100 bài tập về sóng âm (2024) có đáp án chi tiết nhất

Kiến thức cần nhớ

1. Sóng âm và cảm giác âm

a. Thí nghiệm:

Lấy một lá thép mỏng, giữ cố định một đầu, còn đầu kia để cho tự do dao động (xem hình). Khi cho lá thép dao động là một vật phát dao động âm. Lá thép càng ngắn thì tần số dao động của nó càng lớn. Khi tần số nó nằm trong khoảng 16 Hz đến 20000 Hz thì ta sẽ nghe thấy âm do lá thép phát ra.

b. Giải thích

+ Khi phần trên của lá thép cong về một phía nào đó nó làm cho lớp không khí ở liền trước nó nén lại và lớp không khí ở liền sau nó giãn ra. Do đó khi lá thép dao động thì nó làm cho các lớp không khí nằm sát hai bên lá đó bị nén và dãn liên tục.

Nhờ sự truyền áp suất của không khí mà sự nén, dãn này được lan truyền ra xa dần, tạo thành một sóng dọc trong không khí. Sóng này có tần số đúng bằng tần số dao động của lá thép. Khi sóng truyền đến tai ta thì nó làm cho áp suất không khí tác dụng lên màng nhĩ dao động với cùng tần số đó. Màng nhĩ bị dao động và tạo ra cảm giác âm.

c. Nguồn âm và sóng âm

+ Nguồn âm: là vật dao động phát ra âm. Tần số âm phát ra bằng tần số dao động của nguồn âm.

+ Sóng âm là các sóng dọc cơ học truyền trong các môi trường khí, lỏng hoặc rắn (khi truyền trong chất lỏng và chất khí là sóng dọc nhưng khi truyền trong chất rắn thì có thể sóng dọc hoặc sóng ngang).

+ Sóng âm nghe được (âm thanh) có tần số nằm trong khoảng từ 16 Hz đến 20000 Hz.

+ Sóng âm có tần số nhỏ hơn 16 Hz gọi là sóng hạ âm. Sóng âm có tần số lớn hơn 20000 Hz gọi là sóng siêu âm. Tai ta không nghe được các hạ âm và siêu âm. Một số loài vật nghe được hạ âm (con sứa, voi, chim bồ câu...), một số khác nghe được siêu âm (con dơi, con dế, chó, cá heo...).

d. Môi trường truyền âm. Tốc độ truyền âm.

+ Môi trường truyền âm.

Sóng âm truyền được trong cả 3 môi trường rắn, lỏng, khí, nhưng không truyền được trong chân không.

+ Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ của môi trường.

− Nói chung, vận tốc trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng, và trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí.

− Tốc độ âm cũng thay đổi theo nhiệt độ.

− Những vật liệu như bông, nhung, tấm xốp v.v... truyền âm kém vì tính đàn hồi của chúng kém. Chúng được dùng để làm các vật liệu cách âm.

2. Những đặc trung vật lí của âm

a. Tần số âm: là một trong những đặc trung vật lí quan trọng nhất của âm.

b. Cường độ âm và mức cường độ âm

+ Năng lượng âm: Sóng âm lan đến đâu thì sẽ làm cho phần tử môi trường ở đó dao động. Như vậy, sóng âm mang năng lượng. Năng lượng âm tỉ lệ với bình phương biên độ sóng âm.

+ Cường độ âm (I) tại một điểm là năng lượng được sóng âm truyền tải qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian. Đơn vị cường độ âm là W/m².

+ Mức cường độ âm: $L\left(B\right)=\lg \frac{I}{I_0}$  trong đó $I_0={10}^{-2}\text{\hspace{0.17em}W}/m^2$  (là ngưỡng nghe ứng với âm có tần số 1000 Hz), làm cường độ âm chuẩn chung cho mọi âm có tần số khác nhau. Đơn vị của mức cường độ âm là ben (B) hoặc đê−xi−hen (dB); 1 B = 10 (dB),

c. Đồ thị li độ âm.

+ Muốn cho dễ khảo sát bằng thực nghiệm, người ta chuyển dao động âm thành dao động điện. Mắc hai đầu dây của micrô với chốt tín hiệu vào của dao động kí điện tử. Sóng âm đập vào màng micrô làm cho màng dao động, khiến cho cường độ dòng điện qua micrô biến đổi theo cùng quy luật với li độ của dao động âm. Trên màn hỉnh của dao động kí sẽ xuất hiện một đường cong sáng biểu diễn sự biến đổi cường độ dòng điện theo thời gian (đồ thị li độ âm). Căn cứ vào đó, ta biết được quy luật biến đổi cùa sóng âm truyền tới theo thời gian (Hình 1).

3. Các đặc tính sinh lí của âm

a. Độ cao

+ Độ cao của âm là một đặc trưng sinh lí của âm, phụ thuộc vào tần số của âm.

+ Âm có tần số càng lớn thì càng cao. Âm có tần số càng nhỏ thì càng thấp (càng trầm).

b. Âm sắc

+ Âm sắc là đặc trưng sinh lí của âm, giúp ta phân biệt âm do các nguồn khác nhau phát ra. Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm.

+ Sóng âm do một nhạc cụ phát ra là sóng tổng hợp của nhiều sóng âm được phát ra cùng một lúc. Các sóng này có các tần số là: f, 2f, 3f, 4f v.v... và có các biên độ là A₁, A₂, A₃, A₄ ... rất khác nhau. 

+ Âm có tần số f gọi là âm cơ bản hay hoạ âm thứ nhất; các âm có tần số 2f, 3f, 4f... gọi là các hoạ âm thứ hai, thứ ba, thứ tư v.v... Hoạ âm nào có biên độ mạnh nhất sẽ quyết định độ cao của âm mà nhạc cụ phát ra.

+ Dao động âm tổng hợp vẫn là một dao động tuần hoàn nhưng không điều hoà. Đường biểu diễn của dao động âm tổng hợp không phải là một đường hình sin mà là một đường có tính chất tuần hoàn, nhưng có hình dạng phức tạp. Mỗi dao động tổng hợp đó ứng với một âm sắc nhất định. Chính vì vậy mà hai nhạc cụ khác nhau (đàn và kèn chẳng hạn) có thể phát ra hai âm có cùng độ cao (cùng tần số) nhưng có âm sắc hoàn toàn khác nhau.

+ Tóm lại, âm sắc phụ thuộc vào các hoạ âm và cường độ của các họa âm.

+ Những âm mà dao động của chúng có tính chất tuần hoàn như nói ở trên gọi là các nhạc âm vì chúng do các nhạc cụ phát ra. Ngoài nhạc âm còn có tạp âm hay tiếng động là những âm mà dao động của chúng không có tính chất tuần hoàn; như tiếng đập, gõ, tiếng sấm nổ v.v...

c. Độ to

+ Độ to của âm là một đặc trưng sinh lí của âm phụ thuộc cường độ âm và tần số của âm.

+ Ngưỡng nghe cùa âm là cường độ âm nhỏ nhất của một âm để có thể gây ra cảm giác âm đó.

Ngưỡng nghe phụ thuộc tần số của âm. Âm có tần số 1000−5000 (Hz), ngưỡng nghe vào khoảng $I_0={10}^{-12}\left(\text{W}/m^2\right)$  (còn gọi là cường độ âm chuẩn), âm có tần số 50 (Hz), ngưỡng nghe  

Âm có cường độ âm càng lớn thì nghe càng to. Vì độ to của âm còn phụ thuộc tần số âm nên hai âm có cùng cường độ âm, nhưng có tần số khác nhau sẽ gây ra những cảm giác âm to, nhỏ khác nhau. Ví dụ: Âm có tần số 1000 (Hz) với cường độ ${10}^{-7}\left(\text{W}/m^2\right)$  là một âm nghe rất to, trong khi đó, âm có tần số 50 (Hz) cũng có cường độ ${10}^{-7}\left(\text{W}/m^2\right)$  lại là âm rất nhỏ. Do đó cường độ âm không đủ đặc trưng cho độ to của âm.

+ Ngưỡng đau là cường độ của một âm lớn nhất mà còn gây ra cảm giác âm. Lúc đó có cảm giác đau đón trong tai.

+ Miền nghe được là miền nằm trong phạm vi từ ngưỡng nghe đến ngưỡng đau.

4. Các nguồn nhạc âm

 Tiếng có thể được hình thành do:

+ Các dây dao động (ghita, pianô, viôlông).

+ Các màng dao động ( trống định âm, trống có dây tăng âm).

+ Các cột không khí dao động (sáo, kèn, ô boa, đàn ống).

+ Các miêng gỗ, các tâm đá, thanh thép dao động (đàn phím gỗ, đàn marimba, đàn đá).

5. Vai trò của dây đàn và bầu đàn trong chiếc đàn ghi ta

+ Trong đàn ghi ta, các dây đàn đóng vai trò vật phát dao động âm. Dao động này thông qua giá đỡ, dây đàn gắn trên mặt bầu đàn sẽ làm cho mặt bầu đàn dao động.

+ Bầu đàn đóng vai trò hộp cộng hưởng có khả năng cộng hưởng đối với nhiều tần số khác nhau. Bầu đàn ghi ta có hình dạng riêng và làm bằng gỗ đặc biệt nên nó có khả năng cộng hưởng và tăng cường một số ho ạ âm xác định, tạo ra âm sắc đặc trưng cho loại đàn này.

Các dạng bài tập về sóng âm

Dạng 1: Các bài toán liên quan đến các đặc tính vật lí của âm

1. Sự truyền âm

* Thời gian truyền âm trong môi trường 1 và môi trường 2 lần lượt là (v₂ < v₁):

 * Gọi t là thời gian từ lúc phát âm cho đến lúc nghe được âm phản xạ thì

$\left\{\begin{array}{l}{t}_1=\frac{\mathcal{l}}{v_1}\\ t_2=\frac{\mathcal{l}}{v_2}\end{array}\right.\Rightarrow \Delta t=t_2-t_1=\frac{\mathcal{l}}{v_2}-\frac{\mathcal{l}}{v_1}$

 * Gọi t là thời gian từ lúc phát âm cho đến lúc nghe được âm phản xạ thì  $t=\frac{2\mathcal{l}}{v}$

2. Cường độ âm. Mức cường độ âm

Cường độ âm I (Đơn vị W/m²) tại một điểm là năng lượng gửi qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm tại điểm đó trong một đơn vị thời gian:  $I=\frac{A}{St}=\frac{A}{4\pi r^{2}t}=\frac{P}{4\pi r^2}$

Cường độ âm tỉ lệ với bình phương biên độ âm:  $I=\mu A^2\Rightarrow \frac{I_2}{I_1}={\left(\frac{A_2}{A_1}\right)}^2$

Mức cường đô âm L đươc định nghĩa là $L\left(B\right)=\lg \frac{I}{I_0}$, với I cường độ âm tại điểm đang xét và I₀ là cường độ âm chuẩn (I₀ = 10⁻¹²W/m²) ứng với tần số f = 1000 Hz. Đơn vị của l là ben (B) và đêxiben 1dB = 0,1B

3. Phân bố năng lượng âm khi truyền đi

Giả sử nguồn âm điểm phát công suất P từ điểm O, phân bố đều theo mọi hướng.

* Nếu bỏ qua sự hấp thụ âm và phản xạ âm của môi trường thì cường độ âm tai môt điểm M cách O một khoảng r là  $I=\frac{P}{4\pi r^2}$

* Nếu cứ truyền đi 1 m năng lượng âm giảm a% so với năng lượng lúc đầu thì cường độ âm tại một điểm M cách O một khoảng r là $I=\frac{P\left(100\%-r.a\%\right)}{4\pi r^2}$

* Nếu cứ truyền đi 1 m năng lượng âm giảm a% so với năng lượng 1 m ngay trước đó thì cường độ âm tại một điểm M cách O một khoảng r là: $I=\frac{P\left(100\%-a\%\right)}{4\pi r^2}$

4. Quan hệ cường độ âm, mức cường độ âm ở nhiều điểm                

Trên một đường thắng có bốn điểm theo đúng thứ tự là O, A, M và B. Nếu AM = nMB hay $r_M-r_A=n\left(r_B-r_M\right)\Rightarrow \left(n+1\right)r_M=n{r}_B+r_A$ . Nếu nguồn âm điểm đặt tại O, xuất phát từ công thức  $I=\frac{P}{4\pi r^2}=I_0=I_0{.10}^L\Rightarrow r={10}^{-0,5L}\sqrt{\frac{P}{4\pi I_0}}$

Thay này vào công thức $\left(n+1\right)r_M=n{r}_B+r_A$  sẽ được:  $\boxed{\left(n+1\right){.10}^{-0,5L_M}=n{.10}^{-0,5L_B}+{10}^{-0,5L_A}}$

Nếu M là trung điểm của AB thì n = 1 nên  $\boxed{{2.10}^{-0,5L_M}={10}^{-0,5L_B}+{10}^{-0,5L_A}}$

Dạng 2: Các bài toán liên quan đến nguồn nhạc âm

1. Miền nghe được

Ngưỡng nghe của âm là cường độ âm nhỏ nhất của một âm để có thế gây ra cảm giác âm đó.

Ngưỡng đau là cường độ của một âm lớn nhất mà còn gây ra cảm giác âm. Lúc đó có cảm giác đau đớn trong tai.

Miền nghe được là miền nằm trong phạm vi từ ngưỡng nghe đến ngưỡng đau.

 $I_{\min }\le I=\frac{P}{4\pi r^2}\le I_{\max }\Rightarrow \sqrt{\frac{P}{4\pi I_{\max }}}\le r\le \sqrt{\frac{P}{4\pi I_{\min }}}$

2. Nguồn nhạc âm

Giải thích sự tạo thành âm do dây dao động: khi trên dây xuất hiện sóng dừng có những chỗ sợi dây dao động với biên độ cực đại (bụng sóng), đẩy không khí xung quanh nó một cách tuần hoàn và do đó phát ra một sóng âm tương đối mạnh có cùng tần số dao động của dây.

 $\mathcal{l}=k\frac{\lambda }{2}=k\frac{v}{2f}\Rightarrow \boxed{f=k\frac{v}{2\mathcal{l}}}$  (với k = 1, 2, 3….)

Tần số âm cơ bản là $f_1=\frac{v}{2\mathcal{l}}$ , họa âm bậc 2 là $f_2=2.\frac{v}{2\mathcal{l}}=2f_1$ , họa âm bậc ba là  $f_3=2.\frac{v}{2\mathcal{l}}=3f_1\mathrm{....}$

Giải thích sự tạo thành âm do cột không khí dao động: Khi sóng âm (sóng dọc) truyền qua không khí trong một ống, chúng phản xạ ngược lại ở mỗi đầu và đi trở lại qua ống (sự phản xạ này vẫn xảy ra ngay cả khi đầu để hở). Khi chiều dài của ống phù hợp với bước sóng của sóng âm

Trong âm nhạc, khoảng cách giữa hai nốt nhạc trong một quãng được tính bằng cung và nửa cung (nc). Mỗi quãng tám được chia thành 12 nC. Hai nốt nhạc cách nhau nửa cung thì hai âm (cao, thấp) tương ứng với hai nốt nhạc này có tần số thỏa mãn $f_c^{12}=2f_1^{12}$ . Tập hợp tất cả các âm trong một quãng tám gọi là một gam (âm giai). Xét một gam với khoảng cách từ nốt Đồ đến các nốt tiếp theo Rê, Mi, Fa, Sol, La. Si, Đô tương ứng là 2 nc, 4 nc, 5 nc, 7 11C , 9 nc, 11 nc, 12 nc.

VD: Nốt Rê cách nút La 7nc nên nếu nốt La có tần số 440 Hz thì tần số nốt Rê thỏa mãn: 440¹² = 2⁷.f¹² => f   294 (Hz) .

Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1. Sóng cơ học lan truyền trong không khí với cường độ đủ lớn, tai ta có thể cảm thụ được sóng cơ học nào sau đây?

A. Sóng cơ học có tần số 10Hz.

B. Sóng cơ học có tần số 30kHz.

C. Sóng cơ học có chu kỳ 2,0μs.

D. Sóng cơ học có chu kỳ 2,0ms.

Lời giải:

Chọn D.

Từ chu kỳ suy ra tần số, so sánh tần số tìm được với dải tần số 16Hz đến 20000Hz.

Ví dụ 2. Phát biểu nào sau đây là không đúng?

A. Sóng âm là sóng cơ học có tần số nằm trong khoảng từ 16Hz đến 20kHz.

B. Sóng hạ âm là sóng cơ học có tần số nhỏ hơn 16Hz.

C. Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn 20kHz.

D. Sóng âm thanh bao gồm cả sóng âm, hạ âm và siêu âm.

Lời giải:

Chọn D.

Sóng âm thanh chính là sóng âm.

Ví dụ 3. Tốc độ âm trong môi trường nào sau đây là lớn nhất?

A. Môi trường không khí loãng.

B. Môi trường không khí.

C. Môi trường nước nguyên chất.

D. Môi trường chất rắn.

Lời giải:

Chọn D.

Vận tốc âm phụ thuộc vào môi trường đàn hồi, mật độ vật chất môi trường càng lớn thì vận tốc âm càng lớn: v_rắn > v_lỏng > v_khí.

Bài tập tự luyện có hướng dẫn

Câu 1. Cảm giác về âm phụ thuộc những yếu tố nào?

A. Nguồn âm và môi trường truyền âm.

B. Nguồn âm và tai người nghe.

C. Môi trường truyền âm và tai người nghe.

D. Tai người nghe và giây thần kinh thị giác.

Lời giải:

Chọn B.

Phụ thuộc vào cường độ âm và tai người hay nguồn âm và tai người.

Câu 2. Độ cao của âm phụ thuộc vào yếu tố nào của âm?

A. Độ đàn hồi của nguồn âm.

B. Biên độ dao động của nguồn âm.

C. Tần số của nguồn âm.

D. Đồ thị dao động của nguồn âm.

Lời giải:

Chọn C.

Độ cao của âm là đặc trưng sinh lí của âm, phụ thuộc vào tần số âm.

Câu 3. Tai con người có thể nghe được những âm có mức cường độ âm trong khoảng nào?

A. Từ 0 dB đến 1000 dB.

B. Từ 10 dB đến 100 dB.

C. Từ -10 dB đến 100dB.

D. Từ 0 dB đến 130 dB.

Lời giải:

Chọn D.

Tai người có thể nghe âm có mức cường độ từ 0 đến 130 dB.

Câu 4. Âm cơ bản và hoạ âm bậc 2 do cùng một dây đàn phát ra có mối liên hệ với nhau như thế nào?

A. Hoạ âm có cường độ lớn hơn cường độ âm cơ bản.

B. Tần số hoạ âm bậc 2 lớn gấp đôi tần số âm cơ bản.

C. Tần số âm cơ bản lớn gấp đôi tần số hoạ âm bậc 2.

D. Tốc độ âm cơ bản lớn gấp đôi tốc độ hoạ âm bậc 2.

Lời giải:

Chọn B.

Âm cơ bản có tần số f, hoạ âm có tần số 2f, 3f …

Câu 5. Trong các nhạc cụ, hộp đàn có tác dụng gì?

A. Làm tăng độ cao và độ to của âm;

B. Giữ cho âm phát ra có tần số ổn định.

C. Vừa khuyếch đại âm, vừa tạo ra âm sắc riêng của âm do đàn phát ra.

D. Tránh được tạp âm và tiếng ồn, làm cho tiếng đàn trong trẻo.

Lời giải:

Chọn C.

Tính chất hộp cộng hưởng âm.

Câu 6. Tốc độ truyền âm trong không khí là 340m/s, khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên cùng một phương truyền sóng dao động ngược pha nhau là 0,85m. Tần số của âm là

A. f = 85Hz.             B. f = 170Hz.

C. f = 200Hz.             D. f = 255Hz.

Lời giải:

Chọn C.

Khoảng cách giữa hai điểm dao động ngược pha gần nhau nhất trên một phương truyền sóng là một nửa bước sóng λ = 1,7m. Sau đó áp dụng công thức tính bước sóng λ = v.T = v/f.

Câu 7. Một sóng cơ học có tần số f = 1000Hz lan truyền trong không khí. Sóng đó được gọi là

A. sóng siêu âm.

B. sóng âm.

C. sóng hạ âm.

D. chưa đủ điều kiện để kết luận.

Lời giải:

Chọn B.

Sóng âm là sóng cơ học có tần số từ 16Hz đến 20000Hz. Sóng hạ âm là sóng cơ học có tần số nhỏ hơn 16Hz. Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn 20000Hz.