Đánh mạnh vào mặt trống. Lớp da trống rung lên qua lại hàng nghìn lần mỗi giây, nhanh đến mức mắt thường không thể nhìn thấy. Nhưng lớp không khí ngay sát bề mặt ấy buộc phải chuyển động theo từng nhịp rung.

Các phân tử không khí này tiếp tục đẩy những phân tử kế bên, rồi chúng lại đẩy lớp tiếp theo, lan dần ra mọi hướng cho tới khi làn sóng áp lực ấy chạm tới màng nhĩ của bạn.

Màng nhĩ rung động theo, và não bộ chuyển toàn bộ quá trình đó thành âm thanh của tiếng trống. Chuỗi phản ứng từ rung động, chuyển động không khí cho tới cảm nhận âm thanh chính là bản chất thực sự của âm thanh.

Âm Thanh Là Năng Lượng, Không Phải Vật Chất

Âm thanh là một dạng năng lượng được tạo ra từ dao động. Khi bất kỳ vật thể nào rung động — dây đàn ghi-ta, dây thanh quản hay màng loa — nó sẽ làm xáo trộn các phân tử xung quanh. Những phân tử này va chạm với lớp kế bên, rồi tiếp tục truyền sự xáo trộn ra xa hơn. Điều quan trọng là bản thân các phân tử không khí không bay từ đầu phòng sang cuối phòng. Chúng chỉ dao động nhẹ quanh vị trí ban đầu rồi quay trở lại. Thứ thật sự di chuyển là mô hình năng lượng tức sóng âm — truyền qua môi trường. Nếu không có môi trường truyền dẫn, âm thanh sẽ biến mất hoàn toàn. Đây chính là điều nhà khoa học Robert Boyle từng chứng minh khi đặt chiếc đồng hồ báo thức đang reo vào trong bình thủy tinh rồi hút dần không khí ra ngoài. Khi không khí biến mất, âm thanh cũng nhỏ dần cho tới khi hoàn toàn không còn nghe thấy gì nữa.

Sóng Dọc: Vùng Nén Và Vùng Giãn

Sóng âm là sóng dọc, nghĩa là các phân tử không khí dao động tới lui theo cùng hướng mà sóng truyền đi. Điều này tạo ra các vùng nén — nơi các phân tử bị ép sát lại làm áp suất tăng nhẹ xen kẽ với các vùng giãn, nơi chúng tách xa nhau hơn và áp suất giảm xuống.

Điều này khác hoàn toàn với sóng nước. Sóng nước là sóng ngang: nước chuyển động lên xuống trong khi năng lượng sóng lan theo phương ngang. Còn với âm thanh, hướng dao động của môi trường và hướng truyền sóng là song song với nhau.

Biên Độ, Tần Số Và Điều Tai Người Nghe Được

Có hai yếu tố chính quyết định cách con người cảm nhận âm thanh. Biên độ thể hiện mức độ dao động áp suất — tức các phân tử lệch xa vị trí ban đầu bao nhiêu. Biên độ càng lớn thì âm thanh càng to. Tần số thể hiện số chu kỳ sóng đi qua một điểm trong mỗi giây và được đo bằng đơn vị héc. Tần số cao tạo ra âm thanh cao, còn tần số thấp cho âm trầm hơn.

Tai người có thể nghe được các tần số trong khoảng từ hai mươi đến hai mươi nghìn héc. Thấp hơn mức đó là hạ âm — loại sóng mà voi và cá voi sử dụng để liên lạc trên khoảng cách cực xa vì âm tần số thấp truyền đi xa hơn nhiều so với âm tần số cao.

Tốc Độ Âm Thanh Phụ Thuộc Vào Môi Trường

Âm thanh truyền với tốc độ khác nhau tùy vào vật chất mà nó đi qua. Trong không khí khô ở nhiệt độ phòng, âm thanh di chuyển khoảng ba trăm bốn mươi ba mét mỗi giây. Trong nước, tốc độ này nhanh gấp khoảng bốn lần, đạt gần một nghìn bốn trăm tám mươi hai mét mỗi giây vì các phân tử nước nằm sát nhau hơn và truyền dao động hiệu quả hơn. Trong chất rắn đặc, âm thanh còn truyền nhanh hơn nữa.

Đó là lý do khi áp tai vào bề mặt rắn, bạn có thể nghe thấy những âm thanh vốn khó truyền qua không khí. Tốc độ âm thanh tăng theo mật độ vật chất và cả nhiệt độ, bởi các phân tử nóng hơn sẽ chuyển động mạnh hơn.

Phản Xạ, Tiếng Vang Và Âm Thanh Quanh Ta

Âm thanh có một đặc điểm giống nhiều loại sóng khác: nó có thể phản xạ. Khi sóng âm chạm vào bề mặt cứng, phần lớn năng lượng sẽ dội ngược trở lại. Nếu đứng cách một bức tường đá lớn rồi vỗ tay, bạn sẽ nghe thấy tiếng vang quay về sau đó. Khoảng trễ giữa âm thanh gốc và tiếng vang đơn giản chính là thời gian sóng âm đi tới bức tường rồi phản hồi lại.

Các vật liệu mềm lại hấp thụ âm thanh thay vì phản xạ, vì vậy một căn phòng đầy nội thất sẽ có âm thanh khác hẳn căn phòng trống. Chính những nguyên lý vật lý này cũng được ứng dụng trong thiết kế nhà hát, công nghệ siêu âm y học và cả khả năng định hướng của cá voi giữa đại dương rộng lớn.