Xin chào các bạn! Bạn có biết cảm giác khi ai đó mở loa thật lớn và bạn có thể cảm nhận âm nhạc rung lên ngay trong lồng ngực mình không? Đó không phải là phép màu, cũng không phải do trí tưởng tượng của bạn đang đánh lừa cảm giác.
Đó chính là vật lý đang hoạt động, và thực sự nó thú vị hơn rất nhiều so với những gì chúng ta thường nghĩ về khoa học.
Âm Thanh Thực Chất Là Gì?
Âm thanh là một dạng năng lượng truyền qua vật chất dưới dạng sóng cơ học. Hãy tưởng tượng bạn ném một viên sỏi xuống mặt hồ. Thay vì những gợn sóng lan rộng trên mặt nước, các phân tử không khí sẽ va chạm vào nhau giống như làn sóng cổ vũ cuồng nhiệt trong một sân vận động đông người. Những dao động này lan truyền từ nguồn phát theo mọi hướng. Khi chúng cuối cùng chạm tới tai bạn, não bộ sẽ chuyển đổi chúng thành những âm thanh quen thuộc như tiếng chuông báo thức, bài hát yêu thích hay tiếng ai đó gọi tên bạn từ phòng bên cạnh. Điều quan trọng cần hiểu là âm thanh luôn cần một môi trường để truyền đi. Không giống như ánh sáng có thể di chuyển trong khoảng không vũ trụ gần như không có vật chất, âm thanh hoàn toàn không thể tồn tại nếu không có thứ gì đó để truyền qua. Không có không khí, nước hoặc chất rắn thì sẽ không có âm thanh. Đó là lý do không gian vũ trụ hoàn toàn im lặng, một sự thật vừa đáng kinh ngạc vừa đầy bí ẩn.
Sự Nén Và Sự Giãn Của Sóng Âm
Đây là phần đặc biệt thú vị. Sóng âm là loại sóng dọc, nghĩa là các phân tử dao động tới lui theo cùng hướng mà sóng đang truyền. Quá trình này tạo ra hai vùng luân phiên nhau: vùng nén, nơi các phân tử bị ép sát lại gần nhau, và vùng giãn, nơi các phân tử cách xa nhau hơn. Hãy hình dung như một chiếc đàn xếp liên tục co lại rồi giãn ra khi di chuyển trong không khí hướng về phía tai bạn. Các vùng nén và giãn này diễn ra với tốc độ cực nhanh. Trong điều kiện nhiệt độ phòng, âm thanh truyền trong không khí với vận tốc khoảng 1.235 km mỗi giờ. Con số này nghe có vẻ rất lớn cho đến khi bạn biết rằng ánh sáng có thể di chuyển khoảng 300.000 km mỗi giây. Nói cách khác, ánh sáng đã đi được một quãng đường khổng lồ trước khi âm thanh kịp bắt đầu hành trình của mình.
Tần Số, Bước Sóng Và Biên Độ
Bây giờ hãy làm quen với ba yếu tố quan trọng nhất của sóng âm: tần số, bước sóng và biên độ. Tần số là số chu kỳ dao động xảy ra trong một giây, được đo bằng đơn vị héc. Tần số càng cao thì âm thanh càng cao và sắc, giống như tiếng còi. Tần số càng thấp thì âm thanh càng trầm và sâu, giống như tiếng sấm vang vọng từ xa. Con người thường có thể nghe được các âm thanh trong khoảng từ 20 đến 20.000 héc. Trong khi đó, chó có khả năng nghe được những tần số cao hơn rất nhiều, đó là lý do đôi khi chúng phản ứng với những âm thanh mà con người hoàn toàn không nhận ra. Bước sóng là khoảng cách vật lý giữa hai vùng nén liên tiếp. Âm thanh có tần số cao thường có bước sóng ngắn, còn âm thanh có tần số thấp sẽ có bước sóng dài hơn. Biên độ thể hiện cường độ của sóng âm, tức là lượng năng lượng mà sóng mang theo. Biên độ càng lớn thì âm thanh càng to. Nguyên lý này khá đơn giản nhưng lại vô cùng quan trọng.
Tốc Độ Âm Thanh Và Chuyến Bay Siêu Thanh
Đây là một sự thật nghe như chuyện viễn tưởng nhưng hoàn toàn có thật: khi một máy bay di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh, nó sẽ tạo ra một sóng xung kích gây nên hiện tượng gọi là tiếng nổ siêu thanh. Hiện tượng này xảy ra khi máy bay vượt lên trước những sóng âm mà chính nó tạo ra, khiến chúng dồn lại thành một đợt áp suất cực mạnh. Các nhà khoa học hiện nay đang nghiên cứu những công nghệ mới nhằm giảm tiếng nổ siêu thanh xuống mức nhẹ nhàng hơn. Mục tiêu là giúp các chuyến bay siêu thanh chở khách có thể hoạt động trên đất liền mà không gây rung chuyển cửa kính hay làm ảnh hưởng đến cuộc sống bên dưới.
Đôi Tai Giải Mã Âm Thanh Như Thế Nào?
Đôi tai của chúng ta thực sự là một cỗ máy tuyệt vời. Khi sóng âm đi vào ống tai, chúng va vào màng nhĩ và khiến màng này rung động. Những rung động đó tiếp tục truyền qua ba chiếc xương cực nhỏ nằm trong tai giữa, vốn là những chiếc xương nhỏ nhất trong cơ thể con người. Sau đó, tín hiệu được chuyển tới ốc tai chứa đầy chất lỏng, nơi hàng nghìn tế bào lông siêu nhỏ biến chuyển động cơ học thành tín hiệu điện gửi thẳng đến não bộ. Chỉ trong vài phần nghìn giây, não sẽ xử lý toàn bộ thông tin này và cho bạn biết đó là một bản nhạc du dương hay tiếng chuông báo động khẩn cấp. Thật đáng kinh ngạc khi tất cả quá trình phức tạp đó diễn ra trong một cơ quan chỉ có kích thước tương đương một quả óc chó nhỏ.
Khoa học về âm thanh hiện diện ở khắp mọi nơi nếu bạn chịu khó quan sát. Nó xuất hiện trong cách các nhà hát được thiết kế để âm thanh lan tỏa hoàn hảo, trong khả năng định hướng của loài dơi giữa bóng tối, và trong vô số hiện tượng tự nhiên quanh chúng ta. Lần tới khi nghe thấy bất kỳ âm thanh nào, hãy dành một chút thời gian để nghĩ về chuỗi sự kiện kỳ diệu đang diễn ra giữa hàng triệu phân tử nhằm đưa âm thanh đó đến bộ não của bạn. Quả thực đây là một trong những điều thú vị nhất mà khoa học mang lại cho cuộc sống hằng ngày của chúng ta.
