của các vật thể bằng cách phát ra âm thanh và lắng nghe tiếng vang.
Dơi là những bậc thầy nổi tiếng nhất của định vị bằng âm thanh. Chúng phát ra các xung siêu âm ngắn (thường 20-200 kHz) và phân tích các tiếng vang để tạo ra một “bản đồ âm thanh” chi tiết của môi trường xung quanh. Donald Griffin, nhà động vật học người Mỹ, được ghi nhận là người phát hiện ra định vị bằng âm thanh của dơi vào những năm 1930. Làm việc với nhà vật lý George Pierce, người đã phát minh ra một thiết bị có thể phát hiện siêu âm, Griffin đã chứng minh rằng dơi sử dụng âm thanh tần số cao để điều hướng trong bóng tối. Ông viết: “Dơi bay trong bóng tối hoàn toàn với sự chính xác đáng kinh ngạc, tránh các chướng ngại vật và bắt côn trùng đang bay. Chúng làm điều này bằng cách sử dụng ‘radar âm thanh’ của riêng chúng.”
Hệ thống định vị bằng âm thanh của dơi cực kỳ tinh vi. Chúng có thể phát hiện dây có đường kính 0.05 mm trong bóng tối hoàn toàn. Bằng cách phân tích sự thay đổi về tần số do hiệu ứng Doppler, dơi có thể xác định tốc độ và hướng của con mồi. Một số loài dơi thậm chí có thể phân biệt giữa các loại côn trùng khác nhau dựa trên đặc điểm tiếng vang. James Simmons, nhà nghiên cứu định vị bằng âm thanh hàng đầu, đã phát hiện ra rằng dơi sử dụng cả “sonar FM” (quét tần số) để xác định khoảng cách chính xác và “sonar CF” (tần số không đổi) để phát hiện chuyển động thông qua Doppler.
Cá voi và cá heo cũng sử dụng định vị bằng âm thanh, phát ra tiếng nhấp và tiếng huýt sáo và lắng nghe tiếng vang. Kenneth Norris, nhà sinh học biển, đã chứng minh rằng cá heo có thể phân biệt giữa các vật thể có kích thước, hình dạng và vật liệu khác nhau chỉ bằng cách sử dụng âm thanh. Trong một thí nghiệm nổi tiếng, một con cá heo với mắt bị che có thể phân biệt giữa các tấm kim loại có độ dày khác nhau chỉ vài milimeters. Norris viết: “Hệ thống sonar của cá heo vượt trội hơn bất kỳ thứ gì con người đã tạo ra về độ phân giải và khả năng phân biệt mục tiêu.”
Đáng ngạc nhiên là một số người mù đã phát triển hình thức định vị bằng âm thanh của con người. Daniel Kish, một nhà giáo dục người mù từ nhỏ, đã dạy hàng nghìn người mù sử dụng tiếng lưỡi búng (tongue clicking) để điều hướng. Bằng cách tạo ra các tiếng nhấp sắc nét bằng lưỡi và lắng nghe cẩn thận các tiếng vang, người dùng có thể phát hiện tường, cột, xe hơi và thậm chí cả các vật thể nhỏ hơn. Nghiên cứu fMRI đã cho thấy rằng khi sử dụng định vị bằng âm thanh, vỏ não thị giác của những người mù này được kích hoạt – não của họ đã “tái định hình” để xử lý thông tin âm thanh trong các vùng thường được sử dụng cho thị giác. Kish viết: “Định vị bằng âm thanh không phải là một siêu năng lực huyền bí. Đó là một kỹ năng có thể học được, dựa trên các nguyên lý vật lý đơn giản về cách âm thanh phản xạ từ các bề mặt.”
Ứng dụng công nghệ của tiếng vang
Nguyên lý phản xạ âm thanh đã được khai thác trong nhiều công nghệ quan trọng. Sonar (Sound Navigation and Ranging), được phát triển trong Thế chiến I để phát hiện tàu ngầm, sử dụng tiếng vang để xác định vị trí và đặc điểm của các vật thể dưới nước. Paul Langevin, nhà vật lý người Pháp, và Robert Boyle, kỹ sư người Canada, được ghi nhận đã phát triển các hệ thống sonar đầu tiên. Sonar hoạt động động (active sonar) phát ra xung âm thanh và lắng nghe tiếng vang, trong khi sonar thụ động (passive sonar) chỉ lắng nghe âm thanh được tạo ra bởi các tàu khác.
Trong y học, như đã đề cập trong các bài trước, siêu âm chẩn đoán sử dụng tiếng vang từ các sóng âm tần số cao để tạo ra hình ảnh của các cấu trúc bên trong cơ thể. Các đầu dò siêu âm phát ra xung âm thanh ngắn và đo thời gian mà tiếng vang mất để quay trở lại từ các ranh giới mô khác nhau. Bằng cách biết tốc độ âm thanh trong mô và thời gian trễ, thiết bị có thể tính toán độ sâu của ranh giới và tạo ra hình ảnh.
Radar tốc độ (speed radar) sử dụng sóng radio, nhưng radar laser (LIDAR) và một số hệ thống hiện đại sử dụng các nguyên lý tương tự với sóng ánh sáng hoặc âm thanh. Cả hai đều dựa vào hiệu ứng Doppler trong tiếng vang – sự thay đổi tần số khi nguồn và người quan sát di chuyển tương đối với nhau – để xác định tốc độ của xe.
Vui long nhap tag.
Trong bài cuối cùng của series này, chúng ta sẽ khám phá cách tất cả các nguyên lý âm học chúng ta đã thảo luận – từ truyền âm thanh và rung động đến tần số, biên độ và tiếng vang – được áp dụng trong một trong những thách thức âm học phức tạp và quan trọng nhất: thiết kế các không gian như phòng hòa nhạc và nhà hát, nơi âm thanh phải hoàn hảo.
Nguồn nghiên cứu
- da Vinci, L. (1651). A Treatise on Painting. (J. F. Rigaud, Trans.). London: J. Taylor.
- Sabine, W. C. (1922). Collected Papers on Acoustics. Cambridge, MA: Harvard University Press.
- Henry, J. (1856). "On Acoustics Applied to Public Buildings." Proceedings of the American Association for the Advancement of Science, 10, 119-135.
- Beranek, L. L. (2004). Concert Halls and Opera Houses: Music, Acoustics, and Architecture (2nd ed.). New York: Springer.
- Griffin, D. R. (1958). Listening in the Dark: The Acoustic Orientation of Bats and Men. New Haven, CT: Yale University Press.
- Simmons, J. A. (1989). "A View of the World Through the Bat's Ear: The Formation of Acoustic Images in Echolocation." Cognition, 33(1-2), 155-199.
- Norris, K. S. (1969). "The Echolocation of Marine Mammals." In H. T. Andersen (Ed.), The Biology of Marine Mammals (pp. 391-423). New York: Academic Press.
- Thaler, L., Arnott, S. R., & Goodale, M. A. (2011). "Neural Correlates of Natural Human Echolocation in Early and Late Blind Echolocation Experts." PLoS ONE, 6(5), e20162.
- Langevin, P. (1924). "The Employment of Ultra-Sonic Waves for Echo Sounding." Hydrographic Review, 2(1), 57-91.
- Kuttruff, H. (2009). Room Acoustics (5th ed.). London: Spon Press.
