ĐẠI CƯƠNG VỀ ÂM THANH VÀ TIẾNG ỒN

Chia sẻ: Le Thi Nhu Anh Anh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

158
lượt xem 82
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Về mặt vật lý, âm thanh là những sóng dao động xuất hiện trong các môi trường vật chất, chất khí, chất lỏng, chất rắn...gọi chung là môi trường đàn hồi khi chịu các lực kích thích. Những lực kích thích là nguồn âm (như dây đàn và màng trống khi rung hay tiếng nói – sự rung của các dây thanh v.v...), sóng dao động được gọi là sóng âm, và môi trường trong đó có sóng âm lan truyền gọi là trường âm....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ĐẠI CƯƠNG VỀ ÂM THANH VÀ TIẾNG ỒN

Ch¬ng 1 §¹i c¬ng vÒ ©m thanh vµ tiÕng ån 1.1. Nh÷ng kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ ©m thanh vµ tiÕng ån 1.1.1. Sãng ©m VÒ mÆt vËt lý, ©m thanh lµ nh÷ng sãng dao ®éng xuÊt hiÖn trong c¸c m«i trêng vËt chÊt, chÊt khÝ, chÊt láng, chÊt r¾n...gäi chung lµ m«i trêng ®µn håi khi chÞu c¸c lùc kÝch thÝch. Nh÷ng lùc kÝch thÝch lµ nguån ©m (nh d©y ®µn vµ mµng trèng khi rung hay tiÕng nãi – sù rung cña c¸c d©y thanh v.v...), sãng dao ®éng ®îc gäi lµ sãng ©m, vµ m«i tr- êng trong ®ã cã sãng ©m lan truyÒn gäi lµ trêng ©m. Sù xuÊt hiÖn vµ lan truyÒn cña sãng ©m trong m«i trêng ®µn håi ®îc gi¶i thÝch nh sau: Dao ®éng cña c¸c nguån ©m (vÝ dô mµng trèng) g©y ra ¸p lùc lµm nÐn hoÆc d·n lu©n phiªn c¸c phÇn tö m«i trêng (kh«ng khÝ) ë hai phÝa cña nã. Khi bÞ kÝch thÝch nh vËy, c¸c phÇn tö cña m«i trêng sÏ dao ®éng quanh mét vÞ trÝ c©n b»ng vµ truyÒn c¸c dao ®éng ®ã cã phÇn tö bªn c¹nh nhê vµo liªn kÕt ®µn håi gi÷a chóng. §Õn lît c¸c phÇn tö nµy sÏ truyÒn nh÷ng dao ®éng ®i xa dÇn nguån ©m. Nh vËy sãng ©m thùc chÊt lµ sãng ¸p suÊt cña m«i trêng. Khi c¸c dao ®éng ©m truyÒn ®Õn tai ngêi, chóng sÏ t¸c ®éng lªn c¬ quan thÝnh gi¸c vµ cho ta c¶m gi¸c ©m thanh. Sù xuÊt hiÖn vµ lan truyÒn cña sãng ©m trong m«i trêng ®µn håi ®îc minh ho¹ trong h×nh 1.1. 3
H×nh 1.1: Minh ho¹ lan truyÒn cña sãng ©m trong m«i trêng ®µn håi Sãng ©m mang theo n¨ng lîng gäi lµ n¨ng lîng ©m, nguån n¨ng lîng nµy sÏ gi¶m dÇn trong trêng ©m. Khi cµng ®i xa khái nguån ©m, n¨ng l- îng ©m cµng bÞ chia sÎ cho mét lîng nhiÒu h¬n c¸c phÇn tö cho ®Õn khi t¾t h¼n. XÐt theo ph¬ng dao ®éng cña c¸c phÇn tö m«i trêng th× sãng ®îc chia thµnh c¸c d¹ng: - Sãng däc: Khi c¸c phÇn tö dao ®éng däc theo ph¬ng truyÒn sãng - Sãng ngang: Khi c¸c phÇn tö dao ®éng vu«ng gãc víi ph¬ng truyÒn sãng Trong c¸c chÊt khÝ vµ chÊt láng chØ cã sãng däc lan truyÒn, trong chÊt r¾n cã thÓ lan truyÒn ®îc c¶ sãng däc vµ sãng ngang. Trong m«i trêng ch©n kh«ng sãng ©m kh«ng thÓ lan truyÒn ®îc. §Æc biÖt trong c¸c tÊm máng nh sµn hoÆc têng nhµ cã thÓ lan truyÒn lo¹i sãng uèn. Sãng uèn rÊt cã ý nghÜa khi nghiªn cøu ph¬ng ph¸p c¸ch ©m cho c¸c kÕt cÊu nhµ cöa. C¸c lo¹i sãng däc, sãng ngang vµ sãng uèn trong chÊt r¾n ®îc minh ho¹ trªn h×nh 1.2. H×nh 1.2: C¸c lo¹i sãng ©m trong chÊt r¾n: a) sãng däc, b) sãng ngang, c) sãng uèn Do kÝch thíc h×nh häc cña nguån ©m mµ sãng ©m lan truyÒn trong m«i trêng cã d¹ng mÆt sãng kh«ng gièng nhau. Chóng ta ph©n biÖt ba d¹ng sãng: 4
- Sãng cÇu: Khi mÆt sãng lµ nh÷ng mÆt cÇu. C¸c nguån ®iÓm ph¸t n¨ng lîng ®ång ®Òu trong mét m«i trêng tÜnh ®ång nhÊt sÏ t¹o ra sãng cÇu. - Sãng ph¼ng: NÕu mÆt sãng lµ nh÷ng mÆt ph¼ng. Trong thùc tÕ kh«ng cã nh÷ng nguån ph¸t ra sãng ph¼ng, nhng ®èi víi nh÷ng ®iÓm ë xa nguån ©m ta cã thÓ xem sãng cÇu lµ sãng ph¼ng. - Sãng trô: Trêng hîp mÆt sãng lµ nh÷ng mÆt trô. H·y tëng tîng cã mét dßng xe « t« cïng lo¹i ch¹y nèi ®u«i nhau trªn ®êng, khi ®ã ta cã thÓ xem chóng nh mét nguån ©m ®êng ph¸t ra sãng trô. §Æc ®iÓm lan truyÒn ©m thanh cña sãng cÇu, sãng ph¼ng hay sãng trô kh«ng gièng nhau. §Æc biÖt kh¸c nhau ë sù suy gi¶m n¨ng lîng xa dÇn nguån ©m. 1.1.2. C¸c th«ng sè ®Æc trng cña ©m thanh vµ tiÕng ån ¢m thanh vµ tiÕng ån cã thÓ ®Æc trng b»ng nh÷ng th«ng sè vËt lý vµ sinh lý hay gäi lµ c¸c ®¹i lîng ©m kh¸ch quan vµ c¸c ®¹i lîng ©m chñ quan. VÒ vËt lý, ©m thanh vµ tiÕng ån ®îc ®Æc trng bëi c¸c ®¹i lîng: tÇn sè ©m, ¸p suÊt ©m, vËn tèc ©m, bíc sãng ©m, cêng ®é ©m, c«ng suÊt ©m…VÒ mÆt sinh lý ©m thanh vµ tiÕng ån ®îc ®Æc trng bëi ®é cao, ®é to, møc to, ©m s¾c, thêi gian t¸c ®éng, møc ©m… 1.1.2.1. Chu kú dao ®éng ©m vµ tÇn sè ©m Chu kú dao ®éng ©m (T) lµ thêi gian ®Ó c¸c phÇn tö thùc hiÖn ®îc mét dao ®éng ©m toµn phÇn. §¬n vÞ ®o cña chu kú lµ gi©y (s). TÇn sè dao ®éng ©m (f) lµ sè dao ®éng toµn phÇn mµ c¸c phÇn tö m«i trêng thùc hiÖn ®îc trong mét gi©y. §¬n vÞ tÇn sè lµ Hertz (Hz). TÇn sè vµ chu kú liªn hÖ víi nhau b»ng biÓu thøc : 1 1 T= hay f = f T ¢m thanh vµ tiÕng ån cã tÇn sè trong kho¶ng 20 – 20.000 Hz. C¸c sãng ©m cã tÇn sè nhá h¬n 20 Hz gäi lµ h¹ ©m, c¸c sãng ©m cã tÇn sè trªn 20.000Hz gäi lµ siªu ©m. 1.1.2.2. ¸p suÊt ©m ¸p suÊt ©m, ký hiÖu P, ®¬n vÞ N/m 2 (hay Pa) lµ ¸p suÊt d (¸p suÊt cã thªm so víi ¸p suÊt khÝ quyÓn tÜnh) cã trong trêng ©m. T¹i mçi ®iÓm cña trêng ©m ¸p suÊt thay ®æi theo chu kú tõ d¬ng (pha nÐn) sang ©m 5
(pha d·n). Tuy nhiªn ¸p suÊt t¸c ®éng lªn c¬ quan thÝnh gi¸c còng nh c¸c thiÕt bÞ ®o lêng ©m thanh lµ ¸p suÊt hiÖu dông P vµ ®îc tÝnh theo c«ng thøc: Pmax P= 2 (1.1) Trong ®ã Pmax lµ gi¸ trÞ ¸p suÊt cùc ®¹i t¬ng øng víi biªn ®é dao ®éng cùc ®¹i. Trong sãng ©m ph¼ng, quan hÖ gi÷a cêng ®é ©m (I), ¸p suÊt ©m (P) vµ mËt ®é n¨ng lîng ©m (E) ®îc thÓ hiÖn theo c¸c biÓu thøc. P2 I = ρ 0c0 (1.2) 1 P2 Vµ E= = (1.3) c0 ρ0 c0 2 Trong ®ã ρ0: khèi lîng riªng cña kh«ng khÝ (kg/m3) Gi¸ trÞ ρ0c0 gäi lµ trë ©m cña kh«ng khÝ. Trong ®iÒu kiÖn ¸p suÊt khÝ quyÓn b×nh thêng ë nhiÖt ®é 20 oC ta cã: ρ0c0 = 415 kg/m2s. ThÝ dô: TiÕng nãi thÇm ë c¸ch 1mÐt cã: P = 0,001 N/m 2 Nãi chuyÖn thêng c¸ch 1 mÐt : P = 0,1 N/m2 1.1.2.3. VËn tèc lan truyÒn sãng ©m §é lín vËn tèc lan truyÒn cña sãng ©m phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña m«i trêng, phô thuéc vµo ®é ®µn håi, mËt ®é vµ trë ©m cña m«i trêng. VËn tèc lan truyÒn sãng ©m C ®îc x¸c ®Þnh theo tû sè ®é ®µn håi m«i trêng E (modun Young) vµ mËt ®é m«i trêng ρ. §èi víi ©m cã ¸p suÊt ©m nhá th× vËn tèc lan truyÒn sãng ©m cã thÓ ®îc tÝnh theo c«ng thøc sau: E C = ρ (1.4) Tû sè gi÷a ¸p suÊt ©m P vµ vËn tèc dao ®éng ©m gäi lµ trë ©m cña m«i trêng. Trë ©m cña m«i trêng cµng lín th× sù mÊt m¸t n¨ng lîng ©m khi truyÒn sãng ©m cµng nhá. ë nhiÖt ®é 20 oC vµ ®é Èm 60 % kh«ng 6
khÝ cã trë sãng lµ 415 kg/m2s. MËt ®é vµ trë sãng cña mét sè m«i trêng nh trªn b¶ng 1.1. Trong m«i trêng kh«ng khÝ, vËn tèc ©m kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè nhng phô thuéc râ rÖt vµo nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ ®é Èm cña kh«ng khÝ vµ híng giã. NÕu ©m thanh truyÒn theo híng giã th× vËn tèc t¨ng lªn, vµ ngîc l¹i nÕu truyÒn theo ngîc chiÒu giã th× vËn tèc ©m thanh gi¶m ®i so víi vËn tèc ©m thanh truyÒn trong m«i trêng kh«ng khÝ ®øng yªn. Sù phô thuéc cña vËn tèc ©m trong kh«ng khÝ vµo nhiÖt ®é ®îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc. t C = Co (1 + ) 273 (1.5) C: vËn tèc ©m ë nhiÖt ®é to C Co: vËn tèc ©m ë nhiÖt ®é 0 oC B¶ng 1.1: MËt ®é vµ trë sãng cña mét sè m«i trêng M«i trêng MËt ®é ρ (kg/m3) Trë sãng ρc (kg/m2s) Kh«ng khÝ ë 20 oC 1,205 415 KhÝ Hydro 9.102 110 KhÝ Cacbonic 1,98 510 Níc cÊt 1,00.103 15.105 Nh«m 2,71.103 138.105 §ång 8,90.103 316.105 S¾t 7,90.10 3 405.105 ThÐp 7,80.103 390.105 Ch× 11,3.103 150.105 G¹ch 2,00.103 73.105 7
Bª t«ng cèt s¾t 2,60.103 133.105 Thuû tinh 3,00.103 120.105 Cao su ®· lu ho¸ 0,92.103 0,5.105 Khi nhiÖt ®é kh«ng khÝ t¨ng lªn 1 oC th× vËn tèc ©m t¨ng lªn kho¶ng 0,61 m/s. Trong tÝnh to¸n thùc tÕ, nÕu m«i trêng truyÒn ©m lµ kh«ng khÝ, vËn tèc ©m thêng ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc gÇn ®óng sau: C = Co + 0,61t (1.6) Trong ®ã C: vËn tèc ©m (m/s) t: nhiÖt ®é kh«ng khÝ (oC) Co = 331,5: vËn tèc ©m ë 0 oC ë nhiÖt ®é 20 oC vËn tèc ©m trong kh«ng khÝ tÜnh sÏ lµ 344 (m/s). Trong c¸c tÝnh to¸n thêng lÊy vËn tèc ©m lµ 340 (m/s) t¬ng øng víi nhiÖt ®é kh«ng khÝ ë 14 oC. VËn tèc ©m trong mét sè m«i trêng ®îc thèng kª nh trong b¶ng 1.2. B¶ng 1.2: VËn tèc ©m trong mét sè m«i trêng M«i trêng VËn tèc ©m (m/s) - ChÊt khÝ Kh«ng khÝ (0 oC) 331 Kh«ng khÝ (20 oC) 344 Hydrogen 1284 Oxygen 316 Carbon dioxide 340 - ChÊt láng Níc (25 oC) 1498 Níc biÓn (17 oC) 1510 ÷ 1550 o DÇu ho¶ (34 C) 1295 - ChÊt r¾n ThÐp 6100 Nh«m 6400 Gç th«ng 5260 8
KÝnh 5660 G¹ch 3650 Bª t«ng cèt thÐp 4500 §¸ granite 6000 1.1.2.4. Bíc sãng ©m Bíc sãng ©m λ lµ kho¶ng c¸ch ®o ®îc theo híng truyÒn sãng ©m gi÷a hai ®iÓm gÇn nhÊt cã cïng pha dao ®éng. Trong m«i trêng ®¼ng híng bíc sãng ©m liªn hÖ víi tÇn sè ©m (f) theo c«ng thøc: C λ = f (1.7) VÝ dô: Nèt ®µn thÊp nhÊt cña Piano cã tÇn sè f = 27,5 Hz th× bíc sãng λ = 12,5 m. Nèt ®µn cao nhÊt cña Piano cã tÇn sè f = 4000 Hz th× bíc sãng λ = 8,6 cm 1.1.2.5. Cêng ®é ©m Cêng ®é ©m t¹i mét ®iÓm trong kh«ng gian (ký hiÖu lµ I) lµ sè n¨ng lîng trung b×nh ®i qua mét ®¬n vÞ diÖn tÝch 1 m 2 vu«ng gãc víi ph¬ng truyÒn ©m trong mét gi©y. Cêng ®é ©m lµ mét ®¹i lîng cã xÐt ®Õn híng truyÒn ©m. Trong mét m«i trêng ®øng yªn, vËn tèc truyÒn n¨ng lîng sãng ©m b»ng vËn tèc truyÒn ©m. Cêng ®é ©m ®îc ®¸nh gi¸ trong trêng ©m chØ khi cã sãng ©m ch¹y. NÕu trªn ®êng ®i sãng ©m bÞ gÆp vËt c¶n th× nã t¹o thµnh sãng ®øng, khi Êy ®Æc trng cho n¨ng lîng cña trêng ©m ngêi ta dïng ®¹i lîng mËt ®é n¨ng lîng ©m trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch. §èi víi sãng ch¹y ph¼ng th× c- êng ®é ©m (I) vµ mËt ®é n¨ng lîng ©m (Eo) liªn hÖ víi nhau b»ng biÓu thøc: I = C.E o (1.8) §¬n vÞ cêng ®é ©m lµ W/m2. 1.1.2.6. C«ng suÊt ©m C«ng suÊt ©m cña mét nguån lµ n¨ng lîng ©m toµn phÇn do nguån ®ã sinh ra trong kh«ng gian bao quanh trong thêi gian 1 gi©y. 9
W = ￑ I n .dS S (1.9) S: DiÖn tÝch toµn phÇn mÆt kÝn bao quanh nguån ©m In: Cêng ®é ©m theo ph¬ng ph¸p tuyÕn víi mÆt S: Cêng ®é ©m do mét nguån ®iÓm hay mét nguån cã tÝnh ®èi xøng khi bøc x¹ vµo kh«ng gian tù do ®îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: W .Φ I= Ω.r 2 (1.10) Trong ®ã Φ lµ yÕu tè híng cña nguån (nÕu nguån ®iÓm Φ = 1), r lµ kho¶ng c¸ch tõ nguån ®Õn ®iÓm ®o ®¹c kh¶o s¸t, Ω lµ gãc khèi. §èi víi kh«ng gian tù do Ω = 4 π. §èi víi nöa kh«ng gian tù do Ω = 2π. C«ng suÊt ©m ®o b»ng W (watt). C«ng suÊt ©m phô thuéc tÝnh chÊt cña nguån mµ kh«ng phô thuéc c¸c ®iÒu kiÖn truyÒn sãng ©m. 1.1.2.7. Møc ©m ¢m thanh mµ tai ngêi nghe ®îc cã cêng ®é vµ ¸p suÊt thay ®æi trong mét ph¹m vi rÊt réng, ch¼ng h¹n ¸p suÊt ©m cã thÓ thay ®æi tõ møc nhá nhÊt 2 x 10-5 N/m2 ®Õn møc lín nhÊt lµ 2.10 1 N/m2, nh vËy møc kh¸c biÖt lµ mét triÖu lÇn. T¬ng tù nh vËy cêng ®é ©m thanh thay ®æi ®Õn 1012 lÇn. Sù thay ®æi qu¸ lín g©y bÊt tiÖn vµ trë ng¹i cho viÖc ®o l- êng vµ ®¸nh gi¸ ©m thanh. Mét vÊn ®Ò ®¸ng quan t©m khi so s¸nh møc ®é c¶m nhËn ©m thanh cña tai ngêi lµ tai ngêi ph©n biÖt ¸p suÊt ©m gi÷a 1 Pa vµ 2 Pa còng gièng nh gi÷a 5 Pa vµ 10 Pa. Weber Fechner ph¸t hiÖn r»ng c¶m gi¸c ©m thanh cña tai kh«ng tû lÖ bËc nhÊt víi n¨ng lîng kÝch thÝch mµ tû lÖ víi logarit cña nã. §ã chÝnh lµ c¬ së cña mét ®¬n vÞ ®¸nh gi¸ ©m thanh míi theo thang logarit gäi lµ møc ©m. VËy møc ©m lµ ®¬n vÞ ®¸nh gi¸ ©m thanh theo thang logarit cña tû sè gi÷a ¸p suÊt hoÆc cêng ®é ©m cÇn ®o víi ¸p suÊt vµ cêng ®é ©m ®îc lÊy lµm tiªu chuÈn so s¸nh. Quan hÖ gi÷a møc ®é c¶m nhËn vµ n¨ng lîng kÝch thÝch ©m thanh cña tai ngêi ®îc minh ho¹ nh h×nh 1.3. 10
H×nh 1.3: Quan hÖ gi÷a møc ®é c¶m nhËn vµ n¨ng lîng kÝch thÝch ©m thanh cña tai ngêi. Theo quy íc quèc tÕ, c¸c trÞ sè cña chuÈn so s¸nh ®îc lÊy t¬ng øng víi c¸c trÞ sè trung b×nh nhá nhÊt mµ tai ngêi c¶m thô ®îc, gäi lµ ngìng quy íc. Nh vËy c¸c trÞ sè cêng ®é vµ ¸p suÊt ©m ë ngìng quy íc t¬ng øng lµ: Io = 10-12 (W/m2) vµ Po = 2.10-15 (N/m2) Møc cêng ®é ©m ®îc tÝnh theo c«ng thøc: I LI = 10.lg (1.11) Io Møc ¸p suÊt ©m ®îc tÝnh nh sau: 2 �p � p LP = 10.lg � � = 20.lg (1.12) p �o � po Trong ®ã I vµ P lµ cêng ®é vµ ¸p suÊt ©m cÇn ®¸nh gi¸, ®¬n vÞ lµ ®Ò xi ben (dB). Møc c«ng suÊt ©m: W LW = 10.lg (dB) Wo (1.13) 11
Møc mËt ®é n¨ng lîng ©m: E LE = 10.lg (dB ) (1.14) Eo Trong ®ã W vµ E lµ c«ng suÊt vµ mËt ®é n¨ng lîng ©m cÇn ®o. Wo = 10-12 (W) lµ c«ng suÊt ©m ë ngìng quy íc, Eo = 3.10-15 (J/m3) lµ mËt ®é n¨ng lîng ©m ë ngìng quy íc. Trong trêng ©m tù do, ®èi víi sãng ph¼ng th× møc ¸p suÊt ©m b»ng møc cêng ®é ©m vµ ®îc gäi chung lµ møc ©m. Quan hÖ gi÷a cêng ®é, ¸p suÊt vµ møc ©m ®îc thÓ hiÖn trªn ®å thÞ h×nh 1.4. H×nh 1.4: Quan hÖ gi÷a cêng ®é, ¸p suÊt vµ møc ©m Thùc tÕ cho thÊy sù thay ®æi møc ©m nhá nhÊt mµ tai ngêi cã thÓ ph¸t hiÖn ®îc lµ 1 dB, nhng thay ®æi 3 dB míi ®îc xem lµ thay ®æi nhá nhÊt cã ý nghÜa. C¸c phÐp ®o ©m häc th«ng thêng cho phÐp sai sè 1 ÷ 2 dB. §é lín møc ©m cña mét sè nguån ©m thêng gÆp trong thùc tÕ vµ trong s¶n xuÊt ®îc tr×nh bµy trong b¶ng 1.3 vµ 1.4. B¶ng 1.3: Møc ©m cña mét sè nguån ån thêng gÆp 12
Møc ®é ån Møc ©m, dB Trêng hîp ®iÓn h×nh Ngìng ®au tai: ®éng c¬ m¸y bay 120 gÇn; sÐt ®¸nh gÇn; trong ga tµu ®iÖn ngÇm Kh«ng thÓ nãi chuyÖn 110 TiÕng cßi tµu; tµu ho¶ ch¹y qua ga Díi cÇu ®êng s¾t khi tµu ch¹y; trong 100 toa tµu ®iÖn ngÇm, ga tµu ho¶ Xëng c¬ khÝ; phßng m¸y qu¹t giã 90 trong kh¸ch s¹n lín Khã nãi chuyÖn Xëng in; nót giao th«ng ®«ng ®óc; 80 phßng ®îi xe; siªu thÞ Ph¶i to giäng R¹p h¸t: cöa hµng; hµnh lang ng©n khi nãi 70 hµng; trô së ån chuyÖn Cöa hµng; nhµ ¨n, tiÕng nãi b×nh th- 60 êng; hµnh lang kh¸ch s¹n, c¬ quan 50 Phßng kh¸n gi¶ r¹p chiÕu bãng 40 Radio më nhá; vïng nhµ yªn tÜnh Nãi chuyÖn dÔ dµng 30 Vïng n«ng th«n; studio ph¸t thanh 20 TiÕng l¸ r¬i khi giã nhÑ 10 Giã rÊt nhÑ 0 Ngìng nghe cña tai ngêi B¶ng 1.4: Møc ©m cña mét sè nguån ån trong s¶n xuÊt c«ng nghiÖp 13
Nguån ån Møc ¸p suÊt ©m N¬i ®o dBA Nãi chuyÖn thêng 55 - 65 C¸ch 1 mÐt M¸y dÖt kim 83 - 93 TÇm tai c«ng nh©n PX c¬ khÝ: m¸y tiÖn, bµo 85 - 95 TÇm tai c«ng nh©n Ph©n xëng sîi con 85 - 95 TÇm tai c«ng nh©n M¸y dÖt thoi (c¸c lo¹i) 85 - 102 TÇm tai c«ng nh©n M¸y khoan ®¸ cÇm tay (khÝ 100 - 105 TÇm tai c«ng nÐn) nh©n M¸y cña ®Üa khi ca gç r¾n 100 - 105 TÇm tai c«ng nh©n M¸y mµi kim lo¹i cÇm tay 100 - 105 TÇm tai c«ng nh©n M¸y t¸n ri vÒ trªn cÇu 100 - 110 TÇm tai c«ng nh©n M¸y nÐn khÝ 100 - 105 TÇm tai c«ng nh©n §éng c¬ > 100 m· lùc, kh«ng 105 - 115 C¸ch miÖng x¶ 1m gi¶m ©m §éng c¬ ph¶n lùc Trªn 140 1.1.2.8. Møc ©m t¬ng ®¬ng Møc ¸p suÊt ©m t¬ng ®¬ng cña ©m thanh cã møc thay ®æi theo thêi gian cã gi¸ trÞ b»ng gi¸ trÞ møc ¸p suÊt ©m cña mét ©m thanh liªn 14
tôc, æn ®Þnh trong suèt thêi gian T, cã cïng gi¸ trÞ ¸p suÊt ©m b×nh ph- ¬ng trung b×nh. Møc ©m t¬ng ®¬ng ®îc tÝnh theo c«ng thøc sau: � 1 t2 P 2 (t ) � LeqT =10.lg � dt � (1.15) � − t1 t1 P0 2 t2 � Víi LeqT: Lµ møc ¸p suÊt ©m t¬ng ®¬ng liªn tôc trong kho¶ng thêi gian T, b¾t ®Çu t1 vµ kÕt thóc ë t2. Po lµ ¸p suÊt ©m ë ngìng kh«ng quy - íc Po = 2.10-5 (N/m2). P(t) lµ ¸p suÊt ©m tøc thêi. 1.1.2.9. Møc to C¸c ®¹i lîng møc ¸p suÊt ©m, møc cêng ®é ©m ®· nãi ë trªn cã ph¶n ¸nh ®îc mét phÇn vÒ c¶m gi¸c cña c¬ quan thÝnh gi¸c ®èi víi ©m thanh, tuy nhiªn chóng vÉn cßn h¹n chÕ cha thÓ ®Æc trng cho c¶m gi¸c cña tai ®îc. Nh÷ng ©m thanh cã cïng møc cêng ®é ©m thanh nhng cã c¸c tÇn sè kh¸c nhau l¹i g©y nªn nh÷ng c¶m gi¸c kh¸c nhau. Ngîc l¹i nh÷ng ©m thanh cã cêng ®é vµ tÇn sè kh¸c nhau l¹i cã thÓ cho cïng mét c¶m gi¸c vÒ ®é to. C¶m gi¸c chñ quan vÒ cêng ®é ©m cña c¬ quan thÝnh gi¸c ®- îc ®¸nh gi¸ b»ng møc to. Thêng ngêi ta kh«ng dïng gi¸ trÞ chñ quan tuyÖt ®èi cña ®é to mµ dïng møc, so víi "møc kh«ng" quy íc. Møc kh«ng quy - íc cña ®é to ©m thanh ë tÇn sè 1000 Hz øng víi ¸p suÊt ©m lµ 2.10 -5 (N/m2). §¬n vÞ cña møc to lµ ph«n. Ph«n lµ hiÖu gi÷a hai møc cêng ®é ©m cã gi¸ trÞ h¬n kÐm nhau 1 dB cña ©m thanh chuÈn ë tÇn sè 1000 Hz. Nh vËy møc to phô thuéc vµo cêng ®é ©m thanh vµ tÇn sè. 1.1.3. Phæ tÇn sè ©m thanh vµ tiÕng ån TiÕng ån gåm v« sè nh÷ng ©m thanh cã cêng ®é ©m vµ tÇn sè kh¸c nhau. Trong thùc tÕ nÕu chØ ®¸nh gi¸ ©m thanh theo mét møc ©m tæng céng lµ cha ®ñ mµ cÇn ph¶i ph©n tÝch chóng theo c¸c tÇn sè. Tuy nhiªn viÖc ph©n tÝch ©m thanh trªn mçi tÇn sè trong ph¹m vi 20 ÷ 20000 Hz lµ kh«ng thÓ thùc hiÖn ®îc vµ còng kh«ng thùc sù cÇn thiÕt. V× vËy ®Ó thèng nhÊt, ISO ®Ò nghÞ sö dông c¸c d·y tÇn sè ©m tiªu chuÈn khi nghiªn cøu ©m thanh còng nh khi chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ ®o ©m thanh. Mçi d·y tÇn sè ®îc x¸c ®Þnh bëi tÇn sè giíi h¹n díi f1 vµ tÇn sè giíi h¹n trªn f2. Khi ®ã bÒ réng cña d·y tÇn sè ®îc x¸c ®Þnh: ∆f = f2 - f1 (1.16) Khi chän mét d·y tÇn sè nghiªn cøu, bé läc tÇn sè chØ cho n¨ng lîng ©m thanh cña c¸c tÇn sè n»m gi÷a ph¹m vi cña tÇn sè giíi h¹n x¸c ®Þnh cña d·y nµy ®i qua. 15
Cã ba d·y tÇn sè ©m chÝnh: f2 - D·y 1 èc ta khi = 2 f1 1 1 f2 - D·y èc ta khi = 2 2 =1,41 2 f1 1 1 f - D·y èc ta khi 2 = 2 3 =1,26 3 f1 Tªn cña mçi d·y thêng ®îc gäi theo tÇn sè trung b×nh cña d·y vµ ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 1 ftb = (f1 . f2) 2 (1.17) D·y tÇn sè 1 èc ta thêng ®îc sö dông trong nghiªn cøu tiÕng ån c¸c 1 khu d©n c, trong thµnh phè vµ trong phßng. D·y tÇn sè èc ta thêng ®- 3 1 îc sö dông trong nghiªn cøu c¸ch ©m cña kÕt cÊu nhµ cöa. D·y tÇn sè 2 èc ta Ýt ®îc sö dông. C¸c tÇn sè giíi h¹n vµ tÇn sè trung b×nh cña d¶i 1 1 èc ta vµ èc ta ®îc tr×nh bµy trªn b¶ng 1.5. 3 1 B¶ng 1.5: C¸c tÇn sè giíi h¹n vµ tÇn sè trung b×nh cña d¶i 1 èc ta vµ 3 èc ta Giíi h¹n cña d¶i, Hz Tªn d¶i, Hz 1 èc ta 1 1 èc ta 1 èc ta èc ta 3 3 45 - 56 50 45 - 90 56 - 71 63 63 71 - 90 80 90 - 112 100 90 - 180 112 - 140 125 125 140 - 180 160 16
180 - 224 200 180 - 355 224 - 280 250 250 280 - 355 315 355 - 450 400 355 - 710 450 - 560 500 500 560 - 710 630 710 - 900 800 710 - 1400 900 - 1120 1000 1000 1120 - 1400 1250 1400 - 1800 1600 1400 - 2800 1800 - 2240 2000 2000 2240 - 2800 2500 2800 - 3540 3150 2800 - 5600 3540 - 4500 4000 4000 4500 - 5600 5000 5600 - 7100 6300 5600 - 11200 7100 - 9000 8000 8000 900 - 11200 10000 1.2. Sù truyÒn ©m thanh vµ tiÕng ån 1.2.1. Sù truyÒn ©m ngoµi trêi Sù truyÒn ©m ë ngoµi trêi cã nh÷ng ®Æc ®iÓm sau: - Kh«ng gian ngoµi trêi lµ trèng tr¶i, v× vËy sãng ©m chØ lan truyÒn mµ kh«ng cã sãng trë l¹i. Sãng ©m nh vËy gäi lµ sãng ch¹y. - Sù truyÒn ©m chÞu ¶nh hëng cña thêi tiÕt nh giã, sù ph©n bè nhiÖt ®é theo chiÒu cao tõ mÆt ®Êt. - Sù truyÒn ©m chÞu ¶nh hëng hót ©m cña vËt liÖu bÒ mÆt. 17
- Trªn ®êng truyÒn ©m cã thÓ gÆp chíng ng¹i vËt nh nhµ cöa, c©y cèi. V× nh÷ng ®Æc ®iÓm trªn, khi ©m thanh lan truyÒn trong kh«ng khÝ, n¨ng lîng ©m sÏ gi¶m dÇn theo kho¶ng c¸ch xa dÇn nguån ©m. 1.2.1.1. Sù t¾t dÇn ©m thanh trong kh«ng khÝ Khi ©m thanh lµn truyÒn trong kh«ng khÝ, n¨ng lîng ©m gi¶m dÇn theo kho¶ng c¸ch xa dÇn nguån ©m vµ x¶y ra hiÖn tîng t¾t dÇn cña ©m thanh. HiÖn tîng nµy lµ do c¸c nguyªn nh©n sau: - Sù gi¶m n¨ng lîng ©m theo kho¶ng c¸ch: cµng xa nguån ©m, n¨ng lîng ©m ph¶i chia sÎ cho mét khèi lîng c¸c phÇn tö m«i trêng cµng lín. - Sù hót ©m cña kh«ng khÝ (sù hót ©m nguyªn tö): gi¶m n¨ng lîng ©m do ma s¸t cña c¸c phÇn tö m«i trêng khi thùc hiÖn dao ®éng. a. Sù gi¶m n¨ng lîng ©m theo kho¶ng c¸ch Trêng hîp nguån ©m lµ nguån ®iÓm NÕu mét nguån ©m ®iÓm cã c«ng suÊt P (W) bøc x¹ sãng cÇu, ë mét ®iÓm c¸ch nguån ©m mét kho¶ng r (m), cêng ®é ©m ®îc tÝnh theo c«ng thøc: P Ir = (1.18) 4π r 2 Theo c«ng thøc trªn, mçi khi kho¶ng c¸ch r t¨ng lªn Êp ®«i, cêng ®é ©m sÏ gi¶m ®i bèn lÇn. Sù gi¶m n¨ng lîng cña sãng cÇu theo kho¶ng c¸ch nµy gäi lµ quy luËt gi¶m tû lÖ nghÞch víi b×nh ph¬ng kho¶ng c¸ch. Logarit ho¸ hai vÒ cña c«ng thøc 1.18, ta x¸c ®Þnh ®îc møc ©m t¹i ®iÓm c¸ch nguån ©m mét kho¶ng r 1 Lr = LP + 10.lg (1.19) 4π r 2 Hay Lr = Lp - 20.lgr - 11 (1.20) Trong ®ã: Lr møc ©m t¹i kho¶ng c¸ch r (dB) Lp: møc c«ng suÊt ©m cña nguån (dB) §é chªnh lÖch møc ©m t¹i c¸c ®iÓm c¸ch nguån ©m c¸c kho¶ng c¸ch r1 vµ r2 (víi r2 > r1) ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 18
r2 ∆L = L1 − L2 = 20.lg (dB ) r1 (1.21) Theo c«ng thøc 1.21 mçi khi kho¶ng c¸ch t¨ng 2 lÇn møc ©m sÏ gi¶m 6 dB. VÝ dô ë mét vÞ trÝ c¸ch nguån ©m mét kho¶ng 50 m, møc ©m cã ®é lín lµ 95 dBA, th× ë vÞ trÝ c¸ch nguån ©m 100 m, møc ©m sÏ lµ 89 dBA vµ ë vÞ trÝ c¸ch nguån ©m 200 m, møc ©m sÏ lµ 83 dBA. Sù gi¶m ©m theo kho¶ng c¸ch cña nguån ©m ®iÓm ®îc minh ho¹ trªn h×nh 1.5. H×nh 1.5: Minh ho¹ sù gi¶m ©m theo kho¶ng c¸ch cña nguån ©m ®iÓm Trêng hîp nguån ©m lµ nguån d·y (nguån ©m ®êng) Víi nguån ©m ®êng (bøc x¹ sãng trô), ®é gi¶m cêng ®é ©m tõ kho¶ng c¸ch r1 (I1) ®Õn kho¶ng c¸ch r2 (I2) theo quan hÖ: I1 r2 = (1.22) I 2 r1 §é chªnh lÖch møc ©m gi÷a c¸c ®iÓm c¸ch nguån c¸c kho¶ng c¸ch r1 vµ r2 lµ: r2 ∆L = 10.lg r1 (1.23) C«ng thøc trªn cho thÊy ®èi víi nguån ©m ®êng, mçi khi kho¶ng c¸ch t¨ng lªn gÊp ®«i møc ©m sÏ gi¶m ®i 3 dB. Ch¼ng h¹n cã mét møc ©m 95 dBA ë kho¶ng c¸ch 50m. Nh vËy ë kho¶ng c¸ch gÊp ®«i møc ©m 19
sÏ lµ 92 dBA, vµ ë 200m møc ©m sÏ lµ 89 dBA. Sù gi¶m ©m theo kho¶ng c¸ch cña nguån ©m ®êng ®îc minh ho¹ trªn h×nh 1.6. H×nh 1.6: Sù gi¶m ©m theo kho¶ng c¸ch cña nguån ©m ®êng b. Sù hót ©m cña kh«ng khÝ Sù hót ©m cña kh«ng khÝ phô thuéc nhiÒu vµo tÇn sè ©m, ®ång thêi phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ ®é Èm cña kh«ng khÝ, vµ ®îc x¸c ®Þnh theo ®é gi¶m møc ©m trªn mçi mÐt chiÒu dµi truyÒn ©m. Sù hót ©m cña kh«ng khÝ ë nhiÖt ®é 20 oC ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.7. 20
H×nh 1.7: Sù hót ©m cña kh«ng khÝ ë nhiÖt ®é 20 oC VÝ dô: X¸c ®Þnh ®é gi¶m møc ©m cña mét nguån ®iÓm ph¸t sãng cÇu tõ kho¶ng c¸ch nguån 1m ®Õn kho¶ng c¸ch 50 m ë ngoµi trêi cã ®é Èm 80 % t¹i c¸c tÇn sè 1000 Hz vµ 2000 Hz. Híng dÉn: §é gi¶m møc ©m theo kho¶ng c¸ch ∆L1 = 20.lg50 = 34 dB §é gi¶m møc ©m ®o sù hót ©m cña kh«ng khÝ (ë nhiÖt ®é 20 0C vµ ®é Èm 80%): TÇn sè 1000 Hz: ∆L2 = 0,0014 . 50 = 0,07 dB TÇn sè 2000 Hz: ∆L2 = 0,0055 . 50 = 0,275 dB §é gi¶m møc ©m tæng céng ë kho¶ng c¸ch 50m so víi kho¶ng c¸ch 1m TÇn sè 1000 Hz: ∆L = ∆L1 + ∆L2 = 34,07 dB TÇn sè 2000 Hz: ∆L = ∆L1 + ∆L2 = 34,275 dB C¸ch x¸c ®Þnh møc ©m tæng céng cña nhiÒu nguån Møc ©m t¹i mét ®iÓm trong kh«ng gian cã thÓ do nhiÒu nguån ©m truyÒn tíi. Khi ®ã møc ©m t¹i ®iÓm kh¶o s¸t lµ møc ©m tæng céng cña c¸c møc ©m thµnh phÇn (kh«ng xÐt ®Õn sù lÖch pha cña c¸c møc truyÒn tíi). * Trêng hîp cã hai møc thµnh phÇn ¢m truyÒn tíi ®iÓm kh¶o s¸t gåm hai møc thµnh phÇn L 1, L2 tõ hai h- íng kh¸c nhau: I1 L1 = 10lg (1.24) I0 I2 Vµ L2 = 10lg (1.25) I0 Møc ©m tæng céng t¹i ®iÓm kh¶o s¸t ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 21
I1 + I 2 L12 = 10. lg I0 (1.26) + NÕu L1 = L2, nh vËy I1 = I2 ta cã: I1 L12 = 10.lg 2 = L1 + 10 lg 2 = L1 + 3 (dB) (1.27) I0 Nh vËy nÕu hai møc ©m truyÒn ®Õn b»ng nhau, møc ©m tæng céng sÏ b»ng trÞ sè cña mét møc céng thªm 3 dB. §é t¨ng møc ©m theo ®é t¨ng cña nguån ©m ®îc minh ho¹ nh h×nh 1.8 H×nh 1.8: §é t¨ng møc ©m theo ®é t¨ng cña nguån ©m + NÕu L1 > L2, nghÜa lµ I1 > I2. Chän a (a < 1) lµ hÖ sè biÓu thÞ ®é chªnh lÖch gi÷a I1 vµ I2 khi ®ã I2 = aI1. Do ®ã: al1 L2 = 10lg (1.28) I0 Møc ©m tæng céng L12: I 1 + a.I 2 L12 = 10.lg L1 + 10 lg (1 + a ) I0 (1.29) Gäi ∆L = 10.lg (1 + a) lµ møc ©m gia t¨ng, nh vËy L12 = L1 + ∆L. TrÞ sè ∆L phô thuéc chªnh lÖch c¸c møc ©m thµnh phÇn (L1 - L2) 22