Các thuộc tính của sóng âm thanh

1.  Tốc độ của âm thanh (The Speed of Sound)

Trong bất kỳ vật chất nhất định nào, âm thanh không thay đổi tốc độ (vận tốc) khi rời khỏi nơi nó xuất phát (nguồn phát). Tốc độ nhanh như thế nào là tùy thuộc vào vật chất đó.

Thí dụ trong nước, âm thanh di chuyển nhanh hơn bốn lần so với khi nó ở trong không khí. Trong thép hay sắt, tốc độ của âm thanh nhanh khoảng mười lăm lần so với trong không khí. Sự khác biệt này có thể khá dễ dàng chứng minh bởi hai người, nói với nhau cách khoảng 50 mét dọc theo một lan can bằng sắt hay đường rầy xe lửa. Nếu một người đọc “rap” trên đường sắt với một cái búa, người thứ hai sẽ nghe thấy âm thanh hai lần, một lần nghe những rung động đi qua các rào chắn và một lần nữa một sau khi nó với đi ở tốc độ thấp hơn trong không khí. Âm thanh cũng đi với tốc độ khác nhau thông qua các loại khí gas. Giọng nói the thé giống như đứa trẻ của một người đã hít hơi heli từ một quả bóng là kết quả của các sóng âm thanh vận tốc cao hơn trong hơi gas heli khi nó đi qua các hộp thoại (voice box) và miệng.

Trong không khí, vật chất mà chúng ta đang chú trọng nhất, tốc độ của âm thanh là khoảng 344 mét / giây (1.130 feet / giây). Sóng âm truyền qua không khí đều ở tốc độ này dù nó là nhỏ nhẹ hay lớn, tần số thấp hay cao, có tính chất đơn giản hay phức tạp, bởi vì tốc độ này là bình thường, không bị ảnh hưởng với những thay đổi của áp suất.

Tốc độ của âm thanh thay đổi rất ít theo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển, trừ khi các yếu tố này ảnh hưởng đến tính chất vật lý (độ đàn hồi và mật độ) của không khí. Đây là một vấn đề cho các nhạc công chơi nhạc cụ có cao độ hay bị tăng giảm do những thay đổi nói trên (chủ yếu là nhạc cụ hơi). Đối với nhiều sự tính toán thực tế đều có liên quan đến pro-sound, mặc dù, tất cả các sóng âm thanh có thể giả định là được di chuyển với tốc độ nêu trên.

2.  Biên độ (Amptitude)

Sức mạnh, hay cường độ của sóng âm tại một thời điểm tức thời trong một thời gian được  gọi là biên độ (amptitude) của nó. Trong hình 2.4, biên độ được thể hiện là khoảng cách theo chiều dọc (chiều cao và chiều sâu) của sóng ở trên và dưới mức giữa. Đây là miêu tả sự thay đổi áp suất nén (phía trên mức giữa) và mở rộng (bên dưới mức giữa)) sinh ra trong không khí bởi sóng âm thanh, và cũng có thể miêu tả cho các tín hiệu điện trong các mạch nội bộcủa hệ thống âm thanh. Thuật ngữ biên độ có nghĩa tương tự như khối lượng (volume), độ lớn (loudness), và mức độ áp lực âm thanh (sound pressure level), và vài tên khác. Có sự khác biệt quan trọng, nhưng tinh tế giữa chúng, sẽ được thảo luận trong các bài viết sau.

Lưu ý rằng ở bên trái, chỉ có độ cao khác nhau, không phải chiều dài. Điều này sẽ còn dùng cho những bộ khuếch đại, tăng sức mạnh của tín hiệu mà không thay đổi tần số hay dạng sóng thiết yếu của nó. Loại thay đổi biên độ này cũng có thể được dùng bằng cách hiển thị nó trên một đồ thị thay đổi theo chiều dọc, như bạn thấy ở bên phải. Hình đồ thị của tập hợp các sóng âm có thể được kéo dài ra hay bị giảm đi, theo chiều dọc hay ngang, tùy theo thời gian và biên độ được sử dụng.

3.  Tần số (Frequency)

Tỷ lệ của bất kỳ loại chuyển động nào tự lặp lại chính nó được gọi là tần số. Đối với sóng âm thanh, tần số được đo bằng chu kỳ (cycle) trên mỗi giây, hay hertz. Thí dụ, trong một giây, nếu một cone loa đã hoàn tất việc chuyển động thứ hai được mô tả trong hình 2.1, tần số của nó sẽ là một chu kỳ / giây, hay một hertz (Hz). Nếu chuyển động này xảy ra một trăm lần mỗi giây, tần số (và hình thành các sóng âm thanh) sẽ là 100Hz. Nếu chuyển động xảy ra một nghìn lần mỗi giây, tần số của nó sẽ là 1000Hz hay kilohertz (1kHz). Khi tần số không kéo dài trọn một giây, tần số nói về số của chu kỳ (cycle) đó sẽ xảy ra nếu nó được để tiếp tục cho một tuần hoàn thứ hai với tỷ lệ tương tự.

Xem thêm Tần số đáp ứng của loa là gì?

Tai của con người có khả năng nghe suốt một dải tần số được gọi là phổ âm thanh, hay đơn giản là dải âm tần nghe được. Nói chung, phạm vi này được coi là từ 20Hz lên đến 20.000 Hz (20kHz). Trong các giới hạn xấp xỉ này, tần số phù hợp chặt chẽ với các cảm giác về cao độ âm thanh (pitch) tạo ra trong tai (tần số cao hơn, sẽ nghe được cao độ âm nhạc (pitch musical) cao hơn).

Phổ âm thanh là một dải tần kéo dài khoảng mười bát độ (octave), hay nhân đôi tần số. Các khái niệm về một bát độ là vấn đề cơ bản trong việc nghiên cứu âm nhạc, nhưng rất hữu ích và quan trọng trong việc nghiên cứu âm thanh nói chung nữa. Bát độ miêu tả một tỷ lệ (tỷ lệ 2:1), và nó là tỷ lệ giữa các tần số khác nhau mà tai chúng ta nghe chấp nhận, chứ không phải giá trị số thực tế giữa các tần số. Thí dụ, mức giữa của phổ âm thanh không phải là số Hz ở khoảng giữa 20 và 20.000 (mà sẽ là 10.010). Đúng hơn, nó là ở giữa số lượng các bát độ từ 20 đến 20.000 Hz, đó là khoảng 640Hz (xem hình 2.5).

Mười bát độ (octave) của phổ âm thanh có thể tưởng tượng như là một keyboard organ, tạo ra tất cả các âm thanh mà đôi tai của con người có thể nghe được. Mỗi âm thanh có những đặc điểm của nó, chủ yếu là do: (1) các tần số có liên quan, (2) sự tương đối của cường độ, và (3) cách thức mà các tần số và cường độ thay đổi theo thời gian.

Các đường phân chia của phổ âm thanh thực ra là hơi mang tính chủ quan.

Thông thường, điểm giữa của phổ là dùng cho các mục đích kỹ thuật, khoảng 1kHz. Dải tần rất rộng của hệ thống âm thanh tiêu biểu chỉ cần nhân bản từ khoảng 40Hz đến 14kHz. Trong thực tế, thậm chí ngay cả những (tin hay không, tùy) tần số cực thấp và cao này đều dùng với hầu hết các ứng dụng âm nhạc. Tuy nhiên, việc định rõ bên trên dải cần thiết đôi khi có thể là dấu hiệu đặc trưng mà thiết bị có thể đạt đến tần số cần có với hiệu quả hợp lý.

Phổ âm thanh cũng có thể được chia thành nhiều nhóm thập phân (decades), là ngôn ngữ âm thanh dùng để chỉ các dải tần nằm trong phạm vi tỷ lệ mười-một (ten-to-one). (Điều này cũng được gọi là một thứ tự của cường độ, các nhịp đếm được thể hiện bằng việc bổ sung một số không vào cuối của bất kỳ số nào). Các dải tần âm thanh có nhịp đếm khoảng ba nhóm thập phân: từ 20Hz đến 200Hz, từ 200Hz đến 2000Hz, và từ 2000Hz đến 20.000 Hz. Điều này có ích để chia phổ âm thanh, bởi vì thiết bị loa riêng biệt trong các ứng dụng pro-sound vốn đã bị hạn chế với khoảng một nhóm thập phân của dải tần số hiệu quả (điều này sẽ được dải thích trong chương 9).

Cần lưu ý rằng tai của chúng ta nhạy cảm với tần số biến đổi khác nhau trong phổ âm. Một số tần số nghe được dễ dàng hơn là những tần số khác, và các giới hạn trên dưới của đường phân chia không có nghĩa là bất di bất dịch. Thay vào đó khả năng nghe dần dần sẽ giảm đối với hai cực âm phổ (và cũng có thể rất khác nhau giữa mỗi người). Nó sẽ được dải thích trong chương 3 lý do tại sao điều này và đặc điểm đặc biệt khác của tiến trình cảm tính của con người có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng hệ thống âm thanh.

4.  Bước sóng (Wavelength)

Liên quan chặt chẽ đến tần số của sóng âm là bước sóng (wavelength) của nó (xem hình 2.6). Thuật ngữ này mô tả độ dài một sóng có tần số nhất định sẽ di chuyển trong không khí trong thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ. Đó cũng là khoảng cách giữa các điểm giống nhau ở hai chu kỳ liên tiếp khi nó di chuyển từ gốc của chúng. Âm thanh di chuyển trong không khí ở cùng một tốc độ, bước sóng sẽ khác nhau tỷ lệ nghịch với tần số (tần số cao hơn, bước sóng ngắn hơn).

So sánh như sau có thể hữu ích. Hãy tưởng tượng chúng ta đang quan sát một hàng người diễu hành ra khỏi cửa, tất cả đều cùng một tốc độ. Nếu những người này ra khỏi ngưỡng cửa với một khoảng thời gian bình thường (tần số), và tất cả họ đi cách nhau cùng một khoảng cách (bước sóng). Nếu họ giữ cùng một tốc độ mà tăng gấp đôi tỷ lệ mà họ đã đi qua các ô cửa (nhân đôi tần số), sau đó họ sẽ đi cách nhau chỉ có một nửa khoảng cách (một nửa bước sóng). Được coi là cách khác nổi bật hơn, người ở trong hàng với khoảng cách ngắn có thể nói qua một người quan sát với tần số lớn hơn mà họ đã làm khi khoảng cách xa hơn.

Bước sóng khác nhau tỷ lệ nghịch với tần số (nhân hai tần số bằng một nửa bước sóng). Bước sóng dài hơn, sẽ uốn cong dễ dàng hơn xung quanh nguồn của nó cũng như xung quanh những chướng ngại trên đường đi của nó.
Mối quan hệ này được thể hiện theo công thức:

Bước sóng (λ) = tốc độ của âm thanh (~ 1130ft / giây)
Tần số (Hz)

Một sóng âm thanh 20Hz dài khoảng 17 mét (~ 56 feet), trong khi một sóng 20kHz chỉ khoảng 17millimeters (~ hai phần ba của một inch). Bước sóng giữa hai cực tùy theo công thức trên (tỷ lệ nghịch với tần số). (Để tham khảo, ở chương 9 sẽ có một biểu đồ của các bước sóng tương đối đúng của phổ âm).

Khái niệm về bước sóng đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế các speaker, horn và tweeter cho phù hợp, cũng như phải hiểu cách xử lý sóng âm trong các môi trường vật lý khác nhau. Nguồn âm thanh rất nhỏ hay nhẹ không thể phát ra âm thanh tốt hơn so với các bước sóng mà nó tạo ra. Đây là lý do chính để dải thích tại sao các thiết bị loa tần số thấp (low frequency speaker) sẽ lớn hơn nhiều so với các thiết bị loa tần số cao (high frequency speaker) khác. Thực ra, thiết bị tần số thấp sẽ quá lớn để có sự hữu dụng, do đó, thường dùng horn tần số thấp (low frequency horn) hay thùng loa với kích thước và thiết kế đã được thoả thuận..

Chiều dài của một sóng âm cũng ảnh hưởng đến khả năng vượt qua những chướng ngại khác nhau trong đường đi của nó, chẳng hạn như tường ngăn, cột trụ, cơ thể con người và đầu người. Bước sóng ngắn (tần số cao) có khuynh hướng phản xạ hay bị hấp thụ bởi những chướng ngại như vậy, trong khi các bước sóng dài nhất của phổ âm (tần số thấp) có khuynh hướng di chuyển chung quanh hay băng qua mọi thứ trên con đường phát tán của nó.